（环境工程专业论文）毛乌素沙漠景观的遥感分析.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 毛乌素沙漠景观的遥感分析 环境工程 邱立 巨天乙 摘要 ( 签名) ( 签名) 本文主要研究工作是根据已有研究区c b e r s 影像( 2 0 0 6 年5 月) 及地形图资料，以 1 9 9 7 年t m 影像为参照，借助遥感处理软件e r d a s 对遥感图像进行预处理及几何精校正， 并进一步分析研究区植被特点，分为8 个景观要素，通过人机交互解译处理后的影像， 得至u 2 0 0 6 年沙地景观分类图，把景观分类结果输入软件f r a g s t a t s ，计算出景观格局 指数。在对特征指数的横向分析比较和实地效验过程中，分析景观各要素分布动态，系 统阐述类型斑块的特点，总结沙地景观中主导型的景观要素，并提出促进异质共生和提 高景观稳定性的建议。主要研究成果如下： ( 1 ) 建立了沙漠地区中巴卫星数据的处理模式，采用了波段配准、傅立叶变换、锐 化增强处理等校正前工作，增强处理效果显著。处理后的图像进行几何精校正，提高了 控制点的选取精度，适用于沙漠地区的图像处理。 ( 2 ) 几何精校正过程中，控制点的选取在2 0 个左右，过多将会影响校正精度，控制 点要均匀分布于整幅图，特别是沙漠地带的边缘部分。 ( 3 ) 对荒漠化地区景观要素监督分类时，建立了各景观要素在影像上的解译标志； 获取分类信息时，基于沙地的特点，主要以光标取点为主。 ( 4 ) 通过对沙地景观格局特征指数的描述和比较：沙地斑块在各景观要素中占绝对 优势，且不易破碎，治沙是个长期过程；除沙地外，灌木、草地镶嵌斑块的景观粒度较 大，分布较广，占有主导优势，是沙地中主要的植被类型；林地、水体与人工斑块( 居 民用地和农田用地) 分布较少，面积小，林地类型连通性低，水体类型破碎化程度较为 严重，人工斑块的破碎化程度低，并未影响沙区生态系统的稳定性；计算沙地景观的多 样性指数、均匀度指数和优势度指数。 关键词：毛乌素沙漠；几何校正；景观格局；景观指数 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e m o t es e n s i n ga n a l y s i so nt h el a n d s c a p eo ft h em uu sd e s e r t s p e c i a l t y ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g n a m e：q i ul i s u p e r v i s o r ：j ut i a n y i a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u i nt h i sp a p e r , s u r f a c ei n f o r m a t i o ni so b t a i n e dt h r o u g hr e m o t es e n s i n gt e c h n o l o g y u s i n gt h em e t h o d so fr e m o t es e n s i n ga n dl a n d s c a p ee c o l o g y , t h ea u t h o ra n a l y z e dt h ed y n a m i c c h a n g e so fs a n d ye c o l o g i c a ll a n d s c a p ei nr e s e a r c ha r e a c o m p a r i n gt h ec b e r si m a g e si nm a y2 0 0 6w i t ht h et mi m a g e si n19 9 7 ，p r e t r e a t m e n t a n dg e o m e t r i cc o r r e c t i o no ft h er e m o t es e n s i n gi m a g e sa r ef i n i s h e db ys o f t w a r ee d a r s f u r t h e ra n a l y s i so nc h a r a c t e r i s t i c so fv e g e t a t i o n ，i tw a sc l a s s i f i e di n t oe i g h tl a n d s c a p e e l e m e n t s t h r o u g hh u m a nc o m p u t e ri n t e r a c t i o n ，t h e2 0 0 6l a n d s c a p ec l a s s i f i c a t i o nd i a g r a m i sc o m p l e t e d m o r e o v e r , c l a s s i f i c a t i o nr e s u l t sa r ep u ti n t ot h es o f t w a r ef r a g s t a t s ，a n d o u t p u ti sl a n d s c a p ep a t t e r ni n d e x b a s e do nt h eh o r i z o n t a lc o m p a r i s o no fc h a r a c t e r i s t i c i n d e x ，i nl a n dc h e c k - u p ，a n dt h ea n a l y s i so ft h ed i s t r i b u t i o no fl a n d s c a p ee l e m e n t s ，t h e c h a r a c t e ro ft y p ep l a q u ei ss y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e d f i n a l l y , t h ea u t h o rs u m m a r i z e dt h e m a j o re l e m e n t so fs a n d yl a n d s c a p e ，f u r t h e r m o r e ，m a d et h es u g g e s t i o nt h a th e t e r o g e n e o u s s y m b i o s i ss h o u l db ep r o m o t e da n dt h es t a b i l i t yo fl a n d s c a p ei m p r o v e d t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) p r o c e s s i n gm o d eo ft h ec b e r si m a g e si se s t a b l i s h e d ，t h es t u d i e so fb a n dr e g i s t e r , f o u r i e ra n a l y s i sa n dc r i s pe n h a n c e m e n tb l e n d si nt r e a t m e n t ，w h i c hs h o w e dag o o de f f e c t a f t e r t h ep r o c e s s i n gi m a g ec a r r i e so nt h eg e o m e t r yc o r r e c t i o n ，i n c r e a s e dt h ec o n t r o lp o i n ts e l e c t i o n p r e c i s i o n ，i ss u i t a b l et ot h ep r o c e s s i n go fd e s e r ta r e a ( 2 ) a b o u t2 0c o n t r o lp o i n t sc a nr e a c ht h ep r e c i s i o nd e m a n do nu n i f o r md i s t r i b u t i o n ， e s p e c i a l l yad e s e r tr e g i o nb o r d e rp a r t t h e r ei se f f e c to fp r e c i s i o nb yc h o o s i n gm o r et h a n2 0 c o n t r o lp o i n t si nt h ep r o c e s s ( 3 ) l a n d s c a p ee l e m e n tr e m o t es e n s i n gi n t e r p r e tt a gi se s t a b l i s h e d ，t h r o u g hs u p e r v i s e d c l a s s i f i c a t i o ni nd e s e r ta r e a t h ea u t h o ro b t a i n e dc l a s s i f i c a t i o ni n f o r m a t i o nb a s e do nt h e c h a r a c t e ro fd e s e r t ，m a i n l yw i t ht h ec u r s o r ( 4 ) a c c o r d i n gt od e s c r i p t i o na n dc o m p a r i s o nt h el a n d s c a p ei n d e x ，f i r s t l y , p a t c ho fs a n d p l a ya ni m p o r t a n tp a r ti nl a n d s c a p ee l e m e n ta b s o l u t e l y a sar e s u l t ，i ti sal o n gt e r mt o c o n t r o ld e s e r t ，w h i c hi si ni n t e g r i t y s e c o n d l y , l a n d s c a p eg r a i no fs h r u ba n dg r a s si s b i g g e r t h a no t h e r s ，t h em a i nt y p eo fs a n d - f i x i n gv e g e t a t i o na r es h r u ba n dg r a s sw i t h b r o a d l y d i s t r i b u t i o n t h i r d l y , t h ea r t i f i c i a lp a t c h ，w a t e rp a t c ha n dw o o d l a n dh a v eo p p o s i t e d i s t r i b u t i o nt r e n d ，o w n e dt h es m a l l e rl a n d s c a p ef r a g m e n t a t i o ni n d e x t h ef o r e s t l a n dt y p e c o n n e c t i v i t yi sl o w , t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h e r ei sn oe f f e c to ne c o l o g i c a ld a m a g ea n d d e s t r u c t i o nb ya c t i v i t yo fh u m a nw h i l ew a t e rl a n d s c a p ei sd o t t e da m o n go t h e rl a n d s c a p e s f i n a l l y , l a n d s c a p ed i v e r s i t yi n d e x ，l a n d s c a p ee v e n n e s si n d e xa n dd o m i n a n c ei n d e xa r e c a l c u l a t e di nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：m uu sd e s e r t g e o m e t r i cc o r r e c t i o n l a n d s c a p ep a t t e r nl a n d s c a p ei n d e x t h e s i st y p e ：a p p l i c a t i o n 娄料技太季 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 ， 学位论文作者签名：邱卫 日期：2 卯舒歹二易 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 一 一) 学位论文作者签名：血互指导教师签名：巨a u ，1 ， 伽b 拶年6 月日 1 绪论 1 绪论 沙漠化是指包括气候变异和人类活动在内的各种因素造成的干旱、半干旱和亚湿润 干旱地区的土地退化【l 】。它不仅造成荒漠化地区植被和地表形态的变化，生态环境的退 化还直接影响到人类经济生产、生活环境。我国沙漠的活化演变，其平均年活化速率为 0 0 8 ，也就是平均每年约6 1 0k m 2 的沙漠出现活化【2 】，主要发生在科尔沁沙地、浑善达 克沙地和毛乌素沙地等沙区。沙漠化问题日趋严重，警钟长鸣：北部、西北部的沙漠化 正向我们逼近。 荒漠研究已逐渐成为一个世界范围的热点领域。荒漠化评价、监测及荒漠化土地的 分类是目前国内外荒漠化研究中亟待解决的问题，长期以来备受国1 8 # 1 - 专家的关注与重 视。特别是r s 技术的迅速发展，对荒漠化的动态监测提供了有利的技术条件。 长期以来我们对荒漠化的研究仅局限于单一学科理论和技术方法，缺乏比较性、系 统性的研究。景观生态学以地理学与生态学为交叉点来研究沙漠问题是一种比较成熟的 方法。景观生态学的理论优势在于整体思维的运用及作为交叉学科的创新。我国景观生 态学研究从1 9 8 9 年召开第一届全国景观生态学讨论会之后已有长足进展，1 9 8 8 年以来 国家自然科学基金的景观生态研究项目已近3 0 项p j ，内容涉及城郊景观、农业景观、森 林景观、沙漠景观【4 j 等。 景观生态学方法可把沙漠化地区纳入土地利用覆盖的研究范围内，以景观及其结构 为主要研究对象。景观格局因人类活动范围的扩大和程度的加剧发生了不同程度的变 化。利用景观结构与格局研究可以剖析异质性地表不同景观组分的组成情况和构建特 点，总结景观异质性的内在规律，从表面上无序的景观中发现潜在有意义的有序性，从 而深入了解景观空间结构的基本特点，其中的景观生态学空间定量指标则有效地反映了 土地利用空间格局的变化1 5 j 。 总之，沙漠化土地利用是自然基础上的人类活动的直接反映，通过遥感获取时间序 列的空间信息，借助景观生态学的力量，重现沙漠化土地利用的空间信息，为预测其发 展趋势奠定了坚实的基础。 1 1 选题背景及意义 毛乌素沙地是我国四大沙地之一，既具有普通沙地的特点，又具有特殊的景观结构 与功能。毛乌素沙漠拥有特殊地貌、气候、土壤发育、矿产资源、动植物定居、自然干 扰因素。沙漠地区生态系统脆弱，植被类型简单，特殊的地质地貌条件将影响气候、人 类居住条件及当地经济健康、可持续发展等全局性因素。鉴于目前沙漠化趋势及生态环 境安全等诸多方面的考虑，本次课题研究内容可为今后关于荒漠化控制和治理问题奠定 西安科技大学硕士学位论文 理论基础和实践依据。 ( 1 ) 实践中巴资源卫星图像资料中的遥感数据处理精度及在沙漠化地区的应用。以中巴 资源卫星遥感资料为基础结合景观生态学对毛乌素沙漠现状分析。以往对沙漠化现状的 监测与分析都是以国外资源卫星遥感资料为主，尤以美国t m 和e t m 为主要数据源。 ( 2 ) 研究区是我国典型的沙漠地区之一，同时也是北方的重要沙漠区。具有重要的地理 位置，位于陕西、内蒙古、宁夏三省交界，其沙漠化的动态有着特定的气候条件和人为 活动，影响着北方的生态环境。该区也是我国的能源基地，人类活动频繁地带，维护该 区生态系统稳定性，具有经济战略意义。综述研究其变化有助于分析沙漠化地带的演变 规律，为我们制定相应的措施提供理论依据。 ( 3 ) 正确认识该区生态现状，了解植被情况、沙漠概况将有助于研究该区域的生态安全 阀值，为生态安全预测与预警系统提供有力依据。为该区能源的开发与利用保驾护航， 实现人、经济与生态环境和谐发展。根据对沙漠生态景观现状的分析，有针对的探索治 理沙漠的有效举措。 1 2 国内外沙漠化研究动态 1 2 1 沙漠化研究现状及发展趋势 在沙漠化研究过程中，沙漠化的描述有着不同的表示方式，概括起来主要有三个方 面：第一，用土壤和植被的变化来代表沙漠化过程。对于某一地区的原生土壤和植被而 言，由风蚀或沙埋而引起的土壤粗化过程、植被组成的简单化和地上生物量的减少过程 即为沙漠化过程，这一观点被众多的科学工作者广泛应用。其二，随着3 s 技术的发展， 不少的研究用区域的土地覆盖变化来代表沙漠化过程。即：某一区域的不同沙丘类型( 或 沙漠化土地类型) 的面积在时间序y u _ i ：i 拘变化趋势即为沙漠化过程，分别用正负值来代 表沙漠化的j 下逆过程。第三，用沙丘植被类型的组成和优势种的变化来指征沙丘固定程 度( 沙漠化过程) ，这种研究多应用于小尺度的研究。从等级理论的观点来看，同一系统 内的不同层次，从低层次到高层次同一要素( 或同一行为) 的变化过程和速率逐渐减小， 即在高的层次中某一要素的变化过程较慢，而在低层次中其变化过程却较快，系统的组 织性来自于各层次间过程速率的差异【6 - 9 。所以只有第二种研究方法适应于区域性的沙 漠化研究。 目前r s 技术在现代沙漠化的研究中得到了广泛的应用 1 0 o 利用遥感影像采集信息， 许多艰苦的野外工作足不出户就可以完成，不但节省了人力、物力、财力和降低了沙漠 考察的风险性，而且还大大提高了工作效率。遥感是一种有效的工具，它可以提供地表 景观的信息【1 1 】，一直以来也是景观生态学的主要研究手段。我国现代沙漠化的研究中广 泛采用了遥感与景观学相拟合的方法，如李爱敏等( 2 0 0 6 ) 以2 0 0 0 年和2 0 0 5 年t m 影像 2 1 绪论 为信息源，在建立目视解译标志的基础上，利用g i s 的图像、数据处理功能，对科尔沁 沙地近5 年来土地沙漠化动态变化进行监测；刘强等( 2 0 0 6 ) 以松嫩平原西部荒漠化的典 型区域大安市为研究对象，在g i s 平台下，根据1 9 8 6 年，1 9 9 6 年和2 0 0 0 年t m 影像 解译获取的景观动态数据，分析近1 5 年大安市荒漠化土地动态变化规律。在很多区域 沙漠化研究中【1 2 , 1 3 】，都是基于遥感与景观生态学，监测我国不同区域沙漠化动态。因此， 利用r s 与景观生态学等交叉方法，是实现宏观沙漠研究信息化的重要手段，是为沙漠 化治理提出科学决策的技术保障。 我国开展沙漠化研究，虽然已有2 0 多年之久，但是对于我国现代( 指解放以来) 沙漠 动态变化( 包括沙漠的扩大、活化逆转和缩小等) 的确切数据、我国现代沙漠动态变化规 律和发展趋势、我国沙漠最新( 9 0 年代中期) 面积等问题，至今还没有人进行过全面而 系统的研究。而这些有关我国现代沙漠的基本状况和趋势的资料，对于正确认识我国沙 漠、治理我国沙漠和开发我国沙漠来说，是必不可少的科学依据【l 4 。 沙漠化的分类与制图目前没有统一的标准，据目前所知，不同研究者对荒漠的评价 体系及评价准则不同，整体缺乏合理的比较基准。空间格局分析是景观生态学研究核心 之一，对荒漠化土地镶嵌体的景观格局和景观动态系统研究国内外未见报道；研究中尺 度转换是一难点；景观生态学尚缺系统地、跨尺度和多尺度的理论和实际研究；景观格 局连续变化的空间分析问题上的研究比较少。随着g i s 与遥感技术在生态学领域的广泛 应用，生态模型方法将成为生态安全研究的主流；应生态安全保障、管理与预警等目标 的要求，过程安全将成为今后研究重点领域【l 引。 1 2 2 遥感技术的研究与应用 遥感是在2 0 世纪3 0 年代航空摄影与制图的基础上，伴随电子计算机技术、空间及 环境科学的进步，于6 0 年代勃勃兴起的综合性信息科学与技术，是对地观测的一种新 的先进技术手段。遥感从其内容说，包含航空和航天信息两类。其实，从空间观测地球， 获得的资料可以追溯到更早的时候州。 自1 9 7 2 年美国第一颗陆地卫星发射以来，法国、俄罗斯、欧空局、印度和日本与 我国相继成功地发射了地球资源卫星。1 9 7 3 年巴拿马的第一届拉美遥感学术会议上，以 反映出墨西哥、巴西的遥感在资源与环境领域应用的成就，如他们分别编制了墨西哥的 土地档案图和亚马逊流域的地质图等。1 9 7 6 年英国开展了全国的遥感土地利用之途，重 编了英国l ：5 万的土地利用图。同年日本进行了遥感作物面积分类与估产。对此，美国 出于领先的地位，农作物估产的精度高达9 7 。此后，菲律宾等利用遥感进行了土地面 积分类与制图；加拿大、澳大利亚等开展了地质填图；瑞典的遥感森林分类制图也达到 了新水平，1 9 7 5 年还与其他国家合作利用侧视雷达图像编制了海冰预报图。此间，我国 也积极引进了美国陆地卫星图像，并发射了自己的卫星，开展遥感地学分析。进行了京 3 西安科技大学硕士学位论文 津塘地区的国土卫片资源与环境综合分析应用，开展了天津市城市环境遥感动态监测和 长江、黄河三角洲环境变化研究，建立遥感监测系统等。2 0 世纪8 0 年代遥感资源与环 境分析应用达到了新阶段。1 9 8 4 年国际地图学协会( c a ) 提出了资源环境与海岸的制图。 近年来，国际上，在资源清查、环境保护、沙漠化调查、土地退化和城市动态分析制图 等领域都取得了许多重要的成果：如遥感三位信息可视化图解，干旱区地表沙化的监测 笙【1 6 】 寸 。 遥感作为一种对地观测技术，以其探测范围大、获得资料速度快、信息量大且周期 短、成本较低、受地面条件限制少等优点而成为地圈和生物圈研究的媒介。遥感是一种 有效的工具，它可以提供地表景观的信息。遥感技术作为荒漠化变化监测的重要手段， 生态环境脆弱带在各类遥感数字图像上都具有明显的界面表观，为分析工作提供了可靠 的研究基础。 国外许多学者应用r s 技术从不同角度对土地沙漠化进行了不同程度的研究。比如： r a m a c h a n d r a n 【1 7 1 利用6 0 年代初的地形图与1 9 8 6 年的t m 资料，阐述了森林和灌丛植被 的破坏，城市的发展对土地沙漠化的影响( 1 9 9 2 ) ；t f i p a t h y 1 8 在对印度g u l b a r g a 荒漠化 监控研究中，利用m s s 和印度资源卫星( i r s ) 数据，通过g i s 融合地面信息，完成对土 地退化的评价；2 0 0 0 年p i n z a r i 等从土壤退化角度提出了荒漠化的潜在危险性评价指 标；2 0 0 1 年亚洲区域荒漠化监测与评价网络( t p n i ) 中心为亚洲成员国制定了一套通用 的荒漠化监测指标体系，包括压力指标、状态指标、影响指标和执行指标四类指标；1 9 9 5 年k u e h i 等从土壤、植被和光谱特性方面构建出一个综合荒漠化评价指标体系，并以美 国科罗拉多高原的草地、灌丛和针叶林为对象开展动态评估研究；a n e r e 通过对s a h e l i a n 易干旱区土地利用变化动态的研究，揭示了土地利用与土地沙漠化景观变化的关系 ( 19 9 4 ) 1 9 】：2 0 0 0 年g r e go k i n 2 0 1 在对美国中西部土地沙化遥感监测中，对该地区的植 被和土壤状况进行了深入分析，针对土地沙化地区土壤背景对于遥感影像的干扰，选择 a v i r i s 数据进行多端元光谱混合分析的研究；a l 行e d od c o l l a d o t 2 l j 于2 0 0 2 年利用两期 遥感影像1 9 8 2 和1 9 9 2 对阿根廷中部的沙化状况进行了研究，他对经过几何纠正和辐射 纠正后的影像进行混合光谱分析，植被、水体和沙地三个组分影像被提取出来，然后对 两期的沙地影像进行比较，结果较好地反映了流沙的运动以及植被的变化。 我国学者应用r s 技术对沙漠化地区开展研究沈阳农业大学的张洪玲、李国春【2 2 j 等 以遥感技术为手段，以n o a a a v h r r 为数据源，提取荒漠化信息植被指数( n d v i ) ，利 用植被指数( n d v i ) 与植被盖度有较高的相关性，以植被指数为土地荒漠化评价的定量依 据，对内蒙古科尔沁地区荒漠化程度进行了划分，探讨了科尔沁地区近十年来的荒漠化 状况。 张莉等【2 3 】选择毛乌素沙漠和黄土高原过渡带一陕北榆林地区作为研究区域，在地理 信息系统支持下，对两个不同时期的遥感影像进行了解译，总结了该区1 0 余年来沙漠 4 1 绪论 化土地景观特征，分析了土地沙漠化空间格局的动态变化规律。 李晓琴等【2 4 】以t m e t m 为主要信息源，在沙漠地区提取专题信息的方法。对 t m 5 t m 7 波段进行密度分割，结合d e m 数据生成的模板提取水体及盐漠信息；利用 n d v i 提取植被信息；通过光谱角分类法( s a m ) 提取沙化土地和盐渍化土地信息。将综 合分类结果输入地理信息系统中，利用空间分析功能提取变化信息。 银山、包玉海等【2 5 j 利用内蒙古2 0 世纪8 0 年代末和2 0 0 0 年两期t m 影像数据为 信息源，提取两期沙质荒漠化数据的基础上，深入分析了2 0 0 0 年全区沙质荒漠化现状， 同时统计计算了内蒙古中部地区十年内不同程度沙质荒漠化土地之间的转换面积，采用 转移矩阵法和数学模型法，建立2 0 世纪8 0 年代木一2 0 0 0 年沙质荒漠化土地转移矩阵和 动态度。 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙漠与沙漠化重点实验的郭坚、王涛等在 a r c v i e w 、a r c i n f o 等g i s 软件的支持下，利用2 0 0 0 年秋季t m 影像对毛乌素沙地的 荒漠化情况进行遥感监测，监测面积为8 1 3 7 1 0 4k m 掣6 j 。 李锋等以青海沙珠玉地区为例对景观生态学在荒漠化监测与评价中的应用进行了 初步研究，并主要分析了多样性、优势度和均匀度以及马尔科夫转移矩阵模型等指标和 方法在荒漠化监测与评价中应用的景观生态学意义【2 7 j 。 除此之外，王忠静、袁宏波等均以具体沙化地区为背景资料，借助遥感手段进行沙 漠化动态监测、现状分析、未来趋势预测及荒漠化评价等工作和研刭弱j 。关文彬、谢春 华等在已有研究基础上，探寻荒漠化危害预警系统原理与评价方法【2 9 。由此可见，运用 遥感技术对沙漠地区分析研究是国内的研究焦点与趋势。掌握遥感影像在分析沙漠景观 格局的过程中应用方法，并以遥感影像为基础进行实践性研究和扩展性研究是必要的研 究方向。 1 2 3 景观生态学的产生与发展 景观生态学研究的历史可以追溯n - 十世纪二十年代中叶，但直到八十年代初期， 才作为- - 1 7 新兴生态学分支学科迅速成熟起来。现代景观生态学将传统地理学的空间分 析和传统生态学的时序分析有效的结合起来，并充分吸收社会学、管理学、自然保护学 等相关学科的研究成果，形成一套完整的概念框架和理论体系，为异质性地表研究开辟 了一条全新的途径( n a v e h 和l i b e r m a n ，19 8 4 ) 。 景观生态学是一门研究空间格局对生态过程相互作用的新兴交叉学科，它主要研究 景观的结构、功能和变化。其中，景观结构是指具体生态系统或存在元素的空间关系， 即指与生态系统的大小、形状、数量、类型及空间配置相关的能、物质和物种的分布； 功能与景观单元之间的相互作用，即生态系统组分间的能量、物质和物种流；动态斑块 镶嵌结构与功能随时间的变化( 傅伯杰等，2 0 0 1 ) 。 5 西安科技大学硕士学位论文 景观是由一组以相似方式出现的生态系统所构成的异质性区域，其中担负独立功能 的各种生态系统被称为景观组分( f o r m a n ，1 9 8 6 ) 。目前学术界基本上从两个角度理解景 观这个概念，即狭义景观和广义景观，狭义景观是景观生态学的主要研究对象，它是指 一般在几平方千米到数百平方千米范围内，有不同类型的生态系统以某种空间组织方式 组成的异质性地理空间单元。广义景观概念强调应用景观生态学思想理解研究对象的特 征和属性，进而应用景观生态学方法进行研究和管理p u j 。 景观结构是指景观的组分构成及其空间分布形式，是景观性状的最直接表现方式， 也是不同景观功能得以实现的基础( f o r m a n ，1 9 8 6 ) 。景观结构包括景观的空间特征( 如景 观元素的大小、形状等) 和非空间特征( 如景观元素的类型、面积比例等) 两部分内容。景 观结构变化的研究重点是探讨某一分析时段内，景观的类型组合和整体格局的变化特 征。这类研究通常直接比较不同时段的景观结构和格局指数，从中得出景观元素的增减 情况以及多样性、破碎化特征和异质性特征等的变化情况，进而探讨引起这些变化的内 在原因( r a m 等，1 9 9 3 ；m i l l e r s 等，1 9 9 5 ；c h e r f i l l 等，1 9 9 5 ；曾辉等，1 9 9 7 ) 。 世界各国紧密结合资源、环境、发展等重大问题，以景观生态为题或应用景观生态 学方法和原理，开展了大量研究工作，呈现蓬勃发展之势。荷兰的温克、德国的哈伯等 从景观规划设计工作出发，发展了以人为中心的景观生态规划设计思想；俄罗斯的生态 学家在景观区划和景观地球化学方面突出了自己的特色；加拿大和澳大利亚都在土地生 态分类和土地利用规划方向上发展了景观生态学的应用研究；美国的丹色瑞、福尔曼、 瑞瑟、特纳和富兰克林等以自然景观为主，侧重研究景观生态学过程、功能及变化，将 系统生态学和景观综合整体思想作为景观生态研究基础，致力于建立和完善景观生态学 的基本理论和概念框架【3 0 】；1 9 8 7 年，国际景观生态学杂志在美国创刊，这一切都 推动了景观生态学的长足发展，尤其是等级理论、分形理论、渗透理论、尺度观点以及 一系列空间格局分析方法和动态模拟途径在景观生态学中的广泛应用，为该学科增添了 新内容和新特点i j 。 我国则以各植被区森林生态系统结构和功能研究、农林复合经营系统、水土流失、 荒漠化治理、生态农业等方面为研究基础，在景观生态规划、建设和管理等方面正逐步 形成自己的特色。例如：刘彦随( 1 9 9 7 ) 以陕北风沙滩地区为例，提出了基于景观类型格 局开展退化土地利用优化配置的新思路。景观类型格局及其变化取决于各种景观要素综 合作用下所产生的时空异质性，一般表现为广域型格局和镶嵌型格局两种基本形式。镶 嵌型景观类型具有明显的边缘效应和内部均质性，以此为客体进行土地利用配置，就是 要遵循景观生态学原理和可持续发展准则，寻求退化土地资源合理配置与持续利用的模 式和途径【3 2 】；常学卒l ( 1 9 9 8 ) 等应用景观生态学中格局分析的一些方法对4 种典型沙漠化 土地景观进行了分析，研究结果表明：景观和景观中斑块的格局影响沙漠化过程中的生 物圈和生态环境；王玉朝等( 2 0 0 1 ) 从景观生态学的角度分析了三工河流域景观格局的形 6 1 绪论 成：李锋，孙司衡( 2 0 0 1 ) 初步研究景观生态学在荒漠化监测与评价中应用1 2 7 1 ：李锋( 2 0 0 2 ) 研究了景观基质对荒漠化地区景观多样性的影响，正确区分研究区的景观基质，通过运 用景观指数分析荒漠化土地的变化趋势；罗格平等( 2 0 0 2 ) 研究了三工河流域时空变异及 其稳定性；刘学录等( 2 0 0 2 ) 研究了河西走廊山地绿洲荒漠复合系统耦合的景观生态 学机制；申卫军、邬建国等以广东粤北植被景观和美国凤凰城城市景观为例【33 。，运用 s m m a p 景观中性模型产生了2 7 种模拟景观，并对模拟景观进行系统的尺度效应分析， 探讨了尺度的变化对景观的影响；马安青等( 2 0 0 5 ) 分析了近2 0 年贺兰山两侧沙漠边缘带 土地景观的变化，从生态景观角度来分析沙漠化动态变化情况。郭丽英，刘彦随等( 2 0 0 5 ) 分析研究了生态脆弱区土地利用格局变化及其驱动机制，揭示研究区景观变化【3 4 1 。邱彭 华等( 2 0 0 7 ) 基于景观的研究，选取分离度、分形维数、破碎度3 个景观格局指标，并构 建景观类型脆弱度和区域生态脆弱度模型从景观格局与生态系统敏感性相结合角度探 讨了海南岛西部区域生态环境脆弱性问题，对生态脆弱性进行了分析【3 5 j 。 1 3 研究内容 本课题资料有1 9 9 7 年t m 、2 0 0 5 年1 0 月和2 0 0 6 年5 月的中巴资源卫星图像资料 及1 ：1 0 00 0 0 地形图，以其他两幅影像资料作为对比资料，主要针对2 0 0 6 年影像资料 进行处理、分析。在遥感图像处理软件e r d a si m a g e8 5 和f r a g s t a t s3 3 软件的支持下， 运用生态学的方法对毛乌素沙地的荒漠化情况进行监测，借以了解毛乌素沙地的荒漠化 现状，为进一步的毛乌素沙地荒漠化治理工作提供参考。主要内容如下： ( 1 ) 遥感影像的预处理。通过对研究区c b e r s 图像分幅裁剪、几何校正、增强处理等， 获得清晰度高、空间特征明显的影像，以便进行分类解译。 ( 2 ) 遥感影像的解译识别。依据建立荒漠化的遥感影像解译标志，采用人机交互的解 译方式对经过处理得到的影像进行分类识别。 ( 3 ) 荒漠化状况的分析。分析研究区景观格局现状，探讨土地利用及荒漠化的状况及相 应的保护措施。 7 西安科技大学硕士学位论文 2 1 研究区的概况 2 研究区背景资料与研究方案 2 1 1 研究区的地理位置 毛乌素沙地是我国1 2 大沙漠和沙区之一，位于北纬3 7 。2 7 - 3 9 * 2 2 ，东经1 0 7 。2 0 - 1 1 1 。3 0 之间，包括内蒙古自治区鄂尔多斯的南部( 伊金霍洛旗的南部、鄂托克前旗的东部、鄂 托克旗的东南) ，榆林地区的北部( 榆林市、神木县、横山县、靖边县、定边县和府谷 县6 县市的一部分和佳县西北的一小部分) 和宁夏回族自治区盐池的东北部，总面积为 3 9 8 万k m 2 。大部分地区属鄂尔多斯高平原地带向陕北黄土高原的过渡地区【3 引。地名起 源于陕北靖边县海则滩乡毛乌素村。 本研究选择的区域位于陕西省榆林市榆阳区与内蒙古自治区乌审旗交界地带，处于 北纬3 8 0 1 5 - 3 8 0 2 5 ，东经1 0 9 0 2 0 一1 1 0 0 2 0 之间。平均海拔1 0 0 0 至1 5 0 0 m 。研究区东西长 约4 2 k m ，南北宽约3 4 k m ，总面积1 4 2 3 6 3 7 k m 2 。西连甘肃、宁夏，北靠蒙古，东隔黄 河与山西省相望，南接榆林地区。该区域内有榆溪河、孟家湾水库、神木臭柏自然保护 区分布；研究区交通较为方便，并有2 1 0 国道、榆神公路、包( 头) 一神( 木) 铁路 通过，铁路年外运能力突破l 亿吨，公路外运能力6 0 0 0 万吨，为加速区域经济建设和发 展提供了有利条件，已成为国家西煤东运的源头，西电东送的枢纽，西气东输的腹地。 研究区处于毛乌素沙漠的南缘和黄土高原过渡地带，地势较为平坦，风蚀沙化和水土流 失严重，沙地分布明显。大概地理位置如图2 1 所示。 2 1 2 研究区气象特征 地处中纬度地区的中温带区，冬季受干燥而寒冷的多变性极地大陆性气团控制，形 成低温、寒冷、降水稀少的气候特点。夏季受高温湿润的热带海洋性气团影响，降水增 多，同时有极地冷空气的活动，与太平洋暖湿的气流相遇，易产生暴雨和冰雹天气，春 季易出现寒潮大风、扬沙、沙尘暴等天气，秋季降温明显，属典型的大陆性季风气候。 ( 1 ) 气温变化特征：四季分明，日温差大。冬季寒冷，平均气温一7 8 - 4 1 ，极端 最低气温3 2 7 。c ，最冷月为1 月。秋冬寒冷降温多，寒潮首见于9 月，终于5 月。无霜 期短，无霜期平均1 5 0 1 8 0 天，最短仅1 0 2 天。初霜期平均在9 月2 8 日至1 0 月2 2 日， 终霜期平均在4 月2 5 日至5 月1 6 日，最迟到6 月。夏季高温炎热，各月平均温度均在 2 0 以上，日最高气温3 0 的同数历年平均为2 2 6 8 天，极端最高气温曾达4 0 8 ， 接近西安的极值。春秋季短，夏季较为凉爽，冬季寒冷，历时长。 8 2 研究区背景资料与研究方案 ( 2 ) 降水量变化特征：年均降水4 0 0 m m 左右，降水量主要集中在6 9 月，为 3 4 5 8 m m ，占全年降水量的7 8 3 ，特别是8 月降水量达1 3 7 2 m m ，明显高于其它各月： 11 3 月降水量较少，为3 7 2 m m 。降水强度较大，常以暴雨形式出现，年变率大，一 般多雨年可为少雨年的2 3 倍，干燥度1 5 2 0 【37 | 。 ( 3 ) 地面风特征：沙区盛行西北风，冬春两季风力强劲且频繁，年平均风速4 5 州 s 。春季( 3 - - - 5 月) 平均风速较大，为2 5m s ，其次是夏季，平均风速2 0m s ，冬季 1 月风速较小，为1 4m s 。年平均大风日数1 5 d ，2 - - - 6 月出现较集中，其余各月较少。 主导风向为东东南( s s e ) 和南东南( e s e ) 风，频率为1 4 ，静风频率为4 4 。 日照很丰富，辐射时间2 7 0 0 , - - - , 3 1 0 0 h ，年平均蒸发量1 9 0 7 2 - 2 1 2 2 7m m 。气候干 燥，冷热剧变，大风频繁，日照强烈是该地区的四大气候特征。 图2 1 研究区地理位置 2 1 3 水文条件 毛乌素沙地河流众多，均属黄河水系，水资源相对全国其他沙地较为丰富。研究区 内有榆溪河、白河、屹求河、榆西渠、榆东渠、孟家湾水库、三道河则等，榆溪河年平 均流量为11 8m 3 s ，榆溪河流域中的白河年平均流量为o 7 9m 3 s 。此外，沙区还分布着 大小不等的海子( 如班则海子等) 。地下水资源比较丰富，绝大多数地区水质好，矿化 度低于l l ，但地下水的防污系统性能较差。 9 西安科技大学硕士学位论文 河流主要依靠降水补给， 但流经沙区的河段多为降水下渗的地下水补给，占榆溪 河径流量的8 6 1 7 ，沙区河流径流量的年变化较小，极端月径流比率一般在2 左右。 径流特征受降水、地形及地表物质组成的影响，枯、洪期径流量悬殊，河流输沙量高。 “海子”、水库主要依靠降水补给( 或降水渗入地下，再以泉水出露形式补给) ， 因 蒸发量和下渗量大，其蓄水量和面积不稳定，变化很大。这些“海子”、水库对于当地 的农田灌溉、人畜用水和生态环境的维系，起了重要的作用p 引。 2 1 4 地质及水文地质情况 萨拉乌苏组形成于中更新世，分布于风沙滩地区，多为风积沙覆盖，底部为砾石、 砂砾石层、粉细砂层，发育交错层理、平行层理，上部为粉细砂层，砂质泥层，顶部发 育灰黑色碳质泥砂层。区内不连续分布早中更新世黄土及新近系红土，基底为侏罗系中 统( j 2 ) 砂岩，泥岩，广泛隐伏于第四系松散层之下。萨拉乌苏组地层主要沉积在古河 槽，在榆溪河及其支流古河槽，沉积厚度大，基地为侏罗系中统( j 2 ) 砂岩，泥岩。 萨拉乌苏组地下水主要接受大气降水补给，由于分布面积广，分布区地形平坦，表 层遍布风积沙层，结构疏松，毛细作用微弱，透水性强，极利于大气降水入渗补给，即 使暴雨，一般也不会产生地表径流。在边界附近局部接受白垩系地下水越流补给。径流 排泄受榆溪河等内流湖控制，地下水在河流与湖各自构成的水流系统中进行循环径流与 排泄。 萨拉乌苏组地下水经过含水层调节，以泉的形式、潜流的形式在沟谷排泄，或纯粹 以潜流形式在就近湖淖排泄，沙漠边缘发育的众多河流均以泉水为源头。由于地下水系 统调节能力极强，萨拉乌苏组泉水流量一般较稳定。榆溪河河谷及支沟附近形成地下水 排泄带( 点) ，主要以泉的形式出现，其地下水主要补给来源为上覆萨拉乌苏组地下水， 其本身主要为萨拉乌苏组地下水的排泄通道。 岩溶地下水系统含水岩组主要有早中生代寒武一奥陶系碳酸盐岩组成，岩溶地层埋 藏于中生界和上古生界碎屑岩地层之下。 冲积层地下水系统主要分布于区内较大河流河谷的漫滩与一、二级阶地，总体上分 布区面积较小。除在榆溪河河谷鱼河一牛家梁河段等地段沉积较厚的河流冲积层可构成 补、径、排完整的单一介质地下水系统外，在其他河流及上述河流的其他河段，沉积厚 度和规模较小，从而难以构成具有单一介质冲积层地下水系统。因此，在榆溪河牛家梁 以