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工程項(xiàng)目管理軟件系統(tǒng)

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基于遙感技術(shù)的沙質(zhì)荒漠化土地類型分布的分形特征

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簡介: 在前人研究的基礎(chǔ)上,基于ETM遙感圖像的土地沙質(zhì)荒漠化計(jì)算機(jī)監(jiān)督分類結(jié)果,應(yīng)用分形理論,對(duì)庫布齊沙漠西部地區(qū)各類沙質(zhì)荒漠化土地的分布進(jìn)行了研究,結(jié)果表明沙質(zhì)荒漠化土地的分布具有分形特征。并由分維數(shù)D得出各類沙質(zhì)荒漠化土地分布的復(fù)雜程度由大到小為:中度沙質(zhì)荒漠化土地>輕度沙質(zhì)荒漠化土地>重度沙質(zhì)荒漠化土地。根據(jù)分形物體的維數(shù)D總能抓住物體形態(tài)的本質(zhì),本區(qū)沙質(zhì)荒漠化土地的成因特點(diǎn)及地質(zhì)地貌具有分形結(jié)構(gòu)特征等,認(rèn)為各類沙質(zhì)荒漠化土地的形成及發(fā)展具有共同的規(guī)律,這些規(guī)律可能是那些影響沙質(zhì)荒漠化土地形成發(fā)展且具有規(guī)律性的本質(zhì)的內(nèi)在因素的綜合體現(xiàn)。
關(guān)鍵字:庫布齊沙漠;遙感圖像;沙質(zhì)荒漠化;分形理論

中圖分類號(hào):P66 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1000-274X(2004)0045-08

  20世紀(jì)末,事物之間的相互作用受到了科學(xué)界的關(guān)心,如全球關(guān)注的環(huán)境問題就是人類與環(huán)境的相互作用。事物之間的相互作用就是相互聯(lián)系的事物相互影響、相互制約、相互依存,實(shí)質(zhì)是非線性的反映。與混沌聯(lián)系的非線性系統(tǒng)是多尺度系統(tǒng),尋找它的標(biāo)度不變性是主要的研究方法[1]。分形在很寬的尺度范圍內(nèi),無特征尺度卻有自相似性或自仿射性,使看起來十分復(fù)雜的事物,用僅含有少量參數(shù)的簡單公式就可以表述出來,并從中提取本質(zhì)的規(guī)律性的東西。它在極端有序和真正混沌之間提供了一種可能性,被譽(yù)為開創(chuàng)了20世紀(jì)數(shù)學(xué)研究的重要階段,現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于幾乎所有的領(lǐng)域,成為現(xiàn)今許多學(xué)科的前沿研究課題之一。作為當(dāng)今最嚴(yán)重的環(huán)境問題之一的沙質(zhì)荒漠化,許多學(xué)者也用分形理論對(duì)其進(jìn)行了研究[2~7],探討了沙粒分布、沙丘分布、風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)、荒漠綠洲景觀鑲嵌結(jié)構(gòu)、沙質(zhì)荒漠化過程的分形特征。本文基于ETM遙感圖像的沙質(zhì)荒漠化土地計(jì)算機(jī)監(jiān)督分類結(jié)果,以庫布齊沙漠西部為例,用分形理論分析了不同類型沙質(zhì)荒漠化土地分布的分形特征。

1 研究區(qū)概況

  研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地西北部,黃河以南的地區(qū),地處西北干旱區(qū),屬大陸性季風(fēng)氣候,以冬季較長、多風(fēng)沙,夏季短促、涼爽為特點(diǎn),風(fēng)向以WNW,W為主,年平均氣溫4~15℃,年降雨量在200~350 mm之間,但平均年蒸發(fā)量為2 200 mm。本區(qū)為庫布齊沙漠的主體部分,分布有大量流沙。沙漠北部沙丘高大,僅生長一些沙米、棉蓬、沙竹等小灌木,植被覆蓋度小于10%。沙漠的南部沙丘低矮,屬荒漠草原地帶,土壤為棕鈣土,水分條件比較好,植被以窄葉錦雞兒、貓頭刺、油柴為主,植被覆蓋度較北部高,低覆蓋度面積增大,極低覆蓋度面積減少。該區(qū)經(jīng)濟(jì)狀況較差,以牧業(yè)為主,農(nóng)業(yè)次之,交通不發(fā)達(dá)。庫布齊沙漠北部人類活動(dòng)較少,南部較北部人類活動(dòng)頻繁,在南部可見很多近代人類活動(dòng)的遺跡。

  本區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造主要表現(xiàn)為大規(guī)模的地殼升降運(yùn)動(dòng),褶皺與斷裂構(gòu)造均不發(fā)育,新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)比較強(qiáng)烈。按照構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)和特點(diǎn),可將本區(qū)劃分為兩個(gè)大的單元:河套斷陷區(qū)和東勝隆起區(qū)。河套斷陷由嘎送斷層與烏拉山南麓斷層所控制,黃河徑流偏向北側(cè),表明北側(cè)斷陷更深,為一個(gè)不對(duì)稱的斷陷盆地。在河套斷陷下沉的同時(shí),東勝隆起區(qū)則發(fā)生相對(duì)的抬升運(yùn)動(dòng)。這種上升運(yùn)動(dòng)的標(biāo)志有高原臺(tái)地、河谷和階地等。庫布齊沙漠的基底地形主要是黃河Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ級(jí)階地。

2 沙質(zhì)荒漠化土地類型信息的獲取

2.1 沙質(zhì)荒漠化土地分類體系

  在充分收集和分析前人研究成果的基礎(chǔ)上,以科學(xué)性、可操作性和遙感圖像的可解譯性原則為出發(fā)點(diǎn),即在必須充分反映土地沙質(zhì)荒漠化的基本特征,同時(shí)必須通過遙感方法能準(zhǔn)確地確定土地沙質(zhì)荒漠化屬性的前提條件下,根據(jù)區(qū)域流沙覆蓋率或植被覆蓋度的差異,把該區(qū)的土地荒漠化劃分為極重度沙質(zhì)荒漠化土地、重度沙質(zhì)荒漠化土地、中度沙質(zhì)荒漠化土地、輕度沙質(zhì)荒漠化土地、潛在沙質(zhì)荒漠化土地5種(見表1)。本區(qū)的沙質(zhì)荒漠化土地,以強(qiáng)度沙質(zhì)荒漠化土地為主,中度沙質(zhì)荒漠化土地次之,但因長期以來過渡放牧及過渡農(nóng)墾的影響,土地沙質(zhì)荒漠化發(fā)展強(qiáng)烈。

2.2 沙質(zhì)荒漠化土地類型信息的獲取

  根據(jù)沙質(zhì)荒漠化土地的地物波譜及在遙感影像上的信息特征,選取2000年7月的ETM圖像數(shù)據(jù)為基本信息源。本區(qū)沙質(zhì)荒漠化土地類型遙感影像特征見表1。根據(jù)確定的沙質(zhì)荒漠化土地分類體系和土地沙質(zhì)荒漠化地質(zhì)背景所涉及的主要內(nèi)容在分析土地沙質(zhì)荒漠化光譜信息特征的基礎(chǔ)上,結(jié)合前人的工作成果,對(duì)校正過的遙感圖像進(jìn)行增強(qiáng)、拉伸、主因子分析等處理,其中土地沙質(zhì)荒漠化信息通過人機(jī)交互的方式提取,并選擇合適的訓(xùn)練進(jìn)行計(jì)算機(jī)監(jiān)督分類,最后結(jié)合野外實(shí)地校核來驗(yàn)證并修編計(jì)算機(jī)監(jiān)督分類結(jié)果(見圖1)。

表1 沙質(zhì)荒漠化土地分類系統(tǒng)及遙感影像特征

Tab. 1 Classification system of sandy desertification land types and remote sensing image features

類 型流沙地區(qū)域覆蓋率/%植被覆蓋度/%影 像 特 征極重度沙質(zhì)荒漠化土地> 50< 5大面積分布,棕黃色,沙丘、沙丘鏈等地貌形態(tài)明顯重度沙質(zhì)荒漠化土地30~505~10不規(guī)則斑狀,棕黃色,沙丘清晰,有灌叢分布斑點(diǎn)中度沙質(zhì)荒漠化土地10~3010~30不規(guī)則的塊狀,淡紅色,地面不平,有沙丘分布輕度沙質(zhì)荒漠化土地5~1030~50塊狀不規(guī)則,淺紅色,在淺紅色基調(diào)上有紅色斑點(diǎn)潛在沙質(zhì)荒漠化土地< 5> 50星點(diǎn)狀不規(guī)則,淺紅色,在淺紅色基調(diào)上有少量紅色斑點(diǎn)

圖1 庫布齊沙漠西部沙質(zhì)荒漠化土地類型分類結(jié)果

Fig. 1 Classification result of sandy desertification land types in the west of Hobq desert

3 沙質(zhì)荒漠化土地類型分布的分形特征

  依據(jù)遙感圖像計(jì)算機(jī)監(jiān)督分類結(jié)果圖(見圖2),對(duì)不同類型土地沙質(zhì)荒漠化的分形特征進(jìn)行了研究。根據(jù)分形的基本理論,若N(S)與S滿足如下冪律關(guān)系

(1)

  式中:C為常數(shù);S為斑塊面積;N(S)為面積大于S的斑塊的個(gè)數(shù),則研究對(duì)象為分形;D為分維值??紤]到:①ETM圖像的分辨率為30 m;②在遙感圖像計(jì)算機(jī)監(jiān)督分類時(shí),對(duì)面積小于1 km2的鄰近同類斑塊進(jìn)行合并,或把它歸并到鄰近面積較大的另一類中去;③本區(qū)以重度、極重度沙質(zhì)荒漠化土地為主,其極重度沙質(zhì)荒漠化土地分布呈較大的片狀,斑塊數(shù)目較少,潛在沙質(zhì)荒漠化土地僅在局部很少的地區(qū)分布,而重度、中度與輕度沙質(zhì)荒漠化土地的斑塊比較多,且大小不一;④斑塊面積最小的為幾km2,最大的可達(dá)幾百km2。所以分別對(duì)重度、中度、輕度沙質(zhì)荒漠化土地以及各類沙質(zhì)荒漠化土地(除潛在沙質(zhì)荒漠化土地)的混合分布,分別以標(biāo)度15,20,25,30,35,40,50 km2 進(jìn)行分形分析。其分析結(jié)果見圖2,其中(a),(b),(c),(d)分別為所有沙質(zhì)荒漠化土地和輕度、中度、重度沙質(zhì)荒漠化土地的N(S)與S雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖。從圖2可看出,在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖上,除了重度沙質(zhì)荒漠化土地以外,其他沙質(zhì)荒漠化土地的N(S)與S在15~50 km2無標(biāo)度區(qū)間內(nèi)呈很好的線性關(guān)系,對(duì)離散點(diǎn)進(jìn)行回歸分析可得到它們的分維數(shù)(見表2)。

表2 各類沙質(zhì)荒漠化土地的分維值

Tab. 2 Fractal dimensions of different sandy desertification land types

類型分維值 D相關(guān)系數(shù) r數(shù) n重度沙質(zhì)荒漠化土地0.503 10.884 815中度沙質(zhì)荒漠化土地0.578 70.992 323輕度沙質(zhì)荒漠化土地0.568 20.992 032各類沙質(zhì)荒漠化土地的混合分布0.558 20.993 877

圖2 沙質(zhì)荒漠化土地的S與N(S)雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖

Fig.2 S and N(S)double-log coordinate of sandy desertification lands

(a)各類沙質(zhì)荒漠化土地的總合 (b) 輕度沙質(zhì)荒漠化土地

(c)中度沙質(zhì)荒漠化土地 (d)重度沙質(zhì)荒漠化土地

4 結(jié)果分析

  土地沙質(zhì)荒漠化的形成既受自然環(huán)境因素的制約,又受到各種人為活動(dòng)的影響。自然因素是土地沙質(zhì)荒漠化發(fā)生的環(huán)境背景,是內(nèi)在因素。人為因素通過改變植被、土壤等對(duì)土地沙質(zhì)荒漠化過程起作用,是疊加于環(huán)境背景之上的誘發(fā)因素。自然因素主要包括地質(zhì)、地貌、氣候、物質(zhì)、土壤、水文、植被等。但土地沙質(zhì)荒漠化的形成與演化主要決定于第四紀(jì)地質(zhì)地貌的發(fā)展演化。第四紀(jì)地質(zhì)地貌的發(fā)展過程是新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物,新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不僅決定著土地沙質(zhì)荒漠化形成的氣候條件,而且控制著土地沙質(zhì)荒漠化形成的沙源物質(zhì)以及沙質(zhì)荒漠化土地的空間分布特征和時(shí)間分布規(guī)律。

  本區(qū)的沙質(zhì)荒漠化主要由庫布齊沙漠的南侵、北擴(kuò)作用形成。庫布齊沙漠為現(xiàn)代風(fēng)成沙,它的分布明顯受地質(zhì)地貌的控制,對(duì)現(xiàn)代土地沙質(zhì)荒漠化過程的影響主要表現(xiàn)為沙丘的移動(dòng)。由于受到南部東勝隆起和北部黃河干流及狼山和賀蘭山的影響,風(fēng)向以北西西向?yàn)橹?,隨著由西向東地勢明顯變低,庫布齊沙漠有東移現(xiàn)象。同時(shí),由于北部南北向水系的分水嶺明顯北移,沙漠明顯出現(xiàn)南擴(kuò)現(xiàn)象。其中,地貌條件對(duì)本區(qū)土地沙質(zhì)荒漠化發(fā)生發(fā)展的影響主要表現(xiàn)在以下4個(gè)方面[8]:①地形部位決定地表物質(zhì)的分配;②地形條件影響局地風(fēng)力的大小和方向;③地貌部位決定土地利用方法;④地貌條件影響地下水的分布和埋深。

  對(duì)于地質(zhì)、地貌的分形特征,也有人做了很多的研究。通過對(duì)地震[9,10]、斷層[11,12]、巖石圈板塊[13]等地質(zhì)現(xiàn)象的研究,發(fā)現(xiàn)它們都具有分形結(jié)構(gòu),并從分?jǐn)?shù)維的大小得出了一些客體的復(fù)雜性及其所反映的深部地球動(dòng)力學(xué)意義。對(duì)地貌分形特征的研究[14],認(rèn)為在內(nèi)外營力作用下的地貌形態(tài),不是處于瞬時(shí)的平衡,而是處于自組織臨界狀態(tài),或者說是處于混沌的邊緣,它對(duì)初始條件十分敏感。但是,多數(shù)情況下外營力的正反饋?zhàn)饔迷诟绲牟煌A段就被中止了,從而地貌形態(tài)表現(xiàn)出負(fù)冪律的特征,即分形的特征。特別是R/S方法的廣泛應(yīng)用,使人們意識(shí)到,自然界的許多現(xiàn)象其實(shí)不是完全隨機(jī)的,而具有長程相關(guān),即不是布朗運(yùn)動(dòng),而是分形布朗運(yùn)動(dòng)。地貌的這種自仿射性,通常是多重分形的,并在很廣的尺度范圍內(nèi)具有統(tǒng)計(jì)自相似性。

  本區(qū)的沙質(zhì)荒漠化土地具有分形結(jié)構(gòu)特征,不同的沙質(zhì)荒漠化土地類型其分維數(shù)D不同,代表了不同類型的沙質(zhì)荒漠化土地分布具有差異性這一規(guī)律。根據(jù)不同沙質(zhì)荒漠化土地類型分維數(shù)D的大小,可把本區(qū)各類沙質(zhì)荒漠化土地的復(fù)雜程度從大到小排序如下:中度沙質(zhì)荒漠化土地>輕度沙質(zhì)荒漠化土地>重度沙質(zhì)荒漠化土地,混合沙質(zhì)荒漠化土地的維數(shù)居于各類沙質(zhì)荒漠化土地維數(shù)之間,應(yīng)是各類沙質(zhì)荒漠化土地共同貢獻(xiàn)的結(jié)果?;诜中挝矬w的維數(shù)D總能抓住物體形態(tài)的本質(zhì)、本區(qū)沙質(zhì)荒漠化土地的成因特點(diǎn),決定土地沙質(zhì)荒漠化形成與演化的地質(zhì)地貌因素具有分形特征,且這種分形特征反映出了一定的成因機(jī)制等,認(rèn)為該區(qū)各類沙質(zhì)荒漠化的形成及發(fā)展具有共同的規(guī)律。這些規(guī)律可能是那些影響沙質(zhì)荒漠化土地形成發(fā)展且具有規(guī)律性的本質(zhì)的內(nèi)在因素的綜合體現(xiàn),主要是對(duì)由新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的第四紀(jì)地質(zhì)地貌的反映。

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發(fā)布:2007-07-28 12:40    編輯:泛普軟件 · xiaona    [打印此頁]    [關(guān)閉]
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