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)荒漠化計算機監(jiān)督分類結(jié)果，應(yīng)用分形理論，對庫布齊沙漠西部地區(qū)各類沙質(zhì)荒漠化土地的分布進行了研究，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：P66 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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)者也用分形理論對其進行了研究^[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)荒漠化土地計算機監(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，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較少，南部較北部人類活動頻繁，在南部可見很多近代人類活動的遺跡。

　　本區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造主要表現(xiàn)為大規(guī)模的地殼升降運動，褶皺與斷裂構(gòu)造均不發(fā)育，新構(gòu)造運動比較強烈。按照構(gòu)造運動的性質(zhì)和特點，可將本區(qū)劃分為兩個大的單元：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，為一個不對稱的斷陷盆地。在河套斷陷下沉的同時，東勝隆起區(qū)則發(fā)生相對的抬升運動。這種上升運動的標(biāo)志有高原臺地、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，即在必須充分反映土地沙質(zhì)荒漠化的基本特征，同時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，對校正過的遙感圖像進行增強、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交互的方式提取，并選擇合適的訓(xùn)練樣本進行計算機監(jiān)督分類，最后結(jié)合野外實地校核來驗證并修編計算機監(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

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)遙感圖像計算機監(jiān)督分類結(jié)果圖（見圖2），對不同類型土地沙質(zhì)荒漠化的分形特征進行了研究。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的斑塊的個數(shù)，則研究對象為分形；D為分維值?？紤]到：①ETM圖像的分辨率為30 m；②在遙感圖像計算機監(jiān)督分類時，對面積小于1 km²的鄰近同類斑塊進行合并，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雙對數(shù)坐標(biāo)圖。從圖2可看出，在雙對數(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，對離散點進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

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)造運動的產(chǎn)物，新構(gòu)造運動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。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)向以北西西向為主，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，由于北部南北向水系的分水嶺明顯北移，沙漠明顯出現(xiàn)南擴現(xiàn)象。其中，地貌條件對本區(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。

　　對于地質(zhì)、地貌的分形特征，也有人做了很多的研究。通過對地震^{[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力學(xué)意義。對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，它對初始條件十分敏感。但是，多數(shù)情況下外營力的正反饋作用在更早的不同階段就被中止了，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，使人們意識到，自然界的許多現(xiàn)象其實不是完全隨機的，而具有長程相關(guān)，即不是布朗運動，而是分形布朗運動。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，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)，主要是對由新構(gòu)造運動形成的第四紀(jì)地質(zhì)地貌的反映。

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