基于遥感技术的沙质荒漠化土地类型分布的分形特征

申请免费试用、咨询电话：400-8352-114

简介： 在前人研究的基础上，基于ETM遥感图像的土地沙质荒漠化计算机监督分类结果，应用分形理论，对库布齐沙漠西部地区各类沙质荒漠化土地的分布进行了研究，结果表明沙质荒漠化土地的分布具有分形特征。并由分维数D得出各类沙质荒漠化土地分布的复杂程度由大到小为：中度沙质荒漠化土地＞轻度沙质荒漠化土地＞重度沙质荒漠化土地。根据分形物体的维数D总能抓住物体形态的本质，本区沙质荒漠化土地的成因特点及地质地貌具有分形结构特征等，认为各类沙质荒漠化土地的形成及发展具有共同的规律，这些规律可能是那些影响沙质荒漠化土地形成发展且具有规律性的本质的内在因素的综合体现。
关键字：库布齐沙漠；遥感图像；沙质荒漠化；分形理论

中图分类号：P66 文献标识码：A 文章编号：1000-274X(2004)0045-08

　　20世纪末，事物之间的相互作用受到了科学界的关心，如全球关注的环境问题就是人类与环境的相互作用。事物之间的相互作用就是相互联系的事物相互影响、相互制约、相互依存，实质是非线性的反映。与混沌联系的非线性系统是多尺度系统，寻找它的标度不变性是主要的研究方法^[1]。分形在很宽的尺度范围内，无特征尺度却有自相似性或自仿射性，使看起来十分复杂的事物，用仅含有少量参数的简单公式就可以表述出来，并从中提取本质的规律性的东西。它在极端有序和真正混沌之间提供了一种可能性，被誉为开创了20世纪数学研究的重要阶段，现已被广泛应用于几乎所有的领域，成为现今许多学科的前沿研究课题之一。作为当今最严重的环境问题之一的沙质荒漠化，许多学者也用分形理论对其进行了研究^[2~7]，探讨了沙粒分布、沙丘分布、风沙流结构、荒漠绿洲景观镶嵌结构、沙质荒漠化过程的分形特征。本文基于ETM遥感图像的沙质荒漠化土地计算机监督分类结果，以库布齐沙漠西部为例，用分形理论分析了不同类型沙质荒漠化土地分布的分形特征。

1 研究区概况

　　研究区位于鄂尔多斯盆地西北部，黄河以南的地区，地处西北干旱区，属大陆性季风气候，以冬季较长、多风沙，夏季短促、凉爽为特点，风向以WNW，W为主，年平均气温4～15℃，年降雨量在200~350 mm之间，但平均年蒸发量为2 200 mm。本区为库布齐沙漠的主体部分，分布有大量流沙。沙漠北部沙丘高大，仅生长一些沙米、棉蓬、沙竹等小灌木，植被覆盖度小于10％。沙漠的南部沙丘低矮，属荒漠草原地带，土壤为棕钙土，水分条件比较好，植被以窄叶锦鸡儿、猫头刺、油柴为主，植被覆盖度较北部高，低覆盖度面积增大，极低覆盖度面积减少。该区经济状况较差，以牧业为主，农业次之，交通不发达。库布齐沙漠北部人类活动较少，南部较北部人类活动频繁，在南部可见很多近代人类活动的遗迹。

　　本区的地质构造主要表现为大规模的地壳升降运动，褶皱与断裂构造均不发育，新构造运动比较强烈。按照构造运动的性质和特点，可将本区划分为两个大的单元：河套断陷区和东胜隆起区。河套断陷由嘎送断层与乌拉山南麓断层所控制，黄河径流偏向北侧，表明北侧断陷更深，为一个不对称的断陷盆地。在河套断陷下沉的同时，东胜隆起区则发生相对的抬升运动。这种上升运动的标志有高原台地、河谷和阶地等。库布齐沙漠的基底地形主要是黄河Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ级阶地。

2 沙质荒漠化土地类型信息的获取

2.1 沙质荒漠化土地分类体系

　　在充分收集和分析前人研究成果的基础上，以科学性、可操作性和遥感图像的可解译性原则为出发点，即在必须充分反映土地沙质荒漠化的基本特征，同时必须通过遥感方法能准确地确定土地沙质荒漠化属性的前提条件下，根据区域流沙覆盖率或植被覆盖度的差异，把该区的土地荒漠化划分为极重度沙质荒漠化土地、重度沙质荒漠化土地、中度沙质荒漠化土地、轻度沙质荒漠化土地、潜在沙质荒漠化土地5种（见表1）。本区的沙质荒漠化土地，以强度沙质荒漠化土地为主，中度沙质荒漠化土地次之，但因长期以来过渡放牧及过渡农垦的影响，土地沙质荒漠化发展强烈。

2.2 沙质荒漠化土地类型信息的获取

　　根据沙质荒漠化土地的地物波谱及在遥感影像上的信息特征，选取2000年7月的ETM图像数据为基本信息源。本区沙质荒漠化土地类型遥感影像特征见表1。根据确定的沙质荒漠化土地分类体系和土地沙质荒漠化地质背景所涉及的主要内容在分析土地沙质荒漠化光谱信息特征的基础上，结合前人的工作成果，对校正过的遥感图像进行增强、拉伸、主因子分析等处理，其中土地沙质荒漠化信息通过人机交互的方式提取，并选择合适的训练样本进行计算机监督分类，最后结合野外实地校核来验证并修编计算机监督分类结果（见图1）。

表1 沙质荒漠化土地分类系统及遥感影像特征

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

图1 库布齐沙漠西部沙质荒漠化土地类型分类结果

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

3 沙质荒漠化土地类型分布的分形特征

　　依据遥感图像计算机监督分类结果图（见图2），对不同类型土地沙质荒漠化的分形特征进行了研究。根据分形的基本理论，若N（S）与S满足如下幂律关系

（1）

　　式中：C为常数；S为斑块面积；N（S）为面积大于S的斑块的个数，则研究对象为分形；D为分维值。考虑到：①ETM图像的分辨率为30 m；②在遥感图像计算机监督分类时，对面积小于1 km²的邻近同类斑块进行合并，或把它归并到邻近面积较大的另一类中去；③本区以重度、极重度沙质荒漠化土地为主，其极重度沙质荒漠化土地分布呈较大的片状，斑块数目较少，潜在沙质荒漠化土地仅在局部很少的地区分布，而重度、中度与轻度沙质荒漠化土地的斑块比较多，且大小不一；④斑块面积最小的为几km²，最大的可达几百km²。所以分别对重度、中度、轻度沙质荒漠化土地以及各类沙质荒漠化土地（除潜在沙质荒漠化土地）的混合分布，分别以标度15，20，25，30，35，40，50 km² 进行分形分析。其分析结果见图2，其中（a），（b），（c），（d）分别为所有沙质荒漠化土地和轻度、中度、重度沙质荒漠化土地的N（S）与S双对数坐标图。从图2可看出，在双对数坐标图上，除了重度沙质荒漠化土地以外，其他沙质荒漠化土地的N（S）与S在15~50 km²无标度区间内呈很好的线性关系，对离散点进行回归分析可得到它们的分维数（见表2）。

表2 各类沙质荒漠化土地的分维值

Tab. 2 Fractal dimensions of different sandy desertification land types

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

（a）各类沙质荒漠化土地的总合 (b) 轻度沙质荒漠化土地

（c）中度沙质荒漠化土地 （d）重度沙质荒漠化土地

4 结果分析

　　土地沙质荒漠化的形成既受自然环境因素的制约，又受到各种人为活动的影响。自然因素是土地沙质荒漠化发生的环境背景，是内在因素。人为因素通过改变植被、土壤等对土地沙质荒漠化过程起作用，是叠加于环境背景之上的诱发因素。自然因素主要包括地质、地貌、气候、物质、土壤、水文、植被等。但土地沙质荒漠化的形成与演化主要决定于第四纪地质地貌的发展演化。第四纪地质地貌的发展过程是新构造运动的产物，新构造运动不仅决定着土地沙质荒漠化形成的气候条件，而且控制着土地沙质荒漠化形成的沙源物质以及沙质荒漠化土地的空间分布特征和时间分布规律。

　　本区的沙质荒漠化主要由库布齐沙漠的南侵、北扩作用形成。库布齐沙漠为现代风成沙，它的分布明显受地质地貌的控制，对现代土地沙质荒漠化过程的影响主要表现为沙丘的移动。由于受到南部东胜隆起和北部黄河干流及狼山和贺兰山的影响，风向以北西西向为主，随着由西向东地势明显变低，库布齐沙漠有东移现象。同时，由于北部南北向水系的分水岭明显北移，沙漠明显出现南扩现象。其中，地貌条件对本区土地沙质荒漠化发生发展的影响主要表现在以下4个方面^[8]：①地形部位决定地表物质的分配；②地形条件影响局地风力的大小和方向；③地貌部位决定土地利用方法；④地貌条件影响地下水的分布和埋深。

　　对于地质、地貌的分形特征，也有人做了很多的研究。通过对地震^[9，10]、断层^[11，12]、岩石圈板块^[13]等地质现象的研究，发现它们都具有分形结构，并从分数维的大小得出了一些客体的复杂性及其所反映的深部地球动力学意义。对地貌分形特征的研究^[14]，认为在内外营力作用下的地貌形态，不是处于瞬时的平衡，而是处于自组织临界状态，或者说是处于混沌的边缘，它对初始条件十分敏感。但是，多数情况下外营力的正反馈作用在更早的不同阶段就被中止了，从而地貌形态表现出负幂律的特征，即分形的特征。特别是R/S方法的广泛应用，使人们意识到，自然界的许多现象其实不是完全随机的，而具有长程相关，即不是布朗运动，而是分形布朗运动。地貌的这种自仿射性，通常是多重分形的，并在很广的尺度范围内具有统计自相似性。

　　本区的沙质荒漠化土地具有分形结构特征，不同的沙质荒漠化土地类型其分维数D不同，代表了不同类型的沙质荒漠化土地分布具有差异性这一规律。根据不同沙质荒漠化土地类型分维数D的大小，可把本区各类沙质荒漠化土地的复杂程度从大到小排序如下：中度沙质荒漠化土地>轻度沙质荒漠化土地>重度沙质荒漠化土地，混合沙质荒漠化土地的维数居于各类沙质荒漠化土地维数之间，应是各类沙质荒漠化土地共同贡献的结果。基于分形物体的维数D总能抓住物体形态的本质、本区沙质荒漠化土地的成因特点，决定土地沙质荒漠化形成与演化的地质地貌因素具有分形特征，且这种分形特征反映出了一定的成因机制等，认为该区各类沙质荒漠化的形成及发展具有共同的规律。这些规律可能是那些影响沙质荒漠化土地形成发展且具有规律性的本质的内在因素的综合体现，主要是对由新构造运动形成的第四纪地质地貌的反映。

参考文献：

　　[1] 刘式达，刘式适. 地球物理中的混沌[M]. 长春：东北师范大学出版社，1999. 1-12.

　　[2] 武生智，马崇武，苗天德. 沙粒级配合和沙丘分布的分形研究[J]. 中国沙漠，1999，19（3）: 247-250.

　　[3] 徐建华，艾南山，金 炯，等. 沙漠化的分形特征研究[J]. 中国沙漠，2002，22（1）: 6-10.

　　[4] 赵水平，王一谋. 图形分形理论在沙漠化定量研究中的应用[J]. 中国沙漠，1995，15（2）: 175-180.

　　[5] BREED C S, GROW T. Morphology and distribution of dunes in sand seas observed by remote sensing[A]. Makee E D . A study of Global Sand Seas [C]. US Geol Prof Paper, 1979: 253-304.

　　[6] 李后强，艾南山. 风沙湍流的间隙性、稳定性分布及分形特征[J]. 中国沙漠，1993，13（1）: 11-20.

　　[7] 徐建华，艾南山，金 炯, 等. 西北干旱区景观要素镶嵌结构的分形研究——以黑河流域为例[J]. 干旱研究，2001，18（1）: 35-39.

　　[8] 杨根生，吕 荣. 内蒙古伊克昭盟地区沙质荒漠化与综合治理技术[M]. 北京：中国环境科学出版社，1998. 5-6.

　　[9] HIRATA T，IMOTO M. Multifractal analysis of special distribution of micro earthquakes in the Kanto region[J]. Geophys，1991，107：155-162.

　　[10] HIRABAYASHI T，ITO K. 地震的多分形分析[J]. 世界地震译丛，1992，5：60-70.

　　[11] SADOVKIY M A，GOLUBEVA T V. Charcateristic dimensions of rock andhiearchial properties of seismicity，Izvestiya[J]. Earth Physics，1984，20：87-96.

　　[12] OKUBO P G，AKI K. Fractal geometry in San Andreas fault systems[J]. Geophs，1987，92：345-355.

　　[13] 陈志耕，刘军伟，孟表柱，等. 岩石圈板块的分形及其降维演化[J]. 地学前缘，2000，17(1)： 109-121

　　[14] 艾南山，陈 嵘，李后强. 走向分形地貌学[J]. 地理学与国土研究，1999，15（1）：38-42