杜会石等

摘要：在Landsat TM和ASTER GDEM数据分析基础上，结合GPS定位，对库布齐沙漠风沙地貌类型、形态特征进行定量分析。结果表明，库布齐沙漠风沙地貌类型有新月形沙丘及沙丘链、灌丛沙丘、格状沙丘、复合型沙丘、抛物线形沙丘、平沙地等；各类风沙地貌的分布与地形因子具有一定相关性；各类风沙地貌分维值变化不大，表明其处于相对稳定的演化过程中。研究为库布齐沙漠综合治理提供基础资料。

关键词：库布齐沙漠；风沙地貌；形态参数；3S技术

中图分类号：P231.5；P931.3 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）16-3900-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.16.017

Analysis of Morphological Parameters and Fractal Feature of

the Hobq Desert Based on 3S Technology

DU Hui-shi1，2，HA Si2，SUN Yu2，LIU Mei-ping2

（1. College of Tourism and Geographical Science， Jilin Normal University， Siping 136000， Jilin， China；

2. College of Resources Science and Technology， Beijing Normal University， Beijing 100875， China）

Abstract： Based on the Landsat TM and ASTER GDEM data analysis and combined with the GPS field research， the distribution range of the Hobq desert and the type， distribution， morphological characteristics of sand physiognomy were quantificationally analyzed. The results showed that， the types of sand-physiognomy included meniscus dune， shrub dune， trellis dune， complex dune， parabolic dune， and flat dune. The distribution and the terrain factors of all kinds of sand physiognomy had a certain correlation. The fractal dimension value changed little， indicating sand physiognomy was in a relatively stable evolution. The research provided basic information to the comprehensive treatment of the Hobq desert.

Key words： the Hobq desert； sand-physiognomy； morphological parameters； 3S technology

全球干旱区和半干旱区面积达到4.299×107 km2[1]，其中风成沙覆盖面积1.973×107 km2，所占比例为45.9 %[2]。中国沙化土地面积173.110万km2[3]，沙漠面积80.890万km2[4]。自1977年联合国沙漠化大会以来，受全球沙漠化研究的推动，风沙地貌研究得到了较高的重视，国内外与沙丘相关研究也取得了明显进展[5]。风沙地貌研究是地貌学重要的研究内容，已成为特殊自然地理区域综合研究的重要方向之一[6]。定量表达地表形态及其特征是当前地貌学研究的主要方向之一，3S技术是遥感（Remote Sensing，RS）、地理信息系统（Geography Information Systems，GIS）和全球定位系统（Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System，NAVSTARP/GPS）的统称，是现代地学研究的重要手段[7，8]，3S技术的迅猛发展，为风沙地貌定量化研究提供了强有力的支撑。

库布齐沙漠位于鄂尔多斯高原北部、黄河以南地区，是中国八大沙漠之一。该区风沙活动较为强烈，风沙地表过程对气候变化敏感。1959年中国科学院治沙队对该区开展了自然地理和资源的考察工作。20世纪70年代末，中国科学院兰州沙漠研究所对该区土地荒漠化进行了研究，编绘了1∶20万、1∶50万土地荒漠化图，并发表相关论文。朱震达等[9]对库布齐沙漠基本特征进行了介绍，并与毛乌素沙地进行对比。从20世纪90年代开始，学者在该区从沙漠历史地理[10]、沙漠化形成与发展[11]、沙丘表面过程[12]、植被演化[13]、沉积构造[14]、沙丘形态变化和移动速率[15]等方面开展了大量研究，但有关风沙地貌地表形态参数与分形特征的研究较为薄弱。本研究旨在为区域生态规划及沙漠综合治理提供科学依据。

1 数据源与分析方法

1.1 研究区概况

库布齐沙漠呈东西向长带状分布，其西、北、东3面均由黄河环绕，地势南高北低，隶属内蒙古鄂尔多斯市的杭锦旗、达拉特旗和准格尔旗（107°10′4″-111°25′7″E，39°39′43″-40°48′35″N）。自然地带以包头—杭锦旗一线为界，东部处于半干旱干草原地带，西部属于干旱半荒漠（荒漠草原）地带。沙漠东部属半干旱区，西部属干旱区，降水东多西少。降雨集中在7～8月，且多以暴雨形式降落，多年平均降水量277.66～394.27 mm，蒸发量2 100～2 700 mm，年均温6.0～7.5 ℃，全年大风日数25～35 d，盛行WNW、W、SSE风。

1.2 数据获取与处理

研究所用的数据为2010年Landsat TM多光谱影像和ASTER GDEM数据，空间分辨率30 m。

1.2.1 数据处理

1）图像预处理。由于研究区范围较大，需要多幅图像拼接生成，故需对影像做如下处理：对各幅多光谱单波段数据进行波段合成；参照地形图、RTK GPS实测典型地物坐标，对各合成波段数据进行几何精校正，要求控制点均匀分布全区，校正误差小于1个像元；对各幅数据进行直方图匹配（Histogram matching）处理，以使相邻两幅图像的色调和反差趋于相同；对同期数据进行图像拼接；按研究区范围对影像进行裁剪。

2）图像信息提取。影像解译标志包括形态、色调、纹理和分布特征等直接解译标志（表1），同时根据具体情况如位置、布局、变化特征等建立表示其他相关要素的间接解译标志。

为提高解译精度，参照《中华人民共和国地貌图集（1∶100万）》[16]及Google Earth影像，采用人工目视解译方法提取各类别信息，对尚不明确区域进行实地调研。在研究区随机布设检验点，根据交通可达性，进行实地GPS验证，比较所分类别与实际地类误差。经检验，分类结果精度在95%以上，满足研究的需要。

1.2.2 景观分形研究方法 用r为尺度去分析某种景观要素斑块的几何形态[17]，则有：

[P（r）]1/D=kr（1-D）/D[A（r）]1/ 2 （1）

式中，D为景观斑块结构分维值，P（r）为景观斑块周长，A（r）为面积，k为常数。D值表示某景观斑块结构的稳定性，其值越大，说明该要素斑块结构越复杂。因此，可用稳定性指数来衡量：

SK=1.50-D （2）

式中，SK为景观斑块结构稳定性，D为景观斑块结构分维值。

2 结果与分析

2.1 库布齐沙漠地表形态特征

地表起伏可使得近地表风沙流发生改变，造成沙丘形态的差异。通过分析沙漠地表形态特征，可以为揭示沙丘形态变化规律提供科学依据。本研究利用ASTER GDEM数据，提取库布齐沙漠地表形态参数，分析各沙丘类型、分布与地形因子的关系。

2.1.1 高程分析 库布齐沙漠沙丘主要发育在海拔约为1 000～1 500 m的区域（图1）。在低河漫滩上，分布灌丛沙丘及零星低矮的新月形沙丘；一级阶地上（平均海拔约为1 000～1 110 m），分布抛物线形沙丘、新月形沙丘链、格状沙丘，沙丘高度较低；一级阶地向二级阶地（平均海拔约1 110～1 160 m）过渡带以复合型沙丘、格状沙丘为主，沙丘高大；二级阶地上（平均海拔1 160～1 180 m）的沙丘以新月形沙丘及沙丘链为主，高度较低；二级阶地向三级阶地（平均海拔1 180～1 200 m）的过渡区，沙丘以复合型沙丘、新月形沙丘及沙丘链为主，沙丘高大，可达50～60 m；三级阶地上，多为缓起伏片状新月形沙丘及灌丛沙丘。

2.1.2 坡度统计 坡度（Slope）为水平面与局部地表之间夹角的正切值，表示地表在该点的倾斜程度。坡度是最重要的地形因子，直接影响着地表的物质、能量流的再分配，以及植被的种类与分布等。通过AcrGIS Spatial Analyst工具的Slope实现提取（图2）。

通过叠加分析发现，各沙丘分布区域，总体坡度较低。格状沙丘坡度在0°～6°之间；复合型沙丘坡度在3°～6°之间；抛物线形沙丘坡度在0°～5°之间；新月形沙丘及沙丘链坡度在0°～3°之间；灌丛沙丘分布区的坡度在0°～9°之间。

2.1.3 地表粗糙度 地形学地表粗糙度（Roughness）是指地表单元曲面面积与投影面积之比，反映地表起伏变化与侵蚀程度的指标。通过AcrGIS中Spatial Analyst工具的Raster calculator计算DEM坡度（单位：弧度）余弦值的倒数即可得到地面粗糙度（图3）。

地表粗糙度不同，对沙丘形态发育有较大影响。通过叠加分析发现，研究区各主要沙丘类型地表粗糙度值变化范围在1.00～1.50之间。其中，复合型沙丘地表粗糙度变化范围较大，其值在1.00～1.44之间，说明沙丘地表形态复杂；新月形沙丘及沙丘链地表粗糙度值在1.00～1.33之间；抛物线形沙丘地表粗糙度值在1.00～1.23之间；格状沙丘地表粗糙度值在1.00～1.21之间；灌丛沙丘分布区因受下伏地形的影响，其地表粗糙度值在1.00～1.05之间。

2.2 风沙地貌演化过程的分形研究

库布齐沙漠各种沙丘地貌类型交错分布，并结合在一起形成一个复杂的系统，这种特殊的系统具有分形（Fractal）结构特征[17]。

库布齐沙漠各类型沙丘分维值及稳定性指数（表2）表明，复合型沙丘是最复杂、最不稳定的景观要素。按照斑块结构的复杂程度排序为：新月形沙丘及沙丘链>格状沙丘>抛物线形沙丘>平沙地>灌丛沙丘地，即灌丛沙丘地的斑块结构最为简单；斑块结构的稳定性程度排序与之相反。实际上，大小不同、形态各异的沙丘聚集在一起形成片状沙丘链，就是一种非常典型的具有自相似性特点的分形。在库布齐沙漠地区，各类沙丘的分维值相对变化不大，这表明各沙丘处于相对稳定的演化过程中。

3 结论

本研究利用ASTER GDEM和Landsat TM影像，结合实地GPS调研数据，对库布齐沙漠风沙地貌地表形态参数与分形特征进行了研究。主要结论如下：

各风沙地貌类型的分布与地表高程、坡度因子、地表粗糙度等密切相关。复合型沙丘是最复杂、最不稳定的景观要素，各类沙丘的分维值相对变化不大，各沙丘处于相对稳定的演化过程中。

3S技术为风沙地貌定量研究提供了有力支撑。Landsat系列影像获取性强，是较好的中等尺度数据源，但其只能获取平面信息，而ASTER GDEM具有三维信息，两者结合，可相得益彰。

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