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中国沙漠  2020, Vol. 40 Issue (6): 139-150    DOI: 10.7522/j.issn.1000-694X.2020.00037
    
基于ESA-LUCMODIS-NDVI的西北干旱荒漠-绿洲体系分类阈值及应用
武磊(), 李常斌(), 王刘明, 谢旭红, 张媛, 魏健美
兰州大学 资源环境学院/西部环境教育部重点实验室,甘肃 兰州 730000
Division and application of desert-oasis system in arid Northwest China based on ESA-LUC and MODIS-NDVI
Lei Wu(), Changbin Li(), Liuming Wang, Xuhong Xie, Yuan Zhang, Jianmei Wei
Colllege of Earth and Environment Sciences / MOE Key Laboratory of Western China’s Environmental Systems,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China
 全文: PDF(6510 KB)   HTML
摘要:

选择ESA-LUC和MODIS NDVI数据,通过两套数据的逐像元对比,实现基于NDVI的荒漠-绿洲阈值率定,在此基础上形成绿洲植被、荒漠植被和荒漠等大类。绿洲属外源水资源支撑类,具较高植被生产力;荒漠植被属本地降水支撑类,属过渡型植被生产力;荒漠类包括沙漠、岩漠、砾漠等未利用类型,以绿度极低或无植被为主要特征。结果表明:NDVI阈值与参照覆被的构成密切相关,受研究区水文气象、基质类型及绿洲开发程度等影响,分类阈值构成也不尽相同。将率定所得阈值应用于4个代表性流域荒漠-绿洲体系的划分及植被演变研究,发现各研究区植被动态与绿洲扩张、区域水资源变化和荒漠本底占比等形成良好空间对应;稳定区以绿洲更绿、荒漠更荒为主要变化特征;变化高值区主要分布在绿洲外围地带,反映了农业扩张、轮作或弃耕等人为因素;荒漠腹地的植被变化幅度较小,与该区植被主要受本地降水支撑和调节有关。研究为干旱荒漠-绿洲体系划分提供了一种简单实用的数据方法,相关结论可为干旱区水土资源的合理规划利用及荒漠生态保护、改良提供基本数据支撑。

关键词: 绿洲植被荒漠植被荒漠ESA-LUCMODIS-NDVI    
Abstract:

In this study, the ESA-LUC and MODIS-NDVI data were adopted for pixel comparisons to calibrate matching values (thresholds) between the two datasets. Based on which, ESA-LUC types were clustered into three types including oasis vegetation (OV), desert vegetation (DV) and bareland (BL) by application of the calibrated NDVI thresholds. Correspondingly, it is the water outside the arid desert-oasis system that supports the OV growth, while local precipitation provides water for physiological consumption of the DV. The third type of the BL includes desert, hamada, gravel desert, and so on, featuring very low greenness or non-vegetative land surface. It is concluded that the referenced LUC is essential for NDVI thresholds determination for Clustering. NDVI thresholds were remarkably different due to hydrometeorology, matrix characteristics and oasis development in the middle and lower reaches where dominate the desert-oasis system, in the selected four representative basins. Classification by clustering results into strong effectiveness of oasis extension, local precipitation and desert matrix on vegetation dynamics. It is found that the stable OA become greener while the stable BL, barer during the time period from 2001 to 2015. In the unstable area, more increase is found near the stable OA, while less of that is located mainly in the interior desert where local precipitation feeds vegetative prosperity. Overall, a simple filtering technique provides opportunities for people to classify the arid desert-oasis system for better understanding of relationship between ecological water consumption and vegetation growth, then benefits soil-water planning and desert ecology protection in the resource-scarce and water-shortage area in Northwestern China

Key words: oasis vegetation    desert vegetation    bareland    ESA-LUC    MODIS-NDVI
收稿日期: 2019-09-06 出版日期: 2020-12-09
:  TP79  
基金资助: 国家重点研发计划项目(2017YFC0504306);国家自然科学基金项目(41671017)
通讯作者: 李常斌     E-mail: wul17@lzu.edu.cn;licb@lzu.edu.cn
作者简介: 李常斌(E-mail: licb@lzu.edu.cn
武磊(1994—),男,山西晋中人,博士研究生,主要从事水环境遥感研究。E-mail: wul17@lzu.edu.cn
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武磊
李常斌
王刘明
谢旭红
张媛
魏健美

引用本文:

武磊, 李常斌, 王刘明, 谢旭红, 张媛, 魏健美. 基于ESA-LUCMODIS-NDVI的西北干旱荒漠-绿洲体系分类阈值及应用[J]. 中国沙漠, 2020, 40(6): 139-150.

Lei Wu, Changbin Li, Liuming Wang, Xuhong Xie, Yuan Zhang, Jianmei Wei. Division and application of desert-oasis system in arid Northwest China based on ESA-LUC and MODIS-NDVI. Journal of Desert Research, 2020, 40(6): 139-150.

链接本文:

http://www.desert.ac.cn/CN/10.7522/j.issn.1000-694X.2020.00037        http://www.desert.ac.cn/CN/Y2020/V40/I6/139

图1  西北干旱区地理位置及相关要素空间分布
项目流域
石羊河黑河玛纳斯河阿克苏河
支流名称(自东向西)大靖、古浪、黄羊、杂木、金塔、西营、东大、西大童子坝、大都麻、洪水河、民乐、大野口、山丹、梨园、洪水坝、马营、丰乐、讨赖塔西、玛纳斯、宁家、金沟、大南沟、巴音沟托什干、昆马力克、苛苛牙尔、台兰、克奇阿肯、喀拉玉尔滚
总面积/万km24.1614.292.6717.06
山区面积/万km21.012.790.904.26
出山径流总量/亿m315.637.5511.00~13.0032.70
平原区面积/万km23.1511.501.7712.80
行政隶属甘肃青海、甘肃、内蒙古新疆新疆
人口/万人23014687162
耕地面积/万hm237.1238.4027.3356.70
年均气温/℃6.247.036.369.84
年降水量/mm232.22113.59175.19110.00
表1  流域概况
序号ESA-LUCMODIS-NDVI
代码类型最小值最大值平均值
110Cropland-Rainfed旱作农田0.050.960.61
211Herbaceous cover禾本科草地0.030.960.46
320Cropland-Irrigated灌溉农田0.020.990.62
430Mosaic cropland/tree农林混交0.050.960.49
540Mosaic vegetation/tree人工林地0.000.980.45
660Tree cover林地0.370.920.81
761Tree cover0.440.900.74
870Tree cover0.000.970.78
972Tree cover0.000.020.01
1080Tree cover0.021.000.74
1190Tree cover0.740.910.85
12100Mosaic tree/shrub/herbaceous林灌草0.000.980.68
13110Mosaic herbaceous/tree/shrub草林灌0.000.990.72
14120Shrubland灌丛0.000.910.19
15122Shrubland deciduous落叶灌丛0.020.700.14
16130Grassland草地-0.091.000.26
17140Lichens and mosses地衣苔藓0.020.490.14
18150Sparse vegetation稀疏草-0.030.900.21
19170Tree cover树林植被0.650.840.75
20180Shrub or herbaceous cover灌&禾本科-0.060.990.55
21190Urban areas城镇0.010.900.41
22200Bare areas裸地-0.050.990.10
23201Consolidated bare areas固定裸地-0.020.860.08
24202Unconsolidated bare areas非固定裸地-0.020.670.08
25210Water bodies水域-0.300.990.23
表2  中国西北干旱区ESA-LUC体系及MODIS-NDVI对应统计(2005年)
图2  荒漠-绿洲体系“型-值”对应的概念框架及其可能的“误差”归属
分区绿洲-荒漠植被荒漠植被-荒漠
石羊河流域0.480.12
黑河流域0.450.12
玛纳斯河流域0.440.22
阿克苏河流域0.430.15
西北干旱区0.400.11
表3  基于NDVI的荒漠-绿洲体系划分阈值
图3  荒漠-绿洲体系分类阈值精度验证
图4  荒漠-绿洲体系覆被变化趋势(2001—2015年)
动态类型植被类型区域
石羊河流域黑河 流域玛纳斯河流域阿克苏河流域西北干旱区
单一 动态度绿洲植被2.033.492.862.882.15
荒漠植被8.080.58-0.443.171.56
荒漠-5.52-0.25-3.20-1.071.15
综合 动态度2.900.731.620.940.74
表3  西北干旱区及其4个代表性区域的植被动态度(2001—2015年)
统计区P≤0.05P>0.05
SS>0SS<0不显著
石羊河流域13780
黑河流域261262
玛纳斯河流域331156
阿克苏河流域111772
西北干旱区81082
表4  基于显著性的绿度升降面积占比(%)
植被稳定性植被类型区域
石羊河流域黑河流域玛纳斯河流域阿克苏河流域
稳定区绿洲植被34(11%)42(4%)52(31%)107(9%)
荒漠植被42(14%)58(6%)4(2%)48(3%)
荒漠43(14%)662(66%)32(18%)690(55%)
变化区180(60%)240(24%)85(49%)409(33%)
表5  稳定区和变化区面积(万hm2)
图5  稳定区覆被及绿度空间变化
图6  变化区覆被及绿度空间变化
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