基于RS和GIS的敦煌市土地沙漠化研究

基于RS和GIS的敦煌市土地沙漠化研究2020/1/28兰州大学硕士研究生论文答辩1主要内容1.绪论2.研究方法和理论基础3.研究区概况4.数据源和数据预处理5.植被覆盖度估算、地温反演和纹理分析6.敦煌市土地沙漠化状况分析7.结论、不足与展望2020/1/28兰州大学硕士研究生论文答辩21.绪论1.1选题背景和研究意义1.2国内外研究现状1.2.1沙漠化遥感监测国内外现状1.2.2遥感图像分类国内外研究现状1.3研究目标和论文组织1.3.1研究目标1.3.2论文组织内容2020/1/28兰州大学硕士研究生论文答辩3沙漠化是当今世界面临的最大的环境—社会经济问题之一。我国是世界上受沙漠化影响最严重的国家之一，给生态环境和社会经济带来极大危害。遥感技术为沙漠化监测提供了一种全新的手段。由于土地沙漠化的复杂性，目视解译仍然是当前沙漠化监测的主要手段。但目视解译存在定位不准、时效性差、周期长、工作量大等缺陷，因此，建立一种监测土地沙漠化的计算机自动分类方法十分必要且有意义。敦煌是历史文化名城、全国优秀旅游城市，在国际上具有一定影响。市域内文物古迹众多，自然景观独特。然而，近几十年来，敦煌境内土地沙漠化日趋加重，对当地的生态环境和人民生产生活等各方面造成严重影响。对此，温家宝作出批示，必须加快治理沙漠化。所以了解和掌握敦煌市的土地沙漠化发展变化情况，对当地沙漠化治理和环境保护具有重要的现实意义。1.1选题背景和研究意义2020/1/28兰州大学硕士研究生论文答辩42020/1/28兰州大学硕士研究生论文答辩51.2.1沙漠化遥感监测国内外研究现状国外研究现状：国外利用卫星遥感进行荒漠化监测研究始于20世纪70年代，目视判读仍是主要的分析手段，利用遥感进行沙漠化／荒漠化监测，只是多年来研究人员对研究方法的一种尝试，并没有真正形成一种成熟而又独立的沙化遥感技术。国内研究现状：早在2O世纪8O年代末9O年代初，我国一些专家学者就开始了沙漠化遥感监测研究。但利用遥感技术提取沙漠化信息多以目视解译为主,进行计算机自动提取尚处于研究阶段。总之，无论是国内还是国际上，人工目视解译和监督/非监督分类仍然是当前土地沙漠化监测的主要方法。2020/1/28兰州大学硕士研究生论文答辩61.2.2遥感图像分类国内外研究现状国外研究现状：在遥感图像的传统分类方法中，监督分类的最大似然法和非监督分类的模糊聚类法仍然是精度比较高的分类方法。但由于这些方法存在一定的局限性，人们发展了许多新方法来改善分类效果或提高分类精度,如支撑向量机、神经网络、决策树分类、模糊分类、专家系统、亚像元分类、纹理分析、面向对象等。国内研究现状：20世纪70年代，遥感图像分类主要是监督/非监督分类。近年来，这两种传统分类方法都发展了许多新算法，但都存在一定局限。因此，人工神经网络、决策树分类、支持向量机等分类技术得到深入研究。2020/1/28兰州大学硕士研究生论文答辩71.3研究目标（1）建立适于用定量遥感进行土地沙漠化监测的指标体系和土地沙漠化监测自动分类方法，将植被覆盖度、地表温度等定量反演结果和纹理分析结果引入土地沙漠化动态监测中。（2）分析敦煌市近20年来的土地沙漠化态势，探索其分布规律和发展变化，为制定土地沙漠化防治规划及设计提供理论依据，并指导防治各种由于土地沙漠化造成危害的决策。2020/1/28兰州大学硕士研究生论文答辩82.研究方法和理论基础2.1研究方法2.2沙漠化概念、成因及其监测体系2.3植被覆盖度2.4地表温度2.5纹理分析2.6图像分类2020/1/28兰州大学硕士研究生论文答辩92.1研究方法LandsatTM影像辐射定标和大气校正影像预处理沙漠化程度分类体系植被覆盖度地表温度NDVI决策树分类目视解译实地考察2004年敦煌市土地沙漠化现状1987—2006年敦煌市土地沙漠化情况分析纹理分析精度评价和对比分析2020/1/28兰州大学硕士研究生论文答辩102.1研究方法LandsatTM影像辐射定标和大气校正影像预处理沙漠化程度分类体系植被覆盖度地表温度NDVI决策树分类目视解译实地考察2004年敦煌市土地沙漠化现状1987—2006年敦煌市土地沙漠化情况分析纹理分析精度评价和对比分析2020/1/28兰州大学硕士研究生论文答辩112.1研究方法LandsatTM影像辐射定标和大气校正影像预处理沙漠化程度分类体系植被覆盖度地表温度NDVI决策树分类目视解译实地考察2004年敦煌市土地沙漠化现状1987—2006年敦煌市土地沙漠化情况分析纹理分析精度评价和对比分析2020/1/28兰州大学硕士研究生论文答辩122.1研究方法LandsatTM影像辐射定标和大气校正影像预处理沙漠化程度分类体系植被覆盖度地表温度NDVI决策树分类目视解译实地考察2004年敦煌市土地沙漠化现状1987—2006年敦煌市土地沙漠化情况分析纹理分析精度评价和对比分析2020/1/28兰州大学硕士研究生论文答辩132.1研究方法LandsatTM影像辐射定标和大气校正影像预处理沙漠化程度分类体系植被覆盖度地表温度NDVI决策树分类目视解译实地考察2004年敦煌市土地沙漠化现状1987—2006年敦煌市土地沙漠化情况分析纹理分析精度评价和对比分析2020/1/28兰州大学硕士研究生论文答辩142.1研究方法LandsatTM影像辐射定标和大气校正影像预处理沙漠化程度分类体系植被覆盖度地表温度NDVI决策树分类目视解译实地考察2004年敦煌市土地沙漠化现状1987—2006年敦煌市土地沙漠化情况分析纹理分析精度评价和对比分析2020/1/28兰州大学硕士研究生论文答辩15沙漠化监测体系这是联合国粮农组织和联合国环境规划署制定的沙漠化监测评价分级标准，是国际上最为完整的沙漠化监测指标系统。2020/1/28兰州大学硕士研究生论文答辩16沙漠化监测体系这是朱震达老师的沙漠化土地分类指标体系，在国内最具代表性。2020/1/28兰州大学硕士研究生论文答辩173.研究区概况2020/1/28兰州大学硕士研究生论文答辩184.数据源和数据预处理4.1数据源4.2沙漠化分类体系的建立参考朱震达的分类体系和其他指标，建立了适合调查区的沙漠化程度分类体系。4.3数据预处理：辐射定标、大气校正、几何校正等。4.4目视解译接收日期卫星传感器产品类型数据格式波段1987.07.10LANDSAT5TMSystematicFASTB12375671987.09.19LANDSAT5TMSystematicFASTB12375671996.08.10LANDSAT5TMSystematicFASTB12375671996.09.20LANDSAT5TMSystematicFASTB12375672004.08.24LANDSAT5TMGeomaticFASTB12375672004.09.26LANDSAT5TMGeomaticFASTB12375672006.08.22LANDSAT5TMSystematicFASTB12375672007.09.19LANDSAT5TMSystematicFASTB12375672020/1/28兰州大学硕士研究生论文答辩192020/1/28兰州大学硕士研究生论文答辩205.植被覆盖度估算、地温反演和纹理分析5.1植被覆盖度估算5.2地温反演5.3纹理分析2020/1/28兰州大学硕士研究生论文答辩215.1植被覆盖度估算5.1.1基于NDVI的植被覆盖度估算方法5.1.2植被覆盖度估算结果)/()(irrrirRRRRNDVI)/()(minmaxminNDVINDVINDVINDVIVF2020/1/28兰州大学硕士研究生论文答辩225.2.2参数估计A：计算热辐射强度Lλ：B：计算亮度温度T6：C：估算大气透过率τ6：D：估算地表比辐射率ε6：E：估算大气平均作用温度Ta：5.2地温反演5.2.1覃志豪等的单窗算法66666666666/])1([)1(CTDTDCDCbDCaTas)/1ln(/126LKKT其中，，，Ts为真实地表温度，T6为TM6的亮度温度，Ta为大气平均作用温度，ε6为地表比辐射率，τ6为大气透过率，a6和b6为温度参数L6对亮度温度T6的回归系数（），在不同亮温变化范围内有不同的取值。a6和b6在温度变化范围0—70℃内，其值分别为-67.35535和0.458608；对于0—30℃，其值分别为-60.3263和0.43436；对于20—50℃，其值分别为-67.9542和0.45987。666C)]1(1)[1(6666D6666TbaL6DN0.005632151238.0Lτ=0.974290-0.08007ω,当T0较高时τ=0.982007-0.09611ω,当T0较低时)VF1(VF4)VF1(VFdgv092621.00110.16TTaK1和K2分别为60.776mW/(m2·sr·μm)和1260.56K。2020/1/28兰州大学硕士研究生论文答辩235.2地温反演（续）2020/1/28兰州大学硕士研究生论文答辩245.2地温反演（续）1987年1996年2006年2020/1/28兰州大学硕士研究生论文答辩255.3纹理分析5.3.1移动窗口大小设置：3×35.3.2特征参数选择：均值和熵5.3.3灰度级压缩：32级5.3.4步长设置：12020/1/28兰州大学硕士研究生论文答辩266.敦煌市土地沙漠化状况分析6.1决策树分类6.2敦煌市土地沙漠化情况分析6.3敦煌市沙漠化成因及对策分析2020/1/28兰州大学硕士研究生论文答辩276.1决策树分类决策树分类结果和精度评价决策树构建分类前准备：合成新图像和样本特性统计TM影像植被覆盖度10%植被覆盖度30%植被覆盖度60%地表温度300云、积雪和水均值=4熵0.07草地严重沙漠化沙漠戈壁裸岩是否地表温度306是否是否地表温度313是否是否是否是均值=4熵0.07草地中度沙漠化沙漠戈壁裸岩地表温度306是否地表温度313是否是否否是均值=4草地轻度沙漠化是否否是否熵0草地潜在沙漠化是否均值=4绿洲是否2020/1/28兰州大学硕士研究生论文答辩282020/1/28兰州大学硕士研究生论文答辩296.2敦煌市土地沙漠化情况分析6.2.1敦煌市沙漠化土地的数量特征和空间分布特征6.2.2敦煌市土地沙漠化发展趋势分析2020/1/28兰州大学硕士研究生论文答辩302157.31079.77226.59829.2321.71面积（km2）1005011331百分数（%）2399002119974925176592136324119像元数2006年1081.42889.8313.95143.5834.06面积（km2）100822133百分数（%）12035639886991549615953037842像元数1996年525.89412.83107.995.07面积（km2）10078211百分数（%）5863004586961199855632像元数1987年严重中度轻度潜在总计沙漠化程度内容年份0200000400000600000800000100000012000001400000潜在轻度中度严重沙漠化程度像元数1987199620062020/1/28兰州大学硕士研究生论文答辩316.3敦煌市沙漠化成因及对策分析6.3.1成因分析地理位置和气候、水文、植被和人为因素6.3.2对策分析A：加大依法治沙力度，发展沙区产业，促进沙区科学发展B：遵循自然规律和经济规律，采取综合措施防止沙漠化C：政策上采取鼓励措施，提高公众的防治意识D：加强部门协调和监督检查E：合理解决水资源利用问题F：加强沙漠化动态监测2020/1/28兰州大学硕士研究