北京周边沙源区沙化土地光谱特征初探

表2 Tab.2
类型 低山干草原草场 山地 上 部， 海 拔 1300m 以 上，山 体 剥 蚀 严 重， 基 岩 地形及土壤 土壤 石 质 性 较 强， 为 石 质 土或粗骨性栗钙土。 草群盖度（ % ） 草群高度（ cm） 8 ~ 20 13.5 ~ 22.5 15 ~ 25， max 30 15 ~ 25， 小叶锦鸡儿 > 35 资料来源： 《镶黄旗志》 . 呼和浩特：内蒙古人民出版社，1999. 丘陵坡地或丘间谷 钙土为主。 裸露，地表常有碎石覆盖， 地，坡度 < 10 ，栗
地 理 研 究 VOl. 21，NO. 5 Sept. ，2002 GE0GRAPHICAL RESEARCH ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
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引言
荒漠化及其引发的土地沙化被称为“地球溃疡症” ，其危害是多方面的，已成为严重
制约我国经济社会可持续发展的重大环境问题。 20 世纪 90 年代以来，我国华北地区频繁出现沙尘暴天气，其中地表覆被状况局部改 善而整体恶化是强沙尘天气产生的重要原因之一。这一地区不同程度的沙化土地为沙尘天 气的发生提供了丰富的物质来源，同时也危及到首都北京的生态环境质量和人们的日常生 活。对京津地区构成重大威胁的沙尘灾害源于可以治理的退化草地和耕地，而不是难以治 理的天然沙漠和戈壁。在沙尘天气涉及的 200 万 km2 区域当中，强度供尘区（沙化发展 ［1］ 区）以内蒙古中部和河北省北部约 25 万 km2 的退化草地、撂荒耕地及旱作耕地为主 。 为改善首都生态环境，实现区域可持续发展，我国已率先启动了北京及其周边地区的 防沙、治沙工程，确定了典型示范区，并将该区的治理工程作为全国防沙治沙工作的重中 之重，以遏制北京风沙源区沙化土地的扩展，减少沙尘暴和沙尘天气的危害。 环北京地区包括北京、河北、内蒙古、山西、天津等省市的 123 个县，总土地面积 46 万 km2 。根据自然条件可分为 4 个主要尘源类型区，即北部干旱草原区、浑善达克沙地、
镶黄旗草场类型
Grassland types of Xianghuanggi
丘陵干草原草场 高平原干草原草场 地形平坦宽阔，起 伏不大，淡栗钙土 为主，部分栗钙土 和沙质栗钙土 10 ~ 25， max 35 15 ~ 20， 小叶锦鸡儿 44 低洼地盐化草甸 干涸谷地、湖盆洼地、 丘间洼地及其它闭合 洼地， 土 壤 为 盐 化 草 甸土。 35 ~ 60 低矮草本 15 ~ 20 高大密丛型禾草 130
第 21 卷 第 5 期 2002 年 9 月 文章编号：1000-0585 （2002） 05-0599-09
北京周边沙源区沙化土地光谱特征初探
李海萍，庄大方，熊利亚
（中国科学院地理科学与资源研究所资源环境数据中心，北京 100101）
摘要：针对我国土地沙化及 90 年代以来环北京地区频繁发生的沙尘天气，以北京周边的河北 省丰宁县、内蒙古多伦县及镶黄旗为研究区，用美国 ASD FieldSpecTM FR 全波段野外光谱仪对 不同类型沙化土地进行了野外光谱测量；根据测量结果，对不同沙化土地的光谱特征及其响 应机制进行了探讨，认为土壤湿度、草地类型、草群高度和盖度以及不同物候期植被光谱特 征与沙化土地的平均光谱特征相关。应从区域植被和土壤的特征光谱段分析沙化土地的光谱 特征。 关 键 词：沙化土地；光谱特征；光谱响应机制 文献标识码：A 中图分类号：S157；0433.4；TP731
［2］ 农牧交错带和燕山丘陵旱作农业区 。其中草原区是我国东部和环北京地区沙尘暴的主要
源地；农牧交错带是人为破坏最为严重、沙化速度最快的地区；浑善达克沙地则是一个巨 大的水土流失区，滦河的源头和上游就在浑善达克沙地，仅锡林郭勒盟的正蓝旗和多伦县
收稿日期：2002-03-04；修订日期：2002-07-10 基金项目：科技部“首都圈（环北京）防沙治沙应急技术开发研究与示范项目（FS2000 - 010） ”专项资助 ，女，陕西西安人，副教授，博士生。主要从事 GIS 与遥感应用研究 . E-mail：lihp @ 作者简介：李海萍（1965-） lreis. ac. cn
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光谱数据分析
对处理后的光谱数据绘制原始波形曲线，并进行不同地表类型的光谱曲线特征分析。 不同沙化程度光谱特征分析
图l Fig.l
不同沙化程度的光谱特征曲线
SpectraI curve Of different desertified Iands
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地理研Fra bibliotek究2l 卷
被对沙化土地的指示作用，选取了流动沙丘、沙化草地、退化草场、农耕地等类型进行了 光谱测量。用以进行不同沙化土地的光谱特征提取。 !"# 数据预处理 野外光谱测量时为了减小数据存储量和频繁操作对电池能量的损耗，实时数据处理系 统采用二进制格式保存实测光谱数据。野外光谱测量条件与实验室光谱测量具有较大不 同，野外光谱测量利用太阳光照作为光源，但是，处于自然环境中的被测目标通常受到三 种以上的光源照射，如太阳的直接照射、天空的散射照射、周围环境背景的散射照射，甚
2.2
野外光谱测量 实验室光谱仪因其较小的测量面积（通常约为 1cm2 ）常用于对单一物体（如土壤、
植被、矿物、水体等）的光谱特征进行测量，不适于用来进行大面积地表覆盖的综合特征 测量。野外光谱仪则可以弥补这一不足，但野外光谱测量时大气中水汽含量、云层覆盖 度、风、太阳等因素处于随时变化之中，因此使光谱仪处于较稳定的环境是很困难的，这
Soil and Vegetation types of Duolun county
旱生灌木、禾草、杂类草草场 旱生禾草、杂类草 乔木榆树疏林、禾草、杂类草 针茅、羊草等杂类草 中生灌丛、禾草、杂类草 白桦、山杨疏林灌丛、禾草、杂类草 丛生禾草 丘间湿地、河滩地内禾草 退化较轻的中生灌木丛 退化较重的禾草、杂类草 固定半固定沙丘旱生灌丛 湿生、广布科属，禾本科、杂类草
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2.1
野外光谱测量及数据预处理
研究区概况 北京地区位于华北平原北部燕山南麓的冲积平原，其北部为燕山山脉，向北依次为坝
上高原、浑善达克沙地和锡林郭勒高原。坝上高原以南为旱作农业区，坝上高原以北至浑 善达克沙地之间是农牧交错区，浑善达克沙地以北为草原牧区。因此，根据环北京地区的 地理位置、所处自然带的特征以及不同类型沙化土地的空间分布，在涉及环北京的 123 个 县（旗）中选取了代表燕山丘陵旱作农业区的河北省丰宁县、代表坝上草原农牧交错带的 内蒙古多伦县以及位于浑善达克沙地西南以牧为主的内蒙古镶黄旗作为光谱测量及研究的 重点实验区，野外光谱测量工作主要在这些地区进行，以分别得到旱作农业区、农牧交错 区和草原牧区内具有不同特征的沙化土地的光谱数据。于 2001 年 3 月和 9 月在上述三地 进行了野外光谱实地测量。
［6］ 也是野外光谱仪的测量精度不可能达到实验室光谱仪测量精度的主要原因 。
因此，选择具有较快扫描速度的光谱仪以及在环境较为稳定的时间进行测量是野外进 行数据质量控制的有效途径。本研究中使用美国 ASD FieldSpecTM FR 全波段野外光谱仪进 行了野外数据采集，ASD 的快速、多次光谱平均和高信噪比使得所采集的数据具有较为可 靠的质量保证。 仪器主要性能：探测器：350 ~ 1050nm，低噪声 512 阵元 PDA，1000 ~ 1800nm 及 1800 ~ 2500nm，两个 INgaAS 探测器单元， PE 制冷恒温。波长范围：350 ~ 2500 nm；采样时间： 短至 10 次 / 秒；光谱平均：高达31， 800 次；探测器响应线性： 1 1% ；波长精度： 1 1nm； 波长重复性：优于 1 0.3nm @ 1 10 C 温度变化。光谱采样间隔： 1.4nm @ 350 ~ 1050nm 2nm@ 1000 ~ 2500nm；光谱分辨率： 3.5nm @ 350 ~ 1050nm 10nm @ 100 ~ 2500nm ； Ne !L： U / NIR：4.8x10 ~ 9W / cm2 / nm / Sr @ 700nm； NIR：2.4x10 ~ 9W / cm2 / nm / Sr @ 1400nm； NIR： 1.0x10 ~ 8W / cm2 / nm / Sr@ 2100nm 测量时采用 1m 长标准光纤探头，25 前视场，增加镜头后视场角减至 5 。由于野外光 谱仪主要为手持操作，因此，探头距被测地物高度约为测量员手臂水平伸直时距地面的高 度，一般为 1m 左右；实时数据处理采用 FieldSpec FR 1.14 标准软件包，标准参考板为安 徽光机所生产。 测量时间基本选择在上午 10 点至下午 2 点之间，且天气晴朗时进行，根据土壤、植 601
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近年来年均土壤流失量就达 6700 万 t，相当于每年这一地区有 3mm 厚的土壤随滦河和大 ［3， 4］ 。 风到了京津地区 由此可见，环北京地区的土地沙化与沙尘天气的发生存在必然的联系。通常将沙化土 地划分为重度、中度、轻度和潜在荒漠化地区，由于荒漠化程度的确定受人的主观因素影 响很大，各国荒漠化评价采用的数据与评价方法差异很大，也使得荒漠化等级划分全球的 可比性较差。植被指数反映了光谱响应与植被盖度之间的近似关系，而土地荒漠化本质特
表1 Tab.1
草场类型 土壤 栗钙土、沙质栗钙土 低山丘陵干草原 沙质栗钙土
多伦土壤植被类型
植被 草群盖度 % < 37 < 30 25 45 55 60 72.5 45 72 < 35 35 90 草层高度（ cm） 17.3 ~ 20 12 ~ 18 因生境差异 很大 14 ~ 29 17 ~ 23.7 16.3 ~ 25.2 25 ~ 41.3 13.4 ~ 34.7 17 ~ 24 32 17 15 ~ 24 15.6 ~ 18.7
［7］ 至进行测量的人以及测量仪器也成为一种散射源 。进行野外光谱测量的前提假设是测量