杜会石１，哈 斯２，孙 禹２，刘美萍２
（１．吉林师范大学旅游与地理科学学院，吉林 四平 １３６０００；２．北京师范大学资源学院，北京 １００８７５）
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。
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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
收稿日期：２０１４－０９－１６
基金项目：国家科技支撑计划项目（２０１３ＢＡＤ０７Ｂ０２）；国家自然科学基金项目（４０７７１０２０）；吉林师范大学博士科研启动基金项目
作者简介：杜会石（１９８３－），男，吉林伊通人，讲师，博士，主要从事资源环境遥感研究，（电话）１５１４４６６１３５９（电子信箱）ｄｕｈｓ＠１６３．ｃｏｍ；通信作者，
哈 斯（１９６４－），男（蒙古族），内蒙古通辽人，教授，博士，主要从事干旱区地貌与环境研究，（电子信箱）ｈａｓｉ＠ｂｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。
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：
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：
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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