全 文 ：SPOT 4遥感数据在荒漠绿洲景观分类
研究中的初步应用*
王兮之1 王 刚1* * Helge Bruelheide2 Michael Runge2
( 1 兰州大学干旱农业生态国家重点实验室, 兰州 730000; 2AlbrechtvonHallerInstitute for Plant Sciences, Dep. of Ecolog y
and Ecosystem Research, University o f Goettingen, Untere Karspuele 2, D37073 Goettingen, Germany )
摘要 应用 SPOT 4 多光谱遥感数据, 结合 GPS ( Global positioning system) 所测定的地面控制点和地面
景观类型调查数据, 对新疆塔克拉玛干沙漠南缘中部和田地区的策勒荒漠绿洲景观分类及其特征进行了
研究. 利用 ERDAS IMAGINE 图像处理软件,对 SPOT 4 卫片进行几何纠正、投影转换和监督分类,形成研
究区的景观分类图, 对策勒绿洲的景观分布格局进行了定性的描述, 并进一步探讨了 SPOT 及其它遥感数
据在荒漠绿洲景观研究中的应用研究前景.
关键词 SPOT 4 数据 策勒绿洲 景观分类
文章编号 1001- 9332( 2002) 09- 1113- 04 中图分类号 P283. 8, Q149 文献标识码 A
Application of SPOT 4 remote sensing imagine in classification of Qira oasis landscape in China. WANG
Xizhi1, WANG Gang 1, Helg e Bruelheide2, M ichael Runge2 ( 1 State Key L aboratory of A r id Agrocology ,
Lanzhou Univer sity , L anzhou 730000; 2A lbrechtv onH allerI ns titute f or Plant Sciences , Dep . of Ecology and
Ecosystem Research, Univer sity of Goettingen, Untere K ar spuele 2, D37073 Goettingen, Germany ) . Chin. J .
A pp l . Ecol . , 2002, 13( 9) : 1113~ 1116.
The landscape surounding Q ira osais at the southern fringe of the Taklamakan Desert in China was analyzed by
using t he SPOT 4 multispectrum remote sensing data and GPS ( global positioning system) data. The SPOT 4
scene w as projected into an UTM grid, and a supervised classification by ERDAS IMAGINE software w as ap
plied. In total, 13 landscape units could be distingushed, and a ! frame o f reference∀ was set up for establishing
monitoring system of landscape patterns dynmics. L imitations, possible improvements and fur ther applicat ions of
the approach were discussed.
Key words Qira oasis, SPOT image, Landscape classification.
* 欧盟基金项目( IC18 CT 980275)和国家自然科学基金重大资助
项目( 39893360) .
* * 通讯联系人.
2001- 05- 16收稿, 2001- 08- 19接受.
1 引 言
目前,遥感技术已成为景观生态学研究中必不
可少的最有利的工具之一. 国内主要用遥感图像数
据( TM、NOAA/ AVHRR和航片)或地图进行较大
尺度的景观格局分析及其动态变化和初级生物生产
力估测方面的研究[ 2, 6, 10, 12, 13] .在国外, SPOT 等分
辨率较高的遥感数据已被广泛地应用于各种景观格
局分析、动态变化以及类型分类的研究[ 5, 9] . 由于
SPOT 的分辨率较高,其中多光谱的分辨率为 20m
# 20m、全色数据的分辨率达到 10m # 10m, 有利于
形成精度较高的各种图件和定量研究各种景观特
征.本文以塔克拉玛干沙漠南缘中部的策勒绿洲为
研究对象,利用 SPOT 4数据对绿洲及其边缘地区
的景观分布格局进行分类研究, 以揭示植被在绿洲
边缘地区的分布状况, 为进一步准确地预测景观分
布格局的动态变化、科学合理地规划管理荒漠绿洲
景观、逆转荒漠化进程奠定基础.
2 研究地区与研究方法
2 1 研究地区概况
策勒绿洲位于! 塔南∀中部. 塔南指是塔克拉玛干沙漠南
面与昆仑山北麓之间的地区. 塔南的各个绿洲的存在与发展
完全依赖于发源于昆仑山北部各自的河流, 其空间分布特
征、变化的趋势极为相似.多年来, 由于人口的增加和开垦活
动的加强, 使水源南退,地下水位下降, 加速了下游地区植被
的退化和沙漠化的发展. 各绿洲的基本变化规律都是从河流
冲积平原的下部逐步上移到河流冲积平原的中上部[ 7] .策勒
绿洲( 80∃03%24&~ 82∃10%34& E, 35∃17%55& ~ 39∃30%00&N)的形
成和发展完全依赖于发源于昆仑山北麓的策勒河 .按土地利
用类型, 绿洲仅占全县土地面积的 1. 6% , 森林覆盖率为
0. 24% ,处于极低水平. 同样, 该地区由于因人口的增长、耕
地面积的不断扩大和农业用水量增加, 使策勒河水量被截用
应 用 生 态 学 报 2002 年 9 月 第 13 卷 第 9 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Sept . 2002, 13( 9)∋1113~ 1116
难以到达下游, 加速了下游地区植被的衰退和土地沙漠
化[ 7, 8, 11] .因此, 如何防止绿洲的荒漠化即植被的退化是策
勒绿洲面临的十分紧迫的问题.
22 研究方法
221 SPOT 4数据特征 SPOT 4是法国政府 1998 年 3 月
24日发射的最新的 SPOT 系列探测卫星, 数据成像面积为
60km # 60km,周期为 26d.其各个波段的特性见表 1. 其中第
4 波段( WSIR, 短波红外波段)对土壤湿度、植被覆盖和叶片
含水量特别敏感,而其它 SPOT 遥感资料中不含有第 4 波段
数据.本文使用的 SPOT 4 的多光谱资料( 4209~ 275 Scene)
是1998 年 9 月 26 日的一景数据, 通过不同波段的组合
( band 4, 3, 1)形成接近自然地貌的自然景观图(图 1) . 该图
主要是依据合成的色彩较接近反映绿洲及其周围地表植被
的分布特征来确定它的波段组合. 同时,利用自然景观图便
于对研究区的景观特征进行野外实地调查,以利于对遥感图
像的分类解译.
表 1 SPOT 4多光谱卫星资料( HRVIR)的特性
Table 1 Feature of SPOT 4 mutilspectural satelli te data
波段号
Band
number
波 长
Wave length
( m)
分辨率
Resolution
( m)
1 0. 50~ 0. 59(绿 Green) 20
2 0. 61~ 0. 68(红 Red) 20
3 0. 79~ 0. 89(近红 Near infrared) 20
4 0. 5~ 1. 75(短波红外 Shortwave inf rared) 20
222 研究方法 景观特征分类的研究存在各种不同的分
类体系: 按人类影响强度的景观分类、以土地利用方式为主
的景观分类、据自然度不同的景观分类以及以植被类型或地
貌特征为主的景观分类等分类方式[ 12] . 本文主要使用图 1
形成的自然景观特征图,根据自然地貌和地表的植被特点对
策勒绿洲的 SPOT 4 遥感图像数据进行分类.
在 ERDAS imag ine图像处理软件中主要是利用(全球定
位系统 GPS)所测定的具有明显地面特征的经纬度数据, 然
后使用 GPS 本身的数据转换功能转换为大地坐标格式的地
面控制点( GCP)数据,对获取的 SPOT 4 数据输入、纠正、投
影,转换为具有大地坐标的图像文件[ 2] . 同时, 利用手持式
GPS 实际野外所测定的相应研究区可识别地物的准确位置,
借助 ERDAS 图像处理软件中分类模块的监督分类模块进
行分类. 监督分类主要进行以下几个步骤[ 1, 3, 4] : 建立模板
(训练样本)、评价模板、确定初步分类图、检验分类结果、分
类后处理、分类特征统计和栅格矢量转换. 首先对获取的策
勒绿洲 SPOT 4 图像进行几何纠正与增强处理, 然后利用
GPS 测定的在图 1 中可识别的具有明显标志的经纬度数据
( GCP)转换为大地坐标格式,输入 ERDAS 软件, 对图像进行
投影变换为 UTM 方式.再选择可以识别或借助实地勘察研
究区地面信息判定其类型的像元建立模板,然后基于该模板
用监督分类使计算机系统自动识别具有相同特征的像元. 最
终对分类结果进行评价后,再对模板进行修改,多次重复后
建立一个比较准确的模板,最终形成景观分类. 图 2 为研究
区的大尺度景观分类图. 并对分类结果进行行、列误差矩阵
检验, 得到比较满意的结果.
图 1 策勒县 SPOT 图像的自然景观图
Fig. 1 Natural landscape of SPOT image in Qira oasis.
图 2 策勒县景观分类图
Fig. 2 Landscape classif ied map of Qira oasis.
3 结果与分析
对策勒荒漠绿洲景观格局分布的特征分类结
果比较明显看出, 景观结构简单, 类型层次分明. 由
图 2可见,策勒绿洲在较大尺度的景观水平上具有
如下特点: 荒漠绿洲景观是以戈壁荒漠为基质, 绿
洲为较大斑块,河流为主要廊道的景观构型.绿洲斑
块是人类生存和进行农业生产的地区; 河流是绿洲
1114 应 用 生 态 学 报 13卷
存在和发展必不可少的基本条件;绿洲的植被类型
单调、结构简单;荒漠绿洲景观的异质性显著.
对较大范围的遥感数据的分类结果进行精度检
验, 如果误差矩阵值大于 75%, 结果则可以接
受[ 10] . 根据表 3的行、列的合计精度验证, 主要的、
具有明显特征的景观类型分类平均精度达到 90%
以上(如耕地、河床、壤质戈壁、荒漠和水体等) ,而光
谱特征相似且比较接近的平均分类精度达到 80%
以上(如砾质戈壁、山坡地、绿洲边缘和半固定沙丘
等) ,其中冲击地的分类精度低, 但其光谱特征及实
地地表状况与砾质戈壁十分相似, 可把冲击地与砾
质戈壁归为一类. 分类总的平均精度达到 85%以
上.这种结果对于较大范围景观类型的分类研究来
讲是可以接受的结果.
表 2 策勒荒漠绿洲景观分类图类型与特征
Table 2 Il lustrationof landscape classi fied map of the Qira oasis( type and feature)
类 名
Class
山 体
M ountain
山坡地
Hillside
壤质戈壁
Loamy gobi
水 体
Reservoir
砾质戈壁
Gravel gobi
河 床
River bed
冲积地
Alluv ial
bot tomland
颜色 Co lor 灰色 Grey 浅黄 Light yellow 赭色Sienna 蓝色Blue 棕褐色 T an 蓝绿色 Aquamarine 蓝青色 Cyan
特征 Feature 昆仑山北麓山地,
极稀疏植被 Rare
vegetat ion at north
Kunlun
砾石、粘土混合, 稀
疏 植 被 Gravelly
and clay soil, little
vegetat ion
砾质荒漠、无植被、
地势平坦 Chomo
eremion, t opograph
ic even
灌溉用水库与较宽
河 道 Irr igation
reservoir and more
wide river
粘质荒漠, 分布极
少量植被 L oamy
desert and lit tle
v egetation
季节性河流的河
床, 以鹅卵石为主
Seasonal r iver bed
and main cobble
stone
季节性河流冲击
的滩地, 有少量植
被分布 Seasonal
r iv er beach and a
little veget ation
类 名
Class
冲击扇
Alluv ial fan
流动沙丘
Shifting dune
耕 地
Farmland
沙 漠
Desert
半荒漠
Semidesert
半固定沙丘
Sem istabilized
dune
绿洲边缘
Greenbelt
颜色 Co lor 灰绿色 Grey g reen 金黄色Gold 深绿色Dark g reen 黄色Yellow 淡绿 L ight green 橘黄色 Orange 新绿色 Chart reuse
特征 Feature 洪水冲击扇, 分布
较多植被 Flood al
luvial soil and more
vegetat ion
流动风沙土, 无植
被 Shifting sand
and no vegetat ion
灌淤土为主, 主要
作物有棉花、玉米
等Warping soil and
main co tton, maize,
etc.
塔干沙漠南缘, 基
本无植被 No ve
getation and south
Takalamagan
分布少量荒漠植被
如骆驼刺等 A lit tle
v egetation, camel
thorn, etc.
半固定风沙土, 有
少量柽柳、骆驼刺
等 Semistabilized
sand and a litt le
v egetation
绿洲边缘地带有
大量的芦苇、胡
杨、柽柳等植被
Oasis edge and
much vegetation
表 3 策勒荒漠绿洲景观的监督分类误差矩阵表
Table 3 Supervise classified error matrix of Qira Oasis ( Number pixel/ class)
分类数据
Class if ied data
耕 地
Farmland
沙 漠
Desert
绿洲边缘
Greenbelt
半荒漠
Semidesert
移动沙丘
Sh if t ing
dune
半固定沙丘
S emistabilized
dune
冲击地
Alluvial
bot tomland
冲击扇
Alluvial
fan
耕 地 Farmland 117037 0 2098 39 16 102 0 0
沙 漠 Desert 0 138753 0 17534 3546 183 161 0
绿洲边缘 Greenbelt 3040 436 25555 4416 31 142 6 0
半荒漠 Semidesert 4 8036 1372 49181 1032 478 112 0
移动沙丘 Sh if t ing dune 0 2485 0 746 45740 13875 60 248
半固定沙丘 Semistabilized dune 0 46 0 23 15201 94820 19 1270
冲击地 Alluvial bot tomlan d 0 815 3 1329 189 174 26633 189
冲击扇 Alluvial fan 0 5 0 5 1680 15360 0 68467
壤质戈壁 Loamy gobi 0 147 0 415 1498 826 1191 1335
砾质戈壁 Gravel gobi 0 0 0 4 2594 2544 23 289
河 床 River bed 0 0 0 1 0 12 750 59
山 体 Mountain 1823 52 161 563 459 1119 256 8
山坡地 Hillside 453 249 180 804 41 420 210 14
水 体 Reservoir 509 0 0 0 1 0 0 0
合 计 T otal 122866 151024 29369 75060 72028 130055 29421 71879
分类数据
Class if ied data
壤质戈壁
Loamy gobi
砾质戈壁
Gravel gobi
河 床
River bed
山 体
Mountain
山坡地
H illside
水 体
Reservoir
合 计
Total
耕 地 Farmland 0 0 0 338 193 219 120042
沙 漠 Desert 63 0 0 26 3030 0 163296
绿洲边缘 Greenbelt 382 0 0 969 3865 13 38855
半荒漠 Semidesert 589 0 0 2568 15397 0 78769
移动沙丘 Sh if t ing dune 2357 3082 0 1250 838 0 70681
半固定沙丘 Semistabilized dune 820 3429 0 12 13 0 115653
冲击地 Alluvial bot tomlan d 35988 1218 563 314 10152 0 77567
冲击扇 Alluvial fan 7370 730 0 4 6 0 93627
壤质戈壁 Loamy gobi 324407 9778 0 189 569 0 340355
砾质戈壁 Gravel gobi 7440 634874 0 257 439 0 648464
河 床 River bed 15 2326 94722 6 33 0 97924
山 体 Mountain 1351 747 790 60635 18371 50 86385
山坡地 Hillside 2063 819 15 14522 397072 7 416869
水 体 Reservoir 0 0 0 757 66 3166 4499
合 计 T otal 382845 657003 96090 81847 450044 3455 2352986
11159 期 王兮之等: SPOT 4 遥感数据在荒漠绿洲景观分类研究中的初步应用
景观分类的结果是进行荒漠绿洲生态系统动态
监测建立的基础性工作. 在景观尺度上的动态,实际
上是各类斑块(包括廊道)形状和面积的变化, 也就
是原有斑块边界的改变和新类型斑块的产生. 本文
所得的分类结果可作为动态监测体系中景观格局
的∀参照系∀,对其其它时相的遥感数据作相应的比
较分析,以及了解所涉及地区景观格局在时间尺度
上的变化模式.
4 讨 论
形成策勒绿洲的景观分类图以及对绿洲景观特
征的描述, 只是研究塔南绿洲带及其相似绿洲带景
观的初步结果, 是进行深入研究的基础.在掌握较大
尺度的绿洲景观空间分布格局的同时, 根据不同的
研究目的,如关注绿洲的植被类型,可选取较小范围
感兴趣的区域即荒漠绿洲交错带, 进行细化分类,
更精确地定量研究局部景观特征.如果能利用遥感
数据分别形成塔南地区各个绿洲和整个塔南地区的
景观类型与自然景观图, 可从不同尺度了解各绿洲
的自然地貌、植被和人工农业生态系统的分布状况,
有利于从宏观上把握塔南绿洲带及各个绿洲的景观
结构、功能以及变化的过程.
SPOT 4遥感数据由于分辨率较高,其第4波段
对植被探测敏感,因而对研究区的植被信息反映较
强,便于对地表植被信息的获取以及较精确定位地
面特征位置.如能获取不同时相的 SPOT 4 数据或
其它类型的遥感数据, 则可利用相同的数据处理方
法, 然后输入 GIS 系统对塔南地区的整个景观结
构、功能以及动态变化的过程中的景观特征参数如
破碎度、连通性、分维数和多样性指数等的变化过程
进行有效的分析.
同时,也可通过计算不同时期遥感图像的植被
指数值,对研究区的不同类型植被的初级生物量进
行定量化动态变化分析, 从而量化地认识研究区植
被变化的程度和趋势. 另外借助 3S ( GIS、GPS 和
RS)技术的各自优势, 在收集荒漠绿洲景观中土
壤、植被、气象、水文、经济等方面的数据基础上,建
立研究区的综合性荒漠绿洲景观数据库. 据此, 可
相对完整地了解一个地区不同的尺度生境,并进行
研究区动态监测和科学合理的规划与管理.
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作者简介 王兮之, 男, 1971 年生, 博士生,主要从事遥感图
像处理和 GIS 在景观生态学中的应用研究, 发表论文 3 篇.
T el: 09313916125, Email: w angx izhi71@ sina. com. cn
1116 应 用 生 态 学 报 13卷