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[摘 要]沙丘移动变化的研究是沙漠迁移过程研究的一个重要方面。地面观测手段难以满足大空间尺度范围的研究需要，而卫星遥感影像则为沙丘移动研究提供了长周期、大范围的数据保障。本文利用2010年ALOS、2013年国产高分一号和2014年WorldView-2共3期不同来源、不同分辨率的高分辨率遥感影像对腾格里沙漠沙丘移动进行研究分析，结果表明：（1）高分辨率遥感影像能有效反映1a尺度的沙丘变化研究；（2）研究区2010年～2013年间，沙丘平均位移4.36m；与研究区内风场风向基本一致；2013年至2014年间平均位移2.43m；平均移动方向指向方位角约36.5°SE；（3）个别沙丘局部表现出一定的西北—东南向的往复性运动，在2010年至2013年间样本沙丘最大逆向移动距离为2.55米。
[关键词]高分辨率遥感影像 几何配准 沙丘移动
中图分类号：TG333.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）02-03370-01
引言
沙漠扩张和沙漠化是人类面临的一个紧迫的环境难题，是社会经济发展中一个严重的制约因素。沙丘移动是判断沙漠扩张的一种重要依据。沙丘移动主要有野外观测法和遥感分析法。野外观测法，主要通过利用电子全站仪对沙丘形态测量及通过布设观测桩测定沙丘垂直断面的水平移动来确定移动距。该种方法最为直接，但是这种方法难以在大范围的空间上展开同步观测。遥感影像的出现克服了观测空间、时间的限制，给沙丘移动变化的观测带来了新的方式。遥感分析法，利用卫星、航空和雷达影像等分析对比沙丘在一定时期的变化状态。Bourke通过航空影像和雷达影像对维多利亚谷地1961年—2001年的沙丘变化进行了分析研究。陈芳利用Landsat TM多景影像对巴丹吉林沙漠的4个典型区域1989-2010年间的沙丘移动方向和距离以6a、8a、10a的时间尺度分别进行了实验分析，从而得到研究区沙丘移动的平均年移动距离。问题在于，中低分辨率遥感影像同样受空间分辨率的限制，无法做到更精确的量测。本文利用ALOS、中国高分一号、Worldview-2三种高分辨率遥感影像计算出腾格里沙漠东南缘区域沙丘在年际尺度上的移动速度和方向。
1.研究方法及数据准备
1.1.研究区概况
研究区位于腾格里沙漠东南边缘，属于内蒙古阿拉善左旗和宁夏中卫市的交界地带。地理坐标37°29′49.03″～37°33′15.40″N，105°01′33.14″～105°04′22.5″E。年平均空气湿度为36.51%～45.40%。年平均温度为11.21～12.65℃。年降水量71.44～116.60mm。年平均风速为2.48～2.79m/s，风向以西北风为主，其次为东北风。研究区南侧位于沙坡头自然保护区北部。2012年以来在北、东方向开始逐步进行光伏电场建设工程。研究区沙丘类型主要为仍然保持天然风貌的新月形沙丘链，至2015年尚未受到人类建设活动的干扰。
1.2 数据准备
1.2.1. 数据来源
遥感数据包括：（1）日本ALOS卫星10m分辨率的AVNIR-2多光谱数据和2.5m分辨率PRISM全色波段数据，1B2+RPC级产品；数据获取日期为2010年09月10日；（2）GF-1A级遥感数据，包括8m分辨率多光谱数据和2m分辨率全色波段数据；数据获取日期为2013年08月08日；（3）Worldview-2卫星2A级数据，包括2m分辨率多光谱影像数据和0.5m分辨率全色波段数据；数据获取日期为2014年10月04日。
1.2.2.影像配准
利用3种高分辨率影像数据所附带的RPC文件和GMTED2010数字高程模型数据进行正射影像校正。而后以Worldview-2影像为基准影像分别对ALOS和GF-1影像进行几何精纠正，使校正总精度保持在1个像元误差以内，单点的定位精度控制在0.5个像元误差以内，从而确保影像数据的配准精度。
1.2.3. 影像融合
影像融合是将低空间分辨率的多光谱图像或高光谱数据与高空间分辨率的单波段影像重采样，生成一幅高分辨率多光谱遥感影像的处理技术，使得处理后的影像既有较高的空间分辨率，又有多光谱特征。为便于更好的目视解译，本文应用ENVI5.1软件，对三期影像采用Gram-Schmidt方法进行融合。
1.2.4. 沙梁线的提取
沙丘由迎风坡和背风坡组成。沙丘在高分辨率遥感影像上表现出明显的纹理及灰度特性。两个坡面的交界线即是沙丘的沙梁线。分别在三期高分辨率遥感影像上勾绘沙梁线，实现对沙梁线的提取。
2.结果与讨论
沙梁的移动距离计算，采用了5点求平均法。即在每期影像的样本沙梁线上分别选取均匀分布的5个点，而后量取相应另一期影像沙梁线对应点之间的距离和方位角，求出其平均移动距离及平均移动方向作为该样本沙丘的该时间段内的移动值，此后求算出研究区沙丘平均移动距离及移动方向。
实验区主要以新月形沙丘链为主，沙丘走向为SW～NE向，风向以西北风为主，其次是东北风。通过ALOS影像和GF-1影像分析可以看到，在2010年09月至2013年08月间所选样本沙丘向东南方向移动，最大移动距离为8.45米，移动方向45.6°SE；最小移动距离0.15米，方向37.9°SE；最大反方向移动距离为2.55米，方向为58.1°NW。其中4号、5号、11号沙丘在此阶段局部出现负值，说明了部分沙丘在移动中受到外界因素影响会出现往复运动的现象。另外，8号沙丘处出现向46.3°SW处移动6.4米，表明了沙丘移动的复杂性和个别现象。在2010年到2013年的3年间沙丘平均移动距离为4.30米，平均移动方向约为36.9°SE。
通过三期影像两个时间阶段的对比可以发现研究区沙丘在较长时间累积中也表现出较大移动距离，而相对较小时间段上则相应表现出相应较小的移动距离，两者之间成正比关系；在移动方向上总体保持了较为一致的方位，约为35°SE方向方向移动。这与研究区的主风向保持了一致。同时，在研究区样本沙丘局部仍然出现向西北方，东北方，西南方的移动现象，这表明沙丘在移动上除受到主要风力的影响外仍受到其他外界因素的影响，从而表现出一定的反复性和局部移动的横向性。
3.结论
本文利用ALOS、GF-1、Worldview-2三种高分辨率遥感影像来分析、探讨腾格里沙漠东南缘沙丘在1a、3a尺度上的移动变化情况，得出以下结论：
（1）腾格里沙漠东南缘沙丘在2010年至2013年，沙丘主要移动方向为东南方向，平均移动距离4.30米；在2013年至2014年间，沙丘移动主要方向为东南方，平均移动距离2.43米；研究区沙丘的主要移动方向保持不变，移动距离与时间成正比。
（2）研究区其中个别沙丘局部表现出向西北，西南、东北移动的现象，体现沙丘在移动过程中存在逆向运动和局部的横向运动，当属短时间尺度局地气流活动所致。
（3）随着高分辨率遥感影像数据资源的不断丰富，为在更短的时间尺度上来对沙丘的移动情况进行研究创造了良好的条件。特别是达到亚米级分辨率诸如Worldview-2数据，可以很好表现出沙丘的形态及细节，完全满足在1a尺度甚至更小尺度的要求。高分辨率遥感影像的出现将对沙丘移动及监测产生积极意义。
参考文献：
[1] 曾永年，冯兆东.沙质荒漠化遥感监测与环境影响研究进展[J]. 山地学报，2005，23（2）：218-227.
[2] 刘陶，杨小平，董巨峰，等.巴丹吉林沙漠沙丘形态与风动力关系的初步研究[J]. 中国沙漠， 2010，30（6）：1285-1291.
作者简介：
胡晓刚（1981—），男，陕西白水人，硕士研究生，主要从事遥感与地理信息相关研究。
[关键词]高分辨率遥感影像 几何配准 沙丘移动
中图分类号：TG333.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）02-03370-01
引言
沙漠扩张和沙漠化是人类面临的一个紧迫的环境难题，是社会经济发展中一个严重的制约因素。沙丘移动是判断沙漠扩张的一种重要依据。沙丘移动主要有野外观测法和遥感分析法。野外观测法，主要通过利用电子全站仪对沙丘形态测量及通过布设观测桩测定沙丘垂直断面的水平移动来确定移动距。该种方法最为直接，但是这种方法难以在大范围的空间上展开同步观测。遥感影像的出现克服了观测空间、时间的限制，给沙丘移动变化的观测带来了新的方式。遥感分析法，利用卫星、航空和雷达影像等分析对比沙丘在一定时期的变化状态。Bourke通过航空影像和雷达影像对维多利亚谷地1961年—2001年的沙丘变化进行了分析研究。陈芳利用Landsat TM多景影像对巴丹吉林沙漠的4个典型区域1989-2010年间的沙丘移动方向和距离以6a、8a、10a的时间尺度分别进行了实验分析，从而得到研究区沙丘移动的平均年移动距离。问题在于，中低分辨率遥感影像同样受空间分辨率的限制，无法做到更精确的量测。本文利用ALOS、中国高分一号、Worldview-2三种高分辨率遥感影像计算出腾格里沙漠东南缘区域沙丘在年际尺度上的移动速度和方向。
1.研究方法及数据准备
1.1.研究区概况
研究区位于腾格里沙漠东南边缘，属于内蒙古阿拉善左旗和宁夏中卫市的交界地带。地理坐标37°29′49.03″～37°33′15.40″N，105°01′33.14″～105°04′22.5″E。年平均空气湿度为36.51%～45.40%。年平均温度为11.21～12.65℃。年降水量71.44～116.60mm。年平均风速为2.48～2.79m/s，风向以西北风为主，其次为东北风。研究区南侧位于沙坡头自然保护区北部。2012年以来在北、东方向开始逐步进行光伏电场建设工程。研究区沙丘类型主要为仍然保持天然风貌的新月形沙丘链，至2015年尚未受到人类建设活动的干扰。
1.2 数据准备
1.2.1. 数据来源
遥感数据包括：（1）日本ALOS卫星10m分辨率的AVNIR-2多光谱数据和2.5m分辨率PRISM全色波段数据，1B2+RPC级产品；数据获取日期为2010年09月10日；（2）GF-1A级遥感数据，包括8m分辨率多光谱数据和2m分辨率全色波段数据；数据获取日期为2013年08月08日；（3）Worldview-2卫星2A级数据，包括2m分辨率多光谱影像数据和0.5m分辨率全色波段数据；数据获取日期为2014年10月04日。
1.2.2.影像配准
利用3种高分辨率影像数据所附带的RPC文件和GMTED2010数字高程模型数据进行正射影像校正。而后以Worldview-2影像为基准影像分别对ALOS和GF-1影像进行几何精纠正，使校正总精度保持在1个像元误差以内，单点的定位精度控制在0.5个像元误差以内，从而确保影像数据的配准精度。
1.2.3. 影像融合
影像融合是将低空间分辨率的多光谱图像或高光谱数据与高空间分辨率的单波段影像重采样，生成一幅高分辨率多光谱遥感影像的处理技术，使得处理后的影像既有较高的空间分辨率，又有多光谱特征。为便于更好的目视解译，本文应用ENVI5.1软件，对三期影像采用Gram-Schmidt方法进行融合。
1.2.4. 沙梁线的提取
沙丘由迎风坡和背风坡组成。沙丘在高分辨率遥感影像上表现出明显的纹理及灰度特性。两个坡面的交界线即是沙丘的沙梁线。分别在三期高分辨率遥感影像上勾绘沙梁线，实现对沙梁线的提取。
2.结果与讨论
沙梁的移动距离计算，采用了5点求平均法。即在每期影像的样本沙梁线上分别选取均匀分布的5个点，而后量取相应另一期影像沙梁线对应点之间的距离和方位角，求出其平均移动距离及平均移动方向作为该样本沙丘的该时间段内的移动值，此后求算出研究区沙丘平均移动距离及移动方向。
实验区主要以新月形沙丘链为主，沙丘走向为SW～NE向，风向以西北风为主，其次是东北风。通过ALOS影像和GF-1影像分析可以看到，在2010年09月至2013年08月间所选样本沙丘向东南方向移动，最大移动距离为8.45米，移动方向45.6°SE；最小移动距离0.15米，方向37.9°SE；最大反方向移动距离为2.55米，方向为58.1°NW。其中4号、5号、11号沙丘在此阶段局部出现负值，说明了部分沙丘在移动中受到外界因素影响会出现往复运动的现象。另外，8号沙丘处出现向46.3°SW处移动6.4米，表明了沙丘移动的复杂性和个别现象。在2010年到2013年的3年间沙丘平均移动距离为4.30米，平均移动方向约为36.9°SE。
通过三期影像两个时间阶段的对比可以发现研究区沙丘在较长时间累积中也表现出较大移动距离，而相对较小时间段上则相应表现出相应较小的移动距离，两者之间成正比关系；在移动方向上总体保持了较为一致的方位，约为35°SE方向方向移动。这与研究区的主风向保持了一致。同时，在研究区样本沙丘局部仍然出现向西北方，东北方，西南方的移动现象，这表明沙丘在移动上除受到主要风力的影响外仍受到其他外界因素的影响，从而表现出一定的反复性和局部移动的横向性。
3.结论
本文利用ALOS、GF-1、Worldview-2三种高分辨率遥感影像来分析、探讨腾格里沙漠东南缘沙丘在1a、3a尺度上的移动变化情况，得出以下结论：
（1）腾格里沙漠东南缘沙丘在2010年至2013年，沙丘主要移动方向为东南方向，平均移动距离4.30米；在2013年至2014年间，沙丘移动主要方向为东南方，平均移动距离2.43米；研究区沙丘的主要移动方向保持不变，移动距离与时间成正比。
（2）研究区其中个别沙丘局部表现出向西北，西南、东北移动的现象，体现沙丘在移动过程中存在逆向运动和局部的横向运动，当属短时间尺度局地气流活动所致。
（3）随着高分辨率遥感影像数据资源的不断丰富，为在更短的时间尺度上来对沙丘的移动情况进行研究创造了良好的条件。特别是达到亚米级分辨率诸如Worldview-2数据，可以很好表现出沙丘的形态及细节，完全满足在1a尺度甚至更小尺度的要求。高分辨率遥感影像的出现将对沙丘移动及监测产生积极意义。
参考文献：
[1] 曾永年，冯兆东.沙质荒漠化遥感监测与环境影响研究进展[J]. 山地学报，2005，23（2）：218-227.
[2] 刘陶，杨小平，董巨峰，等.巴丹吉林沙漠沙丘形态与风动力关系的初步研究[J]. 中国沙漠， 2010，30（6）：1285-1291.
作者简介：
胡晓刚（1981—），男，陕西白水人，硕士研究生，主要从事遥感与地理信息相关研究。