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遥感与GIS技术的应用在中国陕北耕地荒漠化研究进展
摘要：中国政府通过宣布荒漠化土地横向扩大耕地的政策，导致1987年至1999年期间陕北地区共增加665.985平方公里沙漠土地。这一增幅低于城镇化造成的耕地面积减少。农业地区变化的加速要求更快速的针对城镇化和耕地流失的调查方法，而对于这种调查，遥感有许多基于地面的方法的优点。遥感数据的多尺度概念帮助我们在四个城镇研究这个问题。研究中制作了几张地图，分析不同时间的城市覆盖情况。对城市化状况，比率和风险的评估是基于城市增长的公认平均值，即每年人口增长的2％。
关键词：城镇化；人口压力；耕地；沙漠化；遥感；GIS
引言
荒漠化严重影响工农业生产和人民生活，已成为制约西部地区经济社会可持续发展的重要因素。沙漠化的严重过程之一是肥沃、生产性土壤的退化。降解有许多形式，可以定性或定量描述。根据数量，速度和地理位置，定量形式可以是可逆的，而在实际和经济方面不可逆转。在干旱和半干旱地区，后者主要包括城市化，城市化并不总是意味着荒漠化，它的长期影响是随意产生的，特别是在没有土地利用图的情况下。当这种城市发展是由灌溉的生产性可耕地进行时，这种损失更为激烈，例如中国的情况。陕西省共有13个城市，城镇人口936.5万人其中非农业人口489.9万人，占总人口和非农业人口的比例从25％上升到61％。
1990年为9％，1997年为27.3％和62.4％，1997年的城市化率为27％。
遥感和地理信息系统在城市发展研究中的应用于20世纪40年代开始使用全色航拍照片确定城市地区。通过使用在摄影方面取的发展的彩色和假彩色影像，使得研究在城市发展过程中人的影响因素成为可能。图像处理技术的进步使得卫星图像数据在研究城市化领域取得了丰硕的成果，例如陈光伟利用计算机实现的Landsat MSS和TM数据技术来估算和分析中国地形特征。目前的研究致力于研究陕北榆林，金边，衡山和米脂城市的肥沃土地的城市侵占情况。
1 研究区位置
由于城市化进程只在榆林，金边，衡山，米脂等耕地有危险，所以研究区域选择在这些地区。研究区域包括大城市，城镇和一些小村庄，覆盖范围从109°00E到110°00E和38°40N到37°20N，南北长158公里，东西宽87公里，总面积13 746平方公里。该地区位于毛乌素沙漠地区的典型过渡地带。
2 方法
2.1 卫星数据及处理
1987年和1999年的榆林和金边的两景Landsat TM和ETM影像，分别用于土地覆盖变化检测。TM传感器由探测器组成，这些探测器产生的信号与从30mtimes;30m区域反射的平均光量成比例，而这也是Landsat TM传感器的空间分辨率。通常需要对原始数字图像进行校正以避免因传感器平台的速度变化、扫描速度的变化以及传感器视场的扫描，地球曲率等因素引起的几何形变。系统性错误通常在接收站进行纠正。随机误差则需要人员利用正确的坐标选择足够数量的地面控制点（GCP）来进行校正。通过使用校正过的图像或矢量图，图像的列和行坐标可以适配于大地基准WGS84和地图投影。使用线性方法构建到矢量中的NUTM49坐标系和所选择的重采样方法是最近邻法，其能保留原始反射率值。在图像中选择了五十个地面控制点，这些点大多分布在清晰可见的河流区域。这些点在整个图像中均匀分布，可以很好地控制校正精度。图像处理软件允许用户轻松缩放以帮助选择点，并将点记录到图像的头文件中以便纠正。一旦编制了所有的地面控制点，就使用错误检查来衡量所选点的准确性。线性纠正方法的RMS误差以不同的精度进行检查，所有的位移误差大约为0.6米。
2.2卫星图像数字分析
本研究对榆林，金边，衡山，米脂等城市城市化进程进行了预测。该预测是在12年的时间间隔内进行的，且覆盖相同的区域。采用计算技术对Landat TM卫星数字图像处理进行处理。
在没有先验知识的情况下，使用非监督分类和监督分类技术，图像中主要的土地覆盖类别被成功识别。在监督分类方法进行详细分析之前，它们对确定数据的谱类组成是有帮助的。聚类分类在多波段图像中搜索具有相似反射特性的像素聚类。在这项研究中，使用了ER映射器软件中的聚类分类模块。首先从波段7,4和1产生假彩色合成图像；由于目的是识别主要的土地覆盖类别，因此采用了广泛的概括水平，揭示了两幅图像中的6个类别。使用的软件包括一些计算机程序，即分类分析和Landat分类处理器（LDCP），对遥感数字反射率进行分类并自动计算每个类别的面积。该技术要求多个训练样本的位置，用数据中的地面真实信息表示已知特征的区域。
研究区的训练样本的选择是基于1:100 000和1:25 000的现有地形图，野外观察，以及对土地假彩色合成图像的目视解释。该程序对训练样本进行分类分析并产生系数，以便根据多光谱响应对不同特征进行分类。该软件还能够计算任何光谱带或任何波段组合的任何分类群的面积。为了研究城市空间的扩展，我们将传统数据（地图）与卫星图像比较。
但仍存在以下问题：①在住宅小区，似乎与植被相同。这可以归因于像素的异质性。为了解决这个问题，我们描述了单个像素构成与光谱响应之间的关系。②在非集中的城市空间中，区分建筑物，裸露土壤和农业空间的混淆被找到。为了解决这个问题，我们使用了基于模式识别的算法。③在岩石地区，建筑物之间的区分混乱，为了解决这个问题，我们基于建筑物的拉伸和光谱响应开发了城市指数。
2.3地理信息系统的应用
使用ArcInfo和ArcView系统来估计每个研究地点的面积。使用比例尺1:100 000的地形图，这些地形图的日期到1986年和1995年。城市地区分布在地形图上，使用Arc Info软件对边界进行精确描述。
2.4监测城市地区
本研究采用多元概念来满足研究地点的不同条件。小尺度卫星图像适用于大面积监测。它们具有单一场景为解译人员提供区域图像的优点。 大规模卫星图像的使用允许描绘和分析较小的特征。尺度范围从1:100 000到1:25万的地形图被采用。构件土地覆盖物的空间分析给予了城市地区的物理识别。 随后的手动解释方案被视为一个过程，分为若干阶段（例如地图阅读，识别和缩减），并最终达成目标。
2.5土壤分析
为了获得关于城市土壤特性的信息，收集了土壤样品。 此外，还对以前对研究城市土壤剖面的研究进行了分析。 土壤评估基于土壤颜色，有机质含量，总碳酸盐含量，电导率，pH值和可溶阳离子和阴离子的测量值。
2.6评估城市化进程
以粮农组织（1979年）和环境署（1992年，1994年）的专业方法作为评估中国陕西北部城市化的指导方针。 该方法修改的前提是，大多数发展中国家通常人口增长率的可接受的增长率为每年1％至2％。 在城市化中，考虑的问题包括现状，速度和风险的现状。
3. 讨论结果
3.1从卫星图像监测城市化
使用最近的卫星Landsat TM图像与早期的地形图相比，已经对三个地点进行了研究。 有可能划定每个研究地点的界限。 卫星图像的高分辨率对这些边界的精确划分非常有帮助。 城镇分类群光谱反射率的算术平均值和标准差（S.D）的统计值所使用的两幅Landat TM图像的七个带显示出大的变化。
ER映射器软件对训练集进行分类分析，并根据其多光谱响应产生用于城市区域分类的系数，并分别显示1987年和1999年飞行的山地分类图像。表4总结了1987年至1999年三个地点的城市面积差异。这些测量结果使人们有可能注意到城市化在时间间隔上的显着增加。增长率从“3.23％到4.50％”不等。 数据显示，随着时间的推移，城市面积显着增加。然而，增加的幅度取决于位置的战略意义。
陕西省北部的榆林被认为是经济和行政中心，十二年来城市面积增加超过四千六百平方公里。其市区增长率达到54.04％与1987年的原始覆盖率相比，金边，衡山和米脂的地理范围比榆林小。城市化水平的大幅度提高（分别为54.04％，35.03％，38.84％和40.63％）是对陕北肥沃型耕地面临巨大危害的明确指示。这种增长模式与社会经济条件密切相关。人们倾向于因此，在建立新城社会时必须考虑行政和工作机会的重新分配。这些条件可能会影响到人们的教育和心理，这可能有助于追随文明的人口政策。
3.2 人口增长
人口密度高是榆林和金边的一个重要特征; 它对土地和其他自然资源施加了很大的压力。 这里人口增长的风险显着高于邻近城市。 城市的地方统计数据表明，从1949年到1982年，人口增长了250％人口密度从1949年的18人/平方公里增加到1982年的43人/平方公里。人均可用的农田减少了大约10％，1977年在干旱土地资源与环境大会期间提供了不同地区人口压力的关键指标。
在这项研究中，1987-1999年期间榆林，金巴恩，衡山和米脂的总人口增长率从7.95％上升到9.25％。 目前，玉林县的人口密度已经超过了这个临界指标。现在，如果人口以每年8.5％的速度增长，2050年玉林县总人口将增长39％。人均耕地面积将逐渐减少。 如果森林破坏和草地转变为农田，人口会随之增加，那么土地沙化将越来越严重。
3.3土壤特性与城市化评价
研究了大量代表都市化区域的土壤样本，然而，这里以一个土壤样品为例来表示这些区域的土壤特征（表5）。土壤的特征是具有明显的角状块状结构。 对于严重的盐水，中度盐水（表6）。土壤样品可以分类为“垂盆草，典型托雷斯”。这些样品根据其适于种植的情况占据冲积洪泛平原并落入第I和第II类。所获得的卫星图像和地形图的结果在改进的粮农组织/环境规划署专业方法（1979,1992和1994）中用于评估城市化程度（表7）。 研究结果表明，研究区域几乎处于非常严重到严重的状态和城市化率，所有研究区都面临严重风险。 这些措施基于所有城市扩张发生在耕地肥沃土地的假设上。 事实上，这种假设大部分是合理的，因为在沙漠中建立新的城市社会是最近几年开始实施的一项政策。风险的估计基于每年10％的人口增长。遵循更加文明的人口政策可能会减少未来城市化的风险。这可以来自对社会经济行为的详细研究。
4. 结论
可以得出结论，榆林，金边，衡山，米脂等城市的耕地面积都出现了严重的城镇化问题。 这个问题造成了非常肥沃的适宜土地的不可挽回的损失。这个问题的特点是其现状和速度非常严峻，城市化的风险很大。在沙漠中建设新城市并遵循文明的人口政策是现在保护剩余的肥沃土地不致丢失的希望。另外，该远离耕地的建设将保护更多肥沃的土地免于被用于砖业。
这项研究表明，遥感和GIS技术可以在土地沙漠化调查，土地变化监测，研究区城市化评估以及区域规划中发挥重要作用，卫星图像对于城市化的监测和评估非常有用。
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