北方防沙帶生態工程實施成效遙感監測技術應用案例檢視原始碼討論檢視歷史

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北方防沙帶生態工程實施成效遙感監測技術應用案例全國主體功能區劃明確了我國以「兩屏三帶」為主體的生態安全戰略格局，北方防沙帶是「兩屏三帶」的重要組成部分。

一、應用場景

全國主體功能區劃明確了我國以「兩屏三帶」為主體的生態安全戰略格局，北方防沙帶是「兩屏三帶」的重要組成部分。2020年最新劃定的北方防沙帶跨越中國北方地區，涉及吉林、北京、河北、內蒙古、甘肅、新疆6省（區、市），208個縣級單位，總面積達到220萬km2。區域內土地沙化嚴重，是我國生態環境最脆弱的地區之一。針對區內的各項環境問題，國家大力開展了一系列重大生態工程，進一步增加林草覆蓋度，增強防風固沙、水土保持、生物多樣性等功能，提高自然生態系統質量和穩定性，構築我國北方生態安全屏障。北方防沙帶是我國防沙治沙的關鍵地帶，是我國草原生態保護和修復的重點區域，對保障北方生態安全、改善全國生態質量具有重要意義。

二、主要解決的問題

該技術着力解決大尺度草原沙化快速監測精度低的問題，以便高效準確地獲草原保護建設工程實施後的沙化信息。

三、技術要點

1. 基於Google Earth Engine(GEE)雲平台的遙感數據預處理選擇MOD09A1產品作為主要數據源，在GEE雲平台中完成2000年至2020年植被生長旺季所有影像的預處理與合成。

2. 選擇Collect Earth作為驗證數據集根據北方防沙帶植被分布零散、沙地大面積分布的特點，本研究借鑑系統抽樣的思想，使用系統等距抽樣法在研究區內進行樣地布設，共生成了831個樣地。選用Collect Earth（FAO開發的用於樣本收集的免費開源軟件）的多個衛星存檔數據，根據樣地的空間位置，通過影像質量、時間、解譯難度等因素的比較，最終獲取了296個有效樣本數據，用於沙化結果的精度驗證。

3. 遙感沙化指數（RSDI）的構建沙漠化是個複雜動態的過程，表現在植被、水、土、氣、微生物等多個方面，單一的指標往往難以準確判斷沙化狀況。本案例通過眾多沙化相關指標的科學篩選，最終選擇了植被綠度（MSAVI）、表土徑粒（TGSI）、地表濕度（Wetness）、地表輻射（Albedo）共4個指標來從不同角度表徵植被沙化，最後利用主成分分析（PCI）的方法構建了遙感沙化指數。

（1）主成分分析中MSAVI和Wetness都為正值，二者對沙漠化的逆轉起正向作用；Albedo與TGSI都為負值，二者對沙漠化逆轉起負向作用，這與實際情況相符。主成分分析最大限度的集中了4個指標的特徵，且可以合理的對沙漠化過程進行解釋，因此，可使用其建立遙感沙化指數RSDI。

（2）具體公式如下： 式中代表某一指標歸一化後的結果，代表該指標像元的值，代表該指標的最小值，代表該指標的最大值，表示初始的遙感沙漠化指數。RSDI適用於對我國北方沙漠化以及植被稀疏區域的生態質量監測，RSDI值的範圍在[0-1]之間，值越小表示受沙漠化威脅小，生態質量較高；值越大代表沙漠化威脅越嚴重，生態環境惡劣。對於研究區內的沙漠化土地，RSDI的變化可以反映沙漠化程度的波動；對於未沙漠化土地，RSDI的變化可以進一步反映生態狀況的正向或逆向發展。

4. 工程實施區沙化結果變化趨勢分析利用兩種非參數化方法Mann-Kendall（M-K）檢驗與Theil-Sen Median（Sen）趨勢度來判斷RSDI的變化情況，將研究區內的RSDI分為不顯著變化、顯著恢復、顯著退化三種類型，用來評價沙化及生態狀況的變化趨勢。

四、應用成效

根據Collect Earth驗證數據集的檢驗，RSDI方法總體精度達到了89.2%，Kappa係數達到了0.80，具有較高的監測精度。該方法能實現大尺度生態狀況動態變化和發展趨勢的快速監測，對科學評價草原保護建設工程實施成效具有重要的推廣示範意義，可為生態工程的實施、管理與生態提升提供科學參考價值。

研究表明，2000年至2020年北方防沙帶RSDI年平均值在0.45至0.52之間波動，整體呈顯著下降的趨勢，表明工程區內由於生態保護建設工程的實施，沙化程度在減輕，生態呈現恢復的態勢。其中，顯著恢復的區域占比34.1%，顯著退化的區域占比6.0%，保持穩定的區域占比59.9%，說明20年來北方防沙帶內生態狀況整體向好發展。

據本項目監測，北方防沙帶草原植被淨第一性生產力（NPP）以年均2.47g C/m2的速度增加；京津冀協同發展區年增速最大，為6.24g C/m2，內蒙古高原生態區其次，增速為3.31g C/m2，與沙化監測結果一致。

五、適用範圍

該技術適宜於草原保護建設工程實施後的生態成效的快速監測，適用區域為北方草原；現階段在北方防沙帶內得到推廣應用。