专利名称：一种沙漠边缘扩展速度的预测方法
技术领域：
本发明涉及计算机应用技术领域，具体地，涉及一种沙漠边缘扩展速度的预测方法。
背景技术：
为全面掌握沙漠的现状和发展动态，为国家防沙治沙提供科学判据，开展沙漠监测和评价是一项十分必要的工作。遥感是采集沙漠现状及其变化信息的重要技术手段。国内外已经对运用遥感技术进行沙漠监测做了大量的研究。国外利用卫星遥感进行沙漠监测研究始于20世纪70年代，当时人们多用植被指数所反映的土地退化来表示沙质荒漠化以及土壤盐溃化所带来的
荒漠化。进入80年代，多波段、多时相的遥感数据被广泛应用于荒漠化监测以及植被图与土地利用图的制作，这一时期，主要是结合荒漠地表及荒漠植被的光谱特征实验进行目视判读。90年代以来，遥感数据源更加丰富，方法日趋成熟，常用的遥感数据有美国的Landsat的TM与MSS，法国的SPOT、印度的IRS以及高光谱MODIS等卫星遥感数据。尽管遥感数据的光谱分辨率、福射分辨率、时间分辨率和空间分辨率在不断提闻，但目视判读仍是荒漠化研究和动态分析的主要手段，与以前不同的是研究的内容更加广泛，开始考虑地形起伏、沟谷信息在荒漠化分类、分级中的作用等。然而迄今为止，观测范围也只能局限于沙丘场中的局部的若干个沙丘，还无法对沙漠边缘扩展进行长时间的实时观测，仅能辨识出沙质地表情况；无法辨识沙源厚度，更无法对沙漠边缘扩展过程进行再现和预测了。随着计算机技术的发展，人们开始尝试通过求解连续介质理论的初边值问题和制定若干简单的规则，由计算机反复操作这些规则直到给出沙丘或沙丘场的大致形貌。在对单一沙丘的模拟方面,最具代表性的工作是Sauermann等提出的连续沙丘模型。该模型能够再现出与实际沙丘形态吻合较好的新月形沙丘，并能够应用于火星沙丘和沙丘间碰撞行为的研究。但是，由于模拟结果在很大程度上依赖于所给定的初始构型尺度，特别是当沙丘场中有较多不同大小的沙丘时，相应的流场难以准确计算，且计算量大。尽管该方法已经推广到沙丘碰撞行为以及火星沙丘的研究，但要应用该方法模拟整个沙丘场形成和发展过程，还非常困难。在对沙丘场模拟的方面，比较具有代表性的工作分别是Werner建立的沙丘场元胞自动机模型和Nishimori建立的沙丘场映射格子模型。他们的探索近乎成功。他们所给出的沙丘场图案能够体现出沙源和风向的影响。但是，所制定的操作规则过于脱离风沙运动的实际过程，并没有从本质上反映风沙运动的机理。比如人为规定体积元的尺寸并规定这些体积元每次向前移动5个体积元长度的距离。因而所给出的结果仅仅是与实际沙丘场形貌相似的图案，无法给出与真实的沙漠边缘扩展相对应的时间和空间尺度。在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在测量难度大与测量结果实用性差等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种沙漠边缘扩展速度的预测方法，以实现测量难度小与测量结果实用性强的优点。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种沙漠边缘扩展速度的预测方法，包括
a、建立沙漠边缘扩展速度预测模型；
b、获取至少包括沙漠边缘某时刻的地表形态、地表植被盖度和高度、以及风速变化信息中至少一种的模拟沙漠边缘沙化过程所需基础数据，并输入所述沙漠边缘扩展速度预测模型；
C、所述沙漠边缘扩展速度预测模型，基于输入的模拟沙漠边缘沙化过程所需基础数据，对相应沙漠边缘的沙化过程进行定量模拟处理，得到相应沙漠边缘在相应时刻的定量模拟画面；
d、基于所述沙漠边缘扩展速度预测模型定量模拟处理所得定量模拟画面，提取相应沙漠边缘在不同时刻的床面信息；
e、基于提取所得相应沙漠边缘在不同时刻的床面信息，对相应沙漠边缘在不同时刻的床面信息进行对比，获取相应沙漠边缘的沙化过程扩展速度在时间和空间上的变化规律。进一步地,步骤a具体包括
al、计算区域划分，即，将待模拟的计算区域按照地表情况，划分为三类性质的区域，即沙漠区域、过渡区域与绿洲区域，其中
在所述沙漠区域中，没有植被覆盖，仅有以横向沙丘为主的沙丘；
在所述过渡区域，有植被覆盖，还有以单个新月形沙丘为主的沙丘；
在所述绿洲区域，有植被覆盖，没有沙丘；
a2、沙床的离散化，S卩，将床面离散为长度为L、宽度为W、以及高度为床面高度H的沙体元；该沙体元为表征沙粒群体质量的物质单元；
a3、局部风速计算，即，在计算由于局部地形引起的风速变化前，根据沙漠区域的来流风速确定过渡带内不同空间位置处的来流风速，当相应的沙漠边缘属于过渡区域时，沿过渡带方向，来流风速连续降低，且呈线性关系；并根据来流风速计算沙丘表面的局部风速；a4、输沙率计算，即，在过渡区域内考虑植被盖度随空间的变化，在模拟开始时需要给出植被盖度和植被高度的分布情况，计算得到考虑植被影响后的每个沙体元位置的实际输
沙率Qikf,为在相应沙漠边缘，有植被覆盖区域输沙率与无植被覆盖区域
输沙率的比值，其随植被盖度的增加呈负值数关系减少，胃为植被盖度；
a5、被侵蚀沙体元质量和传输距离计算及床面修正，即，根据实际输沙率、植被盖度和风速等确定被侵蚀沙体元的质量和沉积位置；然后，考虑床面的崩塌行为；
当沙源厚度大于植被高度后，植被会死亡，植被盖度为0，在模型中需要考虑植被盖度的这一变化；
a6、判读计算的时间是否超过预计计算的时间，如果是结束计算，否则以新的床面为初始条件重新执行步骤a3_a5的操作。
进一步地,步骤b具体包括
结合实际野外观测与遥感图像分析，获取沙漠边缘某时刻的地表形态、以及地表植被盖度和高度；根据气象数据，获取沙漠边缘某时刻的风速变化信息；
将所得沙漠边缘某时刻的地表形态、以及地表植被盖度和高度，作为初始条件，输入沙漠边缘扩展速度预测模型；同时，将沙漠边缘某时刻的风速变化信息，作为边界条件，输入输入沙漠边缘扩展速度预测模型。本发明各实施例的沙漠边缘扩展速度的预测方法，由于包括建立沙漠边缘扩展速度预测模型；获取模拟沙漠边缘沙化过程所需基础数据，输入该预测模型；沙漠边缘扩展速度预测模型，基于输入的模拟沙漠边缘沙化过程所需基础数据，对相应沙漠边缘的沙化过程进行定量模拟处理，得到相应沙漠边缘在相应时刻的定量模拟画面；基于所得定量模拟画面，提取相应沙漠边缘在不同时刻的床面信息，对相应沙漠边缘在不同时刻的床面信息进行对比，获取相应沙漠边缘的沙化过程扩展速度在时间和空间上的变化规律；可以有效的获得沙漠边缘扩展速度的时间和空间变化规律，从而为沙漠扩展的防治以及防沙治沙措施的实施提供必要地理论支持；从而可以克服现有技术中测量难度大与测量结果实用性差的缺陷，以实现测量难度小与测量结果实用性强的优点。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中
图Ia和图Ib为甘肃民勤地区荒漠绿洲过渡带示意照片；
图2为本发明沙漠边缘扩展速度预测方法的流程示意 图3为本发明沙漠边缘扩展速度预测方法中建立沙漠边缘扩展速度预测模型的流程示意 图4a为沙漠边缘扩展速度随风速的变化曲线示意 图4b为沙漠边缘扩展速度随粒径的变化曲线示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。根据本发明实施例，提供了一种沙漠边缘扩展速度的预测方法。如图2所示，本实施例包括
a、建立沙漠边缘扩展速度预测模型；
如图3所示,步骤a具体包括
步骤100 :计算区域划分，即，将待模拟的计算区域按照地表情况，划分为三类性质的区域，即沙漠区域、过渡区域与绿洲区域，其中在所述沙漠区域中，没有植被覆盖，仅有以横向沙丘为主的沙丘；
在所述过渡区域，有植被覆盖，还有以单个新月形沙丘为主的沙丘；
在所述绿洲区域，有植被覆盖，没有沙丘；
步骤101 :沙床的离散化，即，将床面离散为长度为L、宽度为W、以及高度为床面高度H的沙体元；该沙体元为表征沙粒群体质量的物质单元； 步骤102 :局部风速计算，即，在计算由于局部地形引起的风速变化前，根据沙漠区域的来流风速确定过渡带内不同空间位置处的来流风速，当相应的沙漠边缘属于过渡区域时，沿过渡带方向，来流风速连续降低，且呈线性关系；并根据来流风速计算沙丘表面的局部风速；
步骤103 :输沙率计算，即，在过渡区域内考虑植被盖度随空间的变化，在模拟开始时需要给出植被盖度和植被高度的分布情况，计算得到考虑植被影响后的每个沙体元位置的
实际输沙率1为在相应沙漠边缘，有植被覆盖区域输沙率与无植被覆
盖区域输沙率的比值，其随植被盖度的增加呈负值数关系减少，胃为植被盖度；
步骤104 :被侵蚀沙体元质量和传输距离计算及床面修正，即，根据实际输沙率、植被盖度和风速等确定被侵蚀沙体元的质量和沉积位置；然后，考虑床面的崩塌行为；
当沙源厚度大于植被高度后，植被会死亡，植被盖度为0，在模型中需要考虑植被盖度的这一变化；
步骤105 :判读计算的时间是否超过预计计算的时间，如果是则只需步骤106 ;否则返回步骤102，以新的床面为初始条件重新执行步骤步骤102-步骤105的操作；
步骤106 :结束计算；
在上述步骤100-步骤106中，步骤100-步骤101为初始条件，步骤102-步骤106为发展过程(即具体预测过程)；
b、获取至少包括沙漠边缘某时刻的地表形态、地表植被盖度和高度、以及风速变化信息中至少一种的模拟沙漠边缘沙化过程所需基础数据，并输入沙漠边缘扩展速度预测模型；
在步骤b中，具体包括
结合实际野外观测与遥感图像分析，获取沙漠边缘某时刻的地表形态、以及地表植被盖度和高度；根据气象数据，获取沙漠边缘某时刻的风速变化信息；
将所得沙漠边缘某时刻的地表形态、以及地表植被盖度和高度，作为初始条件，输入沙漠边缘扩展速度预测模型；同时，将沙漠边缘某时刻的风速变化信息，作为边界条件，输入输入沙漠边缘扩展速度预测模型；
C、沙漠边缘扩展速度预测模型，基于输入的模拟沙漠边缘沙化过程所需基础数据，对相应沙漠边缘的沙化过程进行定量模拟处理，得到相应沙漠边缘在相应时刻的定量模拟画面；
在步骤c中，可以根据不同沙漠边缘的区域性质，对相应沙漠边缘沙化过程的扩展速度进行定量模拟处理；具体地
当相应沙漠边缘属于沙丘区域时，在沙漠扩展扩展速度模拟中需执行以下改进操作在计算由于局部地形引起的风速变化前，根据沙漠区域的来流风速确定过渡带内不同空间位置处的来流风速；在过渡区域内考虑植被盖度随空间的变化，在模拟开始时需要给出植被盖度和植被高度的分布情况，计算得到考虑植被影响后的每个沙体元位置的实际输沙率；当沙源厚度大于植被高度后，植被会死亡，在模型中需要考虑植被盖度的变化； 当相应的沙漠边缘属于过渡区域时，沿过渡带方向，风速连续降低，且呈线性关系；在相应沙漠边缘，有植被覆盖区域输沙率与无植被覆盖区域输沙率的比值，随植被盖度的增加呈负值数关系减少，即按以下公式减少
么=0及5 ；
其中，么为输沙率的比值,胃为植被盖度；
d、基于沙漠边缘扩展速度预测模型定量模拟处理所得定量模拟画面，提取相应沙漠边缘在不同时刻的床面信息；
e、基于提取所得相应沙漠边缘在不同时刻的床面信息，对相应沙漠边缘在不同时刻的床面信息进行对比，获取相应沙漠边缘的沙化过程扩展速度在时间和空间上的变化规律。上述实施例的沙漠边缘扩展速度的预测方法，基于沙丘场形成和演化过程模拟的计算软件(如沙漠边缘扩展速度预测模型)，结合遥感技术、野外实地观测和计算机数值模拟实现了对沙漠边缘扩展速度的重演和预测，实现对沙漠边缘扩展速度的预测。例如，干旱和半干旱地区的地貌特征是绿洲与流动沙漠相邻(王具元2006)。由于人们对绿洲的开垦和沙漠化的发展，干旱和半干旱地区的这种沙漠-绿洲相间的地貌逐步变化为沙漠-荒漠-绿洲，即绿洲和绿洲外围的流动沙漠被荒漠植被带分开，被称为荒漠绿洲过渡带，其在干旱区处于重要地位，绿洲的变迁和绿洲农田的未来扩展都是从荒漠绿洲过渡带开始，他维系着农业持续发展和内部稳定及保护绿洲免受风沙危害。这种地貌特征在我国甘肃民勤地区与巴丹吉林沙漠接壤处尤为明显，见图Ia和图lb。这种特殊地表状况所导致的与沙丘场定量模拟的主要区别在于模拟区域沙源厚度和地表的不均匀性以及区域边界的非周期性。为此，在对沙漠边缘扩展速度进行模拟时，需要进行特殊处理。即，将计算区域按照地表情况划分为三类性质的区域，第一类为沙漠区域，该区域的沙丘以横向沙丘为主，没有植被覆盖；第二类为过渡区域，该区域的沙丘以单个新月形沙丘为主，有植被覆盖；第三类为绿洲区域，由于在这一区域没有沙丘形成，所以沙源厚度为0，有植被覆盖。在过渡带内由于植被的存在使得沿着过渡带风速会发生变化，王升堂(王升堂2007)在民勤的实验研究表明沿着过渡带风速是连续降低的，近似服从线性关系，这说明在模拟中需要考虑风速沿空间的变化。此外，Buckley等(Buckley 1987)的研究表明植被存在会对床面侵蚀沙量有影响，有植被情况下输沙率与无植被覆盖情况下输沙率的比值随植被盖度的增加呈负指数形式减小，
Qtt = OSfSe a7me ；
这里，veg为植被盖度。所以，较之沙丘场的模拟需要在沙漠扩展速度模拟中作如下改进
I)在计算由于局部地形引起的风速变化前，根据沙漠区域的来流风速确定过渡带内不同空间位置处的来流风速。2)在过渡区域内考虑植被盖度随空间的变化，在模拟开始时需要给出植被盖度和植被高度的分布情况；从而可以计算出考虑植被影响后的每个“沙体元”位置的实际输沙率；而且，当沙源厚度大于植被高度后，植被会死亡，在模型中需要考虑植被盖度的变化。上述实施例的沙漠边缘扩展速度的预测方法，与现有的技术相比，该技术可以得到沙漠边缘扩展速度随时间和空间的定量变化，从而为风沙灾害防治和防沙治沙工程提供理论指导，具有以下有益效果 ⑴通过遥感技术与野外观测相结合的方法不仅给出了地表的性质，还能够给出沙源的厚度情况、植被盖度情况和植被高度情况，从而，为沙漠边缘预测方法提供了初始条件；⑵将初始条件和边界条件(气象条件)带入上面介绍的沙漠扩展速度预测模型中就可以得到不同时刻沙漠的沙源和植被情况的空间分布；
⑶根据不同时刻沙漠沙源空间分布情况就可以得到沙漠边缘扩展速度的空间变化规律。又如，可以根据贾宝全给出的中国民勤地区过渡区域内植被盖度的变化，采用遥感图像分析和野外观测相结合方法得到的地表形态和民勤兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室测得的气象数据得到的风速，我们实现了对民勤地区沙漠边缘扩展速度的预测，由图4a可知，沙漠边缘扩展速度随着风速的增加而增大，两者近似满足线性关系，而且定量上与在3号塔和巴丹吉林沙漠的测量结果接近，野外测量结果为11. 2m/year，模拟得到的扩展速度为llm/year,相对误差仅为2% ;由图4b可知，当沙粒粒径小于0. 25mm或大于0. 3mm时随着沙粒粒径的增大沙漠边缘的扩展速度呈线性减小，当沙粒粒径大于
0.25mm小于0. 3mm时，沙漠边缘扩展速度的变化不明显。由图可知当来流风速小于0. 43m/s时，荒漠边缘是不扩展的，当来流风速大于0. 43m/s时，随着来流风速的增加荒漠边缘扩展速度呈指数形式增大(参见图4a);当沙粒粒径小于0. 25mm或大于0. 3mm时随着沙粒粒径的增大荒漠边缘的扩展速度呈线性减小，当沙粒粒径大于0. 25mm小于0. 3mm时，荒漠边缘扩展速度的变化不明显(参见图4b)。由上面的结果可以看出，上述实施例可以很好的预测出沙漠边缘扩展速度，由此可以说明本技术能够有效的获得沙漠边缘扩展速度的时间和空间变化规律，从而为沙漠扩展的防治以及防沙治沙措施的实施提供必要地理论支持。最后应说明的是以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种沙漠边缘扩展速度的预测方法，其特征在于，包括 a、建立沙漠边缘扩展速度预测模型； b、获取至少包括沙漠边缘某时刻的地表形态、地表植被盖度和高度、以及风速变化信息中至少一种的模拟沙漠边缘沙化过程所需基础数据，并输入所述沙漠边缘扩展速度预测模型； C、所述沙漠边缘扩展速度预测模型，基于输入的模拟沙漠边缘沙化过程所需基础数据，对相应沙漠边缘的沙化过程进行定量模拟处理，得到相应沙漠边缘在相应时刻的定量模拟画面； d、基于所述沙漠边缘扩展速度预测模型定量模拟处理所得定量模拟画面，提取相应沙漠边缘在不同时刻的床面信息； e、基于提取所得相应沙漠边缘在不同时刻的床面信息，对相应沙漠边缘在不同时刻的床面信息进行对比，获取相应沙漠边缘的沙化过程扩展速度在时间和空间上的变化规律。
2.根据权利要求I所述的沙漠边缘扩展速度的预测方法，其特征在于，步骤a具体包括 al、计算区域划分，即，将待模拟的计算区域按照地表情况，划分为三类性质的区域，即沙漠区域、过渡区域与绿洲区域，其中 在所述沙漠区域中，没有植被覆盖，仅有以横向沙丘为主的沙丘； 在所述过渡区域，有植被覆盖，还有以单个新月形沙丘为主的沙丘； 在所述绿洲区域，有植被覆盖，没有沙丘； a2、沙床的离散化，S卩，将床面离散为长度为L、宽度为W、以及高度为床面高度H的沙体元；该沙体元为表征沙粒群体质量的物质单元；a3、局部风速计算，即，在计算由于局部地形引起的风速变化前，根据沙漠区域的来流风速确定过渡带内不同空间位置处的来流风速，当相应的沙漠边缘属于过渡区域时，沿过渡带方向，来流风速连续降低，且呈线性关系；并根据来流风速计算沙丘表面的局部风速；a4、输沙率计算，即，在过渡区域内考虑植被盖度随空间的变化，在模拟开始时需要给出植被盖度和植被高度的分布情况，计算得到考虑植被影响后的每个沙体元位置的实际输沙率为在相应沙漠边缘，有植被覆盖区域输沙率与无植被覆盖区域输沙率的比值，其随植被盖度的增加呈负值数关系减少，胃为植被盖度； a5、被侵蚀沙体元质量和传输距离计算及床面修正，即，根据实际输沙率、植被盖度和风速等确定被侵蚀沙体元的质量和沉积位置；然后，考虑床面的崩塌行为； 当沙源厚度大于植被高度后，植被会死亡，植被盖度为0，在模型中需要考虑植被盖度的这一变化； a6、判读计算的时间是否超过预计计算的时间，如果是结束计算，否则以新的床面为初始条件重新执行步骤a3_a5的操作。
3.根据权利要求I所述的沙漠边缘扩展速度的预测方法，其特征在于，步骤b具体包括 结合实际野外观测与遥感图像分析，获取沙漠边缘某时刻的地表形态、以及地表植被盖度和高度；根据气象数据，获取沙漠边缘某时刻的风速变化信息；将所得沙漠边缘某时刻的地表形态、以及地表植被盖度和高度，作为初始条件，输入沙漠边缘扩展速度预测 模型；同时，将沙漠边缘某时刻的风速变化信息，作为边界条件，输入输入沙漠边缘扩展速度预测模型。
全文摘要
本发明公开了一种沙漠边缘扩展速度的预测方法，包括建立沙漠边缘扩展速度预测模型；获取模拟沙漠边缘沙化过程所需基础数据，输入该预测模型；沙漠边缘扩展速度预测模型，基于输入的模拟沙漠边缘沙化过程所需基础数据，对相应沙漠边缘的沙化过程进行定量模拟处理，得到相应沙漠边缘在相应时刻的定量模拟画面；基于所得定量模拟画面，提取相应沙漠边缘在不同时刻的床面信息，对相应沙漠边缘在不同时刻的床面信息进行对比，获取相应沙漠边缘的沙化过程扩展速度在时间和空间上的变化规律。本发明所述沙漠边缘扩展速度的预测方法，可以克服现有技术中测量难度大与测量结果实用性差等缺陷，以实现测量难度小与测量结果实用性强的优点。
文档编号G06Q10/04GK102622656SQ20121008782
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月29日 优先权日2012年3月29日
发明者薄天利, 郑晓静 申请人:兰州大学