近30年十大孔兌流域植被覆蓋度空間變化的遙感調(diào)查與分析

朱吉生，李紀(jì)人，黃詩峰，臧文斌

(1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038； 2.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，北京 100038；3.北京恒宇偉業(yè)科技發(fā)展有限公司，北京 100054)

近30年十大孔兌流域植被覆蓋度空間變化的遙感調(diào)查與分析

朱吉生1,2，李紀(jì)人1，黃詩峰1，臧文斌3

(1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038； 2.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，北京 100038；3.北京恒宇偉業(yè)科技發(fā)展有限公司，北京 100054)

植被覆蓋度；空間變化；遙感；歸一化植被指數(shù)；十大孔兌流域

植被覆蓋度是表征水土保持狀況的一項(xiàng)重要指標(biāo)。傳統(tǒng)的樣本估算法在計(jì)算大范圍、多時(shí)相的植被覆蓋度時(shí)既耗時(shí)耗力又易產(chǎn)生誤差，為此基于先進(jìn)的遙感技術(shù)，選擇十大孔兌流域作為研究區(qū)，以1990年、2000年和2010年為分析典型年，以歸一化植被指數(shù)和遙感反演為基礎(chǔ)，利用像元二分模型按照土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)指標(biāo)中的覆蓋度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)植被覆蓋度等級(jí)重新劃分，進(jìn)而定量分析了該研究區(qū)的植被覆蓋度空間變化。結(jié)果表明，1990年植被覆蓋度為20.76%、2000年為21.71%、2010年為25.92%，即十大孔兌流域植被覆蓋度呈現(xiàn)逐漸升高趨勢。

水土保持是國土整治、江河治理的根本，是生態(tài)改善、環(huán)境宜居的重要途徑。植被是水土保持狀況的一項(xiàng)重要表征，能很好地指示生態(tài)環(huán)境的變化[1]。美國植物生態(tài)學(xué)家克勒門曾言：“每一個(gè)植物或群落是它生長其中的條件的尺度[2]?！币虼?，研究植被覆蓋度空間變化，對(duì)水土保持實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義。

獲取植被信息的傳統(tǒng)方法是樣本估算法，即在研究區(qū)局部提取一定數(shù)量的樣本，通過測算局部樣本的植被覆蓋度來推算整個(gè)區(qū)域的植被覆蓋度。但該方法存在因尺度差異引起的時(shí)空異質(zhì)性，利用該方法計(jì)算大范圍、多時(shí)相的植被覆蓋度既耗時(shí)耗力又易產(chǎn)生誤差。而利用先進(jìn)的遙感技術(shù)可以更快、更大范圍地獲取植被信息，即通過遙感提取植被光譜信息，并將其與植被覆蓋度建立相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而獲得植被覆蓋度[3]。

本研究選擇十大孔兌流域?yàn)檠芯繀^(qū)，利用TM影像和ETM影像數(shù)據(jù)，基于像元二分模型計(jì)算歸一化植被指數(shù)(NDVI)，采用ENVI軟件對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，再分別用遙感影像進(jìn)行植被覆蓋度遙感反演，最后利用ArcGIS軟件對(duì)計(jì)算的植被覆蓋度數(shù)據(jù)分別鑲嵌，獲取十大孔兌流域三期植被覆蓋度空間分布及變化情況，以期為生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)數(shù)據(jù)

十大孔兌包括毛不拉孔兌、布爾色太溝、黑賴溝、東柳溝、西柳溝、罕臺(tái)川、壕慶河、哈什拉川、母花溝和呼斯太河(見圖1)，流域總面積10 461.77 km2，其上中游區(qū)域水土流失范圍廣、強(qiáng)度大，水土流失面積約占上中游總面積的95%，多年平均輸沙量0.27億t，是黃河河道泥沙的重要來源。

十大孔兌位于我國半干旱區(qū)，氣候干燥，年降水量僅200～350 mm，對(duì)各種林草措施十分不利。降水年際變化大，年內(nèi)分布不均，7—9月的降水量占全年降水量的70%，極易產(chǎn)生洪水，洪峰流量也是平均流量的數(shù)百倍甚至上千倍。降水集中是該區(qū)水力侵蝕的主要原因，故水力侵蝕主要發(fā)生在汛期，即每年7—9月份。由于下墊面類型差異較大，因此十大孔兌上中游區(qū)的水土流失類型和特點(diǎn)不盡相同。

研究區(qū)6—9月份植被較為茂盛，為便于對(duì)比分析不同年份植被覆蓋度情況，盡量選取6—9月遙感影像。本研究選用1990年8月13日、1991年8月7日TM影像作為1990年植被覆蓋度反演數(shù)據(jù)源，選用1999年7月20日、2000年7月31日ETM影像作為2000年植被覆蓋度反演數(shù)據(jù)源，選用2010年9月5日、2010年9月12日TM影像作為2010年植被覆蓋度反演數(shù)據(jù)源。

圖1 十大孔兌示意

2 植被覆蓋度遙感調(diào)查方法

2.1 植被覆蓋度計(jì)算方法

基于研究區(qū)實(shí)際情況，本研究選擇了李苗苗等[4]提出的方法進(jìn)行植被覆蓋度計(jì)算。該方法是在對(duì)像元二分模型2個(gè)重要參數(shù)推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了已有模型的參數(shù)估算方法，建立了用NDVI值定量估算植被覆蓋度的模型，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)用時(shí)的兩種情況，提出了估算植被覆蓋度的方案。該方法公式為

VFC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(1)

式中：VFC為植被覆蓋度；NDVI為該點(diǎn)歸一化植被指數(shù)值；NDVIsoil為完全是裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值；NDVIveg為完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值。

2.2 植被覆蓋度分級(jí)

將遙感反演的植被覆蓋度數(shù)據(jù)按照土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)指標(biāo)中的覆蓋度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)重新進(jìn)行劃分，劃分為低覆蓋度、較低覆蓋度、中覆蓋度、較高覆蓋度和高覆蓋度5個(gè)等級(jí)，具體劃分規(guī)則見表1。

表1 植被覆蓋度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果分析

本研究利用3個(gè)典型年的遙感數(shù)據(jù)源分別計(jì)算6景影像的NDVI值。利用ENVI軟件選取樣本區(qū)域?qū)τ?jì)算的NDVI值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并分別取累計(jì)概率的5%、95%的NDVI值作為NDVImin和NDVImax，再分別對(duì)6景遙感影像進(jìn)行植被覆蓋度遙感反演，最后利用ArcGIS軟件對(duì)計(jì)算的6景植被覆蓋度數(shù)據(jù)分別鑲嵌，獲取十大孔兌流域三期植被覆蓋度數(shù)據(jù)。

十大孔兌流域1990、2000、2010年植被覆蓋度反演結(jié)果分別如圖2、3、4所示。

十大孔兌流域不同年份不同等級(jí)植被覆蓋度分布情況見表2。

圖2 十大孔兌流域1990年植被覆蓋度分布

圖3 十大孔兌流域2000年植被覆蓋度分布

圖4 十大孔兌流域2010年植被覆蓋度分布

表2 十大孔兌流域不同年份不同等級(jí)植被覆蓋度分布情況

十大孔兌流域植被覆蓋度分級(jí)統(tǒng)計(jì)信息見表3。流域植被覆蓋度等級(jí)以低覆蓋度為主，占流域面積的50%以上，其中1990、2000年占流域面積超過70%。1990、2000年的中覆蓋度、較高覆蓋度、高覆蓋度三種等級(jí)面積總和占流域面積的比例均不足20%。

表3 十大孔兌流域植被覆蓋度分級(jí)統(tǒng)計(jì)

經(jīng)計(jì)算，1990年十大孔兌流域植被覆蓋度為20.76%，2000年為21.71%，2010年為25.92%(見表4)，即1990—2000年植被覆蓋度升高了0.95百分點(diǎn)，2000—2010年植被覆蓋度升高了4.21百分點(diǎn)。其中，呼斯太河植被覆蓋度提升最多，1990—2010年由24.09%提升至40.02%；其次是東柳溝，提升了9.83百分點(diǎn)；黑賴溝提升了7.73百分點(diǎn)。

表4 十大孔兌流域上游植被覆蓋度統(tǒng)計(jì)

由此表明，1990—2010年十大孔兌流域植被覆蓋度呈現(xiàn)逐漸升高趨勢。究其原因，一是20世紀(jì)90年代有關(guān)市(旗)在十大孔兌實(shí)施黃土高原水土保持世界銀行貸款一、二期項(xiàng)目開展了眾多引洪用洪工程并取得了一定的治沙效益；二是從1999年起十大孔兌涉及的市(旗)相繼頒布了禁牧、休牧和輪牧政策，即在以農(nóng)為主的地區(qū)實(shí)施禁牧，在新牧區(qū)、半農(nóng)半牧區(qū)實(shí)行季節(jié)性休牧和劃區(qū)輪牧，促進(jìn)了植被恢復(fù)；三是通過推進(jìn)舍飼圈養(yǎng)，落實(shí)封山禁牧制度，孔兌生態(tài)環(huán)境開始明顯好轉(zhuǎn)，整體生態(tài)惡化趨勢得到遏制，并在局部出現(xiàn)好轉(zhuǎn)。

4 結(jié) 論

經(jīng)過當(dāng)?shù)卣掷m(xù)加大植被保護(hù)力度，積極實(shí)施多種措施，研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋度近年來明顯提高，治理效果比較顯著。從總體上看，本次計(jì)算結(jié)果基本符合研究區(qū)的實(shí)際情況，表明利用遙感技術(shù)可以克服傳統(tǒng)方法的局限，解決較大尺度的植被覆蓋度空間變化分析問題，這為不同尺度的時(shí)空異質(zhì)性研究提供了有益探索。

(1)基于像元二分模型，利用遙感影像提取NDVI，計(jì)算植被覆蓋度，進(jìn)而分析研究區(qū)植被時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，能為區(qū)域生態(tài)建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展提供決策支持。

(2)本研究每年選取兩個(gè)時(shí)期，共對(duì)6景影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了反演分析，這對(duì)整個(gè)系列年份的植被覆蓋度變化情況判斷可能有一定的影響。建議在影像資料較好情況下，每年多分幾期，增加遙感影像監(jiān)測頻次。

(3)建議進(jìn)一步分析研究區(qū)的土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布變化，結(jié)合植被覆蓋度變化情況，探究研究區(qū)的水土保持成效及發(fā)展方向。

[1] 丁國棟.區(qū)域荒漠化評(píng)價(jià)中植被的指標(biāo)性及蓋度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)研究——以毛烏素沙區(qū)為例[J].水土保持學(xué)報(bào),2004,18(1):158-160，188.

[2] 北京大學(xué),蘭州大學(xué),南京大學(xué),等.植物地理學(xué)(附植物學(xué)基礎(chǔ))[M].北京:人民教育出版社,1980:139-145.

[3] 秦偉,朱清科，張學(xué)霞，等.植被覆蓋度及測算方法研究進(jìn)展[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,34(9):163-170.

[4] 李苗苗,吳炳方,顏長珍,等.密云水庫上游植被覆蓋度的遙感估算[J].資源科學(xué),2004,26(4)：153-159.

(責(zé)任編輯 徐素霞)

S157；S771.8

A

1000-0941(2015)07-0068-00

朱吉生(1984—)，男，福建云霄縣人，博士研究生，主要從事水信息學(xué)及水資源管理研究。

2014-07-10