南方山地丘陵區(qū)不同植被覆蓋度景觀分形研究
——以廣州市從化區(qū)為例

常 進(jìn)，向慧昌，邊 振，廖建文

(1.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510610；2.濟(jì)南大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250024)

植被是連接大氣、水體、土壤的重要環(huán)節(jié)與“自然紐帶”。植被覆蓋度是衡量地表植被狀況的一個最重要指標(biāo)，已有的研究表明，基于歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index,NDVI)的像元二分模型反演植被覆蓋度具有良好的精度[1]。

分形，具有以非整數(shù)維形式充填空間的形態(tài)特征。分形理論描述的是形狀不規(guī)則、破碎、復(fù)雜的幾何圖形特征，它適用于研究自然界不規(guī)則現(xiàn)象的規(guī)律性、層次性等[2]，而植被覆蓋度的空間格局具有分形特征。目前，眾多學(xué)者利用分形理論在研究地貌[3-5]、土地利用[6-8]、城市規(guī)劃[9-11]和植被景觀[12]等方面取得了豐碩成果，但對南方山地丘陵區(qū)不同植被覆蓋度的景觀分形研究并不多。

本文在3S技術(shù)的支持下，以2019年TM影像為數(shù)據(jù)源，選取從化區(qū)為研究對象，通過NDVI像元二分模型，反演了從化區(qū)植被覆蓋度，并利用分形理論，計算了不同植被覆蓋度在不同海拔高程、坡度、坡向的分維數(shù)、穩(wěn)定性指數(shù)，分析了不同植被覆蓋度景觀的空間格局，為從化地區(qū)、乃至整個南方丘陵區(qū)的生態(tài)治理、恢復(fù)工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

廣州市從化區(qū)位于廣東省中部，廣州市東北面，轄區(qū)面積1 974 km2，地理坐標(biāo)東經(jīng)113°17′～114°04′，北緯23°22′～23°56′，地理位置見圖1。地處珠江三角洲到粵北山區(qū)過渡地帶，地勢自北向南傾斜，海拔高度位于30～1 170 m之間，東北高，西南低，地形呈階梯狀，以山地丘陵為主，山地丘陵占總面積的70%左右。從化區(qū)位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，雨量充沛，年平均氣溫19.5～21.4℃，年平均雨量1 800～2 200 mm，年日照時數(shù)1 590 h，年平均相對濕度79%。植被類型為亞熱帶常綠闊葉林，主要植物類型有藜蒴、荷木、黃樟、楓香、馬尾松等100多種，土壤類型主要有黃壤、紅壤或黃紅壤。

圖1 研究區(qū)地理位置示意

2 數(shù)據(jù)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源

本研究所用TM影像圖為地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/home)免費提供。TM影像的空間投影坐標(biāo)系為WGS_1984_UTM_Zone_49N。根據(jù)研究的具體需要，選取了2019年11月的云量覆蓋少、質(zhì)量好的2幅TM影像圖作植被蓋度反演，數(shù)據(jù)標(biāo)識為LC81220432019318LGN00、LC81220442019318LGN00，產(chǎn)品等級為1A級(相對輻射校正影像產(chǎn)品)，是經(jīng)數(shù)據(jù)解析、均一化輻射校正、去噪、MTFC、CCD拼接、波段配準(zhǔn)等處理的影像數(shù)據(jù)；并提供衛(wèi)星直傳姿軌數(shù)據(jù)產(chǎn)生的RPC文件。在進(jìn)行反演前，須對遙感影像進(jìn)行后續(xù)大氣校正、正射校正、圖像融合等處理。

本研究所用數(shù)字高程模型DEM為1∶5萬紙質(zhì)地形圖經(jīng)掃描、拼接、矢量化后轉(zhuǎn)化而來，數(shù)據(jù)為GRID格式，空間投影坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為WGS_1984_UTM_Zone_49N。

2.2 研究方法

2.2.1植被覆蓋度的獲取

根據(jù)像元二分模型原理，可以利用歸一化植被指數(shù)來計算一個像元的植被覆蓋度[12-15]，模型公式如下：

F=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(1)

式中F——植被覆蓋度；NDVI——影像像元點的歸一化植被指數(shù)值；NDVImax——整幅影像像元點歸一化植被指數(shù)最大值；NDVImin——整幅影像像元點歸一化植被指數(shù)最小值。

由于影像不可避免存在噪聲，NDVImax和NDVImin一般取一定置信度范圍內(nèi)的最大值與最小值，本次研究取累積概率為5%和95%的NDVI值作為NDVImin和NDVImax。對所得到的植被覆蓋度影像進(jìn)行重分類，分為水域和裸露地表(F≤0%),低植被覆蓋度(0%

圖2 從化區(qū)植被覆蓋度分級影像

以從化區(qū)DEM為基礎(chǔ)，提取海拔高程、坡度和坡向地形因子，將提取的各因子進(jìn)行分級(表1)后，與植被覆蓋度分級影像圖進(jìn)行空間疊加，最終獲得不同植被覆蓋度在高程、坡度、坡向上的特征分布，見圖3—5，為下一步分析做好準(zhǔn)備。

表1 地形因子分級

圖3 從化地區(qū)高程(海拔)分級影像

圖4 從化地區(qū)坡度分級影像

圖5 從化地區(qū)坡向分級影像

2.2.2分形研究

由于自然界分形的多樣性，描述其特征的分形函數(shù)也是多種形式的。董連科[16]利用物理量綱分析法推導(dǎo)出n維歐式空間分形公式：

(2)

若令式中n=2，則表示二維歐式空間中，面積與周長的分維關(guān)系，以A(r)表示以r為測度的斑塊面積，P(r)表示斑塊的周長，則斑塊的面積與周長的分維關(guān)系即為：

(3)

式(3)兩邊同時取自然對數(shù)：

(4)

當(dāng)D=1.5時，該斑塊處于類似布朗運動的隨機(jī)狀態(tài)(雜亂無章的、無規(guī)則的運動狀態(tài))，即最不穩(wěn)定狀態(tài)；D越接近1.5，則斑塊穩(wěn)定性越低。以D=1.5(布朗運動狀態(tài))引申出斑塊的穩(wěn)定性指數(shù)(W)計算公式如下：

W=1.5-D

(5)

W表示斑塊的穩(wěn)定性，W的理論值為-0.5～0.5之間，當(dāng)W∈(0，0.5]時,描述了斑塊在簡單形態(tài)下的一種穩(wěn)定性，W越大，斑塊越穩(wěn)定；當(dāng)W∈[-0.5，0]時,描述了斑塊在結(jié)構(gòu)復(fù)雜狀態(tài)下的一種穩(wěn)定性，W越小，斑塊越穩(wěn)定。穩(wěn)定性指數(shù)反映出的是某一分維斑塊，在自然狀態(tài)下，抵御外來干擾，維持其形態(tài)的能力。

3 結(jié)果與分析

3.1 各級植被覆蓋度斑塊分形特征

本文對不同植被覆蓋度斑塊的“l(fā)nA-lnP”散點圖進(jìn)行一元回歸擬合，獲取了不同植被覆蓋度斑塊的分維數(shù)(圖6)。結(jié)果顯示，5條擬合曲線的相關(guān)系數(shù)均大于0.95，表明各級植被覆蓋度斑塊的“l(fā)nA-lnP”呈顯著性相關(guān)，運用分形理論描述各級植被覆蓋度斑塊特征是可行的。

a)低植被覆蓋度

b)中低植被蓋度

c)中植被蓋度

d)中高植被蓋度

e)高植被蓋度

從化地區(qū)不同植被覆蓋度斑塊的面積、分維數(shù)、穩(wěn)定性指數(shù)統(tǒng)計見圖7。

圖7 從化區(qū)不同植被覆蓋度斑塊的分形特征統(tǒng)計

圖7顯示，從化地區(qū)植被狀況總體良好，中等(大于45%)及以上植被蓋度的斑塊面積占植被總面積的86.7%。低植被覆蓋度斑塊的分維數(shù)最小，穩(wěn)定性指數(shù)最大，主要分布在從化區(qū)西南部的城鎮(zhèn)(從化市區(qū)、溫泉鎮(zhèn)、鰲頭鎮(zhèn)、民樂鎮(zhèn)等)、主要公路(大廣高速等)周邊(圖2)。中高植被覆蓋度斑塊分維數(shù)最大，穩(wěn)定性指數(shù)最小，主要分布在從化區(qū)東北部(溫泉鎮(zhèn)上游)以及西南部遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)的區(qū)域(圖2)。斑塊的分布、分維數(shù)及穩(wěn)定性指數(shù)的變化，表明隨著植被覆蓋度的增加，斑塊逐漸遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)分布，形狀逐漸由相對規(guī)則、簡單趨向于復(fù)雜，穩(wěn)定性則逐漸降低。現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果顯示，城鎮(zhèn)周邊中等及以下覆蓋度斑塊以農(nóng)田、經(jīng)果林、荒草地等為主，受人為規(guī)劃、管護(hù)原因，抵御外界干擾、保持其形態(tài)的能力較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，形狀簡單、規(guī)律。中高及以上植被覆蓋度斑塊以生態(tài)景區(qū)、林場等為主，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形狀不規(guī)則，穩(wěn)定性較農(nóng)田、經(jīng)果林等斑塊小，調(diào)查結(jié)果與計算結(jié)果一致。

3.2 各級植被覆蓋度斑塊高程分布特征

各級植被覆蓋度隨高程分布特征統(tǒng)計見圖8。圖7、8顯示，低、中低植被覆蓋度斑塊主要分布在小于90 m高程范圍內(nèi)，面積分別為53.39、73.61 km2，分別占整個地區(qū)各自斑塊總面積的66.0%、51.3%。高植被覆蓋度斑塊則只有26.3%位于該范圍。除小于90 m高程范圍外，其余高程范圍內(nèi)，高植被覆蓋度斑塊的面積百分比維持在50%左右，占據(jù)明顯的主導(dǎo)優(yōu)勢。中、中高植被覆蓋度斑塊在不同高程范圍內(nèi)的面積百分比相對穩(wěn)定，分別在15%～18%、23%～30%之間浮動。

圖8顯示了在相同高程區(qū)間內(nèi)，隨著斑塊植被覆蓋度的增加，呈現(xiàn)其分維數(shù)增加、穩(wěn)定性指數(shù)降低的趨勢，同時這種變化規(guī)律在不同高程區(qū)間之間具有很高的相似性。當(dāng)高程大于90 m時，同一覆蓋度斑塊，隨著高程的增加，呈現(xiàn)分維數(shù)緩慢增加、穩(wěn)定性指數(shù)緩慢下降的趨勢。而在高程小于90 m區(qū)間，不同植被覆蓋度斑塊的分維數(shù)均處于較高水平(大于1.30)，穩(wěn)定性指數(shù)均處于較低水平(小于0.20)，顯示了該區(qū)域內(nèi)的斑塊形狀更復(fù)雜、零碎，干擾(人為和自然)強(qiáng)度更大。

圖8 不同覆蓋度斑塊的面積、分維數(shù)、穩(wěn)定性指數(shù)的高程分布

3.3 各級植被覆蓋度斑塊的坡度分布特征

不同植被覆蓋度隨坡度變化特征見圖9。圖9顯示，從化地區(qū)的地形坡度以平坡(小于5°)、緩坡(5～15°)、斜坡(15～25°)為主，該3類地形坡度占總面積的75%以上。其中72%的低覆蓋度斑塊和60%的中低覆蓋度斑塊位于15°坡度以內(nèi)。在坡度小于5°的區(qū)間內(nèi)，低、中低植被覆蓋度斑塊面積百分比達(dá)到了23.4%，是所有坡度區(qū)間的最高值；高覆蓋度斑塊面積百分比則僅有28.4%，為所有坡度區(qū)間最低值。隨著坡度的增加，除高植被覆蓋度斑塊面積百分比明顯升高并維持在“高位”外，其余覆蓋度斑塊的面積百分比逐漸降低并穩(wěn)定。

圖9顯示了在相同坡度區(qū)間內(nèi)，隨著斑塊植被覆蓋度的增加，呈現(xiàn)其分維數(shù)增加、穩(wěn)定性指數(shù)降低的趨勢，同時這種變化規(guī)律在不同坡度區(qū)間之間具有很高的相似性。但同一覆蓋度斑塊，在不同坡度上的分維數(shù)、穩(wěn)定性指數(shù)變化規(guī)律不明顯。

圖9 植被覆蓋度斑塊在不同坡度區(qū)間的面積、分維數(shù)、穩(wěn)定性指數(shù)變化

3.4 各級植被覆蓋度斑塊的坡向分布特征

不同植被覆蓋度隨坡向變化特征統(tǒng)計見表2。表2數(shù)據(jù)顯示，陽坡、陰坡斑塊總面積數(shù)相當(dāng)，除高植被覆蓋度斑塊外，其余斑塊的面積、面積百分比均大于陽坡。同一坡向內(nèi)，隨著斑塊的植被覆蓋度增加，斑塊呈現(xiàn)分維數(shù)增加，穩(wěn)定性指數(shù)減小的趨勢。同一植被覆蓋度斑塊，分維數(shù)：陽坡<陰坡，穩(wěn)定性指數(shù)：陽坡大于陰坡。以上現(xiàn)象主要因為陰坡光照相對溫和、溫度較低，水分蒸發(fā)較少，土壤較濕潤，腐殖質(zhì)含量較多，土壤肥力較高，多被開發(fā)利用為農(nóng)業(yè)、林業(yè)用地，造成陰坡高植被覆蓋度斑塊的面積少，而中等及以下植被覆蓋度斑塊的面積多。同時相應(yīng)斑塊的分維數(shù)增加，穩(wěn)定性減少。

表2 不同植被覆蓋度斑塊坡向分布特征統(tǒng)計

4 結(jié)論與討論

a)從化區(qū)植被狀況總體良好，距離城鎮(zhèn)、公路等越遠(yuǎn)，斑塊植被蓋度越大，分維數(shù)越大，形狀趨于復(fù)雜、無規(guī)律性。

b)90 m高程內(nèi)，低、中低植被覆蓋度斑塊面積比重較大；同時各類斑塊的分維數(shù)處于較高水平，斑塊形狀較零碎、復(fù)雜，表明該范圍存在較大強(qiáng)度的干擾。90 m高程之外，隨高程增加，斑塊形狀逐漸趨于復(fù)雜、無規(guī)律。

c)從化區(qū)地形坡度主要以25°以下的坡度為主。低、中低植被覆蓋度斑塊主要分布在15°以下的區(qū)域，高植被覆蓋度斑塊則在15°以上區(qū)域占據(jù)主要優(yōu)勢。隨著坡度的增加，同一植被覆蓋度斑塊的分維數(shù)、穩(wěn)定性指數(shù)變化不明顯。

d)陽坡的植被狀況好于陰坡，可能是由于陰坡土壤條件更好，人為開發(fā)強(qiáng)度較大，造成高植被覆蓋度斑塊的面積減少。