基于Landsat時間序列的塔里木河上游胡楊林NDVI與水文因子關(guān)系研究

孫占海，李旭，張學(xué)東

（塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

隨著衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用，針對大尺度覆蓋范圍、時間連續(xù)性等要求，在干旱地區(qū)對區(qū)域水文因子與植被的關(guān)系研究已經(jīng)獲得較多進(jìn)展，在利用遙感數(shù)據(jù)分析各類植被指數(shù)中，歸一化植被指數(shù)（NDVI）應(yīng)用較為廣泛［1］，水文驅(qū)動力對胡楊的生長勢態(tài)存在重要影響［2］。塔里木河是我國最長的內(nèi)陸河，地處天山南麓，塔克拉瑪干沙漠北緣，因葉爾羌河、阿克蘇河、和田河3條源流上游取水過度及因全球氣候變暖使冰川、積雪消融不穩(wěn)定等因素影響，導(dǎo)致塔里木河流域的生態(tài)水文過程有明顯的不穩(wěn)定性［3］。塔里木河流域兩岸生長著我國最古老的天然胡楊林群落，胡楊林的生態(tài)特征和時空分布對水文變化過程有較敏感的響應(yīng)［4］。

目前對于塔里木河沿岸胡楊林生長量的相關(guān)研究較多［5-8］，國內(nèi)學(xué)者在胡楊NDVI和水文因子的內(nèi)在聯(lián)系方面開展了很多研究。李本綱等［9］研究結(jié)果表明，在全國范圍內(nèi)植被NDVI與氣溫和降水等因素相關(guān)性顯著，在完全依賴灌溉農(nóng)業(yè)的西北干旱地區(qū)，NDVI與降水量相關(guān)性最低，植被指數(shù)與降水關(guān)系不大，與溫度相關(guān)性不顯著。高生峰等［10］通過研究塔里木河中上游地區(qū)輸水前后水文因子對胡楊長勢的影響，研究結(jié)果表明生態(tài)補(bǔ)水在一定程度上緩解了胡楊水分脅迫，使得胡楊的生長環(huán)境得以好轉(zhuǎn)。茍曉霞等［11］以基部斷面生長增量為出發(fā)點(diǎn)研究了胡楊對徑流量的響應(yīng)關(guān)系，研究結(jié)果表明塔里木河中游采樣區(qū)胡楊徑向生長的最合理徑流量的范圍為0.380 3×108～1.205 6×108m3。林家煌等［12］的研究表明胡楊平均生長量與相應(yīng)年均NDVI相關(guān)性不顯著。李秀花等［13］通過定量分析了1981—2001年間氣象資料及遙感影像，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)NDVI的變化與氣候變化相關(guān)性顯著。XUE L等［14］采用渦度協(xié)方差法對胡楊林的碳、水和能量通量進(jìn)行了連續(xù)觀測以及胡楊對大氣中二氧化碳（CO2）的吸收展開研究，結(jié)果表明，在CO2濃度增加和空氣相對濕度（RH）增大的情況下能促進(jìn)水分利用效率（WUE）、光合有效輻射（PAR）和NDVI的增加。WANG等［15］通過監(jiān)測胡楊葉片葉綠素含量發(fā)現(xiàn)，5—8月健康胡楊葉片相較于水分脅迫胡楊葉片更為集中，光譜曲線相對一致。BILAL I等［16］基于無人機(jī)測量胡楊生態(tài)與形態(tài)參數(shù)確定了理想和受脅迫的地下水深度，研究結(jié)果表明胡楊耐鹽性強(qiáng)，隨著地下水位埋深的增加，胡楊在干旱條件下不斷降低其生長狀態(tài)以維持水力效率。

目前大部分學(xué)者的研究聚焦于氣候因子、徑流量、地下水等因素對胡楊徑向生長量的驅(qū)動力研究，對于能更加直觀反映胡楊生長勢態(tài)的NDVI的研究較少。因此本研究以Landsat 8 OLI影像為材料，結(jié)合水文數(shù)據(jù)，探討NDVI植被指數(shù)與胡楊林空間分布對區(qū)域水文因子的響應(yīng)，以期擴(kuò)充對胡楊NDVI的研究成果，為當(dāng)?shù)卣畬鷹盍稚鷳B(tài)恢復(fù)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師阿拉爾墾區(qū)位于塔里木河上游，天山南麓，塔里木盆地北緣，東經(jīng)80°30′～81°58′，北緯40°22′～40°57′之間，東西長130 km，南北寬60 km，總面積4.21×104km2，位于我國內(nèi)陸河流域，屬于暖溫帶干旱地區(qū)［17］，其概況如圖1。

圖1 研究區(qū)概況圖

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云，時間跨度為2013—2019年，空間分辨率經(jīng)多光譜與全色波段融合后為15 m，剔除云氣干擾嚴(yán)重的影像，可以更好體現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)植被信息，同時借助Google earth高精度影像作為底圖，人工目視解譯高精度影像結(jié)合外業(yè)調(diào)研采樣，提高樣本選擇精度。

Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)經(jīng)裁剪、幾何校正、輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理后，計(jì)算并生成NDVI數(shù)據(jù)。為提高不同地物分類精度，結(jié)合空間相關(guān)性融合使用NDWI、NDBI等指數(shù)，使用隨機(jī)森林算法對樣本庫進(jìn)行分類訓(xùn)練。

地表徑流量數(shù)據(jù)來源于阿拉爾斷面監(jiān)測站月度數(shù)據(jù)，地下水位埋深數(shù)據(jù)來源于阿拉爾A1～A6共6眼地下水水位監(jiān)測井月度數(shù)據(jù)。

外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)選取阿拉爾墾區(qū)勝利水庫周圍胡楊林樣地，共采集225個胡楊聚集生長面積大于200 m2，樹齡均為20 a以上的樣本。采集樣地空間坐標(biāo)信息，以便于在基于時間序列的2013—2019年遙感衛(wèi)星影像中提取樣本點(diǎn)月度NDVI，外業(yè)調(diào)查點(diǎn)位示意圖見圖2。

圖2 阿拉爾墾區(qū)勝利水庫周圍胡楊樣本點(diǎn)位分布圖

2.2 研究方法

本研究采用相關(guān)性分析法對胡楊NDVI與水文數(shù)據(jù)響應(yīng)關(guān)系展開研究。基于SPSS 20.0軟件對胡楊月度NDVI與相應(yīng)時間尺度上徑流量、地下水位埋深做相關(guān)性分析以及胡楊空間分布與水文因素相關(guān)性分析。

Pearson相關(guān)系數(shù)用于判斷兩個數(shù)據(jù)集合是否能被一條線連起來，可以表示兩個數(shù)據(jù)集合之間的線性關(guān)系。其計(jì)算式如下：

式（1）中，xi為水文數(shù)據(jù)；yi為胡楊生長指數(shù)NDVI；n為月度時間序號。

通過目譯解讀各年份月度影像數(shù)據(jù)，在形成時間序列的基礎(chǔ)上剔除云氣干擾嚴(yán)重的影像。結(jié)合外業(yè)調(diào)研確定最終觀測樣本，通過抽樣的方式采集同一區(qū)域下不同像元的NDVI，采用相關(guān)性分析法直接計(jì)算分析胡楊林NDVI與水文因素之間的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)檢測樣本基本滿足Pearson及相關(guān)性檢測的條件，需對Pearson相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。使用t檢驗(yàn)計(jì)算式如下：

3 結(jié)果與分析

3.1 NDVI與水文數(shù)據(jù)分析

基于外業(yè)調(diào)查，選取遙感影像中胡楊樣本點(diǎn)像元，徑流量與地下水位埋深逐月變化趨勢見圖3。根據(jù)年均統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知1—2月胡楊NDVI趨于0.09～0.11之間，3—4月數(shù)值持續(xù)上升，趨近0.18，4—9月隨著氣溫升高、胡楊生長期到來、塔里木河迎來豐水期等因素，NDVI持續(xù)增高，最高峰為8月，NDVI年均值為0.56，10—12月因溫度降低、枯水期等，NDVI值降低至0.18。由采樣數(shù)據(jù)可知，年均NDVI 1—2月達(dá)到最低，7—8月最高。

地下水位埋深受流域徑流量直接影響，圖3（a）表明每年1—4月地下水位埋深變化不顯著，呈緩慢變化趨勢，5—10月地下水位埋深值較大，其中8月處于全年地下水位埋深值最高點(diǎn)，9—12月地下水位埋深值持續(xù)降低，11月為全年最低點(diǎn)。

由圖3（b）可知，1—4月塔里木河是枯水期，5—6月因溫度升高高山積雪融化，徑流量逐步抬升，直至7—9月再度升溫至最高，冰川陸續(xù)消融，帶來大量冰雪融水，8月徑流量達(dá)到峰值，10—12月迎來枯水期徑流量持續(xù)下降。

圖3 徑流量與地下水位埋深與NDVI的關(guān)系

3.2 NDVI對水分因子響應(yīng)分析

眾所周知，胡楊的生長季于每年的4—10月，塔里木河的豐水期處于每年5—10月。在這段時間內(nèi)胡楊因充沛的水資源與合適的氣溫條件，處于旺盛的生長期。使用person相關(guān)性分析對比了每年5—10月這段時間內(nèi)的胡楊NDVI對地表徑流量的響應(yīng)如表1所示，顯著性為0.018，person相關(guān)性系數(shù)為0.667*，呈顯著正相關(guān)。處于春季2—4月胡楊NDVI與當(dāng)年11月至次年1月地表徑流量相關(guān)性分析后表明顯著性為0.035，person相關(guān)性系數(shù)為0.570*，呈顯著正相關(guān)，該結(jié)果與涂文霞［18］的研究結(jié)果一致。原因可能是每年10月以后氣溫降低，山川融冰因溫度降低不再解凍，塔里木河缺少水源補(bǔ)充，進(jìn)入枯水期，地表徑流量減少。胡楊因溫度降低逐漸進(jìn)入休眠期減少生理活動，但胡楊處于休眠期仍舊保持較低的生理反應(yīng)，吸收水分存儲以保證來年春季溫度回升后供生長所需。

表1 胡楊NDVI對月徑流量響應(yīng)相關(guān)性分析

因胡楊扎根較深，生長所需水分來源于地下水，因此胡楊生長指數(shù)對地下水位埋深的響應(yīng)在以月為單位的時間尺度上是實(shí)時響應(yīng)的，相關(guān)性分析由表2可知，使用同期地下水位埋深數(shù)據(jù)與NDVI做相關(guān)性分析，結(jié)果表示兩者在水平雙側(cè)呈顯著相關(guān)。

表2 地下水位埋深對NDVI的影響相關(guān)性分析

3.3 胡楊林空間分布變化與水分因子關(guān)系分析

在遠(yuǎn)離水源的區(qū)域，胡楊NDVI普遍偏低。由于分辨率影像無法采集胡楊紋理特征，只能通過光譜信息進(jìn)行分類，所以處于上述地區(qū)的胡楊將無法被正確分類，但通過胡楊地物分類結(jié)果可以側(cè)面解讀空間分布變化與水文變遷的內(nèi)在聯(lián)系，胡楊林空間分布見圖4。研究區(qū)內(nèi)胡楊總體分布在多浪、勝利、上游等水庫周邊，塔里木河沿岸及十三團(tuán)等地，部分胡楊零星分布于農(nóng)田四周作為農(nóng)田防護(hù)林，因逐年徑流總量不穩(wěn)定，受水分限制的胡楊生長指數(shù)NDVI隨之變化，導(dǎo)致分類結(jié)果逐年具備差異性。

圖4 胡楊林空間分布變化

2013—2019年胡楊林空間分布精度評價見表3。2017年—2019年胡楊林分布發(fā)生顯著變化，分析研究后發(fā)現(xiàn)可能因?yàn)?016年新疆政府開展了塔里木河流胡楊林生態(tài)保護(hù)行動［19］，為向下游地區(qū)進(jìn)行生態(tài)輸水工程，上游區(qū)域提高了水分利用率，塔里木河下游地區(qū)生態(tài)環(huán)境明顯改善。2017—2019年徑流量顯著增多，沿岸植被獲得了充沛的水資源，植被生長茂盛，NDVI普遍偏高。

表3 胡楊空間分布精度評價

分類后提取胡楊像元數(shù)據(jù)，結(jié)合年徑流量相關(guān)性分析，分析結(jié)果如表4所示，胡楊在以年為單位的時間尺度上對徑流量的響應(yīng)仍然存在滯后效應(yīng)。在以年為單位的時間尺度上，提取的當(dāng)年胡楊分布數(shù)據(jù)與上一年徑流總量呈顯著相關(guān)性，與當(dāng)年徑流總量無明顯相關(guān)性。胡楊的根系扎入土地較深，汲取地下水進(jìn)行生長活動，地下水的補(bǔ)充來源于徑流量，該補(bǔ)充過程存在滯后效應(yīng)，直觀地反映到胡楊的NDVI指數(shù)上又將再次滯后，將此滯后過程放到以年為單位的時間尺度上明顯不再適用，依據(jù)月度數(shù)據(jù)來看，地下水的補(bǔ)充在枯水期3個月內(nèi)完成補(bǔ)充，也就是每年11—12月地下水就已結(jié)束當(dāng)年補(bǔ)充活動，同期因溫度、水文等因素過低，研究區(qū)內(nèi)植被都已進(jìn)入休眠期，對胡楊空間分布研究無影響，故本研究在以年為單位的時間尺度上對胡楊空間分布與水文因素相關(guān)性進(jìn)行分析，采用上一年份水文數(shù)據(jù)與當(dāng)年胡楊空間分布數(shù)據(jù)進(jìn)行研究是可行的。

表4 胡楊空間分布對年徑流量的響應(yīng)

4 結(jié)論與討論

本研究以NDVI為切入點(diǎn)，以阿拉爾墾區(qū)2013—2019年影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合使用ArcGIS、ENVI、QGIS、SPSS等軟件，在Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)上展開了研究區(qū)內(nèi)胡楊對區(qū)域徑流量與地下水位埋深的響應(yīng)分析研究。

以月為單位的時間尺度上，每年5—10月這段時間內(nèi)的胡楊NDVI植被指數(shù)對地表徑流量的響應(yīng)，顯著性為0.018，person相關(guān)性系數(shù)為0.667*，當(dāng)年2—4月胡楊NDVI植被指數(shù)與當(dāng)年11月至次年1月地表徑流量相關(guān)性分析后表明顯著性為0.035，person相關(guān)性系數(shù)為0.570*，呈顯著正相關(guān)。對地下水位埋深的響應(yīng)過程為即時響應(yīng)，不存在滯后效應(yīng)。分析結(jié)果為顯著性0.005，相關(guān)性為0.749**，呈顯著正相關(guān)。以年為單位的時間尺度上，基于時間序列分類的胡楊空間分布結(jié)果對年度徑流量的滯后效應(yīng)為1年，分析結(jié)果為顯著性0.009，相關(guān)性為0.878**，呈顯著正相關(guān)。

胡楊林主要分布在阿拉爾墾區(qū)上游、勝利、多浪等水庫周圍，以及塔里木河沿岸區(qū)域。受限于Landsat 8 OLI影像分辨率低，無法結(jié)合胡楊紋理特征進(jìn)行空間分類，胡楊生長依賴于地表徑流量及地下水儲量，不同年份的水文數(shù)據(jù)波動較大，輸水不穩(wěn)定，導(dǎo)致沿岸距離不同的胡楊生長指數(shù)差異較大，地表徑流量輻射外的胡楊NDVI偏低，無法被正確分類到相應(yīng)地物類型中，因此胡楊逐年空間分布結(jié)果受年度徑流量影響波動較大，無法作為胡楊準(zhǔn)確的空間分布變化使用，但此種變化是受水文數(shù)據(jù)影響，因此可以從側(cè)面解讀胡楊對水文數(shù)據(jù)的響應(yīng)過程。

由于缺乏高精度影像數(shù)據(jù)資料，本研究基于NASA公開的Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)對水文于胡楊生長指數(shù)進(jìn)行分析，對于胡楊空間分布與區(qū)域地表徑流量及地下水位埋深的響應(yīng)結(jié)果分析不夠精確，有待后續(xù)使用高精度影像進(jìn)一步研究。