塔里木河下游植被覆蓋度圖譜分析

魯文蕊, 蒲 智, 王亞波, 許 翔

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830052)

植被變化是生態(tài)系統(tǒng)不可或缺的一部分, 是生物多樣性、水文循環(huán)、土壤質(zhì)量和氣候變化等方面的重要指標(biāo), 在維護(hù)生態(tài)平衡的過程中扮演著重要角色[1]。 因此,監(jiān)測和評估植被變化情況, 并采取相應(yīng)的保護(hù)和管理措施, 對于維護(hù)生態(tài)平衡和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)具有至關(guān)重要的意義[2]。 地學(xué)信息圖譜作為一種基于GIS(geogrophic information system)和信息可視化技術(shù)的工具, 融合了空間和非空間屬性數(shù)據(jù)[3]。 植被覆蓋度(fractional vegetation cover, FVC)是指植被在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)總面積的百分比, 能夠很好地反映出植被的生長狀況[4-5]。 近年來,越來越多的學(xué)者對全球各地的植被變化展開了廣泛而深入的研究, 為生態(tài)環(huán)境的改善提供了豐富的科學(xué)方法和可靠的數(shù)據(jù)支持。 例如,鐘靜等[6]通過2000—2020年的NDVI(normalized differnce vegetation index)數(shù)據(jù), 采用像元二分模型計(jì)算了湖北省西部山體地區(qū)的植被覆蓋度, 并采用斜率模型等方法對該區(qū)植被覆蓋度的時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行分析。 目前,地學(xué)信息圖譜法多被用于土地利用領(lǐng)域, 該方法在植被變化方面的應(yīng)用研究相對較少。

塔里木河流經(jīng)中國西北部,是絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶上的一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)[7]。作為中國連接西亞和東亞的重要門戶,該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境尤為重要。其下游地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)豐富多彩,對維護(hù)當(dāng)?shù)貧夂蚍€(wěn)定和環(huán)境保護(hù)起著至關(guān)重要的作用。

本研究采用塔里木河下游2000、2011和2022年的3期遙感數(shù)據(jù),采用像元二分模型法估算植被覆蓋度并以此構(gòu)建地學(xué)信息圖譜,通過變化圖譜、漲落勢圖譜和變化模式圖譜分析研究期內(nèi)塔里木河下游植被覆蓋時(shí)空特征變化,為促進(jìn)塔里木河下游生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于塔里木河下游,覆蓋英巴扎水庫至臺特瑪湖,總長約430 km。該區(qū)域地理位置為東經(jīng)86°00′至89°30′,北緯39°00′至41°30′,屬于典型的暖溫帶干旱的大陸性氣候,常年氣候干燥且降水稀少,日照時(shí)間長。為解決大西海子水庫建成所造成主河道斷流的問題[8],國家對下游實(shí)施了生態(tài)輸水工程。截至2021年,已向塔里木河下游輸水22次,累計(jì)下泄生態(tài)水8.79×109m3[9]。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究基于GEE(google earth engine)平臺獲取2000、2011和2022年Landsat系列影像和年最大化NDVI數(shù)據(jù),空間分辨率為30 m。結(jié)合像元二分模型法估算植被覆蓋度,得到塔里木河下游3期植被覆蓋變化數(shù)據(jù)。將植被覆蓋度變化數(shù)據(jù)按照以0.25、0.35、0.45、0.70、0.85為節(jié)點(diǎn)劃分為極低植被覆蓋、低植被覆蓋、中低植被覆蓋、中植被覆蓋、中高植被覆蓋和高植被覆蓋6類。并賦數(shù)值編碼為1、2、3、4、5、6,建立塔里木河下游植被覆蓋變化數(shù)據(jù)集。

1.3 研究方法

1.3.1 估算植被覆蓋度

植被覆蓋度是描述植被變化的重要參數(shù)之一,而像元二分模型則是目前最廣泛使用的估算植被覆蓋度的模型[10]。公式為

親社會行為研究發(fā)現(xiàn)，慷慨的行為通常都是由他人取向動(dòng)機(jī)驅(qū)使的，也就是說助人者有著改變他人狀態(tài)的目標(biāo).因而，對助人者而言，如果沒有成功幫助到他人就無法實(shí)現(xiàn)改變他人狀態(tài)的目標(biāo)[4].在試圖幫助他人管理情緒的過程中，只有確定幫到了對方并收到相應(yīng)的反饋，才能說明這一目標(biāo)的完成.除此之外，助人者聽到他人的傾訴后，也會受到消極情緒的感染.通過成功幫助對方緩解消極情緒，自身的消極情緒也隨之減少.因而，助人者的情緒也會因求助者的積極反饋得以改善，間接地感受到親社會行為帶來的情感結(jié)果.事實(shí)上，這種反應(yīng)依賴過程是他人取向行為的強(qiáng)有力動(dòng)機(jī).

(1)

式中:Ifvc為植被覆蓋度;INDV為像元的NDVI值;INDV,soil為完全無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值;INDV,veg為完全被植被覆蓋區(qū)域的像元NDVI值。

1.3.2 圖譜單元的確定

地學(xué)信息圖譜是綜合物體空間形態(tài)特征和時(shí)空序列變化規(guī)律的一種顯示方式[11]。本次選取30 m×30 m的空間分辨率作為圖譜的空間單元,選擇2000—2011年和2011—2022年這兩個(gè)時(shí)段作為圖譜的時(shí)間單元。

1.3.3 植被覆蓋變化圖譜

利用ArcGIS 10.8軟件將相鄰兩期植被數(shù)據(jù)通過類型編碼結(jié)合地圖代數(shù)運(yùn)算構(gòu)建植被覆蓋變化圖譜[12]。公式為

C=10A+B。

(2)

式中:C表征該時(shí)段植被變化的圖譜單元編碼;A表征該時(shí)段起始年份植被類型的編碼;B表征該時(shí)段結(jié)束年份植被類型的編碼。

植被變化比率表示發(fā)生變化的植被類型占研究區(qū)所有發(fā)生變化的植被類型的比例[13-14]。公式為

(3)

式中:P表征研究時(shí)段植被變化比率;Sij表征前期第i類植被類型轉(zhuǎn)變?yōu)楹笃诘趈類植被類型的圖譜單元的面積;n為植被類型的個(gè)數(shù)。

(4)

式中:Dab表示植被變化的空間分離度,值越大說明植被變化在空間上的離散程度越大;Pab表示植被類型變化的圖譜單元數(shù);Lab表示植被變化的面積;a表示起始年份的植被類型單元屬性值;b表示結(jié)束年份的植被類型單元屬性值;n表示類別數(shù)。

1.3.4 植被覆蓋漲落勢圖譜

植被覆蓋轉(zhuǎn)型包括轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出兩個(gè)動(dòng)態(tài)過程[16]。轉(zhuǎn)入為其他植被類型轉(zhuǎn)為該植被類型,即漲勢;轉(zhuǎn)出則為該植被類型轉(zhuǎn)化為其他植被類型,即落勢。通過統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出情況,構(gòu)建土地植被覆蓋漲落勢圖譜,分析塔里木河下游2000—2011年、2011—2022年2個(gè)時(shí)段的漲落勢情況。

1.3.5 植被覆蓋變化模式圖譜

將3期植被覆蓋數(shù)據(jù)通過疊加計(jì)算得到植被覆蓋變化模式圖譜,圖譜變化模式分為5種類型:穩(wěn)定不變型,2000—2022年期間植被類型一直保持不變;反復(fù)變化型,2000年與2022年的植被類型相同,中間發(fā)生植被類型變化;全期變化型,植被類型一直發(fā)生變化,未出現(xiàn)連續(xù)相同的植被類型轉(zhuǎn)移;前期變化型,僅在第一個(gè)時(shí)段發(fā)生植被變化;后期變化型[17-18],僅在后一個(gè)時(shí)段發(fā)生植被變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被覆蓋結(jié)構(gòu)

2000—2022年塔里木河下游植被覆蓋類型結(jié)構(gòu)如圖1(見封3)及表1所示。研究區(qū)因地理位置及氣候等原因,植被主要為極低植被覆蓋類型,占比在80%以上。隨著塔里木河生態(tài)輸水工程的實(shí)施,極低植被覆蓋逐年減少,其他植被覆蓋類型整體呈現(xiàn)增長趨勢。

表1 植被覆蓋類型占比統(tǒng)計(jì)

2.2 植被覆蓋變化分析

由2000年、2011和2022年植被覆蓋數(shù)據(jù)相交得到兩個(gè)時(shí)段植被變化圖譜,除去始末類型相同,即未發(fā)生變化的6類后,選取發(fā)生改變的圖譜單元30類,其中主要變化數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 植被覆蓋變化

2000—2011年植被變化最為明顯的是“極低植被覆蓋-低植被覆蓋”類型, 變化比率為14.34%, 面積為158.24 km2; 其次是“低植被覆蓋-極低植被覆蓋”類型, 變化比率為13.48%, 面積為148.74 km2; 第三是“極低植被覆蓋-高植被覆蓋”類型, 變化比率為9.84%, 面積為108.58 km2。 通過表2可發(fā)現(xiàn)該時(shí)序中最為明顯的是極低植被覆蓋與其他植被覆蓋類型之間的轉(zhuǎn)換, 其次是低植被覆蓋和中植被覆蓋與其他植被覆蓋類型之間的轉(zhuǎn)換。 該時(shí)段整體上植被變化情況逐漸變好且變化聚集。

2011—2022年植被發(fā)生變化相比2000—2011年更為明顯。變化較為明顯的是極低植被覆蓋與其他植被覆蓋類型之間的轉(zhuǎn)換。首先是“極低植被覆蓋-低植被覆蓋”類型的變化,變化比率為24.60%,面積為372.77 km2;其次是“極低植被覆蓋-中低植被覆蓋”類型的變化,變化比率為9.79%,面積為148.32 km2;第三為“極低植被覆蓋-中植被覆蓋”,變化比率為9.58%,面積為145.16 km2。通過表2可看出,該時(shí)序植被覆蓋變化整體呈增長趨勢且變化聚集。

以上時(shí)段主要變化原因是國家對塔里木河下游的不斷治理。 自2000年5月開啟塔里木河下游生態(tài)輸水工程以來, 研究區(qū)域的植被變化顯著。 目前塔里木河下游生態(tài)環(huán)境得到改善, 重現(xiàn)“綠色走廊”。

2.3 植被覆蓋漲落勢分析

2.3.1 2000—2022年植被覆蓋漲勢

由表3可知,2000—2011年高植被覆蓋呈現(xiàn)最大漲勢,轉(zhuǎn)入面積為246.63 km2;其次低植被覆蓋,轉(zhuǎn)入面積為233.88 km2;第三是極低植被覆蓋,轉(zhuǎn)入面積為197.90 km2。2011—2022年低植被覆蓋呈最大漲勢,轉(zhuǎn)入面積為427.69 km2;第二是中植被覆蓋,轉(zhuǎn)入面積為354.29 km2;第三是中低植被覆蓋,轉(zhuǎn)入面積為268.31 km2。綜上所述,2011—2022年植被類型轉(zhuǎn)入級別高于2000—2011年,并且能夠明顯看出塔里木河下游植被轉(zhuǎn)入情況趨勢向好。

表3 植被覆蓋漲落勢

2.3.2 2000—2022年植被覆蓋落勢

通過表3可知, 2000—2011年期間塔里木河下游按照轉(zhuǎn)出面積排序?yàn)闃O低植被覆蓋、低植被覆蓋、中植被覆蓋、中低植被覆蓋、高植被覆蓋和中高植被覆蓋。 其中極低植被覆蓋呈現(xiàn)最大落勢, 轉(zhuǎn)出面積為425.69 km2; 其次是低植被覆蓋, 轉(zhuǎn)出面積為261.81 km2; 第三是中植被覆蓋,轉(zhuǎn)出面積為152.07 km2。 2011—2022年期間塔里木河下游各植被覆蓋類型的轉(zhuǎn)出面積相對于上一階段有所增加, 主要萎縮類型為極低植被覆蓋、低植被覆蓋、中植被覆蓋、中低植被覆蓋。 排名第一的仍是極低植被覆蓋, 轉(zhuǎn)出面積為781.15 km2; 第二是低植被覆蓋, 轉(zhuǎn)出面積為232.65 km2; 第三是中植被覆蓋, 轉(zhuǎn)出面積為158.61 km2。 綜上所述, 可以看出塔里木河下游植被覆蓋類型不斷從較低等級轉(zhuǎn)出, 轉(zhuǎn)入到較高等級。

2.4 植被覆蓋變化模式分析

由圖2(見封3)和表4可知,2000—2022年植被覆蓋變化模式圖譜以穩(wěn)定不變型為主,變化面積11 592 km2,變化比率為85.43%,最大圖譜單元類型為 “極低植被覆蓋”,面積為11 151.42 km2,變化比率為96.20%;其次是后期變化型,變化面積872.86 km2,變化比率為6.43%,最大圖譜單元為“極低植被覆蓋-極低植被覆蓋-低植被覆蓋”,面積為324.66 km2,變化比率為37.19%;第三為全期變化型,變化面積473.08 km2,變化比率為3.49%,最大圖譜單元類型為 “極低植被覆蓋-低植被覆蓋-中植被覆蓋”,面積為37.97 km2,變化比率為8.03%。

表4 植被覆蓋變化模式

綜上所述,2000—2022年植被覆蓋變化模式圖譜以穩(wěn)定不變型為主,后期變化型占比大于前期變化型。由此可以看出塔里木河下游植被逐年變好。

3 結(jié)論與討論

本研究基于3期植被覆蓋數(shù)據(jù),對塔里木河下游植被覆蓋進(jìn)行時(shí)空變化特征分析,得出以下結(jié)論:

1) 塔里木河下游植被覆蓋結(jié)構(gòu)以極低植被覆蓋為主,占研究區(qū)總面積的80%以上。2000—2022年,塔里木河下游植被覆蓋變化主要是以極低植被覆蓋的減少為主,這與塔里木河下游生態(tài)輸水工程緊密聯(lián)系。

2) 該時(shí)序中最明顯的變化是從極低植被覆蓋向其他植被覆蓋類型的轉(zhuǎn)變,其次是從低植被覆蓋向其他植被覆蓋類型的轉(zhuǎn)變。整個(gè)時(shí)段植被變化情況呈現(xiàn)出逐漸變好的趨勢且變化聚集。

3) 總體上低覆蓋度和中覆蓋度的漲勢最大,極低覆蓋度的落勢最大。2011—2022年期間,植被類型向更高級別轉(zhuǎn)化的比例高于2000—2011年期間,且植被覆蓋度從低等級不斷向高等級轉(zhuǎn)移。這表明塔里木河下游的植被狀況正持續(xù)向好發(fā)展。

根據(jù)植被覆蓋變化模式圖譜可以看出,穩(wěn)定不變型的面積占比為主,后期變化型占比略高于前期變化型。這表明隨著塔里木河下游生態(tài)輸水工程的不斷實(shí)施,植被覆蓋度在逐年穩(wěn)步提高。