基于多時相遙感數據的黃土丘陵區(qū)植被覆蓋度時空分異研究

基于多時相遙感數據的黃土丘陵區(qū)植被覆蓋度時空分異研究

平原縱橫，地表破碎，黃土狀況差，抗侵蝕性差。此外，歷史上長期的恢復和砍伐導致植被破壞、土壤侵蝕嚴重，水土流失極其嚴重。植被覆蓋度(VegetationCoverage)是影響土壤侵蝕與水土流失的主要因子,在土地沙漠化評價、土壤流失預報模型、水土流失監(jiān)測和分布式水文模型中是重要的輸入參數,是評估土地退化、鹽漬化和沙漠化的有效指數。流域具有相對獨立和完整的地貌特征,是黃土高原長期以來植被恢復和水土流失治理的基本單元,因此從流域尺度著手研究植被覆蓋度的時空變化特征及其與地貌因子關系,有利于對這一區(qū)域植被恢復的效果進行動態(tài)監(jiān)測、評價以及分析整治。利用遙感信息(波段或植被指數)分解建立的植被覆蓋度的模型,為快速、大范圍、周期性地監(jiān)測區(qū)域植被覆蓋度變化情況提供了可能。同時,地理信息系統(tǒng)技術也為分區(qū)過程中有效地辨別區(qū)內相似性和區(qū)間差異性提供了技術支持。植被的形成與變化與所處的地理環(huán)境及人類干擾密切相關,而地貌又是決定植被生境要素(如小氣候、水文、土壤等)的主導因子,通過地貌差異來研究植被空間分布規(guī)律,已成為揭示植被與地貌因子之間關系的重要途徑,目前還沒有針對黃土高原植被覆蓋度的時空變化與地貌因子關系的研究,特別是從1999年起,該地區(qū)實施了大規(guī)模退耕還林(草)工程,流域內工程效果如何也是亟待說明的問題。鑒于黃土高原在區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化、全球氣候演化等方面扮演的重要角色,以及與生態(tài)安全和區(qū)域安全的緊密聯系,有必要加強黃土高原流域植被覆蓋度的時空分異特征的研究,以充分認知植被變化的地貌特征和發(fā)展規(guī)律,為區(qū)域資源的可持續(xù)利用和環(huán)境保護提供決策支持。1研究領域的總結和研究方法1.1文安前穩(wěn)定期2002年5月文安驛流域位于陜西省延川縣西南1.1km處(東經109°46′25″～110°11′4″,北緯36°31′15″～36°44′25″),年平均降水量為499.5mm,屬溫帶半干旱區(qū);流域面積約300km2,其干流文安驛川全長41.50km,屬黃河二級支流;整體地勢西高東低,海拔高度在767～1304m;具有大陸性季風氣候特點,降水集中,暴雨多,歷時短,強度大;植被稀疏,水土流失極其嚴重,長期形成了以破碎的塬、梁、峁等構成的黃土高原丘陵溝壑地貌,是黃河中游水土流失治理重點縣的重點流域。1.2遙感數據處理選取研究區(qū)1999年、2002年、2007年三期LandsatTM(ETM)遙感影像,分辨率為30m×30m,且成像時間均為夏秋之交(9～10月),晴空無云,質量良好,對遙感數據進行了輻射定標、幾何糾正、數據鑲嵌以及投影變化,精度在0.5個像元內。流域DEM數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站,像元尺度也是30m×30m。1.3遙感影像的獲取在ArcGIS9.3平臺下,利用研究區(qū)DEM數據完成文安驛流域矢量邊界的生成,然后進行統(tǒng)一的坐標和和投影轉換后,將該流域矢量邊界轉化成流域的掩膜文件Mask,利用掩膜運算實現不規(guī)則流域遙感影像的裁剪,這樣就初步得到了研究區(qū)文安驛流域的遙感影像。利用遙感影像,在ERDAS軟件下編寫程序模塊,提取研究區(qū)取歸一化植被指數NDVI,其計算式為近紅外波段(IR)與可見光紅波段(R)的亮度值之差與之和的比值,即NDVI=(IR-R)/(IR+R)。植被覆蓋度計算采用改進的基于NDVI的像元二分模型,該模型適用于不同分辨率遙感數據對宏觀區(qū)域植被覆蓋度的估算,在ERDAS軟件支持下,通過Modeler模塊實現植被覆蓋度定量轉換,從而得到流域三幅不同時相的植被覆蓋度灰度圖。2建立地形地貌因子以研究區(qū)文安驛流域DEM為基礎,分別提取其高程、坡度、坡向等地形地貌因子,生成該流域的高程、坡度、坡向專題圖。將流域三期植被覆蓋圖和各種地貌專題圖進行疊加統(tǒng)計或柵格計算,得到文安驛流域植被覆蓋度的時空分異與地貌因子關系。2.1植被覆蓋度變化根據水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190-96),將不同強度水土流失等級對應于不同等級的植被覆蓋度,結合當地植被類型特征,將研究區(qū)植被覆蓋度使用五級分級法表示(見表1)。利用ERDAS軟件專家分類器生成輸出分類,按五級表示法做出研究區(qū)分級顯示圖像,并統(tǒng)計了流域總體以及各分級區(qū)間的平均植被覆蓋度。平均植被覆蓋度的計算方法:植被覆蓋度是指植被(包括葉、莖、枝)在地面垂直投影的面積占整個統(tǒng)計區(qū)總面積的百分比。利用得到的流域三期植被覆蓋度圖計算某研究區(qū)的平均植被覆蓋度,即將研究區(qū)內各像元的植被覆蓋度的數值累加,用所得到的和除以研究區(qū)內總像元數,得到研究區(qū)平均植被覆蓋度,也就是研究區(qū)內各像元植被覆蓋度值的算術平均數,計算公式為:VC=∑i=1nainVC=∑i=1nain(1)式中,VC為平均植被覆蓋度,n為圖像中的總像元個數,ai為第i個像元的植被覆蓋度值。根據表1結果,計算得到1999年、2002年、2007年流域平均植被覆蓋度分別為43.58%、48.49%和57.10%,說明近十年來文安驛流域植被覆蓋不斷增加。為了定量分析該流域1999—2007年植被變化情況,編寫計算程序,得到2002年、2007年相對于1999年植被覆蓋度變化圖,再根據表2所列植被覆蓋度變化分級標準,統(tǒng)計分析了各變化分級的面積。表2結果顯示,相對于1999年,文安驛流域2002年植被覆蓋度變化以穩(wěn)定和輕微恢復為主,穩(wěn)定和輕微恢復的面積之和為215.37km2,占研究區(qū)總面積的71.8%;嚴重退化和退化面積之和為17.34km2,占總面積5.78%;恢復和完全恢復面積之和為38.88km2,占總面積12.96%。相對于1999年,2007年流域植被覆蓋度變化以恢復趨勢為主,輕微恢復及以上的面積合計202.43km2,占研究區(qū)總面積的67.49%;穩(wěn)定面積為59.84km2,占總面積的19.95%;輕微退化及以下面積共計37.68km2,占總面積的12.56%。植被覆蓋是地表生態(tài)系統(tǒng)狀況的“指示器”,文安驛流域從1999—2007年的近十年間地表植被狀況不斷提高,從流域覆蓋度變化幅度上看,2007年比2002年提高的幅度更大,1999年實施退耕還林工程以來,延川縣在文安驛流域內的一些未進行人工種植林草的小流域(高家溝、老莊河等小流域)內開展以封育為主的生態(tài)修復,植被通過自然演替得以更新和恢復,速度緩慢,長期累計下才能顯現出覆蓋度的大幅增加。2002年以后,該地區(qū)水土流失生態(tài)建設才確立采取以小流域為單元的治理思路,依托村莊,山水田林路草和溝坡梁峁?jié)緸┻M行統(tǒng)一規(guī)劃和全面綜合治理,工程、林草、耕作三大措施有機結合,流域內植樹造林迅速發(fā)展,使得該地區(qū)植被覆蓋率逐年增加,林草質量不斷提高,地表植被和生態(tài)環(huán)境狀況明顯改善。經調查,1999—2002年,延川縣累計完成水土流失治理面積71.2km2,修建淤地壩、谷坊等401座;1999—2007年,延川縣累計完成水土流失治理面積243.0km2,修建淤地壩、谷坊等1195座。2.2不同海拔高度和坡位植被覆蓋度的分布和分布特點利用DEM將文安驛流域海拔高程進行分級(分五級),并計算相應高程等級內的植被平均覆蓋度的年際變化直方圖(見圖1)。從圖1可以看出:各個年份內,植被覆蓋度隨著海拔高度的增加而逐漸減小;在各海拔高度等級內,植被覆蓋度呈逐年提高趨勢。不同海拔區(qū)間內植被覆蓋分布差異的主要是由于當地不同海拔區(qū)間內的地形差異造成的。該流域整體地形破碎,土質疏松,梁峁起伏,在下游的低海拔區(qū)域,地勢相對平緩,地表平整,水熱條件優(yōu)越,自然植被和人工林草措施成活保存率較高。在中低海拔區(qū)域,土地利用多以荒坡和緩坡耕地為主,地勢略陡,水熱條件也相對較差,因此地表植被覆蓋不如低海拔區(qū)域。中高海拔和高海拔地區(qū)大多為陡坡地或是溝緣地,水熱條件較低海拔區(qū)更差,地表植被稀疏難以生長。2.3植被覆蓋度年際變化鑒于文安驛流域地處黃土高原丘陵溝壑區(qū),地貌多以山地居多,且退耕還林(草)的農田均為坡度較大的山地;此外,坡度直接影響到土壤水分的聚集程度和分布特征,而地表徑流的形成極易導致富含有機質的表土流失,使土壤的肥力下降,從而影響植被的生長與恢復。因此,山地坡度很可能是影響研究區(qū)植被恢復的一個重要因子,特別是在植被演替的初期。利用研究區(qū)DEM計算流域坡度,本研究將文安驛流域地表坡度進行分級(分為十級,見下圖),并計算了各坡度植被覆蓋度的年際變化直方圖,如圖2所示。從圖2可以看出:①植被覆蓋度隨坡度的增大而減少,坡度越小的地區(qū)其植被覆蓋度越高;②在25°以上的坡度范圍內,2007年相對于2002年的植被覆蓋度的絕對增量大幅增加,說明延川縣退耕還林(草)措施卓有成效,水土保持工作成果顯著;③由于掌握資料有限,2002年大于45°的植被覆蓋度比30°～45°的植被覆蓋度還高,還有待進一步分析研究。植被覆蓋度隨坡度的升高而減少,究其原因,可能與山地坡度對水、熱因子的分配產生影響有關:首先,在大尺度上雖然一個區(qū)域內溫度差異并不大,但在小生境條件下卻會引起相對差異,使得坡度大的地區(qū)所得到的積溫較少;其次,在同一區(qū)域投影面積相同的條件下,其總降水總量基本相同,但坡度越大則實際土壤面積越大,單位面積上的平均降水量越小,并且不同坡度的山地持水性能差別也很大:坡度越小,水分越容易被土壤吸收,因此依靠自然恢復便能形成較高的植被覆蓋度;坡度越高,則自然降水越容易流失。2.4文安前流域的植被覆蓋度由于不同坡向決定著光照等的自然條件,破相對溫度、濕度有較大影響。因此,分析坡向與植被覆蓋度之間的關系也十分有意義。我國通常將北坡作為標準陰坡,它與西北坡、東北坡統(tǒng)稱為陰坡(即0～67.5°,292.5°～360°,以正北方為0),將南坡作為標準陽坡,它與西南坡、東南坡統(tǒng)稱為陽坡(即157.5°～247.5°,以正北方為0)。因此,本研究將坡向從0～360°均分為8個等級:0～22.5°和337.5°～360°為北坡(標準陰坡)、157.5°～202.5°為南坡(標準陽坡)、292.5°～337.5°為西坡、67.5°～112.5°為東坡,361°的區(qū)域為平地。坡向定義為:過格網單元所擬合的曲面上某點的切平面的法線的正方向在平面上與正北方夾角,即法方向水平投影向量的方位角,利用DEM計算生成流域的坡向圖,同時計算分析了文安驛流域各坡向范圍的植被覆蓋度的年際變化直方圖(圖3)。從圖3可看出:①在時間尺度上,流域各坡向范圍內植被覆蓋度呈不斷增大的趨勢;②南坡(陽坡)植被覆蓋度相對較低,北坡(陰坡)較高,平地植被覆蓋度最低;③在1999—2007年近10年間,文安驛流域各個坡向的植被覆蓋度大小呈現一致性規(guī)律,即:北>西北>東北>東>西南>東南>西>南>平地。可以看出,該流域的植被覆蓋度的大小與坡向有很強的相關性。總體上,陰坡的植被覆蓋度大于陽坡。分析原因,首先,陰坡陽坡所接收的太陽輻射量的不同,導致了不同坡向的溫度差異。在黃土丘陵溝壑區(qū),相對于平地,太陽光線與坡面的交角隨地表坡度的增大而增大,因而,北坡所獲得的太陽輻射總量要比同緯度的南坡少。北坡由于不利于地表受熱,日照的強度低、時間短,因而獲得的太陽輻射總量低于南坡;其次,人類活動的影響。人類首先是在陽坡進行耕墾坡地,隨著人口的不斷增加,陰坡才隨之被開墾。因此,南坡相對于北坡植被分布較差。3文安前流域植被覆蓋度本文綜合應用GIS和RS技術,利用模型計算分析了黃土高原文安驛流域退耕還林(草)工程實施前后流域植被覆蓋度時空分布及其海拔、坡度、坡向等地貌特征,從宏觀上揭示了流域近十年來植被覆蓋度變化及其與地貌因子之間的關系,得到如下結論:1)近十年來文安驛流域植被覆蓋度總體呈上升趨勢,1999年、2002年、2007年的流域平均植被覆蓋度分別為43.58%,48.49%,57.10%,表明流域植被覆蓋不斷