岷江上游流域植被覆蓋度時空變化分析

陳 財 楊 斌 李 丹 趙浩舟 韓彤彤

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院 四川綿陽 621010)

良好的生態(tài)環(huán)境是人類生存和發(fā)展的重要前提，它承載著人類社會發(fā)展所需各類原材料的生產(chǎn)和廢棄物的回收分解[1-2]。生態(tài)環(huán)境中植被變化對生態(tài)系統(tǒng)影響和反作用已成為全球生態(tài)系統(tǒng)研究的核心內(nèi)容，并且植被是指示生態(tài)環(huán)境變化的基本指標(biāo)。近年來、國內(nèi)外學(xué)者常采用植被覆蓋度來直接度量某地區(qū)的生態(tài)環(huán)境變化情況[3-5]。基于此，通過計算岷江上游流域植被覆蓋度的時空變化規(guī)律來對該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱性進(jìn)行動態(tài)評估。

植被覆蓋度指植物群落總體或各個體的地上部分的垂直投影面積與樣方面積之比的百分?jǐn)?shù)，其測量估算方法大致分為地面直接測量估算和遙感測量估算2種方法。地面直接測量估算方法適用地區(qū)較少、估算精度較低、且不易開展。遙感測量估算方法因采用先進(jìn)的遙感技術(shù)，具有檢測范圍廣、精度高和空間連續(xù)等優(yōu)點，尤其是在高海拔、高裂度和高風(fēng)險的“三高”地區(qū)，為大范圍的植被覆蓋度信息提取提供便利[6-7]。遙感測量估算方法又分為回歸模型法、植被指數(shù)法和像元分解法，其中像元分解法對于高山地區(qū)具有獨特的優(yōu)勢，可以在一定程度上削減大氣和土壤等因素對植被蓋度所產(chǎn)生的影響[8-10]。通過對比分析前人在植被覆蓋度測量方法上的研究成果，選用像元分解法對岷江上游流域的植被覆蓋度進(jìn)行反演，利用遙感和地理信息技術(shù)分析1994-2014年間岷江上游植被覆蓋度的時空變化規(guī)律，為岷江上游流域生態(tài)環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測、恢復(fù)和評價提供科學(xué)依據(jù)，同時揭示該地區(qū)植被生長發(fā)育的年周期規(guī)律。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)簡介

1.1 研究區(qū)概況

岷江上游流域(圖1)地處四川盆地丘陵地向川西北高原過渡區(qū)域，地理位置位于31°26' N～33°16' N，102°59' E～104°14' E 之間，流域面積為2.24×104km2，該流域是長江中上游生態(tài)屏障的保障，也是成都平原和岷江中下游地區(qū)的綠色水庫和生態(tài)屏障[11-12]。岷江上游流域以高山峽谷為主，地勢南高北低，區(qū)域內(nèi)海拔最高為5 840 m，最低海拔780 m，平均海拔3 400 m，海拔差異顯著，區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜。降雨主要集中在5-10月，占全年降水量的80%～90%，以暴雨居多。自然資源被過度開發(fā)，生態(tài)環(huán)境遭到極大破壞，自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，水土流失加劇，干涸河谷面積不斷變大。該流域地形地貌復(fù)雜，人文地理矛盾突出，是我國生態(tài)脆弱帶和《全國生態(tài)環(huán)境治理規(guī)劃》中的重點治理區(qū)域[13-14]。在2008年汶川大地震的劇烈干擾下，該流域生態(tài)環(huán)境急劇退化，對成都平原及長江中下游生態(tài)造成嚴(yán)重影響。

1.2 數(shù)據(jù)簡介

研究采用Landsat 系列遙感數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)數(shù)據(jù)中心(http://glovis.usgs.gov/)。Landsat系列遙感數(shù)據(jù)具有較高的時間空間分辨率、覆蓋范圍廣以及免費等優(yōu)點，能夠有效實時動態(tài)監(jiān)測地表信息。此次使用遙感數(shù)據(jù)分別選取多個時期軌道行列號為行130，列037，038，039的數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)是從中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心四川省站點下載的氣溫、降雨量和平均相對濕度數(shù)據(jù)。

研究區(qū)內(nèi)全年分為干濕兩季，由于研究區(qū)夏季數(shù)據(jù)能更好反映出岷江上游植被生長變化情況，因此選取1994，1999，2004，2009，2014年5個時期夏季數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)遙感影像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)選取的時間及區(qū)域含云量如表1所示。

表1 遙感數(shù)據(jù)信息表Table 1 Information table of remote sensing data

2 研究方法

2.1 總體研究思路

為達(dá)到研究目的，本文采用的總體研究思路是：利用遙感數(shù)據(jù)計算各時期植被覆蓋度的空間分布圖，分析其時空變化趨勢，并與氣象資料和人類活動進(jìn)行比較分析，通過考察植被覆蓋度與上述因素的相關(guān)性，探討植被覆蓋度的變化規(guī)律及控制因素。研究的方法流程如圖2所示。

圖2 研究方法流程圖Fig.2 Flow chart of research methods

2.2 數(shù)據(jù)處理

首先利用ENVI遙感圖像處理軟件，對每個時期的數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、FLAASH大氣校正、歸一化、拼接、裁剪等處理，旨在減少大氣和太陽高度角變化等帶來的誤差，得到各時期岷江上游流域的遙感數(shù)據(jù)影像圖。

氣象數(shù)據(jù)中，平均降雨量、平均氣溫、年日照時數(shù)及平均相對濕度等均使用當(dāng)年直接觀測站點數(shù)據(jù)，并利用ArcGIS軟件對研究區(qū)站點氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值分析，得出研究區(qū)內(nèi)平均降雨量、氣溫、年日照時數(shù)以及平均相對濕度。

2.3 像元二分法模型

像元二分法模型是利用遙感數(shù)據(jù)將地面地物信息分為植被覆蓋區(qū)域和非植被覆蓋區(qū)域[13-15]；像元二分法模型可以在一定程度上削減大氣、土壤與植被類型等因素對估算植被蓋度所產(chǎn)生的影響。指示植被生長的因子有許多，如NDVI,SAVI,TSAVI等，在長期實驗過程中得出NDVI是指示植被生長狀態(tài)以及植被覆蓋情況的最佳指示因子，因此，首先計算NDVI，用公式表示為：

式中：ρNIR和ρR分別為近紅外波段和紅光波段的反射率值。

然后利用像元二分模型計算植被覆蓋度，該模型假設(shè)像元由植被和非植被線性混合，將植被覆蓋度定義為像元植被指數(shù)與非植被指數(shù)之間的線性差值，用公式表示為：

式中：NDVIveg是植被覆蓋下的NDVI值； NDVIsoil是非植被值，因此，NDVIsoil和NDVIveg的取值是計算植被覆蓋度的關(guān)鍵。理論上NDVIsoil應(yīng)該接近于0的固定值，但實際中NDVIveg和NDVIsoil受環(huán)境、植被類型和生長狀況等因素的影響，也會隨區(qū)域的不同而有所變化。目前，NDVIsoil和NDVIveg的取值主要有3種方法：(1)根據(jù)已有研究結(jié)果取經(jīng)驗值；(2)根據(jù)NDVI圖像中的灰度分布，取值置信區(qū)間；(3)分別取整景NDVI圖像中的最大值和最小值。本文主要針對天然植被，因此需將研究區(qū)內(nèi)的耕地、水體、建筑用地進(jìn)行掩模處理，在以往研究中得出耕地掩模的下限NDVI=0.18，水體的NDVI值為負(fù)值，建筑用地的下限NDVI=0，用該值運算可以通過掩模計算將研究區(qū)內(nèi)耕地提取出來。結(jié)合前人研究成果和實際情況對NDVIveg和NDVIsoil進(jìn)行科學(xué)取值，不同程度的植被群落像元的NDVI范圍處于0.3～0.8之間。確定NDVI的值之后，為了將不同時期和空間位置上的植被覆蓋度更好地比較分析，且經(jīng)多方案試驗并參考野外考察結(jié)果以及參照土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程以及《林地分類標(biāo)準(zhǔn)》等相關(guān)分級文獻(xiàn)后，決定將其劃分為5個等級[15]：Ⅰ級，0.75～1.0，極高覆蓋度；Ⅱ級，0.6～0.75，高覆蓋度；Ⅲ級，0.4～0.6，中等覆蓋度；Ⅳ級，0.15～0.4，低覆蓋度；Ⅴ級，0～0.15，極低覆蓋度。Fc所對應(yīng)的值越大，表明植被覆蓋度越大，植被生長越好。

為研究植被整體的發(fā)育和變化情況，本文還應(yīng)用一個綜合指標(biāo)“植被總量指標(biāo)”，用于表征植被面積在全區(qū)所占比例[15]，即：

式中：V為植物總量指標(biāo)；A為研究區(qū)總面積m2；R為遙感圖像空間分辨率m；Fc，i為第i個像元的植被覆蓋度；N為全區(qū)像元總數(shù)。由于Fc的相對性，V也只有相對意義，可用于不同時期植被發(fā)育整體情況的比較。

3 結(jié)果與分析

岷江上游流域在1994-2014年期間植被覆蓋度總體呈現(xiàn)出下降趨勢，特別是在2008年汶川大地震的強烈干擾下，下降尤為明顯。圖3為植被覆蓋度等級分類統(tǒng)計圖，研究結(jié)果著重從植被覆蓋度的數(shù)量、時空變換、影響因素3個方面進(jìn)行探討分析。分析得出，Ⅰ級植被覆蓋度下降面積達(dá)19.2%，主要向中低等級轉(zhuǎn)變，這對原本就脆弱的岷江上游流域生態(tài)環(huán)境造成不可逆向的破壞，同時威脅著長江中下游的生態(tài)平衡和影響成都平原的發(fā)展。

3.1 1994-2014年岷江上游流域植被覆蓋度數(shù)量變化

表2為1994-2014年各級植被覆蓋度的面積變化情況。從表2可以看出，1994-1999年Ⅰ級植被覆蓋度的面積減少3 485.44 km2，Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級植被覆蓋度的面積分別增加1 456,367.36,271.04,1 384.32 km2(1999年數(shù)據(jù)變化波動較大，其原因為在汶川下方有一塊積云，導(dǎo)致該年份波動較大，但不同年份之間有波動增長趨勢)；1999-2004年Ⅰ級植被覆蓋度面積增加2 441.6 km2，Ⅱ級覆蓋度和Ⅲ級覆蓋度面積分別減少1 646.4 km2，788.48 km2, Ⅳ級植被覆蓋度面積基本沒變，Ⅴ級植被覆蓋度面積增加1 413.12 km2；2004-2009年Ⅰ級植被覆蓋度面積減少560 km2，Ⅱ級植被覆蓋度、Ⅲ級植被覆蓋度和Ⅳ級植被覆蓋度面積分別增加327.04,250.88,1 184.96 km2，Ⅴ級植被覆蓋度面積減少1 247.68 km2；2009-2014年Ⅰ級植被覆蓋度面積減少4 309.76 km2，Ⅱ級、Ⅲ級植被覆蓋度面積分別增加3 053.12,739.2 km2，Ⅳ級植被覆蓋度面積減少805.36 km2，Ⅴ級植被覆蓋度面積增加1 475.36 km2。

從1994-2014年整體上看，Ⅰ級植被覆蓋度面積減少5 803.6 km2，減少比例為32.05%，Ⅱ級植被覆蓋度和Ⅲ級植被覆蓋度面積分別增加3 189.76 km2和568.96 km2，增加比例分別為150.69%和40.13%，Ⅳ植被級覆蓋度和Ⅴ級植被覆蓋度的面積也分別增加660.8 km2和1485.12 km2，增加比例分

別為122.92%和663%。據(jù)此，岷江上游流域20年間植被覆蓋度整體呈現(xiàn)向低等級轉(zhuǎn)換趨勢，植被覆蓋度逐漸降低。

3.2 植被覆蓋度時空變化

由圖3可知，1994年除在黑水縣、理縣、汶川和茂縣具有典型的干涸河谷區(qū)之外，全區(qū)的植被態(tài)勢覆蓋全面，植被生長態(tài)勢好。1999年全區(qū)植被覆蓋有明顯變化，在松潘縣以北和小娃溝、漁子溪、西河、岷江干流流域沿岸以及黑水縣西北植被覆蓋度變化明顯向低等級轉(zhuǎn)變，黑水河、孟屯溝流域干涸河谷區(qū)植被覆蓋度向高等級轉(zhuǎn)變。2004年松潘境內(nèi)、漁子溪沿岸植被覆蓋有明顯好轉(zhuǎn)，但是依然存在部分地區(qū)植被覆蓋較低，黑水、茂縣、理縣、汶川的干涸河谷區(qū)在擴大。2009年全區(qū)植被態(tài)勢良好，全區(qū)干涸河谷區(qū)面積有明顯減少，松潘縣以北岷江流域植被態(tài)勢正在逐漸恢復(fù)，但是在汶川境內(nèi)岷江主干流的植被覆蓋度遭到嚴(yán)重破壞。2014年全區(qū)植被普遍下降，松潘縣境內(nèi)植被遭到破壞最為嚴(yán)重，黑水河、孟屯溝、雜谷腦河、漁子溪流域干涸河谷區(qū)面積驟增。

從1994-2014年植被覆蓋度圖可以得出，全區(qū)植被覆蓋度正在逐漸降低，松潘縣和黑水河、孟屯溝、雜谷腦河、漁子溪流域干旱河谷區(qū)面積在逐漸擴大。

圖3 1994-2014年植被覆蓋度分類等級圖Fig.3 Vegetation coverage classification grade map from 1994 to 2014

覆蓋度等級 面積/km2 1994-2004年 1994年1999年2004年2009年2014年變化面積/km2變化比例/%Ⅰ級18 110.414 624.9617 066.5616 506.5612 296.8-5 803.632.05Ⅱ級2 116.83 572.81 926.42 253.445 306.563 189.76150.69Ⅲ級1 417.921 785.28996.81 247.681 986.88568.9640.13Ⅳ級537.6808.64828.82 013.761 198.4660.8122.92Ⅴ級2241 608.321 581.44333.761 709.121 485.12663

3.3 影響因素分析

岷江上游流域特有的氣候類型和自然環(huán)境以及人類社會活動等因素造成其植被生長的獨特性。降雨量和氣溫對植被的生長有著重要的決定因素，1994-2014年，20年間岷江上游流域降雨量和氣溫都呈現(xiàn)一個上升趨勢，特別是在2008年汶川大地震之后降雨量和氣溫的變化波動劇烈(圖4、圖5)，結(jié)合植被覆蓋度圖得出，植被覆蓋度的變化與當(dāng)?shù)亟涤炅亢蜌鉁爻守?fù)相關(guān)關(guān)系。結(jié)合研究區(qū)的降雨特點，研究區(qū)內(nèi)降雨主要集中在夏季，大多以暴雨為主，這對研究區(qū)內(nèi)的水土流失以及對植被的生長極其不利，且降雨量以暴雨的形式逐漸增加對干涸河谷的不斷沖刷及擴大具有直接影響，對流域地區(qū)人類活動產(chǎn)生直接影響。從圖6可知，年日照時數(shù)的增加對植被光合作用的增加有益，但是溫度的升高影響植被的光合作用，這將導(dǎo)致植被直接枯萎。從圖7可知，氣溫的升高以及日照時數(shù)的增加導(dǎo)致平均相對濕度下降，這對原本就炎熱的氣候來說，使得植被生長環(huán)境更加惡劣，對土壤含水量的蒸發(fā)和植物的蒸騰作用不斷加強，直接影響到植物從土壤中吸取營養(yǎng)物質(zhì)和植物的光合作用；氣溫的升高也使得濕潤河床正在逐漸干涸化，影響植被的生長，也是干旱河谷不斷擴大的直接原因。由圖8可知，植物總量指標(biāo)總體上呈現(xiàn)出下降，植物總量少，直接影響植被群落的穩(wěn)定性。

由于區(qū)域內(nèi)水資源和森林資源豐富，改革發(fā)展前期對區(qū)域內(nèi)資源的不合理開發(fā)，大量砍伐樹木以換取短暫的經(jīng)濟發(fā)展，導(dǎo)致植被覆蓋度降低。在改革發(fā)展中期，水資源充沛，在該流域地區(qū)建有許多大大小小的水利發(fā)電站，水電站的修建及水庫的修建和管道的鋪設(shè)都對區(qū)域環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。特別是在2008年汶川大地震的影響下，對該流域的水電站造成嚴(yán)重破壞，對該流域的發(fā)電站的水庫的維修、取水管道的再鋪設(shè)工程以及發(fā)電站的重建等對區(qū)域產(chǎn)生巨大的影響。在2008年后，人類活動越加頻繁，自然資源的不合理開發(fā)以及保護(hù)工程實施不夠及時與完備，也是造成2008年后植被覆蓋度迅速降低的主要因素。

圖4 氣溫變化趨勢Fig.4 Trend of temperature change

圖5 降雨量趨勢Fig.5 Rainfall trend

圖6 年日照時數(shù)Fig.6 Annual sunshine hours

圖7 年平均相對濕度Fig.7 Annual average relative humidity

圖8 植物總量變化Fig.8 Total plant change

4 結(jié)論

應(yīng)用像元分解法提取岷江上游流域植被覆蓋度得出，從1994-2014年岷江上游流域植被覆蓋度總體呈現(xiàn)下降趨勢，下降速度為2.27，且植被覆蓋度的穩(wěn)定性也在降低。1994-2014年20年間Ⅰ級植被覆蓋度面積減少5 803.6 km2，Ⅱ級植被覆蓋度、Ⅲ級植被覆蓋度面積分別增加3 189.76 km,568.96 km2，Ⅳ級植被覆蓋度、Ⅴ級植被覆蓋度面積分別增加1 485.12，660.8 km2。不同等級植被覆蓋度相互轉(zhuǎn)換，研究區(qū)內(nèi)仍以Ⅰ級和Ⅱ級植被覆蓋為主，但是Ⅴ級面積不斷增加，且Ⅰ級植被覆蓋度在逐漸向其他等級轉(zhuǎn)換，影響區(qū)域環(huán)境生態(tài)平衡。植被覆蓋度的空間格局與變化表現(xiàn)出岷江上游流域干流和支流沿岸減少，與河流的走勢表現(xiàn)出一致性，岷江上游流域干涸河谷面積不斷增加，與研究區(qū)內(nèi)的降雨與氣溫變化以及人類頻繁活動所造成的結(jié)果相吻合。應(yīng)加強對岷江上游流域的植被生態(tài)的保護(hù)以及科學(xué)合理地開發(fā)和利用岷江上游流域資源，從而實現(xiàn)區(qū)域植被生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。