基于遙感影像技術的塔里木河流域植被動態變化研究

王亞軍

（塔里木河流域干流管理局，新疆 阿拉爾843000）

1 引言

塔里木河是新疆地區灌溉規模最大的內陸河，對于長期處于干旱地區的新疆具有非常重要的戰略意義。水資源對新疆地區植被的生長影響巨大，而塔里木河作為該區域最大的灌溉河流，加強對該流域植被的生長情況研究，具有重要意義。

目前遙感影像技術已經應用于各行業的研究中[1-4]。霍艾迪[5]基于MODIS影像數據提出了適用于沙漠地區的植被覆蓋度模型，并得到很好的驗證。王非[6]利用MODIS-NDVI遙感數據對塔里木盆地的荒漠化變化進行了分析。王林林[7]同樣利用MODIS-NDVI遙感數據對柴達木盆地的植被變化進行了研究，認為季節尺度可以很好的反映出氣候變化。袁麗華[8]、劉輝明[9]等人利用遙感數據對黃河流域的植被覆蓋區域進行分析，認為流域內植被可以改善流域退化。潘志鋼[10]使用美國Landsat衛星的TM/ETM數據對太子河流域進行了研究。高振東[11]通過對遙感數據分析，認為西遼河流域植被有退化的趨勢。譚克龍[12]對塔里木河流域植被和植物覆蓋度進行了深入的分析。氣象[13]和土壤侵蝕[14]等因素對植被的影響也很明顯。國內外學者使用對應的指標對荒漠地區的演化進行了大量檢測[15-16]。

本文基于遙感影像技術對塔里木河流域植被的動態變化進行分析，為新疆地區植被的演變研究提供參考。

2 工程概況

塔里木河是國內最長的內流河，環繞新疆北部，全長1 321 km，在整個流域內蜿蜒曲折。根據本文分析需要將塔里木河流域分為上游段（阿拉爾-英巴扎）、中游段（英巴扎-卡拉）和下游段（卡拉-大西海子水庫）3段，詳細見圖1。本次檢測流域面積大小為25 576 km2，其中上游、中游和下游面積分別為：10 353 km2、6 704 km2、8 519 km2。

圖1 塔里木河流域分段圖

3 方法介紹

本文采用ArcGIS、SPSS、MRT投影轉換軟件。MODIS數據由于其更高的時間和光譜分辨率被普遍應用于較大區域的動態監測。本文以Terra衛星監測到的MOD13Q1數據為基礎進行分析。使用正弦SIN（Sinusoidal projection）投影將MOD13Q1數據的格式由HDF轉化為Geotiff格式，然后使用ArcGIS軟件進行數據的進一步分析。通過ArcGIS軟件提取塔里木河流域的MODIS-EVI數據。由于綠色植物具有獨特波普反射特性，可以通過不同波段來反映出植被的顏色，進一步確定植被的生長情況。本文選用增強型植被指數（Enhanced Vegetation Index，EVI）來進行研究，其計算過程見公式（1）。

式中：ρ*-經過大氣校正的反射率；L-土壤調節參數，值為1；C1-系數，值為6.0；C2-系數，值為7.5。

植被覆蓋度（Fractional Vegetation Cover，FVC）利用植被指數求解得出，本文采用增強型植被指數求解植被覆蓋度，模型見公式（2）。

式中：EVIsoil-無植被覆蓋區域的強型植被指數，理論上為零；EVIveg-完全被植被覆蓋區域的強型植被指數。

歸一化植被指數（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）被用來檢驗EVI指數的重現準確性，其計算過程見公式（3）。

式中：R-紅光波段的地面反射率；NIR-近紅外波段的地面反射率。

通過SPSS使用單因素方差分析法對數據的準確性進行檢驗。本文中認為NDVI和EVI是植被指數這一因素下的兩種不同水平。這一因素有r種水平，容量為n，假設各水平每個母體方差相等均為H0，可以求得組間離差平方和（QA）和組內離差平方和（QE），其計算公式分別見公式（4）、（5）。總離差平方和求解過程見公式（6）。

服從自由度為（r-1，n-r）的F分布計算關系見公式（7），公式（7）中SA2和SE

2的計算過程分別見公式（8）、（9）。

式中：r-因素水平數量；n-子樣容量。

存在一個α使得F函數分布滿足公式（10）。

當F≤Fα（r-1，n-1）成立時，說明該選定因素的不同水平對結果沒有明顯差異；反之，則認為假設失敗。根據上述理論進行本文的計算分析。

4 結果分析

4.1 流域不同河段植被覆蓋度空間特征

由于塔里木河流域比較長，又受到干旱條件的影響，因此在不同的河段之間植被的生存環境差異較大，造成植被的生長情況明顯不同。針對不同河段在不同季節的生長情況進行分析，選取3月、7月、10月和12月作為4個季節的代表。分別對4個月份的EVI植被指數的空間分布進行分析，見圖2。

根據圖2可知，植被主要分布在塔里木河流域內部及其北部的部分地方，植被的分布呈現典型聚集現象，這與對應地方的生長環境和水資源等因素密切相關。從空間的整體分布可知，在不同河段植被分布明顯不同，整體是上游段植被最多，中游段次之，下游段植被最少。從時間分布可知，7月份綠色區域最多，說明此時該流域的植被覆蓋范圍最廣，這是因為7月份屬于雨季，同時由于溫度升高冰川融化水流匯集有利于植被的生長。在3月和12月的EVI植被指數相對較低，這是因為在12月和3月塔里木河流域處于冬季，溫度低不利于植被生長，同時大部分河流斷流，缺乏足夠水資源的供應。

為進一步分析，不同月份的詳細數據見圖3。

根據圖3可知，在一個年度內塔里木河流域各段的植被分布受溫度和水分的影響有所不同，呈現出7月份植被的覆蓋率最高，上游段、中游段和下游段的覆蓋率分別為：37.45%、17.86%、11.15%；3月份植被的覆蓋率最低，上游段、中游段和下游段的覆蓋率分別為：8.75%、6.53%、4.87%。

圖2 不同月份塔里木河沿岸EVI空間分布

圖3 不同河段植被覆蓋度

4.2 植被覆蓋度年內動態變化

根據之前分析我們知道植被在一個年度的分布差異很大，塔里木河流域3個分段和干流每個月的植被覆蓋度分析見圖4。

根據圖4可以知道，不管哪個河段，隨著季節的變化植被覆蓋度均先增加后減小，最大值均出現在7月份。進一步分析發現，干流的植被覆蓋處于塔里木河上游段和塔里木河中游段之間，在1月～5月份干流的植被覆蓋度和中游基本一致，5月～8月份時由于降雨的增加，干流的覆蓋面積也增加，使得干流的植被覆蓋度要明顯大于中游的植被覆蓋度。9月～12月份后天氣寒冷，植被進入了枯葉期逐漸枯萎使得干流覆蓋度和中游覆蓋度再次比較接近。

圖4 塔里木河流域植被年內動態變化

根據圖2也可以知道，上游段植被的分布不僅僅在河道，在兩岸側也有較多植被存在。因此在植被生長較好的季節里，由于兩岸植被的存在，使得上游段植被要大于塔里木河干流植被的數量。

4.3 植被指數方差分析

方差分析可以將研究目標因素對應的隨機性誤差和方法中的系統誤差進行對比分析，進而得出所選取的因素對結果的影響程度。本文選擇的EVI植被指數作為單一控制因素，同時使用NDVI來實現準確性驗證。圖5～7分別為塔里木河上游段、中游段、下游段對應的植被指數分析。

根據圖5可知，NDVI植被指數與EVI植被指數在整年度的變化趨勢基本保持一致，均呈現出先減小然后逐漸增加最后逐漸減小的變化規律。最大峰值出現在7月，最小值均出現在3月。峰值分別為：37.34%、37.45%；最小值分別為：9.17%、8.75%。而在整個年度內NDVI植被指數要比EVI植被指數大一些，僅僅在7月的時候稍微低一點。分析認為這是由于在7月植被的密度較大，使得NDVI的計算容易達到飽和所致。年度內NDVI植被指數與EVI植被指數的差值分別：0.59%、2.73%、0.42%、1.76%、3.12%、1.17%、-0.09%、1.76%、1.76%、2.19%、2.73%、2.26%。

圖5 塔里木河上游段不同植被指數

本文中假設選取的兩種植被指數對結果沒有顯著的影響，選取α=5%，r=2，n1=n2=12，根據公式（10）得出Fα（r-1，n-1）=F0.05（1，22）=4.3。根據公式（4）和公式（5）得出QA和QE分別為15.30和2 347.97；然后根據公式（8）和公式（9）得出SA2和SE

2的值分別為：15.30和106.73；根據公式（7）得出F=0.143＜Fα（r-1，n-1）=4.3，說明在上游段選擇NDVI和EVI兩種植被指數對計算結果沒有明顯的影響差異。

根據圖6可知，塔里木河中游段NDVI植被指數與EVI植被指數在整年度的變化規律與塔里木河上游段變化規律基本保持一致。但是NDVI植被指數最大值出現在6月，EVI植被指數最大值出現在7月，大小分別為：18.47%、17.86%；最小值均出現在3月，大小分別為：6.58%、6.53%。年度內NDVI植被指數與EVI植被指數的差值分別：0.3%、1.09 %、0.05 %、0.5 %、2.27 %、0.69 %、0.11 %、0.79%、0.99%、0.99%、1.38%、0.69%。

圖6 塔里木河中游段不同植被指數

對塔里木河中游段同樣進行方差分析，發現F=0.20＜Fα（r-1，n-1）=4.3，說明在中游段選擇NDVI和EVI兩種植被指數對計算沒有明顯的影響差異。

表2 中游段植被指數方差分析表

根據圖7可知，塔里木河下游段NDVI植被指數與EVI植被指數在整年度的變化規律與塔里木河上游段變化規律基本保持一致。最大峰值大小分別為：11.12%、11.15%；最小值大小分別為：4.38%、4.87%。年度內NDVI植被指數與EVI植被指數的差值分別：-0.06%、0.12%、-0.48%、0.0%、0.23%、-0.29%、-0.03%、-0.06%、0.23%、0.13%、0.18%、-0.04%。

圖7 塔里木河下游段不同植被指數

對塔里木河下游段同樣進行方差分析，發現F=0.002＜Fα（r-1，n-1）=4.3，說明在下游選擇NDVI和EVI兩種植被指數對計算沒有明顯的影響差異。

表3 下游段植被指數方差分析表

5 結論

本文使用遙感數據對塔里木河流域上游段、中游段、下游段在一個年度不同季節的植被動態變化進行分析，得出以下結論：

（1）該流域不同河段植被分布明顯不同，整體呈現上游段植被最多，中游段次之，下游段植被最少的分布規律。

（2）7月份植被的覆蓋率最高，上游段、中游段和下游段的覆蓋率分別為：37.45%、17.86%、11.15%；3月份植被的覆蓋率最低，上游段、中游段和下游段的覆蓋率分別為：8.75%、6.53%、4.87%。

（3）使用植被指數方差分析得出上游段、中游段、下游段的F函數值分別為：0.14、0.20、0.002均小于Fα（r-1，n-1）=4.3，說明指標選取對結果沒有顯著影響差異。