赤峰市大型地表水空間分布與植被長勢的關系分析

李鑫楊

(赤峰市氣象局,內蒙古 赤峰 024000)

赤峰屬于干旱—半干旱地區，多年平均降水量在390mm左右，年降水集中在6月-8月，占全年降水的75%。由于降水較少，加之人為影響，赤峰的生態環境比較脆弱。近年來，赤峰市的一些大型地表水，如達里湖的面積由20世紀70年代的228km2縮減至182km2(2020年)、紅山水庫的面積由80年代的51km2縮減至20km2(2020年)。隨著赤峰經濟社會的發展，對水資源的開發利用量也在逐年增加，同時也帶來了一定的生態環境問題。水資源與生態環境的關系緊密，因此對赤峰市地表水以及其對生態植被的影響進行分析，不僅有利于了解本市地表水資源狀況，也為因地制宜防旱抗旱、水資源合理開發利用、水庫調節、改善水環境、合理開采地下水提供技術和決策支持。

1 數據介紹

本研究的水體數據為GlobeLand30，GlobeLand30以包括美國陸地資源衛星(Landsat)的TM5、ETM+、OLI多光譜影像、中國環境減災衛星(HJ-1)多光譜影像以及16m分辨率高分一號(GF-1)多光譜影像作為數據源，實現了包括國產衛星資料在內的多源遙感資料的最佳覆蓋、地表覆蓋各種參考資料的最大限度整合、計算機自動分類與專家知識的有機結合和產品質量的有效檢核等關鍵技術[1]。GlobeLand30 V2020數據精度評價由基于景觀形狀指數抽樣模型進行全套數據布點，共布設樣本超過23萬個。得出GlobeLand30 V2020數據的總體精度為85.72%，Kappa系數0.82，與歐美國家1 000m和300m產品相比，GlobeLand30產品具有更高的空間分辨率和精度[2]；本研究的植被長勢數據的源數據為NOAA與NASA聯合發射Suomi-NPP可見光紅外成像輻射組件VIIRS的L3級16天合成產品，近紅外(NIR：波譜帶846nm-885nm)反射率以及綠光(Green：波譜帶545nm-565nm)反射率是該數據的兩個波段。

圖1 赤峰市地表水(30m尺度)空間分布

圖2 赤峰市個旗縣區地表水(30m尺度)面積對比

2 地表水空間分布與植被長勢的關系

2.1 30m尺度可識別地表水

由于GlobeLand30是30m尺度的數據，對于小于30m尺度的水體(比如相對于30m較細的河道，以及一些小型水體，其外接圓的直徑相對于30m較小)無法識別，因此，實際的地表水面積會更大。但是通過30m尺度的地表水空間分布(見圖1)以及面積對比直方圖(見圖2)也可以掌握赤峰市大型地表水的整體狀況與相對大小，赤峰市的南部—中部—北部，地表水面積為適中—較小—較大。克什克騰旗的地表水面積最大，巴林右旗水體面積次大，紅山區的水體面積最小。

2.2 地表水周邊植被長勢緩沖區分析

對地表水周邊不同距離的植被長勢進行緩沖區分析，將緩沖區的設置以紅山水庫為例進行說明，500m緩沖區為不包括紅山水庫的外圍500m，500m～1 000m緩沖區為500m緩沖區的外圍500m緩沖區，1 000m～1 500m緩沖區、1 500m～2 000m緩沖區以此類推(見圖3)。

由圖4(a)可知，4月-11月，綠色植被在綠光波段的反射率均值由“500m緩沖區”至“>2 000m緩沖區”逐漸減小，僅在5月中旬(生長季初期)，5個緩沖區范圍內的綠光波段反射率均值差距較小。在11月過后綠光波段反射率均值在“500m緩沖區”大幅增加，反射率值在11月達到最高。

圖4(a) 2020年綠光波段(波譜帶545nm-565nm)反射率時序變化

由圖4(b)可知，4月-10月，“500m緩沖區”在近紅外波段的反射率均值始終最小，僅在10月末開始大幅增加超過其他緩沖區的反射率均值。近紅外波段反射率在6月中旬-8月初居高并呈現緩慢增長態勢。在2020年4月30日前后，在地表水“500m緩沖區”外的其他區域，近紅外波段反射率都約等于0.26，差距最小，直至6月中旬差距最大，8月下旬差距開始減小。

楊雨薇等人選擇位于干旱—半干旱地區的甘肅張掖的研究區為研究對象，得到植被、水體與土壤端元的光譜曲線(見圖5)[3]，與赤峰的地物反射率相似。由圖5可知在545nm-565nm波譜帶，反射率土壤>反射率水體>反射率植被，在846nm-885nm波譜帶，反射率植被>反射率土壤>反射率水體。隨著波長增加(由綠光至近紅外)，植被的反射率變化最大。

圖4(b) 2020年近紅外波段(波譜帶846nn-885nm)反射率時序變化

圖5 植被、水體與土壤在400nm-1 100nm波譜段的光譜曲線[3]

綠光波段反射率的時序變化間接指示植被長勢，綠光波段在生長季的下降趨勢是因為地表植被在綠光波段的反射率比水體和裸土低，生長季之前地表植被較少，裸露出地表的土壤，植被在生長季集中生長，導致反射率較高的裸土大量減少，導致綠光波段反射率變低，較多的呈現出植被的綠光波段反射率。僅在地表覆蓋大量植被，裸土較少時(圖4(a)的5月-9月)，綠光反射率越高代表綠色植被長勢越好。

近紅外波段的時序變化反映出植被和水體的混合信息，雖然植被的近紅外反射率與土壤和水體的相比最高，在生長季時有近紅外反射率值增長趨勢，雖然地表此時植被大量覆蓋，但不是很明顯，原因是水體拉低了地表對近紅外波段的反射。相比于時序反映的植被長勢信息，在生長季不同緩沖區域對比時，空間的單項對比更多地體現了地表含水情況。

綜上所述，圖4(a)顯示，從5月生長季初期開始，由距離地表水較遠范圍至距離地表水500m范圍內，綠色植被長勢越來越好。圖4(b)顯示，6月-8月生長季中期植被長勢為全年最好導致近紅外波段反射率居高并呈現緩慢增長態勢，此時地表水500m緩沖區范圍內的近紅外波段反射率大大低于其他地域的近紅外波段反射率，原因可能為地表水500m緩沖區范圍大多為濕地，植被含水量高于其他地域，水體的近紅外波段反射率較低，使得地表水500m緩沖區范圍內的近紅外波段反射率低于其他地區。10月份由于降水減少、植被枯萎等原因，近紅外波段反射率的差距開始減小。11月開始，溫度降低、濕地結冰，距離地表水500m范圍內的綠光和近紅外反射率皆陡然增長。

2.3 近8年反射率變化的氣象影響因子分析

圖6(a)和圖6(b)可以看出，綠光波段反射率谷值和近紅外反射率峰值出現在6月-8月份平均氣溫和降水峰值出現時。從2012年-2020年，距離地表水越近的地區，綠光波段反射率相對越高，植被長勢越好。從2012年-2020年，地表水附近500m區域的植被與地表的近紅外反射率最低，含水量最高，但其他區域每年的含水量情況不定，降水量在生長季前期較多的年份，近紅外反射率隨距離地表水的距離越遠而越高，原因是距離地表水的距離越遠，地表與植被含水量越低。在一些年份(2012年-2013年、2015年-2016年、2019年-2020年、2021年)的11月-2月綠光波段反射率和近紅外反射率會出現極大值，原因是這些年份，生長季降水較好，氣溫降低，濕地結冰使得綠光波段反射率和近紅外反射率升高。

圖6(a) 2012年-2020年綠光波段反射率與氣溫降水的時序變化

圖6(b) 2012年-2020年近紅外波段反射率與氣溫降水的時序變化

3 結論

從前述分析可知，赤峰市由南部至中部再至北部，地表水面積呈現適中—較小—較大的態勢。克什克騰旗的地表水面積最大，巴林右旗水體面積次大，紅山區的水體面積最小。從5月生長季初期開始，距離地表水越近的緩沖區，植被長勢越好；6月-8月生長季中期地表水500m緩沖區范圍的地表與植被含水量高于其他緩沖區；在>500m的緩沖區區域，僅在降水量在生長季前期較多的年份，植被長勢隨距離地表水的距離越近而越好，呈現規律性變化，降水量在生長季較少的年份植被長勢不呈現前述規律。