基于多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)的黃土丘陵區(qū)植被覆蓋度時(shí)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(zhǎng)期的恢復(fù)和砍伐導(dǎo)致植被破壞、土壤侵蝕嚴(yán)重，水土流失極其嚴(yán)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(píng)價(jià)、土壤流失預(yù)報(bào)模型、水土流失監(jiān)測(cè)和分布式水文模型中是重要的輸入?yún)?shù),是評(píng)估土地退化、鹽漬化和沙漠化的有效指數(shù)。流域具有相對(duì)獨(dú)立和完整的地貌特征,是黃土高原長(zhǎng)期以來(lái)植被恢復(fù)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(shí)空變化特征及其與地貌因子關(guān)系,有利于對(duì)這一區(qū)域植被恢復(fù)的效果進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)以及分析整治。利用遙感信息(波段或植被指數(shù))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(cè)區(qū)域植被覆蓋度變化情況提供了可能。同時(shí),地理信息系統(tǒng)技術(shù)也為分區(qū)過(guò)程中有效地辨別區(qū)內(nèi)相似性和區(qū)間差異性提供了技術(shù)支持。植被的形成與變化與所處的地理環(huán)境及人類(lèi)干擾密切相關(guān),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(dǎo)因子,通過(guò)地貌差異來(lái)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(guān)系的重要途徑,目前還沒(méi)有針對(duì)黃土高原植被覆蓋度的時(shí)空變化與地貌因子關(guān)系的研究,特別是從1999年起,該地區(qū)實(shí)施了大規(guī)模退耕還林(草)工程,流域內(nèi)工程效果如何也是亟待說(shuō)明的問(wèn)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(lián)系,有必要加強(qiáng)黃土高原流域植被覆蓋度的時(shí)空分異特征的研究,以充分認(rèn)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(hù)提供決策支持。1研究領(lǐng)域的總結(jié)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(jīng)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(zhǎng)41.50km,屬黃河二級(jí)支流;整體地勢(shì)西高東低,海拔高度在767～1304m;具有大陸性季風(fēng)氣候特點(diǎn),降水集中,暴雨多,歷時(shí)短,強(qiáng)度大;植被稀疏,水土流失極其嚴(yán)重,長(zhǎng)期形成了以破碎的塬、梁、峁等構(gòu)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(diǎn)縣的重點(diǎn)流域。1.2遙感數(shù)據(jù)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(shí)間均為夏秋之交(9～10月),晴空無(wú)云,質(zhì)量良好,對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行了輻射定標(biāo)、幾何糾正、數(shù)據(jù)鑲嵌以及投影變化,精度在0.5個(gè)像元內(nèi)。流域DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站,像元尺度也是30m×30m。1.3遙感影像的獲取在ArcGIS9.3平臺(tái)下,利用研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)完成文安驛流域矢量邊界的生成,然后進(jìn)行統(tǒng)一的坐標(biāo)和和投影轉(zhuǎn)換后,將該流域矢量邊界轉(zhuǎn)化成流域的掩膜文件Mask,利用掩膜運(yùn)算實(shí)現(xiàn)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(xiě)程序模塊,提取研究區(qū)取歸一化植被指數(shù)NDVI,其計(jì)算式為近紅外波段(IR)與可見(jiàn)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(jì)算采用改進(jìn)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(shù)據(jù)對(duì)宏觀區(qū)域植被覆蓋度的估算,在ERDAS軟件支持下,通過(guò)Modeler模塊實(shí)現(xiàn)植被覆蓋度定量轉(zhuǎn)換,從而得到流域三幅不同時(shí)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(chǔ),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?qū)ｎ}圖。將流域三期植被覆蓋圖和各種地貌專(zhuān)題圖進(jìn)行疊加統(tǒng)計(jì)或柵格計(jì)算,得到文安驛流域植被覆蓋度的時(shí)空分異與地貌因子關(guān)系。2.1植被覆蓋度變化根據(jù)水利部頒布的《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL190-96),將不同強(qiáng)度水土流失等級(jí)對(duì)應(yīng)于不同等級(jí)的植被覆蓋度,結(jié)合當(dāng)?shù)刂脖活?lèi)型特征,將研究區(qū)植被覆蓋度使用五級(jí)分級(jí)法表示(見(jiàn)表1)。利用ERDAS軟件專(zhuān)家分類(lèi)器生成輸出分類(lèi),按五級(jí)表示法做出研究區(qū)分級(jí)顯示圖像,并統(tǒng)計(jì)了流域總體以及各分級(jí)區(qū)間的平均植被覆蓋度。平均植被覆蓋度的計(jì)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(gè)統(tǒng)計(jì)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(jì)算某研究區(qū)的平均植被覆蓋度,即將研究區(qū)內(nèi)各像元的植被覆蓋度的數(shù)值累加,用所得到的和除以研究區(qū)內(nèi)總像元數(shù),得到研究區(qū)平均植被覆蓋度,也就是研究區(qū)內(nèi)各像元植被覆蓋度值的算術(shù)平均數(shù),計(jì)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(gè)數(shù),ai為第i個(gè)像元的植被覆蓋度值。根據(jù)表1結(jié)果,計(jì)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(shuō)明近十年來(lái)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(xiě)計(jì)算程序,得到2002年、2007年相對(duì)于1999年植被覆蓋度變化圖,再根據(jù)表2所列植被覆蓋度變化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),統(tǒng)計(jì)分析了各變化分級(jí)的面積。表2結(jié)果顯示,相對(duì)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(fù)為主,穩(wěn)定和輕微恢復(fù)的面積之和為215.37km2,占研究區(qū)總面積的71.8%;嚴(yán)重退化和退化面積之和為17.34km2,占總面積5.78%;恢復(fù)和完全恢復(fù)面積之和為38.88km2,占總面積12.96%。相對(duì)于1999年,2007年流域植被覆蓋度變化以恢復(fù)趨勢(shì)為主,輕微恢復(fù)及以上的面積合計(jì)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(jì)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(shí)施退耕還林工程以來(lái),延川縣在文安驛流域內(nèi)的一些未進(jìn)行人工種植林草的小流域(高家溝、老莊河等小流域)內(nèi)開(kāi)展以封育為主的生態(tài)修復(fù),植被通過(guò)自然演替得以更新和恢復(fù),速度緩慢,長(zhǎng)期累計(jì)下才能顯現(xiàn)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(shè)才確立采取以小流域?yàn)閱卧闹卫硭悸?依托村莊,山水田林路草和溝坡梁峁?jié)緸┻M(jìn)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(jī)結(jié)合,流域內(nèi)植樹(shù)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(zhì)量不斷提高,地表植被和生態(tài)環(huán)境狀況明顯改善。經(jīng)調(diào)查,1999—2002年,延川縣累計(jì)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(jì)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(diǎn)利用DEM將文安驛流域海拔高程進(jìn)行分級(jí)(分五級(jí)),并計(jì)算相應(yīng)高程等級(jí)內(nèi)的植被平均覆蓋度的年際變化直方圖(見(jiàn)圖1)。從圖1可以看出:各個(gè)年份內(nèi),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(jí)內(nèi),植被覆蓋度呈逐年提高趨勢(shì)。不同海拔區(qū)間內(nèi)植被覆蓋分布差異的主要是由于當(dāng)?shù)夭煌０螀^(qū)間內(nèi)的地形差異造成的。該流域整體地形破碎,土質(zhì)疏松,梁峁起伏,在下游的低海拔區(qū)域,地勢(shì)相對(duì)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(shì)略陡,水熱條件也相對(duì)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(zhǎng)。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(nóng)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(dǎo)致富含有機(jī)質(zhì)的表土流失,使土壤的肥力下降,從而影響植被的生長(zhǎng)與恢復(fù)。因此,山地坡度很可能是影響研究區(qū)植被恢復(fù)的一個(gè)重要因子,特別是在植被演替的初期。利用研究區(qū)DEM計(jì)算流域坡度,本研究將文安驛流域地表坡度進(jìn)行分級(jí)(分為十級(jí),見(jiàn)下圖),并計(jì)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(nèi),2007年相對(duì)于2002年的植被覆蓋度的絕對(duì)增量大幅增加,說(shuō)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(jìn)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(duì)水、熱因子的分配產(chǎn)生影響有關(guān):首先,在大尺度上雖然一個(gè)區(qū)域內(nèi)溫度差異并不大,但在小生境條件下卻會(huì)引起相對(duì)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(shí)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(fù)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(duì)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(guān)系也十分有意義。我國(guó)通常將北坡作為標(biāo)準(zhǔn)陰坡,它與西北坡、東北坡統(tǒng)稱(chēng)為陰坡(即0～67.5°,292.5°～360°,以正北方為0),將南坡作為標(biāo)準(zhǔn)陽(yáng)坡,它與西南坡、東南坡統(tǒng)稱(chēng)為陽(yáng)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(gè)等級(jí):0～22.5°和337.5°～360°為北坡(標(biāo)準(zhǔn)陰坡)、157.5°～202.5°為南坡(標(biāo)準(zhǔn)陽(yáng)坡)、292.5°～337.5°為西坡、67.5°～112.5°為東坡,361°的區(qū)域?yàn)槠降亍Ｆ孪蚨x為:過(guò)格網(wǎng)單元所擬合的曲面上某點(diǎn)的切平面的法線(xiàn)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(jì)算生成流域的坡向圖,同時(shí)計(jì)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(shí)間尺度上,流域各坡向范圍內(nèi)植被覆蓋度呈不斷增大的趨勢(shì);②南坡(陽(yáng)坡)植被覆蓋度相對(duì)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(gè)坡向的植被覆蓋度大小呈現(xiàn)一致性規(guī)律,即:北>西北>東北>東>西南>東南>西>南>平地?？梢钥闯?該流域的植被覆蓋度的大小與坡向有很強(qiáng)的相關(guān)性?？傮w上,陰坡的植被覆蓋度大于陽(yáng)坡。分析原因,首先,陰坡陽(yáng)坡所接收的太陽(yáng)輻射量的不同,導(dǎo)致了不同坡向的溫度差異。在黃土丘陵溝壑區(qū),相對(duì)于平地,太陽(yáng)光線(xiàn)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(yáng)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(qiáng)度低、時(shí)間短,因而獲得的太陽(yáng)輻射總量低于南坡;其次,人類(lèi)活動(dòng)的影響。人類(lèi)首先是在陽(yáng)坡進(jìn)行耕墾坡地,隨著人口的不斷增加,陰坡才隨之被開(kāi)墾。因此,南坡相對(duì)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(yīng)用GIS和RS技術(shù),利用模型計(jì)算分析了黃土高原文安驛流域退耕還林(草)工程實(shí)施前后流域植被覆蓋度時(shí)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(lái)植被覆蓋度變化及其與地貌因子之間的關(guān)系,得到如下結(jié)論:1)近十年來(lái)文安驛流域植被覆蓋度總體呈上升趨勢(shì),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