龍口市污水灌區(qū)與清水灌區(qū)冬小麥植被指數(shù)變化差異分析

姚 磊，吳泉源，許 穎，李海波，常方云

(山東師范大學(xué)人口·資源與環(huán)境學(xué)院，濟(jì)南250014)

0 引言

污水灌溉不僅可以緩解農(nóng)業(yè)用水的緊張局面，也可充分利用污水中所含的作物營(yíng)養(yǎng)元素，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，此外，還可以提高水資源的重復(fù)利用率，并可作為污水處理回用的一種有效手段［1］。但是，隨著污水灌溉面積的不斷擴(kuò)大與污水灌溉年限的延長(zhǎng)及水質(zhì)污染日趨嚴(yán)重，污水灌溉對(duì)農(nóng)田土壤環(huán)境和作物生長(zhǎng)的不利影響越來(lái)越受到人們的普遍關(guān)注。本研究以山東省龍口市作為研究區(qū)進(jìn)行污水灌區(qū)冬小麥生長(zhǎng)狀況監(jiān)測(cè)。龍口市地處膠東半島的西北部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)120°13′20″～120°44′45″，北緯 37°27′45″～ 37°47′30″。全市地勢(shì)南高北低，呈臺(tái)階式下降，東部和南部為低山丘陵地帶，西部和北部為濱海平原。受成土母質(zhì)、地形、地貌、氣候和水文條件的影響，形成了全市棕壤、褐土、潮土和姜黑土四大土壤類型。土層深厚，理化性質(zhì)較好，土壤肥力較高，排灌條件較好。

1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

選用10期中國(guó)環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)小衛(wèi)星(HJ－1A)CCD1影像數(shù)據(jù)，成像時(shí)間分別為2008年10月14日、10月20日、12月13日;2009年1月25日、3月6日、3月22日、4月18日、5月4日、5月23日、6月25日。所有圖像均出自同一傳感器，數(shù)據(jù)覆蓋了冬小麥的主要物候生長(zhǎng)期，滿足實(shí)驗(yàn)需要。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了必要的預(yù)處理，因?yàn)橛跋裰g沒(méi)有達(dá)到空間一致對(duì)應(yīng)，所以，首先對(duì)其進(jìn)行空間配準(zhǔn)，以1∶1萬(wàn)地形圖為參考，利用n次多項(xiàng)式，選擇30個(gè)控制點(diǎn)對(duì)圖像進(jìn)行幾何校正，誤差精度控制在1個(gè)像元之內(nèi);然后利用龍口市行政區(qū)劃圖對(duì)所有校正影像進(jìn)行裁剪，以獲得研究區(qū)范圍內(nèi)的影像數(shù)據(jù)。

2 冬小麥種植區(qū)獲取

2.1 NDVI指數(shù)獲取

歸一化植被指數(shù)(NDVI)又稱標(biāo)準(zhǔn)化植被指數(shù)，在使用遙感圖像進(jìn)行植被研究以及植物物候研究中得到廣泛應(yīng)用，它是植物生長(zhǎng)狀態(tài)以及植被空間分布密度的最佳指示因子，與植被分布密度呈線性相關(guān)。NDVI是近紅外與紅色通道反射率比值的一種變換形式，可用下式表示，即

式中:N表示所求的歸一化植被指數(shù);R1代表近紅外光線反射率;R2代表紅光反射率。N能反映出植物冠層的背景影響，如土壤、潮濕地面、葉面粗糙度等，且與植被覆蓋有關(guān)，－1≤N≤1，作為地面覆蓋的云、水、雪等對(duì)可見光具有高反射率，其N值表現(xiàn)為負(fù)值;巖石或裸土等對(duì)近紅外和紅光反射率近似相等，一般為0值;正值，表示有植被覆蓋，且隨覆蓋度增大而增大。

2.2 NDVI閾值分割法提取冬小麥種植區(qū)

N是植被生長(zhǎng)狀況的綜合反映指標(biāo)，植物葉綠素發(fā)生光合作用而吸收紅光，所以，長(zhǎng)勢(shì)越好的植物吸收紅光越多，反射近紅外光也越多。因此，N能反映植物生物量的多少，N越大，植物長(zhǎng)勢(shì)越好。

冬小麥有其獨(dú)特的物候特征，從10月初至12月中旬期間，冬小麥經(jīng)歷播種和出苗階段，在遙感影像上分別呈現(xiàn)裸地和植被的光譜信息［2－3］。并且冬小麥的年后生長(zhǎng)規(guī)律也不同于其他作物，其生物量從3月初開始增加，5月初達(dá)到最大，6月中下旬收割。即使冬小麥與秋玉米套種，冬小麥田的生物量在6月中下旬也將維持在一個(gè)較低的水平［4］。一定時(shí)期內(nèi)N的增加或減少反映了作物的生長(zhǎng)周期，因此，可通過(guò)監(jiān)測(cè)作物的萌動(dòng)期來(lái)區(qū)分物候期差異較大的作物［5－6］。

將影像劃分為年前組(2008年影像)和年后組(2009年影像)同步進(jìn)行閾值分割，我們確定利用N閾值分割法提取冬小麥種植區(qū)的規(guī)則為:(R1∩R2∩R3)∩(R4∩R5∩R6)。式中:(R1∩R2∩R3)代表年前組提取的冬小麥植被信息;R1代表10月中旬的裸土信息;R2代表10月末的裸土信息;R3代表12月中旬的植被信息;三者交集得到由10月初至11月上旬裸土演變成12月中旬植被信息(符合冬小麥演變規(guī)律)的地塊A。(R4∩R5∩R6)代表年后組提取的冬小麥植被信息，年后組提取冬小麥種植區(qū)域規(guī)則為:R4表示3月下旬長(zhǎng)勢(shì) ＜4月中旬長(zhǎng)勢(shì);R5表示4月中旬長(zhǎng)勢(shì) ＜5月上旬長(zhǎng)勢(shì);R6表示5月下旬長(zhǎng)勢(shì) ＞6月下旬長(zhǎng)勢(shì);3個(gè)閾值區(qū)的交集得到冬小麥種植區(qū)地塊B。最后由地塊A和地塊B的交集最終獲取研究區(qū)的冬小麥種植范圍。由N閾值分割法提取龍口市冬小麥種植區(qū)的流程如圖1，提取到的龍口市冬小麥種植范圍如圖2。

3 樣區(qū)冬小麥長(zhǎng)勢(shì)分析

3.1 污水灌區(qū)、清水灌區(qū)樣區(qū)的提取

根據(jù)龍口地區(qū)的實(shí)際情況，結(jié)合已提取的冬小麥種植范圍，將冬小麥污水灌區(qū)劃分為兩類:生活污水灌區(qū)和工業(yè)污水灌區(qū)。生活污水灌區(qū)主要分布在城市周圍，灌溉用水主要受到城市生活廢水的影響;工業(yè)污水灌區(qū)主要分布在工礦企業(yè)周圍，受到工業(yè)廢水的影響;清水灌區(qū)一般分布在人口相對(duì)稀疏和工礦企業(yè)不發(fā)達(dá)的鄉(xiāng)村周邊地區(qū)，主要灌溉用水來(lái)自地下水，受到的污染較少。選擇樣區(qū)如圖3所示。

圖3 冬小麥各類灌溉樣區(qū)示意圖Fig.3 Schematic diagram of various types of irrigated area of winter wheat

3.2 建立冬小麥生長(zhǎng)期NDVI趨勢(shì)圖

根據(jù)冬小麥的物候期，從影像中挑選了2008年12月—2009年6月的8幅影像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，8幅影像能夠基本涵蓋冬小麥生長(zhǎng)的各個(gè)重要物候期，對(duì)各類灌溉樣區(qū)8個(gè)時(shí)段的NDVI(均值)進(jìn)行提取匯總，得到如表1所示的結(jié)果。

本研究首先提取了單一植被即冬小麥的種植區(qū)，并且種植區(qū)內(nèi)地勢(shì)起伏不大，地形均屬平原，小麥種植時(shí)間相差不大，因此，可以排除地勢(shì)差異以及植被不同生長(zhǎng)期和不同類型的影響［7］，獲取的NDVI可以基本反映冬小麥的長(zhǎng)勢(shì)情況。由表1可以看出，清水灌區(qū)冬小麥在各時(shí)期的NDVI均值均大于污水灌區(qū);工業(yè)廢水灌區(qū)由于廢水中含有一定的重金屬元素和有害物質(zhì)，其NDVI均值反映的長(zhǎng)勢(shì)最差;生活污水灌區(qū)灌溉用水主要受城市生活污水影響，污染程度不及工業(yè)廢水污染，故長(zhǎng)勢(shì)較工業(yè)廢水灌區(qū)要好一些。

表1 不同灌溉樣區(qū)的冬小麥生長(zhǎng)期NDVI均值統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical of NDVI mean values of winter wheat growth period in different irrigation areas

4 RDVI，LAI對(duì)比分析

4.1 RDVI指數(shù)對(duì)比

一般而言，比值植被指數(shù)(包括RVI，NDVI)增強(qiáng)了土壤與植物的反射對(duì)比，同時(shí)最小化了照度狀況的影響，但它們對(duì)土壤亮度敏感，尤其在低植被覆蓋的情況下。另外，NDVI在植被高覆蓋區(qū)容易飽和，原因之一是紅光通道容易飽和，之二是NDVI算式本身固有的容易飽和的缺陷;垂直植被指數(shù)和差值植被指數(shù)(PVI和DVI)與比值植被指數(shù)不同，它們只在低LAI(葉面積指數(shù))值時(shí)表現(xiàn)較好(如在相對(duì)稀疏的植被)，但它們會(huì)隨著LAI的增加變得對(duì)土壤背景敏感［8］。重歸一化植被指數(shù)(RDVI)介于DVI與NDVI之間，其表達(dá)式為

式中:R表示重歸一化植被指數(shù);R1表示近紅外反射率;R2表示紅光反射率。R取DVI和NDVI兩者之長(zhǎng)，可用于高低不同植被覆蓋的情況下［9］。由此對(duì)3類灌溉樣區(qū)在各時(shí)期的RDVI均值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(表2)。

表2 不同灌區(qū)的冬小麥生長(zhǎng)期RDVI均值統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical of RDVI mean values of winter wheat growth period in different irrigation areas

4.2 LAI對(duì)比

葉面積指數(shù)(LAI)是陸面過(guò)程中的一個(gè)十分重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)［10］，是表征植被冠層結(jié)構(gòu)最基本的參量之一，它控制著植被的許多生物、物理過(guò)程，如光合、呼吸、蒸騰、碳循環(huán)和降水截獲等。LAI既可以定義為單位地面面積上所有葉子表面積的總和，也可以定義為單位地面面積上總?cè)~面積的一半［11］。反演葉面積的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?2－14］為

式中:L代表葉面積指數(shù);K為消光系數(shù);fv為植被覆蓋度，fv=(N－Nmin)/(Nmax－Nmin);N表示歸一化植被指數(shù);Nmin表示最小歸一化植被指數(shù);Nmax表示最大歸一化植被指數(shù)。

針對(duì)研究區(qū)域各個(gè)時(shí)段的冬小麥長(zhǎng)勢(shì)情況，選取3，4和5月這3個(gè)冬小麥生長(zhǎng)的關(guān)鍵月份的4幅影像作為數(shù)據(jù)源來(lái)反演葉面積指數(shù)，并設(shè)定消光系數(shù)K3=0.46，K4=0.60，K5=0.66［15－16］。反演得到3，4，5 三個(gè)月份的LAI均值如表3所示。

表3 不同灌區(qū)2009年冬小麥生長(zhǎng)期LAI均值統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Statistical of LAI mean values of winter wheat growth period in different irrigation areas in 2009

4.3 對(duì)比分析結(jié)果

對(duì)比得到的冬小麥生長(zhǎng)期的RDVI和LAI，都反映出在農(nóng)田縱深處的清水灌區(qū)種植的小麥長(zhǎng)勢(shì)最為旺盛，而在生活污水灌區(qū)和工業(yè)廢水灌區(qū)所種植的小麥長(zhǎng)勢(shì)逐漸下降，可以證明基于NDVI對(duì)龍口地區(qū)在不同灌溉條件下的冬小麥生長(zhǎng)狀況的模擬基本合理。

5 結(jié)論

(1)利用閾值法提取冬小麥單一植被，排除了混合植被的影響，并通過(guò)反演冬小麥關(guān)鍵物候期的植被指數(shù)(NDVI，RDVI)和葉面積指數(shù)來(lái)對(duì)比分析3類灌區(qū)的冬小麥長(zhǎng)勢(shì)，結(jié)果一致可信，達(dá)到了很好的檢測(cè)目的。

(2)3種植被指數(shù)對(duì)比顯示污水灌區(qū)作物的生長(zhǎng)狀況明顯不及清水灌區(qū)作物長(zhǎng)勢(shì)，說(shuō)明在龍口市經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展的同時(shí)，對(duì)工業(yè)和生活污水的排放處理監(jiān)管體系不夠成熟，污水灌溉已經(jīng)對(duì)灌區(qū)的作物生長(zhǎng)產(chǎn)生了一定的影響，污水灌溉最終會(huì)導(dǎo)致冬小麥的長(zhǎng)勢(shì)變差。對(duì)污水排放的控制和污水無(wú)污化處理勢(shì)在必行。

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