基于像元二分法的鹽池縣植被覆蓋度與地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)時(shí)空格局分析

張曉東， 劉湘南， 趙志鵬， 趙銀鑫， 馬玉學(xué)， 劉海燕

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)信息工程學(xué)院，北京 100083; 2.寧夏回族自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院,銀川 750021)

0 引言

引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的因素主要有地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、巖土類型、植被、水文、氣象以及人類活動等因素[1]。植被作為生態(tài)環(huán)境最重要的組成部分之一，與一定的氣候、地貌和土壤條件相適應(yīng)，對地表環(huán)境的依賴性大，在地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育過程中起著十分重要的作用，植被覆蓋程度及其變化不僅是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境變化的重要指標(biāo)，也是影響區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率與規(guī)模的重要因子之一，常被選作地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性和危險(xiǎn)性評估的重要指標(biāo)[2-4]。目前關(guān)于植被覆蓋度與地質(zhì)災(zāi)害之間關(guān)系的研究相對較少，多數(shù)研究[5-7]認(rèn)為植被覆蓋度越低，越容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害； 但張國平等[8]認(rèn)為地質(zhì)災(zāi)害更多發(fā)生在高植被覆蓋度區(qū)域。因此，目前對于植被覆蓋度與地質(zhì)災(zāi)害時(shí)空格局關(guān)系尚未達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)識[9]。

寧夏回族自治區(qū)鹽池縣地處農(nóng)牧交錯區(qū)，自然環(huán)境敏感性強(qiáng)，生態(tài)地質(zhì)環(huán)境極為脆弱，是全區(qū)地質(zhì)災(zāi)害較為發(fā)育的地區(qū)之一，滑坡、崩塌及泥石流等災(zāi)害隱患分布廣泛。近年來，鹽池縣植被恢復(fù)明顯，區(qū)域植被類型和結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化，但在以往的地質(zhì)災(zāi)害工作中，對植被覆蓋度與地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)時(shí)空格局關(guān)系的研究很少涉及。因此，深入了解研究區(qū)植被覆蓋度與地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的關(guān)系，對該區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害防治有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文利用Landsat TM/OLI遙感數(shù)據(jù)，基于像元二分模型對鹽池縣4個時(shí)期的植被覆蓋度變化進(jìn)行分析； 同時(shí)，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害體(滑坡、崩塌、泥石流及地面塌陷)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步探討植被覆蓋度與地質(zhì)災(zāi)害體的關(guān)系，以期為鹽池縣地質(zhì)災(zāi)害防治提供理論方法和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

鹽池縣位于寧夏回族自治區(qū)東部，毛烏素沙漠南緣，與內(nèi)蒙古自治區(qū)、陜西省和甘肅省接壤，總面積約6 757.6 km2。地形總體呈南部高、北部低，中部高、東西兩側(cè)低的特點(diǎn)，北部為鄂爾多斯緩坡丘陵，地勢平緩起伏，南部為黃土丘陵區(qū)，溝壑縱橫, 地質(zhì)環(huán)境條件十分脆弱，水土流失嚴(yán)重。氣候?qū)俚湫椭袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，常年干旱少雨，風(fēng)大沙多，年平均氣溫為8.4 ℃，年均無霜期為160 d； 多年平均降水量為250～350 mm，從南向北、從東南向西北遞減，年平均蒸發(fā)量為2 403.7 mm。土壤主要有灰鈣土、黑壚土和風(fēng)沙土。植被在區(qū)系上屬亞歐草原區(qū)亞洲中部亞區(qū)，主要植被類型有干草原、荒漠草原、沙生和隱域性植被4種。地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)，以車道—阿色浪斷裂為界，西側(cè)為鄂爾多斯西緣地層分區(qū)桌子山—青龍山地層小區(qū)，東側(cè)為鄂爾多斯地層分區(qū)鹽池—環(huán)縣地層小區(qū)； 境內(nèi)出露最老地層為中元古界王全口組，奧陶系、二疊系、三疊系和侏羅系僅零星出露，白堊系主要分布在縣城東部蘇步井—紅溝梁—佟記圈—青山一帶，第四系地層分布廣泛。

1.2 數(shù)據(jù)源及其預(yù)處理

研究選用的遙感數(shù)據(jù)為美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站提供的1989年8月24日、1999年8月12日、2006年9月8日Landsat5 TM影像、2014年7月28日獲取的Landsat8 OLI影像以及1999年8月11日的SPOT_VGT數(shù)據(jù)。地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)源于寧夏回族自治區(qū)國土資源廳支撐項(xiàng)目“寧夏鹽池縣地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查”對滑坡、崩塌、泥石流以及地面塌陷4類地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，共計(jì)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)231個。其他非遙感信息源主要包括1∶5萬地形圖、行政區(qū)劃圖及水系圖等。首先，在ENVI5.0中對4期遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)，將像元灰度值轉(zhuǎn)換為輻射亮度值； 然后，基于FLAASH大氣校正模型對4期影像的可見光—近紅外波段進(jìn)行大氣校正，形成反射率圖像； 最后，利用1∶5萬地形圖為參考，采用二次多項(xiàng)式和最近鄰法對影像進(jìn)行配準(zhǔn)，均方根誤差控制在0.5個像元內(nèi)，同時(shí)利用鹽池縣行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)提取研究區(qū)多波段遙感圖像。研究所用數(shù)據(jù)均采用中央經(jīng)線為105°E的高斯克呂格投影。

2 研究方法

2.1 像元二分模型

像元二分模型[10]是基于線性混合像元分解模型的一種計(jì)算植被覆蓋度的常用方法。 Gutman和Ignatov[11]發(fā)現(xiàn)了植被覆蓋度與歸一化差值植被指數(shù)(normalized difference vegetation index,NDVI)之間的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，并構(gòu)建了從NDVI中提取植被覆蓋度fc的混合像元模型，即

fc=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil) ，

(1)

式中：NDVIveg和NDVIsoil分別為完全被植被覆蓋的NDVI和完全被裸土覆蓋的NDVI。NDVIsoil在理論上應(yīng)該接近0且不隨時(shí)間變化,但是受大氣狀況、地表粗糙度、地表水分狀況以及太陽輻射等多種因素的影響,NDVIsoil隨空間和時(shí)間而變化, 其變化范圍一般在-0.1～0.2，因此應(yīng)該根據(jù)不同研究區(qū)的具體情況來確定NDVIsoil的值[12]； 而NDVIveg則與植被類型、分布特征以及季節(jié)變化密切相關(guān)，因此Gillies等[13]提出了式(2)計(jì)算植被覆蓋度，即

fc=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin) 。

(2)

式中NDVImax和NDVImin分別為NDVI的最大值和最小值。

本研究分別對4期NDVI影像數(shù)據(jù)進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)分析，確定NDVImax和NDVImin在累積概率95%和5%處，將其分別設(shè)置為NDVIveg和NDVIsoil的值，其中最大值為純植被覆蓋區(qū)值，最小值為純裸土覆蓋區(qū)值(表1)。將1999年8月11日的SPOT_VGT數(shù)據(jù)重采樣為30 m，并計(jì)算其植被覆蓋度。隨即生成19個點(diǎn)，分別提取1999年TM和SPOT_VGT的植被覆蓋度并進(jìn)行線性擬合，擬合方程為y=0.867 6x+0.015 5，R2=0.740 1，表明利用像元二分模型獲得的植被覆蓋度具有較高的可信度，精度能夠滿足本研究的要求。

表1 研究區(qū)不同時(shí)期遙感影像NDVIveg和NDVIsoilTab.1 NDVIveg and NDVIsoil of remote sensingimages in different periods

2.2 植被覆蓋度等級劃分

參照水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)SL190—2007》和國家林業(yè)局頒布的《第四次全國荒漠化和沙化監(jiān)測技術(shù)規(guī)定》，結(jié)合鹽池縣植被覆蓋的實(shí)際情況，將研究區(qū)植被覆蓋度等級劃分為5級： Ⅰ級(0≤fc<10%)為無植被覆蓋區(qū)(裸地)； Ⅱ級(10%≤fc<20%)為極低植被覆蓋度； Ⅲ級(20%≤fc<30%)為低植被覆蓋度； Ⅳ級(30%≤fc<40%)為中植被覆蓋度； Ⅴ級(fc≥40%)為高植被覆蓋度。

2.3 植被覆蓋度動態(tài)變化等級劃分

采用差值法對4期遙感影像進(jìn)行差值運(yùn)算，量化各個時(shí)期植被覆蓋度的變化，記Δfc為植被覆蓋變化值，則

Δfc=fcf-fcl，

(3)

式中：fcf為前一時(shí)期植被覆蓋度；fcl為后一時(shí)期植被覆蓋度。Δfc可分為以下6個等級[14]： 1為嚴(yán)重退化[-1，-0.15]，2為中度退化(-0.15，-0.05]，3為輕微退化(-0.05，0]，4為輕微改善(0，0.05]，5為中度改善(0.05，0.15]，6為極度改善(0.15，1]。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被變化分析

3.1.1 植被覆蓋度時(shí)空格局變化

基于像元二分模型計(jì)算鹽池縣4個時(shí)期的植被覆蓋度并進(jìn)行等級劃分，對各等級面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表2)。結(jié)果表明，研究區(qū)植被覆蓋度整體表現(xiàn)出東部相對較高、西部較低的特點(diǎn)，覆蓋等級較高的植被主要分布在研究區(qū)東南的麻黃山地區(qū)以及東北部的鹽池縣城周邊。25 a間整體植被覆蓋度呈現(xiàn)增加趨勢，東南部和西北部植被增加明顯，中西部地區(qū)植被出現(xiàn)退化現(xiàn)象，但不同時(shí)期的植被覆蓋度有上升也有下降。1989—1999年間植被覆蓋度增加，主要集中在研究區(qū)中西部，而南部的麻黃山地區(qū)出現(xiàn)了一定程度的下降； Ⅰ級、Ⅱ級植被面積減少，Ⅲ級和Ⅳ級植被面積明顯增加。1999—2006年間植被退化，植被覆蓋度下降，主要分布在鹽池縣的西部以及南部； Ⅰ級、Ⅱ級植被面積明顯增加，Ⅲ級、Ⅳ級和V級植被面積減少。2006—2014年間植被覆蓋度增加，植被恢復(fù)明顯，主要分布在研究區(qū)東北、西南以及東南部地區(qū)； Ⅰ級、Ⅱ級植被面積減少，Ⅲ級、Ⅳ級和V級植被面積明顯增加，植被再次處于恢復(fù)狀態(tài)?？傮w來看，25 a來研究區(qū)植被覆蓋度整體偏低且呈先增加、后減小、再增加的特征，植被表現(xiàn)為恢復(fù)—退化—恢復(fù)的過程。

表2 1989—2014年鹽池縣植被覆蓋面積及其變化率Tab.2 Vegetation coverage area and rate of change in Yanchi County from 1989 to 2014

3.1.2 植被覆蓋度動態(tài)變化特征分析

利用植被覆蓋度差值法(式3)量化分析鹽池縣1989—2014年間的4期數(shù)據(jù)，揭示研究區(qū)25 a間植被覆蓋度動態(tài)變化特征(圖1)。

(a) 1989—1999年(b) 1999—2006年(c) 2006—2014年(d) 1989—2014年

圖1鹽池縣不同時(shí)期植被覆蓋度變化

Fig.1VegetationcoveragevariationofYanchiCountyindifferentperiods

結(jié)果表明： 1989—1999年間鹽池縣植被整體處于改善恢復(fù)狀態(tài)，其中植被改善比例約57.22%，植被退化比例約42.78%，中度和極度改善面積約為2 590.98 km2，占植被改善面積的67%。從空間格局看，改善區(qū)域主要分布在鹽池縣中西部的惠安堡鎮(zhèn)、馮記溝鄉(xiāng)、王樂井鄉(xiāng)及高沙窩鄉(xiāng)，退化區(qū)域主要集中在南部的麻黃山地區(qū)。1999—2006年間鹽池縣植被明顯退化，退化面積達(dá)4 997.56 km2，主要分布在鹽池縣西部以及南部； 植被改善面積相對較小，主要分布在研究區(qū)中東部鹽池縣周邊，且以輕度和中度為主。2006—2014年間植被明顯改善，改善面積為4 891.43 km2，其中中度改善和極度改善比例分別為34.21%和16.26 %，主要分布在研究區(qū)東北、西南以及東南部地區(qū)； 而退化面積較小，主要分布在研究區(qū)中部。1989—2014年間鹽池縣植被退化與改善并存，退化面積約3 276.78 km2，約占總面積的48.49%，以中度退化為主； 改善面積約3 480.84 km2，約占總面積的51.51 %且以中度改善為主，改善區(qū)域主要分布在大水坑鎮(zhèn)、青山鄉(xiāng)以及鹽池縣城周邊，而退化區(qū)域主要分布于西南部的惠安堡鎮(zhèn)和西北部的高沙窩鎮(zhèn)地區(qū)，在西南部的麻黃山以及中部地區(qū)也出現(xiàn)退化現(xiàn)象。

3.1.3 植被覆蓋度變化原因分析

鹽池縣植被變化的主要原因是植被恢復(fù)治理措施以及降水等多種因素。退耕還林還草、全縣禁牧、人工封育以及大規(guī)模的治沙造林等活動對于植被的恢復(fù)起到了很大的促進(jìn)作用，但在氣候的影響下植被覆蓋度波動明顯，在干旱年份尤為突出。1989—1999年間，年均降水量呈增加趨勢，年均氣溫穩(wěn)定，有利于植被的恢復(fù)，使植被覆蓋度高的區(qū)域面積增加、比例增大，植被覆蓋度低的區(qū)域面積減少、比例降低，植被呈恢復(fù)趨勢(圖2(a))。2000—2006年間，年均降水量和氣溫自2002年后均呈下降趨勢，且2006年年均降水量明顯偏低，年均氣溫較高，致使該年份植被覆蓋度出現(xiàn)明顯下降，植被退化，主要表現(xiàn)為植被覆蓋度高的區(qū)域面積減少、比例降低，而植被覆蓋度低的區(qū)域面積增加、比例增高，植被呈退化趨勢(圖2(b))。2007—2014年間，年均降水量增加，年均氣溫也呈上升趨勢，植被有一定程度恢復(fù)，表現(xiàn)為植被覆蓋度高的區(qū)域面積增加、比例增大，植被覆蓋度低的區(qū)域面積減少、比例降低，植被再次回歸到恢復(fù)階段(圖2(c))。此外，人類活動也是造成植被覆蓋度下降的重要原因之一，如位于惠安堡鎮(zhèn)和馮記溝鄉(xiāng)的馬家灘礦區(qū)、積家井礦區(qū)、萌城礦區(qū)以及四股泉礦區(qū)，由于大量煤層的開采，地面已形成大型采空區(qū)塌陷，地表植被覆蓋度較低。

(a) 1989—1999年 (b) 2000—2006年(c) 2007—2014年

圖21989—2014年鹽池縣降水和氣溫變化(鹽池站)

Fig.2PrecipitationandtemperaturevariationinYanchiCountyfrom1989to2014(YanchiStation)

3.2 植被與地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)關(guān)系分析

3.2.1 地質(zhì)災(zāi)害空間分布特征

研究區(qū)共有地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)231處(隱患點(diǎn)217處，災(zāi)害點(diǎn)14處)，其中滑坡125處，主要為小型黃土滑坡； 崩塌84處，包括黃土和基巖崩塌2類； 泥石流19處，均為溝谷型稀性泥石流； 地面塌陷3處。利用核密度計(jì)算方法生成鹽池縣地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度(圖3)。研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)空間分布有2大特征： ①多沿溝谷線方向呈線性排列，主要分布在黃土丘陵區(qū)的河谷沖蝕岸邊及其支流或支溝中下游兩側(cè)，如在麻黃山地區(qū)，災(zāi)害點(diǎn)主要沿苦水河溝、李家大灣溝、彭家溝、史家疙瘩溝、張南溝和曾家渠北溝等6條NW向溝谷分布； ②災(zāi)害點(diǎn)空間分布具有區(qū)域聚集特征，災(zāi)害點(diǎn)密度整體南高北低，且南部聚集，北部分散。具體來看，南部的麻黃山鄉(xiāng)、王家下灣和井溝地區(qū)災(zāi)害點(diǎn)密度大于0.1個/km2，為高密度區(qū)域，災(zāi)害點(diǎn)分布集中且聚集度強(qiáng)； 該地區(qū)人類活動強(qiáng)烈，劈山切坡修建公路、劈坡建房和開采煤炭資源等活動嚴(yán)重破壞了地表植被，對災(zāi)害點(diǎn)的發(fā)育起到很大促進(jìn)作用，是造成災(zāi)害點(diǎn)在該區(qū)域密集的原因之一。北部的三道灣、土溝等地災(zāi)害點(diǎn)分布相對分散，聚集度較低，災(zāi)害點(diǎn)密度低于0.1個/km2。

圖3 鹽池縣地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度

3.2.2 植被與地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)關(guān)系

對鹽池縣地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度與4個時(shí)期植被覆蓋度進(jìn)行空間疊加分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。 4個年份植被覆蓋度低的區(qū)域?yàn)?zāi)害點(diǎn)數(shù)量多、密度高，植被覆蓋度高的區(qū)域?yàn)?zāi)害點(diǎn)數(shù)量小、密度低。其中，無植被覆蓋區(qū)域?yàn)?zāi)害點(diǎn)密度在2006年和2014年出現(xiàn)了明顯增加，尤其在2006年，該區(qū)域?yàn)?zāi)害點(diǎn)密度達(dá)到了0.09 個/km2； 極低覆蓋度區(qū)域的災(zāi)害點(diǎn)密度最高，在4個年份均為0.11個/km2左右； 低覆蓋區(qū)域的災(zāi)害點(diǎn)密度相對穩(wěn)定，只在2006年出現(xiàn)了下降，其余年份均保持在0.06個/km2左右； 中、高覆蓋度區(qū)域的災(zāi)害點(diǎn)密度在4個年份中均較低，數(shù)值穩(wěn)定在0.02個/km2左右。由此可見，無覆蓋、極低覆蓋度和低覆蓋度區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度較高，而在中、高植被覆蓋度區(qū)域?yàn)?zāi)害點(diǎn)密度很低。綜上所述，4個年份中植被覆蓋度與地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度總體上呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即災(zāi)害點(diǎn)密度隨著植被覆蓋度的增加而降低，植被覆蓋度越高，災(zāi)害點(diǎn)密度越低； 相反，植被覆蓋度越低，災(zāi)害點(diǎn)密度越高。

圖4 鹽池縣植被覆蓋度與地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)疊加統(tǒng)計(jì)

將研究區(qū)1989—2014年間植被覆蓋度變化與1989年的植被覆蓋度以及地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度進(jìn)行疊加，統(tǒng)計(jì)得到1989年各個植被覆蓋度級別的詳細(xì)動態(tài)變化數(shù)據(jù)以及各個級別對應(yīng)的災(zāi)害點(diǎn)密度(表3)。結(jié)果表明：1989年無植被覆蓋區(qū)域植被改善明顯，災(zāi)害點(diǎn)密度整體偏高，其中輕度改善區(qū)域?yàn)?zāi)害點(diǎn)密度明顯高于其他區(qū)域； 極低覆蓋區(qū)域覆蓋度中度改善或極度改善面積約占該區(qū)域面積的36.13%，其中，中度改善區(qū)域?yàn)?zāi)害點(diǎn)密度較高； 低覆蓋區(qū)域中度改善或極度改善面積僅占低覆蓋度區(qū)域的18.89%，但災(zāi)害密度仍然在0.07個/km2左右； 中、高覆蓋區(qū)域改善面積偏小，占比較低，而退化面積較大，災(zāi)害點(diǎn)密度明顯偏低。

表3 鹽池縣1989—2014年覆蓋度變化和1989年覆蓋度疊加面積與地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度統(tǒng)計(jì)Tab.3 Density of geological hazard points and areas on the overlay of vegetation coverage variationfrom 1989 to 2014 and vegetation coverage in 1989 of Yanchi County

4 結(jié)論

1)研究區(qū)植被覆蓋度整體偏低，空間上表現(xiàn)為東部相對較高、西部較低的特點(diǎn)，4個時(shí)期呈先增加、后減小、再增加的特征，植被表現(xiàn)為恢復(fù)—退化—恢復(fù)的反復(fù)過程，總體處于恢復(fù)趨勢，這與龐吉林等[15]的研究結(jié)論相一致。退耕還林還草、全縣禁牧和人工封育等活動對于植被的恢復(fù)起到了很大的促進(jìn)作用，但植被覆蓋度受降水影響波動明顯。

2)植被覆蓋度與地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即植被覆蓋度越高，災(zāi)害點(diǎn)密度越低，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率也越低。諸如劈山切坡修建公路、劈坡建房和開采煤炭資源等人類活動嚴(yán)重破壞了地表植被，使這些地區(qū)成為地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)區(qū)。因此，重視人類活動區(qū)植被的保護(hù)和恢復(fù)，努力提高植被覆蓋度，將對地方地質(zhì)災(zāi)害防治起到積極的推動作用。

3)本文在研究植被覆蓋度與地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)時(shí)空格局關(guān)系時(shí)，未能充分考慮水文、氣候和地表等因素，需要在以后研究中重點(diǎn)改進(jìn)。

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