甘肅岷縣漳縣MS6.6地震前后岷縣植被覆蓋度動態(tài)變化

孫艷萍，周中紅，盧 嘉

（1. 甘肅省地震局，蘭州 730000；2. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，蘭州 730070）

0 引言

植被覆蓋及其變化是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境變化的重要指示，獲取地表植被覆蓋及其變化信息，對于揭示地表空間變化規(guī)律，探討植被覆蓋變化的驅(qū)動因子，分析評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境等具有重要現(xiàn)實(shí)意義[1-3]。近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對植被覆蓋度及其影響因素進(jìn)行了不同尺度的研究。彭文甫等[4]基于多時相Landsat5/8影像對岷江汶川-都江堰段植被覆蓋動態(tài)變化進(jìn)行了監(jiān)測，分析了汶川地震前后植被受損與恢復(fù)的空間動態(tài)格局變化；梁超等[5]選取北川縣“5·12”大地震前后2個時相的遙感數(shù)據(jù)，利用歸一化植被指數(shù)（NDVI）反演植被覆蓋度，采用破壞指數(shù)（DDI）表示不同災(zāi)害類型區(qū)域震后植被破壞情況；石亮亮等[6]利用Landsat TM和ETM影像數(shù)據(jù)建立植被受損模型，評價了蘆山縣“4·20”地震前后植被覆蓋度的變化情況，同時分析了其空間分布特征。

北京時間2013年7月22日7時45分55秒，甘肅省定西市岷縣漳縣交界處發(fā)生了MS6.6地震。地震不僅造成了嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，還觸發(fā)了大量滑坡、崩塌、不穩(wěn)定斜坡等地質(zhì)災(zāi)害隱患[7]，對生態(tài)環(huán)境和自然植被造成了嚴(yán)重?fù)p害。目前，對岷縣漳縣MS6.6地震災(zāi)害的研究主要集中在地質(zhì)災(zāi)害體數(shù)量、分布、形成條件及誘發(fā)因素等方面，針對植被破壞和恢復(fù)的相關(guān)研究還很少。為了解本次地震對災(zāi)區(qū)植被覆蓋的破壞和近幾年植被的恢復(fù)情況，以岷縣為研究區(qū)，選取了季節(jié)相近、植被生長旺盛的3期Landsat8遙感影像數(shù)據(jù)，應(yīng)用像元二分模型及遙感、GIS技術(shù)，估算岷縣的植被覆蓋度，對研究區(qū)植被覆蓋度動態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測，并結(jié)合高程和坡度數(shù)據(jù)，研究地形因素對地震前后植被受損和恢復(fù)的影響，以期為地震災(zāi)后研究區(qū)生態(tài)恢復(fù)和自然建設(shè)提出合理建議和對策。

1 研究區(qū)概況

岷縣位于定西市西南部、洮河中游，地處青藏高原東麓與西秦嶺隴南山地接壤區(qū)（103°41′～104°59′E，34°07′～34°45′N）。地貌屬高原形態(tài)，西秦嶺北支褶皺帶。全縣山地占88.8%，境內(nèi)海拔2 040～3 754 m，縣城海拔2 300 m（圖1）。南有長江、黃河分水的岷峨山、大拉梁，北有洮河、渭河分水的木寨嶺、嶺羅山。全境山嶺起伏，河流縱橫。岷縣氣候?qū)儆跍貛О霛駶櫹蚋吆疂駶櫄夂蜻^渡帶，高寒陰濕，植被覆蓋很好，年平均氣溫為5.5 ℃，年均降水量為635 mm，雨水集中在7—9月。

圖 1 研究區(qū)位置

2 數(shù)據(jù)來源和預(yù)處理

選取成像時間為2013年7月16日（震前）、2014年6月17日（震后1年）和2017年7月11日（震后3年）的三景云量較少的Landsat8 OLI影像（來源于地理空間數(shù)據(jù)云http://www.gscloud.cn/），影像共有11個波段，其中1～7，9～OLI多光譜波段分辨率為30 m。運(yùn)用ENVl5.1對上述三景影像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何配準(zhǔn)，校正誤差均限制在0.5個像元以內(nèi)。其他數(shù)據(jù)有研究區(qū)行政邊界矢量數(shù)據(jù)、ASTER-GDEM，DEM數(shù)據(jù)空間分辨率30 m，來源于NASA Reverb（https://reverb.echo.nasa.gov/reverb/），利用ArcGIS10.2軟件對處理后的遙感數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、裁剪，獲得研究區(qū)數(shù)據(jù)。

3 植被覆蓋度估算

3.1 NDVI計(jì)算

歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）由于監(jiān)測靈敏度高、監(jiān)測范圍寬、能消除地形和群落結(jié)構(gòu)的陰影和輻射干擾以及削弱太陽高度角和大氣所帶來的噪音等優(yōu)勢，是目前眾多植被指數(shù)中應(yīng)用最廣泛的指標(biāo)[8-11]。根據(jù)

式（1）分別計(jì)算得到研究區(qū)三期影像的NDVI值。式中：NIR、R分別為近紅外波段反射率和紅光波段反射率。對Landsat8影像而言，近紅外波段和紅光波段分別是第5和第4波段。

3.2 像元二分模型

由于圖像中像元有一定的面積，因此像元所代表的地物并不單一，存在混合像元，基于像元二分模型提取植被覆蓋度的原理是假設(shè)1個像元的信息可分為植被覆蓋像元與裸土覆蓋像元2部分。植被覆蓋度和NDVI之間存在極顯著的線性相關(guān)關(guān)系，通常是通過建立二者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系直接提取植被覆蓋度信息。根據(jù)像元二分模型，像元信息同時包含土壤信息和植被信息。植被覆蓋度用FC表示，假設(shè)純植被覆蓋的像元表示為veg，純土壤覆蓋的像元表示為soil，則植被覆蓋度可表示為：

式中：NDVIveg為純植被覆蓋像元的NDVI值；NDVIsoil為裸土覆蓋像元的NDVI值。在統(tǒng)計(jì)區(qū)域NDVI累積概率直方圖的基礎(chǔ)上，選擇累積百分比0.5%和99.5%為置信區(qū)間，累積百分比小于0.5%的為近似純土壤覆蓋，大于99.5%的為全植被覆蓋，讀取對應(yīng)的像元NDVI值，從而分別確定研究區(qū)有效的NDVIveg和NDVIsoil值（表1)，然后根據(jù)式（2）計(jì)算獲得3期影像的植被覆蓋度。

表 1 研究區(qū) NDVIveg 和 NDVIsoil 值

3.3 植被覆蓋度等級劃分

為了更好地進(jìn)行研究區(qū)植被變化分析，在以上植被覆蓋度計(jì)算的基礎(chǔ)上，利用ArcGIS軟件將植被覆蓋度分為5個等級：低覆蓋度（0～0.2），中低覆蓋度（0.2～0.4），中覆蓋度（0.4～0.6），中高覆蓋度（0.6～0.8），高覆蓋度（0.8～1.0），獲得研究區(qū)3個時期植被覆蓋空間分布等級圖和各等級面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果（圖2）。

4 結(jié)果與分析

4.1 植被覆蓋度動態(tài)變化

研究區(qū)2013年平均植被覆蓋度為0.48，2014年為0.39，整個地區(qū)植被覆蓋度下降了0.09，2017年有所回升，為0.43。由表2可以看出，3個時段岷縣植被覆蓋度以中高和高植被覆蓋度為主，分別占該地區(qū)總面積的91.64%、68.87%和78.82%，反映出研究區(qū)植被覆蓋狀況良好。

從時段變化上來看：2013—2014年高植被覆蓋度面積呈下降趨勢，下降面積占研究區(qū)面積的比重減少了26.92%，其余等級植被覆蓋度均呈上升趨勢。其中，中植被覆蓋度上升面積最多，由2013年的196.69 km2上升至2014年的728.93 km2；2014—2017年中低、中、中高植被覆蓋度面積分別減少了4.57%、5.64%、0.14%，低和高植被覆蓋度面積增加，分別為0.26%和10.09%，高植被覆蓋度面積增加較顯著。

圖 2 2013、2014和2017年植被覆蓋度空間分布

空間分布上來看（圖2），中高和高植被覆蓋度主要分布在岷縣西南和東南部的高海拔地區(qū)。這些地區(qū)多為未開采的山區(qū)林地，低植被覆蓋區(qū)由岷縣縣城所在地向西北方向兩側(cè)沿居民地延展。2013—2014年植被受損嚴(yán)重和2014—2017年恢復(fù)良好地區(qū)也主要集中在地震中受災(zāi)嚴(yán)重的梅川鎮(zhèn)、西江鎮(zhèn)和茶埠鎮(zhèn)附近（圖3）。

表 2 植被覆蓋度動態(tài)變化

圖 3 研究區(qū)植被覆蓋度動態(tài)變化圖

4.2 植被受損與恢復(fù)的地形影響

4.2.1 植被受損分析

為進(jìn)一步分析岷縣漳縣6.6級地震造成的岷縣植被損失和近年來的恢復(fù)情況，通過差值計(jì)算得到2013—2014年植被受損和2014—2017年植被恢復(fù)情況。圖3a表征了2013—2014年植被受損空間分布特征，研究區(qū)植被受損面積達(dá)到96.53%，主要為高植被覆蓋度植被受損。植被受損在不同的高程和坡度上具有不同分布特征（表3）。高程上主要分布在2 344～3 283 m，受損面積達(dá)3 037.02 km2，占研究區(qū)受損面積的85.53%，其中植被受損最嚴(yán)重的區(qū)域集中在高程2 657～2 970 m范圍內(nèi)，受損植被面積1 577.55 km2；坡度5°～35°是植被受損的主要區(qū)域，受損面積為3 037.02 km2，占總受損面積的92.67%，其中植被受損最嚴(yán)重的坡度為15°～25°，受損面積達(dá)1 115.61 km2，其次分布在5°～15°，占總受損面積的30.40%。

表 3 植被受損與高程、坡度的關(guān)系

4.2.2 植被恢復(fù)分析

2014—2017年植被恢復(fù)面積達(dá)2 901.93 km2，占研究區(qū)總面積的81.26%，植被恢復(fù)以高植被覆蓋度植被恢復(fù)為主，其次為低植被覆蓋度。進(jìn)一步研究了植被恢復(fù)與高程、坡度的關(guān)系（表4）?？傮w來說，植被恢復(fù)在高程2 031～2 970 m呈增長趨勢，隨后開始下降，其中在2 970～3 283 m高程區(qū)間植被恢復(fù)面積最多，達(dá)到1 421.89 km2，占研究區(qū)植被恢復(fù)面積的49.0%，其次為2 344～2 657m，恢復(fù)面積882.87 km2。植被恢復(fù)在坡度上的分布與高程有類似的特征，植被恢復(fù)面積在0°～25°呈增加趨勢，隨后降低，其中5°～25°植被恢復(fù)最多，面積為1 870.06 km2，占植被恢復(fù)面積的64.44%。

表 4 植被恢復(fù)與高程、海拔的關(guān)系

5 結(jié)論

1）研究區(qū)2013—2014年平均植被覆蓋度下降了0.09，2017年回升至0.43。3個時段岷縣植被覆蓋度以中高和高植被覆蓋度為主，反映了研究區(qū)植被覆蓋狀況良好。2013—2014年高植被覆蓋度面積呈下降趨勢，下降面積占研究區(qū)面積的比重減少了26.92%，其余等級植被覆蓋度均呈上升趨勢；2014—2017年中低、中、中高植被覆蓋度面積分別減少了4.57%、5.64%、0.14%，低和高植被覆蓋度面積增加，分別為0.26%和10.09%，高植被覆蓋度面積增加較顯著。

2）空間分布上來看，中高和高植被覆蓋度主要分布在岷縣西南和東南部的高海拔地區(qū)。這些地區(qū)多為未開采的山區(qū)林地，低植被覆蓋區(qū)由岷縣縣城所在地向西北方向兩側(cè)沿居民地延展。2013—2014年植被受損嚴(yán)重和2014—2017年恢復(fù)良好地區(qū)也主要集中在地震中受災(zāi)嚴(yán)重的梅川鎮(zhèn)、西江鎮(zhèn)和茶埠鎮(zhèn)附近。

3）進(jìn)一步分析了2013—2014年植被受損和2014—2017年植被恢復(fù)情況。2013—2014年研究區(qū)植被受損面積達(dá)到96.53%，主要為高植被覆蓋度植被受損。植被受損在高程上主要分布在2 344～3 283 m，其中最嚴(yán)重的區(qū)域集中在2 657～2 970 m；坡度5°～35°是植被受損的主要區(qū)域，其中植被受損最嚴(yán)重的坡度為15°～25°，其次分布在5°～15°。2014—2017年植被恢復(fù)面積達(dá)2 901.93 km2，占研究區(qū)總面積的81.26%，植被恢復(fù)以高植被覆蓋度植被恢復(fù)為主，其次為低植被覆蓋度。植被恢復(fù)在高程2 031～2 970 m呈增長趨勢，隨后開始下降，其中在2 970～3 283 m植被恢復(fù)面積最多，其次為2 344～2 657 m；在坡度上的分布與高程有類似的特征，植被恢復(fù)面積在0°～25°呈增加趨勢，隨后降低，其中5°～25°植被恢復(fù)最多。