基于多期遙感數(shù)據(jù)的華鎣山中段植被覆蓋變化研究

楊 玲，周學鋮，熊麗媛，徐爭強，胡 祎，呂 品

(1.四川省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，四川 成都 610052；2.四川川核地質(zhì)工程有限公司，四川 成都 610052)

0 引言

華鎣山突起于四川盆地底部，以西為川東丘陵，以東為川東平行嶺谷，境內(nèi)森林資源豐富，是川渝重要的生態(tài)屏障。近年來，礦業(yè)開采、旅游開發(fā)及城鎮(zhèn)建設等人類工程活動的持續(xù)進行對華鎣山生態(tài)環(huán)境造成了不同程度的破壞[1]。1989年7月10日華鎣市溪口鎮(zhèn)發(fā)生特大滑坡—溪口滑坡，傷亡221余人，直接經(jīng)濟損失逾600萬元[2]。該滑坡發(fā)生后，華鎣山地區(qū)地質(zhì)環(huán)境開始受到學者的廣泛關注，但涉及華鎣山生態(tài)環(huán)境的相關研究較少。因為，為了填補華鎣山中段生態(tài)環(huán)境研究空白，減免因人類工程活動對華鎣山生態(tài)環(huán)境造成破壞，需要對研究區(qū)歷史生態(tài)環(huán)境條件進行調(diào)查并研究其發(fā)展趨勢及變化原因。

基于遙感技術進行區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化分析及研究已較為廣泛。方洪賓等利用20世紀70年代中期MSS、1990年左右TM及2000年左右ETM數(shù)據(jù)為主，通過對各專項因子調(diào)查，分析了青藏高原生態(tài)地質(zhì)環(huán)境形勢及相關變化趨勢[3]；李洪義等利用ETM數(shù)據(jù)提取了土壤亮度、植被、濕度、熱度指數(shù)等參數(shù)并結(jié)合氣象和地學資料建立模型，評價了福建省生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[4]；王俊華等利用GF2，OLI數(shù)據(jù)，采用人機交互解譯的方式收集了西藏多龍礦集區(qū)人類工程活動、水文、荒漠化、金屬物氧化污染及植被等信息，評價了當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境現(xiàn)狀并分析了影響生態(tài)環(huán)境問題的原因[5]。

前人主要依據(jù)單時相遙感數(shù)據(jù)或?qū)挄r相多源遙感數(shù)據(jù)進行區(qū)域生態(tài)環(huán)境調(diào)查及分析研究，而基于窄時相多源遙感數(shù)據(jù)對生態(tài)環(huán)境研究相對較少。因此，本文以廣安市境內(nèi)華鎣山中段為研究對象，在充分收集研究區(qū)多期遙感影像數(shù)據(jù)的基礎上，通過遙感定量計算和野外調(diào)查，分析了各時期研究區(qū)植被覆蓋情況、變化趨勢及變化原因，研究成果不僅可以為華鎣山生態(tài)環(huán)境規(guī)劃與防治工作提供科學依據(jù)，而且可以為地表覆被率變遷與生態(tài)環(huán)境承載力間的關系研究提供新思路。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)主要位于四川省廣安市境內(nèi)華鎣山區(qū)，是華鎣山脈中段核心區(qū)，地理坐標范圍為106°39'56″E-107°03'17″E，北緯30°03'36″N-30°38'52″N之間，面積約776.89km2，包括廣安市前鋒區(qū)東部、華鎣市東部及鄰水縣西部。

圖1 研究區(qū)位置圖

華鎣山地區(qū)屬中亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，氣候平和，雨水豐沛，年均降雨量為1259.13mm。區(qū)內(nèi)地表徑流發(fā)育、溝谷縱橫、水網(wǎng)密度較大，主體以華鎣山脈嶺脊線為分水嶺，以西屬長江二級支流渠江流域，以東屬長江一級支流御臨河流域。天池湖位于研究區(qū)北部，為天然間歇性巖溶湖泊，面積2.53km2，是川東海拔最高、面積最大的湖泊。華鎣山平均海拔1200～1400m，山勢陡峭，多形成“V”字形峽谷，山谷深而窄，溪溝發(fā)育，最高峰為高登山，海拔1704.1m。地貌類型有脊狀巖溶中山低山、巖溶槽谷、單面山列峰脊狀中低山。

研究區(qū)內(nèi)出露的地層主要有寒武系、奧陶系、志留系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系及第四系地層。寒武系-三疊系碳酸鹽巖出露面積最大，三疊系-侏羅系碎屑巖主要分布于兩翼，第四系松散堆積層零星不連續(xù)出露。研究區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富，采礦歷史悠久，分布各類礦山共186個，主要為地下開采的煤礦山與露天開采的石灰?guī)r礦山，長期、無序、大規(guī)模的采礦活動對華鎣山生態(tài)環(huán)境造成了巨大威脅。

2 數(shù)據(jù)源及技術路線

2.1 數(shù)據(jù)源及預處理

為進行華鎣山中段植被覆蓋變化狀況研究，收集了區(qū)內(nèi)基礎地理、地質(zhì)、礦山、地災等資料及Landsat-5、8遙感數(shù)據(jù)。

本文選擇1988年至2018年間共7期美國陸地衛(wèi)星LANDSAT系列遙感數(shù)據(jù)進行研究區(qū)植被覆蓋變化變化研究。分別為1988年9月15日、1993年5月24日、2001年7月17日、2006年4月10日、2010年9月21日共五期Landsat-5 TM遙感影像和2014年8月6日、2018年4月4日共兩期Landsat-8 OLI遙感影像，影像空間分辨率均為30m。各期影像均無云、霧等影響，影像拍攝日期分布在4月至10月之間，為研究區(qū)植被生長較好季節(jié)。在具體分析之前，對各期影像分別進行了輻射定標、大氣校正及幾何校正。影像數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云。

2.2 歸一化植被指數(shù)

NDVI計算公式為：

NDVI=((NIR-R))/(NIR+R)

(1)

其中：NIR、R分別為近紅外波段及紅波段。

NDVI可以部分消除或減弱因衛(wèi)星觀測角、太陽高度角、地形起伏、少量云影及大氣輻照對成像的影響[6-9]。廣泛應用于基于遙感影像的植被研究，是植物生長狀態(tài)、覆蓋度最佳指示因子[6]。

本文使用的TM及OLI數(shù)據(jù)，近紅外波段分別為第4波段、第5波段，紅波段分別為第3波段、第4波段，基于ENVI軟件Band Math工具可獲取研究區(qū)不同時期NDVI分布圖。

2.3 植被覆蓋度

基于像元二分模型進行植被覆蓋度計算，即：

VFC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(2)

其中VFC為像元植被覆蓋度，NDVIveg為無植被覆蓋區(qū)NDVI值， NDVIsoil為100%植被覆蓋區(qū)NDVI值。

NDVIsoil=(VFCmax·NDVImin-VFCmin·NDVImax)/((VFCmax-VFCmin))

(3)

NDVIveg=((1-VFCmin)·NDVImax-(1-VFCmin)·NDVImin)/((VFCmax-VFCmin))

(4)

式(3)及式(4)中VFCmax、VFCmin、NDVImax、NDVImin分別代表區(qū)內(nèi)植被覆蓋最大值、植被覆蓋最小值、NDVI最大值、NDVI最小值[6]。

經(jīng)目視粗解譯，研究區(qū)多期影像中均存在植被高富集區(qū)，且多期影像中均存在無植被覆蓋區(qū)(天池湖區(qū))，因此認為研究區(qū)可近似取VFCmax=100%，VFCmin=0%。

因此公式(2)可改寫為：

VFC=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(5)

排除不可避免的影像噪聲，分別取NDVI統(tǒng)計值累計百分比的5%和90%所對應的值作為置信閾值，認為NDVI值位于0～5%區(qū)間的為無植被覆蓋區(qū)，位于90%～100%區(qū)間的為純植被覆蓋區(qū)，取對應的值作為NDVImax和NDVImin。

基于ENVI軟件對7期NDVI圖進行統(tǒng)計，獲取相應的NDVImax和NDVImin，按公式(5)通過Band Math工具計算得出各時期研究區(qū)植被覆蓋度圖。

2.4 植被覆蓋度分級及植被覆蓋貢獻值

本文依據(jù)《草場資源調(diào)查技術規(guī)程》、《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術規(guī)程》、《森林資源規(guī)劃設計調(diào)查主要技術規(guī)定》等相關條款及規(guī)定[8,10]，結(jié)合研究區(qū)植被覆蓋實際情況，對植被覆蓋度分為6級。

植被覆蓋貢獻值即各級覆蓋區(qū)域?qū)χ脖桓采w總面積的貢獻值，其中Ⅰ級區(qū)為無植被覆蓋區(qū)，其對植被覆蓋貢獻值為0；Ⅱ級區(qū)至Ⅴ級區(qū)以植被覆蓋度均值記入；Ⅵ級區(qū)為近純植被區(qū)，本文認為Ⅵ級區(qū)植被覆蓋貢獻值為1(表1)。

表1 植被覆蓋度分級表

3 結(jié)果分析

基于ENVI計算及處理，獲取了研究區(qū)1988年至2018年共7期植被覆蓋度圖(圖2)，并基于表2統(tǒng)計了各年度植被覆蓋情況(表2)，繪制了相應時序曲線(圖3)。

3.1 植被覆蓋變化情況

依據(jù)表2及圖3，1988年9月至1993年5月，研究區(qū)植被覆蓋總體面積減少了125.93km2，總體植被覆蓋率降低16.21%，其中Ⅵ級密林面積減少143.96km2，減幅最大，Ⅱ級區(qū)面積增加了78.79km2，增幅最大；

1993年5月至2001年7月，研究區(qū)植被覆蓋總體面積增加了82.72km2，總體植被覆蓋率增加10.64%，其中Ⅵ級密林面積增加了91.99km2，增幅最大，Ⅱ級區(qū)面積減少了60.07km2，減幅最大；

2001年7月至2006年4月，研究區(qū)植被覆蓋總體面積增加了10.74km2，總體植被覆蓋率增加1.39%，其中Ⅵ級密林面積增加11.73km2，增幅最大，Ⅰ級區(qū)面積減少了6.2 km2，減幅最大；

2006年4月至2010年9月，研究區(qū)植被覆蓋總體面積增加了28.96km2，總體植被覆蓋率增加3.72%，其中Ⅵ級密林面積增加36.44km2，增幅最大，Ⅱ級區(qū)面積減少了18.35km2，減幅最大；

2010年9月至2014年8月，研究區(qū)植被覆蓋總體面積增加了27.61km2，總體植被覆蓋率增加3.56%，其中Ⅵ級密林面積增加59.6km2，增幅最大，Ⅴ級區(qū)面積減少了33.59 km2，減幅最大；

2014年8月至2018年4月，研究區(qū)植被覆蓋總體面積減少了18.19km2，總體植被覆蓋率增加2.34%，其中Ⅵ級密林面積增加43.17km2，增幅最大，Ⅴ級區(qū)面積減少了31.94km2，減幅最大；

圖2 研究區(qū)各期植被覆蓋度圖注：A：1988年9月15日植被覆蓋圖；B：1993年5月24日植被覆蓋圖；C：2001年7月17日植被覆蓋圖；D：2006年4月10日植被覆蓋圖；E：2010年9月21日植被覆蓋圖；F：2014年8月6日植被覆蓋圖；G：2018年4月4日植被覆蓋圖

表2 植被覆蓋面積統(tǒng)計表

圖3 1988年9月至2018年8月研究區(qū)各級植被覆蓋面積時序曲線圖注：圖B為圖A中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ曲線圖放大顯示。Note：Figure B shows the enlarged graphs of I，II，III and IV in Figure A.

3.2 植被覆蓋變化原因分析

自1988年9月至2018年4月，研究區(qū)植被覆蓋率歷經(jīng)兩個階段。

(1)林地大面積破壞—反彈性恢復階段(1988年至2001年)

本文分析顯示，1988年至1993年研究區(qū)植被覆蓋面積大幅較少，至2001年研究區(qū)植被面積較1993年有明顯恢復(圖4)。據(jù)此實地走訪并取證，20世紀80年代至90年代華鎣山小煤窯無序開采活動頻繁，小煤窯數(shù)量一度達500多個(數(shù)據(jù)來源于廣安市國土局)，至2017年研究區(qū)尚存93處煤礦，但均已閉坑。煤礦硐采需大量坑木及礦柱，加之大修礦山工業(yè)廣場、大量煤矸石無序堆積，導致林地林木被毀，森林生態(tài)環(huán)境遭到極大的破壞。

為扭轉(zhuǎn)森林覆蓋面積下降趨勢，改善森林生態(tài)環(huán)境，1998年10月四川省廣安市開啟了《天然林資源保護》工程，并于次年10月再次開啟了《退耕還林》工程[11]，從遙感影像分析成果來看，兩大工程對研究區(qū)植被覆蓋恢復起到了扭轉(zhuǎn)性作用。

(2)全區(qū)植被覆蓋率緩慢增長階段(2001年至2018年)

自2001年至2018年，研究區(qū)總體植被覆蓋率增加量分別為2001年7月至2006年4月增加1.39%，2006年4月至2010年9月增加3.72%，2010年9月至2014年8月增加3.56%，2014年8月至2018年4月增加2.34%。

基于該組數(shù)據(jù)做出如下判斷：研究區(qū)植被覆蓋總量處于緩慢上升階段，其增長速率呈緩慢(2001年至2006年)—加快(2006年至2010年)—增速輕微放緩(2010年至2014年)—增速放緩(2014年至2018年)態(tài)勢。

筆者認為，維持該階段研究區(qū)植被覆蓋面積緩慢但相對穩(wěn)定增長有兩方面因素：

圖4 1988年9月至2001年7月研究區(qū)局部植被覆蓋圖注：A：1988年植被覆蓋圖；B：1993年植被覆蓋圖；C：2001年植被覆蓋圖；D：1988年影像圖；E：1993年影像影像圖；F：2001年影像影像圖。

(1)促進因素?！皟纱蠊こ獭背掷m(xù)發(fā)揮的直接促進作用；兩大工程實施過程中造成研究區(qū)農(nóng)民收入減少[11]，隨后農(nóng)村人員外流，使得區(qū)內(nèi)農(nóng)村社會經(jīng)濟規(guī)模趨于變小，對植被覆蓋面積增加起到了間接促進作用[12]；環(huán)境的自我恢復力，研究區(qū)存在大量廢棄露天開采礦山，廢棄時間5-10年不等，其開采平臺大部分已自然復綠，開采面也存在草本植物生長現(xiàn)象。

(2)抑制因素。露天礦山開采造成的影響：通過對研究區(qū)7期遙感影像進行目視解譯，獲取了各期影像中露天開采礦山圖斑面積，分別為1988年16.98ha，1993年24.9ha，2001年79.16ha，2006年118.32ha，2010年287.81ha，2014年379.39ha，2018年412.37ha。由數(shù)據(jù)可知，自2001年開始研究區(qū)露天礦山開采活動頻率加快，對植被覆蓋面積造成不利影響；

煤礦地下礦山開采造成的影響：據(jù)2017年廣安市礦山地質(zhì)環(huán)境詳查，研究區(qū)煤礦開采造成區(qū)內(nèi)含水層破壞與疏干面積約364.33km2，占研究區(qū)總面積的46.9%，大面積的含水層破壞對植被生長造成不利影響[13]。

其他直接性人類工程活動造成的無植被覆蓋區(qū)面積增加，如近年來研究區(qū)開發(fā)的華鎣山旅游文化景區(qū)、華鎣山森林公園、華鎣山地質(zhì)公園等工程項目。

總體來看，在不受不可抗力因素的干擾下，人類活動是促使研究區(qū)植被覆蓋變化的主導因素，即人類活動即可造成林區(qū)面積大幅減少或退化，亦可快速恢復受破壞區(qū)植被，同時研究區(qū)環(huán)境本身的自愈力也在時刻發(fā)揮著促進植被覆蓋增長的重要作用。

3.3 植被覆蓋變化趨勢分析

依據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)推測，假定研究區(qū)人與自然和諧共處且其他自然條件均處理想狀態(tài)，則隨著時間無限推移，研究區(qū)植被覆蓋結(jié)構(gòu)將減少至兩類：Ⅵ級區(qū)和Ⅰ級區(qū)，即穩(wěn)定的無植被覆蓋區(qū)和穩(wěn)定的純植被覆蓋區(qū)。

沿著上述時間軸反推，即假定在理想狀態(tài)下，時間推移無限年后研究區(qū)植被覆蓋結(jié)構(gòu)僅為Ⅵ級區(qū)和Ⅰ級區(qū)，則沿該時刻反推，在無限年之前研究區(qū)植被覆蓋結(jié)構(gòu)亦為Ⅵ級區(qū)和Ⅰ級區(qū)。

在不徹底破壞生態(tài)結(jié)構(gòu)的前提下，外界因素可導致Ⅵ級區(qū)和Ⅰ級區(qū)可相互轉(zhuǎn)化。

4 結(jié)論

通過對華鎣山中段植被覆蓋度進行調(diào)查研究，獲取了自1988年9月至2018年4月共7期植被覆蓋情況圖，基于影像計算成果進行分析，得出了以下結(jié)論：

(1)基于TM、OLI等遙感數(shù)據(jù)對區(qū)域植被覆蓋度定量探查與分析是可行的，其計算成果較好反映了當時植被覆蓋情況，并通過多期計算成果對比可以反映區(qū)域植被覆蓋變化總體趨勢。

(2)人類活動是導致生態(tài)環(huán)境變化的重要因素。大量獲取林木資源、無序礦山開采，易造成植被覆蓋面積持續(xù)減少，對生態(tài)環(huán)境不利；較少人為干擾環(huán)境下，林區(qū)植被呈自然緩慢恢復態(tài)勢；在有利政策或工程推動下，植被覆蓋面積迅速增長，生態(tài)環(huán)境持續(xù)向好。

(3)植被覆蓋等級是可以相互轉(zhuǎn)化的，對林區(qū)資源的合理利用，并及時加以修復，即可達到社會經(jīng)濟發(fā)展的需要，也可維持生態(tài)環(huán)境持續(xù)穩(wěn)定，最終可以達成人與自然雙贏的形勢。