基于遙感影像技術的塔里木河流域植被動態(tài)變化研究

王亞軍

（塔里木河流域干流管理局，新疆 阿拉爾843000）

1 引言

塔里木河是新疆地區(qū)灌溉規(guī)模最大的內(nèi)陸河，對于長期處于干旱地區(qū)的新疆具有非常重要的戰(zhàn)略意義。水資源對新疆地區(qū)植被的生長影響巨大，而塔里木河作為該區(qū)域最大的灌溉河流，加強對該流域植被的生長情況研究，具有重要意義。

目前遙感影像技術已經(jīng)應用于各行業(yè)的研究中[1-4]?；舭蟍5]基于MODIS影像數(shù)據(jù)提出了適用于沙漠地區(qū)的植被覆蓋度模型，并得到很好的驗證。王非[6]利用MODIS-NDVI遙感數(shù)據(jù)對塔里木盆地的荒漠化變化進行了分析。王林林[7]同樣利用MODIS-NDVI遙感數(shù)據(jù)對柴達木盆地的植被變化進行了研究，認為季節(jié)尺度可以很好的反映出氣候變化。袁麗華[8]、劉輝明[9]等人利用遙感數(shù)據(jù)對黃河流域的植被覆蓋區(qū)域進行分析，認為流域內(nèi)植被可以改善流域退化。潘志鋼[10]使用美國Landsat衛(wèi)星的TM/ETM數(shù)據(jù)對太子河流域進行了研究。高振東[11]通過對遙感數(shù)據(jù)分析，認為西遼河流域植被有退化的趨勢。譚克龍[12]對塔里木河流域植被和植物覆蓋度進行了深入的分析。氣象[13]和土壤侵蝕[14]等因素對植被的影響也很明顯。國內(nèi)外學者使用對應的指標對荒漠地區(qū)的演化進行了大量檢測[15-16]。

本文基于遙感影像技術對塔里木河流域植被的動態(tài)變化進行分析，為新疆地區(qū)植被的演變研究提供參考。

2 工程概況

塔里木河是國內(nèi)最長的內(nèi)流河，環(huán)繞新疆北部，全長1 321 km，在整個流域內(nèi)蜿蜒曲折。根據(jù)本文分析需要將塔里木河流域分為上游段（阿拉爾-英巴扎）、中游段（英巴扎-卡拉）和下游段（卡拉-大西海子水庫）3段，詳細見圖1。本次檢測流域面積大小為25 576 km2，其中上游、中游和下游面積分別為：10 353 km2、6 704 km2、8 519 km2。

圖1 塔里木河流域分段圖

3 方法介紹

本文采用ArcGIS、SPSS、MRT投影轉(zhuǎn)換軟件。MODIS數(shù)據(jù)由于其更高的時間和光譜分辨率被普遍應用于較大區(qū)域的動態(tài)監(jiān)測。本文以Terra衛(wèi)星監(jiān)測到的MOD13Q1數(shù)據(jù)為基礎進行分析。使用正弦SIN（Sinusoidal projection）投影將MOD13Q1數(shù)據(jù)的格式由HDF轉(zhuǎn)化為Geotiff格式，然后使用ArcGIS軟件進行數(shù)據(jù)的進一步分析。通過ArcGIS軟件提取塔里木河流域的MODIS-EVI數(shù)據(jù)。由于綠色植物具有獨特波普反射特性，可以通過不同波段來反映出植被的顏色，進一步確定植被的生長情況。本文選用增強型植被指數(shù)（Enhanced Vegetation Index，EVI）來進行研究，其計算過程見公式（1）。

式中：ρ*-經(jīng)過大氣校正的反射率；L-土壤調(diào)節(jié)參數(shù)，值為1；C1-系數(shù)，值為6.0；C2-系數(shù)，值為7.5。

植被覆蓋度（Fractional Vegetation Cover，F(xiàn)VC）利用植被指數(shù)求解得出，本文采用增強型植被指數(shù)求解植被覆蓋度，模型見公式（2）。

式中：EVIsoil-無植被覆蓋區(qū)域的強型植被指數(shù)，理論上為零；EVIveg-完全被植被覆蓋區(qū)域的強型植被指數(shù)。

歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）被用來檢驗EVI指數(shù)的重現(xiàn)準確性，其計算過程見公式（3）。

式中：R-紅光波段的地面反射率；NIR-近紅外波段的地面反射率。

通過SPSS使用單因素方差分析法對數(shù)據(jù)的準確性進行檢驗。本文中認為NDVI和EVI是植被指數(shù)這一因素下的兩種不同水平。這一因素有r種水平，容量為n，假設各水平每個母體方差相等均為H0，可以求得組間離差平方和（QA）和組內(nèi)離差平方和（QE），其計算公式分別見公式（4）、（5）?？傠x差平方和求解過程見公式（6）。

服從自由度為（r-1，n-r）的F分布計算關系見公式（7），公式（7）中SA2和SE

2的計算過程分別見公式（8）、（9）。

式中：r-因素水平數(shù)量；n-子樣容量。

存在一個α使得F函數(shù)分布滿足公式（10）。

當F≤Fα（r-1，n-1）成立時，說明該選定因素的不同水平對結(jié)果沒有明顯差異；反之，則認為假設失敗。根據(jù)上述理論進行本文的計算分析。

4 結(jié)果分析

4.1 流域不同河段植被覆蓋度空間特征

由于塔里木河流域比較長，又受到干旱條件的影響，因此在不同的河段之間植被的生存環(huán)境差異較大，造成植被的生長情況明顯不同。針對不同河段在不同季節(jié)的生長情況進行分析，選取3月、7月、10月和12月作為4個季節(jié)的代表。分別對4個月份的EVI植被指數(shù)的空間分布進行分析，見圖2。

根據(jù)圖2可知，植被主要分布在塔里木河流域內(nèi)部及其北部的部分地方，植被的分布呈現(xiàn)典型聚集現(xiàn)象，這與對應地方的生長環(huán)境和水資源等因素密切相關。從空間的整體分布可知，在不同河段植被分布明顯不同，整體是上游段植被最多，中游段次之，下游段植被最少。從時間分布可知，7月份綠色區(qū)域最多，說明此時該流域的植被覆蓋范圍最廣，這是因為7月份屬于雨季，同時由于溫度升高冰川融化水流匯集有利于植被的生長。在3月和12月的EVI植被指數(shù)相對較低，這是因為在12月和3月塔里木河流域處于冬季，溫度低不利于植被生長，同時大部分河流斷流，缺乏足夠水資源的供應。

為進一步分析，不同月份的詳細數(shù)據(jù)見圖3。

根據(jù)圖3可知，在一個年度內(nèi)塔里木河流域各段的植被分布受溫度和水分的影響有所不同，呈現(xiàn)出7月份植被的覆蓋率最高，上游段、中游段和下游段的覆蓋率分別為：37.45%、17.86%、11.15%；3月份植被的覆蓋率最低，上游段、中游段和下游段的覆蓋率分別為：8.75%、6.53%、4.87%。

圖2 不同月份塔里木河沿岸EVI空間分布

圖3 不同河段植被覆蓋度

4.2 植被覆蓋度年內(nèi)動態(tài)變化

根據(jù)之前分析我們知道植被在一個年度的分布差異很大，塔里木河流域3個分段和干流每個月的植被覆蓋度分析見圖4。

根據(jù)圖4可以知道，不管哪個河段，隨著季節(jié)的變化植被覆蓋度均先增加后減小，最大值均出現(xiàn)在7月份。進一步分析發(fā)現(xiàn)，干流的植被覆蓋處于塔里木河上游段和塔里木河中游段之間，在1月～5月份干流的植被覆蓋度和中游基本一致，5月～8月份時由于降雨的增加，干流的覆蓋面積也增加，使得干流的植被覆蓋度要明顯大于中游的植被覆蓋度。9月～12月份后天氣寒冷，植被進入了枯葉期逐漸枯萎使得干流覆蓋度和中游覆蓋度再次比較接近。

圖4 塔里木河流域植被年內(nèi)動態(tài)變化

根據(jù)圖2也可以知道，上游段植被的分布不僅僅在河道，在兩岸側(cè)也有較多植被存在。因此在植被生長較好的季節(jié)里，由于兩岸植被的存在，使得上游段植被要大于塔里木河干流植被的數(shù)量。

4.3 植被指數(shù)方差分析

方差分析可以將研究目標因素對應的隨機性誤差和方法中的系統(tǒng)誤差進行對比分析，進而得出所選取的因素對結(jié)果的影響程度。本文選擇的EVI植被指數(shù)作為單一控制因素，同時使用NDVI來實現(xiàn)準確性驗證。圖5～7分別為塔里木河上游段、中游段、下游段對應的植被指數(shù)分析。

根據(jù)圖5可知，NDVI植被指數(shù)與EVI植被指數(shù)在整年度的變化趨勢基本保持一致，均呈現(xiàn)出先減小然后逐漸增加最后逐漸減小的變化規(guī)律。最大峰值出現(xiàn)在7月，最小值均出現(xiàn)在3月。峰值分別為：37.34%、37.45%；最小值分別為：9.17%、8.75%。而在整個年度內(nèi)NDVI植被指數(shù)要比EVI植被指數(shù)大一些，僅僅在7月的時候稍微低一點。分析認為這是由于在7月植被的密度較大，使得NDVI的計算容易達到飽和所致。年度內(nèi)NDVI植被指數(shù)與EVI植被指數(shù)的差值分別：0.59%、2.73%、0.42%、1.76%、3.12%、1.17%、-0.09%、1.76%、1.76%、2.19%、2.73%、2.26%。

圖5 塔里木河上游段不同植被指數(shù)

本文中假設選取的兩種植被指數(shù)對結(jié)果沒有顯著的影響，選取α=5%，r=2，n1=n2=12，根據(jù)公式（10）得出Fα（r-1，n-1）=F0.05（1，22）=4.3。根據(jù)公式（4）和公式（5）得出QA和QE分別為15.30和2 347.97；然后根據(jù)公式（8）和公式（9）得出SA2和SE

2的值分別為：15.30和106.73；根據(jù)公式（7）得出F=0.143＜Fα（r-1，n-1）=4.3，說明在上游段選擇NDVI和EVI兩種植被指數(shù)對計算結(jié)果沒有明顯的影響差異。

根據(jù)圖6可知，塔里木河中游段NDVI植被指數(shù)與EVI植被指數(shù)在整年度的變化規(guī)律與塔里木河上游段變化規(guī)律基本保持一致。但是NDVI植被指數(shù)最大值出現(xiàn)在6月，EVI植被指數(shù)最大值出現(xiàn)在7月，大小分別為：18.47%、17.86%；最小值均出現(xiàn)在3月，大小分別為：6.58%、6.53%。年度內(nèi)NDVI植被指數(shù)與EVI植被指數(shù)的差值分別：0.3%、1.09 %、0.05 %、0.5 %、2.27 %、0.69 %、0.11 %、0.79%、0.99%、0.99%、1.38%、0.69%。

圖6 塔里木河中游段不同植被指數(shù)

對塔里木河中游段同樣進行方差分析，發(fā)現(xiàn)F=0.20＜Fα（r-1，n-1）=4.3，說明在中游段選擇NDVI和EVI兩種植被指數(shù)對計算沒有明顯的影響差異。

表2 中游段植被指數(shù)方差分析表

根據(jù)圖7可知，塔里木河下游段NDVI植被指數(shù)與EVI植被指數(shù)在整年度的變化規(guī)律與塔里木河上游段變化規(guī)律基本保持一致。最大峰值大小分別為：11.12%、11.15%；最小值大小分別為：4.38%、4.87%。年度內(nèi)NDVI植被指數(shù)與EVI植被指數(shù)的差值分別：-0.06%、0.12%、-0.48%、0.0%、0.23%、-0.29%、-0.03%、-0.06%、0.23%、0.13%、0.18%、-0.04%。

圖7 塔里木河下游段不同植被指數(shù)

對塔里木河下游段同樣進行方差分析，發(fā)現(xiàn)F=0.002＜Fα（r-1，n-1）=4.3，說明在下游選擇NDVI和EVI兩種植被指數(shù)對計算沒有明顯的影響差異。

表3 下游段植被指數(shù)方差分析表

5 結(jié)論

本文使用遙感數(shù)據(jù)對塔里木河流域上游段、中游段、下游段在一個年度不同季節(jié)的植被動態(tài)變化進行分析，得出以下結(jié)論：

（1）該流域不同河段植被分布明顯不同，整體呈現(xiàn)上游段植被最多，中游段次之，下游段植被最少的分布規(guī)律。

（2）7月份植被的覆蓋率最高，上游段、中游段和下游段的覆蓋率分別為：37.45%、17.86%、11.15%；3月份植被的覆蓋率最低，上游段、中游段和下游段的覆蓋率分別為：8.75%、6.53%、4.87%。

（3）使用植被指數(shù)方差分析得出上游段、中游段、下游段的F函數(shù)值分別為：0.14、0.20、0.002均小于Fα（r-1，n-1）=4.3，說明指標選取對結(jié)果沒有顯著影響差異。