基于多時(shí)相Landsat5/8影像的岷江汶川-都江堰段植被覆蓋動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

彭文甫, 王廣杰, 周介銘,*, 徐新良, 羅懷良, 趙景峰, 楊存建

1 四川師范大學(xué), 西南土地資源評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都　610068 2 四川師范大學(xué), 地理與資源科學(xué)學(xué)院, 成都　610068 3 中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心, 北京　100101

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基于多時(shí)相Landsat5/8影像的岷江汶川-都江堰段植被覆蓋動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

彭文甫1,2, 王廣杰1,2, 周介銘1,2,*, 徐新良3, 羅懷良1,2, 趙景峰1,2, 楊存建1,2

1 四川師范大學(xué), 西南土地資源評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都610068 2 四川師范大學(xué), 地理與資源科學(xué)學(xué)院, 成都610068 3 中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心, 北京100101

摘要:植被覆蓋度是衡量地表植被狀況和指示生態(tài)環(huán)境變化的一個(gè)重要指標(biāo)?；谙裨帜Ｐ?，利用Landsat5/8遙感影像和DEM數(shù)據(jù)，對(duì)岷江汶川-都江堰段植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并結(jié)合高程、坡度和坡向數(shù)據(jù)，分析了汶川地震前后植被受損與恢復(fù)的空間動(dòng)態(tài)格局變化。研究表明：植被覆蓋總體良好，大部分區(qū)域的植被覆蓋度均在中、高度以上，空間格局上呈現(xiàn)由汶川縣東部、都江堰市西北部的龍門山區(qū)向兩側(cè)減少的總體趨勢(shì)；地震造成植被受損面積達(dá)63808.7 hm2，且集中分布于海拔567—4331 m、坡度26—51°的范圍以及東坡、北坡、南坡和西坡；震后5a，植被恢復(fù)面積17786.47 hm2，主要分布在海拔576—2180 m與3256—3793 m、坡度小于9°和26—51°以及東坡、東南坡和和南坡；高程和坡度對(duì)植被損毀與恢復(fù)的影響明顯高于坡向。

關(guān)鍵詞：植被覆蓋度；像元二分模型；時(shí)空格局；岷江

陸地生態(tài)系統(tǒng)在維持整個(gè)地球系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、環(huán)境以及人類生存方面發(fā)揮著重要作用[1]。植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最基礎(chǔ)和重要的組成部分，對(duì)全球變化的響應(yīng)更加敏感[2- 3]。植被覆蓋度(FVC)是描述地表植被覆蓋的重要參數(shù)和指示生態(tài)環(huán)境變化的基本指標(biāo)[4- 5]，在大氣圈、土壤圈、水圈和生物圈中占據(jù)著重要的地位[6]，也在全球變化研究、地表過程模擬和水文生態(tài)模型中發(fā)揮著重要作用[7]。因此，區(qū)域及全球范圍的FVC估算對(duì)植被及相關(guān)領(lǐng)域研究具有十分重要的意義[7]。目前，對(duì)地表植被覆蓋狀況的研究已經(jīng)成為全球變化研究的熱點(diǎn)問題[8]，相關(guān)學(xué)者對(duì)植被覆蓋度變化進(jìn)行了大量研究[9- 15]，對(duì)植被覆蓋變化的原因分析給予了較大的關(guān)注，但是對(duì)植被覆蓋時(shí)空格局演變特征的研究相對(duì)較少，植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化的研究方法也有待于進(jìn)一步深入[16]。

遙感技術(shù)能夠獲取不同尺度上的植被覆蓋及其變化信息，成為區(qū)域及全球FVC估算的有效手段[7]?；谶b感技術(shù)的FVC估算方法主要有回歸分析方法、混合像元分解法、機(jī)器學(xué)習(xí)方法等[17]，但目前尚無(wú)一種標(biāo)準(zhǔn)的方法用來(lái)估算FVC[7]。混合像元分解法從地物光譜混合模型的角度出發(fā)來(lái)最終估算植被在像元中所占的比例，不需要地面實(shí)測(cè)FVC數(shù)據(jù)建模，原理可靠，計(jì)算簡(jiǎn)便，易于推廣應(yīng)用[8,17]。

岷江汶川-都江堰段涉及部分岷江干旱河谷區(qū)域，自然環(huán)境復(fù)雜，區(qū)內(nèi)降雨量差異顯著，山體坡度大，易發(fā)生次生災(zāi)害，汶川地震中森林資源受破壞程度最大。由于受自然條件限制和過度的人類干擾，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)人口、資源與環(huán)境之間的矛盾日益尖銳[18]，生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)嚴(yán)重退化[19]，成為長(zhǎng)江上游典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)[20]，對(duì)整個(gè)岷江流域乃至長(zhǎng)江上游的生態(tài)安全和區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展均構(gòu)成嚴(yán)重威脅[21]。岷江汶川-都江堰段生態(tài)演變研究具有很好的價(jià)值，加之汶川地震影響以來(lái)鮮見5 a以上尺度植被覆蓋度的估算與分析[22]。本研究利用可獲得的三期六景Landsat5/8遙感數(shù)據(jù)，應(yīng)用像元二分模型、遙感與GIS技術(shù)，對(duì)岷江汶川-都江堰段植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并結(jié)合高程、坡度和坡向數(shù)據(jù)，對(duì)汶川地震前后植被受損與恢復(fù)的空間動(dòng)態(tài)格局變化進(jìn)行研究。

1研究區(qū)概況

岷江汶川-都江堰段(包括汶川縣和都江堰市)地處青藏高原和四川盆地的過渡帶上，面積約5295.86 km2, 經(jīng)緯度102°15′—130°41′E，30°45′—31°42′N之間。地勢(shì)起伏大，地勢(shì)由北部、西部向東南部?jī)A斜，海拔高程由都江堰市東南部的567 m上升到汶川縣西北部的5944 m(圖1)。汶川縣屬于橫斷山東北緣，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，地貌為高山峽谷，地勢(shì)由東南向西北上升，呈比較完整的垂直分帶，可分不同的自然氣候區(qū)，2000 m以下地區(qū)，年均氣溫13.5℃(北部)—14.1℃(南部)，無(wú)霜期247—269 d，雨量528.7—1332.2 mm，日照1693.9—1042.2 h。都江堰市地處岷江出山口，地跨川西龍門山地帶和成都平原岷江沖積扇扇頂部位，屬四川盆地中亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，歷年最冷月平均氣溫4.6℃，最熱月平均氣溫24.4℃。平均年降雨量為1243.80 mm。降雨量年內(nèi)分配不均，年際總量變化不大；在空間分布上不均勻，由東南向西北，幅度在1100—1800 mm之間。

2研究方法

2.1數(shù)據(jù)源及遙感數(shù)據(jù)處理

本文數(shù)據(jù)源包括遙感數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)包括2007年9月18日的兩景Landsat TM 5影像，2008年8月18日兩景Landsat TM5影像，2013年8月1日的兩景Landsat 8影像，軌道編號(hào)為130/038、130/039。遙感和DEM數(shù)據(jù)(30m分辨率)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所、中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心。其他數(shù)據(jù)包括1∶50000地形圖、研究區(qū)行政邊界矢量數(shù)據(jù)、2014年6—8月的野外采樣數(shù)據(jù)等。

運(yùn)用ENVI4.8對(duì)2007和2008 兩期4景Landsat TM5遙感影像、ENVI5.1對(duì)2013年兩景Landsat 8 影像進(jìn)行幾何配準(zhǔn)，校正誤差均嚴(yán)格限制在0.5個(gè)像元以內(nèi)，重采樣分辨率為30m；通過ENVI4.8和ENVI5.1定標(biāo)工具進(jìn)行輻射定標(biāo)，將遙感數(shù)據(jù)的DN值轉(zhuǎn)換成反射率，從而消除傳感器造成的內(nèi)部誤差；通過大氣校正，在一定程度上消除部分大氣和光照等因素對(duì)地物反射的影響，獲得較為真實(shí)的反射率等物理參數(shù)；對(duì)進(jìn)行處理后的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、裁剪，獲得研究區(qū)遙感數(shù)據(jù)。

2.2NDVI計(jì)算與異常值處理

NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)，又稱歸一化植被指數(shù)，反映植被生長(zhǎng)狀態(tài)的重要指標(biāo)因子，是目前應(yīng)用最為廣泛的指標(biāo)[23- 26]，通常被定義為近紅外波段(NIR<0.7 mm)與可見光紅光波段R(0.4—0.7 mm)反射率之差與反射率之和的比值[27]即：

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

(1)

NDVI值介于[-1,1]之間，數(shù)值越大代表植被的覆蓋狀況越好，植被的生物量越多[27]。經(jīng)過計(jì)算得到的NDVI數(shù)據(jù)，由于大氣校正后的結(jié)果有部分像元為負(fù)值，陰影區(qū)域的NDVI在[-1,1]之外成為異常值。為便于后續(xù)的計(jì)算和分析，本文統(tǒng)一將這部分像元的NDVI值變成背景值(0)，并在ENVI平臺(tái)上通過Band Math：(NDVIlt-1)×0+(NDVIgt1)×0+(NDVIge-1 and NDVIle1)×NDVI，得到去除異常值后的NDVI數(shù)據(jù)。

2.3FVC計(jì)算

基于像元二分模型[28- 29]提取FVC的原理是假設(shè)一個(gè)像元的信息可分為植被覆蓋像元與裸土覆蓋像元兩部分，那么該混合像元的遙感信息S就可以表達(dá)為植被信息Sv和裸土信息Ss兩部分[30- 31]，即：

S=Sv+Ss

(2)

設(shè)純植被覆蓋像元的遙感信息為Sveg，純裸土覆蓋像元的遙感信息為Ssoil，混合像元中有植被覆蓋的面積比例即該像元的植被覆蓋度(FVC)；裸土覆蓋度則為(1-FVC)，則混合像元中植被和裸地信息的計(jì)算可以分別表示為：

Sv=FVC×Sveg

(3)

Ss=(1-FVC)×Ssoil

(4)

因此，將公式(3)和(4)代入公式(2)，得到植被覆蓋度FVC的計(jì)算公式：

FVC=(S-Ssoil)/(Sveg-Ssoil)

(5)

據(jù)相關(guān)研究[32]，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。因此，根據(jù)像元二分法原理，將NDVI帶入公式(5)，變換得到計(jì)算植被覆蓋度的公式[33]：

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

(6)

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。

由于受大氣、地表狀況、年份、季節(jié)和區(qū)域等條件影響，NDVIsoil、NDVIveg值隨時(shí)間與空間而變化[29,34]。本研究在統(tǒng)計(jì)影像NDVI值，區(qū)域NDVI累積概率分布表或直方圖的基礎(chǔ)上，以5%和95%的累積百分比為置信度區(qū)間，讀取對(duì)應(yīng)的像元值，從而分別確定為研究區(qū)有效的NDVIsoil和NDVIveg值(表1)。

2.4植被覆蓋度等級(jí)劃分

為更好的進(jìn)行植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化分析，在對(duì)研究區(qū)2007—2013年三期植被覆蓋度計(jì)算基礎(chǔ)上，根據(jù)FVC高低，結(jié)合實(shí)際情況，將FVC劃分為5個(gè)等級(jí)[35]，即低植被覆蓋度(0—0.2)、中低植被覆蓋度(0.2—0.4)、中植被覆蓋度(0.4—0.6)、中高植被覆蓋度(0.6—0.8)、高植被覆蓋度(0.8—1.0)，通過密度分割處理，生成植被覆蓋度分級(jí)圖和各等級(jí)面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

2.5影像密度分割與差值影像計(jì)算方法

根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況及野外調(diào)查驗(yàn)證，采用影像密度分割與差值影像算法的方法，提取植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化?？紤]到相關(guān)研究將植被覆蓋度降低的閾值設(shè)置為10%可能忽略了植被覆蓋度下降幅度介于0—10%之間的區(qū)域[11]，本文將植被覆蓋度差值為為負(fù)值時(shí)判別為受損信息，為正值時(shí)判別為植被恢復(fù)信息，零值時(shí)表示植被覆蓋度幾乎沒有變化。

2.6地形因子等級(jí)劃分

為了分析植被受損與恢復(fù)的地形因子響應(yīng)，現(xiàn)對(duì)岷江汶川-都江堰段高程、坡度和坡向等地形因子分別進(jìn)行不同等級(jí)劃分。

(1)高程等級(jí)劃分：采用等距離間隔方法，對(duì)斷點(diǎn)值采取四舍五入方法，將高程劃分為10等級(jí)：567—1105 m、1105—1642 m、1642—2180 m、2180—2719 m、2719—3256 m、3256—3793 m、3793—4331 m、4331—4869 m、4869—5406 m和5406—5944 m。

(2)坡度等級(jí)劃分：采用等距離斷點(diǎn)方法和對(duì)斷點(diǎn)值采取四舍五入方法，將坡度劃分為10等級(jí)：<9°、9—17°、17—26°、26—34°、34—43°，43—51°，51—60°、60—68°、68—77°和>77°。

(3)坡向劃分：本研究把坡向綜合成9種類型，即：平緩坡(-1°)，北坡(0—22.5°，337.5—360°)、東北坡(22.5—67.5°)、東坡(67.5—112.5°)、東南坡(112.5—157.5°)、南坡(157.5—202.5°)、西南坡(202.5—247.5°)、西坡(247.5—292.5°)和西北坡(292.5—337.5°)。

2.7精度驗(yàn)證

為驗(yàn)證FVC估算精度，2014年6—8月在植被覆蓋高的季節(jié)，在研究區(qū)進(jìn)行FVC調(diào)查，實(shí)測(cè)得到109個(gè)采樣點(diǎn)。遙感估算FVC與實(shí)測(cè)FVC的相關(guān)性分析如圖2。據(jù)圖可見，F(xiàn)VC估算值與實(shí)測(cè)值之間存在顯著相關(guān)，R2=0.758，表明基于遙感FVC估算具有較高的精度和可靠性，驗(yàn)證結(jié)果符合要求(圖2)。

3結(jié)果與分析

3.1植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化

2007—2013年不同時(shí)期的岷江汶川-都江堰段的中高度、高度植被覆蓋區(qū)分別占該區(qū)總面積的71.76%、70.68%和73.78%(表2)，反映了植被覆蓋度情況良好，均在中、高度以上，其中高植被覆蓋占研究區(qū)的比重較大，超過49%以上，但是不同等級(jí)、不同時(shí)段的植被類型變化趨勢(shì)不同。2007—2008年中低、中、中高植被覆蓋度面積呈下降趨勢(shì)，占研究區(qū)面積的比重分別減少2.16%，2%和7.89%，其中的中高植被覆蓋度面積減少尤其明顯；而低、高植被覆蓋度面積呈上升趨勢(shì)，比重分別增加5.23%和6.81%。2008—2013年低、中植被覆蓋度區(qū)域面積分別減少2.48%和0.87%；其余等級(jí)植被覆蓋度面積增加，分別達(dá)0.25%、1.26%和1.84%，尤其以高、中高植被覆蓋度區(qū)域面積增加顯著。

3.2植被覆蓋度空間格局變化

植被覆蓋度在空間分布上呈現(xiàn)由汶川縣東部、都江堰市西北部的龍門山區(qū)向兩側(cè)降低的總體趨勢(shì)(圖3)。中高度、高度植被覆蓋區(qū)主要集中分布在的汶川縣東部、都江堰市西北部的龍門山區(qū)，主要是這些區(qū)域未經(jīng)開采過的山區(qū)林地，以及水熱條件從龍門山區(qū)向兩側(cè)逐漸減少所致；而低植被覆蓋區(qū)主要分布于汶川縣西部，主要是降水減少與熱量條件的限制；中低植被覆蓋區(qū)主要分布于低植被覆蓋區(qū)外圍，也與水熱條件限制有關(guān)；中植被覆蓋區(qū)多分布于水熱條件較好的河谷區(qū)和都江堰市西南部地區(qū)。

大面積的建筑用地、未經(jīng)開發(fā)的或者植被破壞嚴(yán)重的裸地以及作物長(zhǎng)勢(shì)后期耕地區(qū)域?qū)е碌椭脖桓采w區(qū)與中低植被覆蓋區(qū)的出現(xiàn)；2008年汶川地震導(dǎo)致汶川縣東部、都江堰市西北部的龍門山區(qū)植被大面積受損，圖中可見大面積紅色區(qū)域出現(xiàn)；2013年龍門山區(qū)植被恢復(fù)良好，大面積紅色區(qū)域減少，但2008年震后出現(xiàn)的滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致都江堰和汶川北部地區(qū)紅色區(qū)域增加，表明植被恢復(fù)需要較長(zhǎng)時(shí)間(圖3)。

3.3植被覆蓋度變化與地形特征關(guān)系

3.3.1植被覆蓋度變化與高程

通過植被覆蓋圖與高程的空間疊加分析和統(tǒng)計(jì)分析，得到研究區(qū)植被覆蓋度變化隨高程關(guān)系數(shù)據(jù)(表3)和植被覆蓋面積占研究區(qū)面積的比重隨高程的變化關(guān)系(圖4)。從圖4 可知，植被覆蓋總體上隨高程增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，在高程小于2180 m范圍呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，高程大于2180 m以上區(qū)域，植被覆蓋呈減小的趨勢(shì)，尤其高程大于4869 m以上區(qū)域，植被覆蓋呈顯著減小，區(qū)內(nèi)幾乎全為低度植被覆蓋及無(wú)植被覆蓋。

同一高程范圍內(nèi)的不同年份、不同植被覆蓋差異顯著(表3)。高程567—1105 m范圍內(nèi)，2007年的低植被覆蓋、2008年和2013年的高植被覆蓋占研究區(qū)面積的比重達(dá)最大，分別達(dá)3.35%、5.57%和5.72%；高程1105—3793 m范圍內(nèi)，2007、2008和2013年高植被覆蓋占研究區(qū)面積的比重最大，其中在高程1105—3256 m范圍內(nèi)，隨高程的增加，高被覆蓋占研究區(qū)面積的比重呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；高程大于3793 m以上，除低植被覆蓋外，不同等級(jí)的植被覆蓋占研究區(qū)面積的比重呈顯著下降趨勢(shì)，甚至無(wú)植被覆蓋。

2007—2013年不同植被覆蓋在不同高程呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)(表3)。低度植被覆蓋在不同高程范圍呈現(xiàn)波動(dòng)變化趨勢(shì)，除在高程4331—4869 m范圍植被覆蓋面積占研究區(qū)面積的比重分別達(dá)最大(4.12%、4.25%和4.39%)外，整體上隨高程增加而減少趨勢(shì)；中低度植被覆蓋(0.2—0.4)分別在567—1105 m、3793—4331 m高程范圍比重大最大(4.01%、0.97%和1.27%)，之后隨高程增加，所占面積的比例呈下降趨勢(shì)；中度植被覆蓋在567—1105 m高程范圍比重達(dá)最大(2.95%、1.71%和1.53%)，之后隨高程增加，所占面積的比例呈下降趨勢(shì)；中高度植被覆蓋在不同高程范圍體現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。

3.3.2植被覆蓋度變化與坡度

植被覆蓋面積占研究區(qū)面積的比重隨坡度的變化增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)(圖5，表4)。由圖5可知，坡度小于9°的區(qū)域，植被覆蓋面積占研究區(qū)面積的比重最大，達(dá)24%以上；坡度9—17°范圍的比重顯著下降趨勢(shì)；坡度17—51°范圍的比重增加，最大值達(dá)17%以上；坡度大于51°以上的區(qū)域的比重下降，尤其是坡度在60°以上的區(qū)域的比重呈顯著的下降趨勢(shì)，幾乎全為低度植被覆蓋及無(wú)植被覆蓋。

由表4可知，2007年中高、高植被覆蓋度主要分布在坡度小于9°和34—51°的區(qū)域，分別占研究區(qū)面積的13.08%和27.31%，而坡度大于60°區(qū)域，植被覆蓋僅占研究區(qū)面積的2.89%；2008年中高、高植被覆蓋度主要分布在坡度小于9°的區(qū)域，高植被覆蓋度主要分布在坡度34—51°的區(qū)域，分別占研究區(qū)面積的16.72%和21.26%，而坡度大于60°的區(qū)域，植被覆蓋近占研究區(qū)面積的2.89%；2013年中高植被覆蓋度主要分布在坡度小于9°區(qū)域，高植被覆蓋度主要分布在坡度小于9°和34—51°區(qū)域，分別占研究區(qū)面積的6.61%和33.20%，，而坡度大于60°的區(qū)域，植被覆蓋近占研究區(qū)面積的2.89%。

3.3.3植被覆蓋度變化與坡向

研究區(qū)植被覆蓋度隨著坡向變化呈現(xiàn)不同的趨勢(shì)，研究區(qū)植被覆蓋主要集中分布在東坡、南坡和西坡(圖6)，在這3個(gè)坡向的植被覆蓋面積占研究區(qū)面積的比重超過51%以上，東北坡、東南坡、西南坡和西北坡植被覆蓋較少?？傮w而言，陰坡和陽(yáng)坡所接收的太陽(yáng)輻射能量的不同，導(dǎo)致了不同坡向的溫度差異，陽(yáng)坡的植被覆蓋度大于陰坡；北坡不利于地表受熱，日照的強(qiáng)度較南坡低、時(shí)間也相對(duì)較短，因而獲得的太陽(yáng)輻射總量低于南坡[12]。

不同植被覆蓋在不同的坡向具有不同的變化特點(diǎn)，其中高植被覆蓋在不同坡向均占最大比重(表5)。2007—2013年低植被覆蓋分布在東坡和南坡，分別占研究區(qū)面積的比重達(dá)4.45%、6.14%和4.61%；中低植被覆蓋主要分布在東坡和南坡，分別占研究區(qū)面積的比重達(dá)2.86%、2.03%和2.07%；中植被覆蓋主要分布在東坡、南坡和西坡，分別占研究區(qū)面積的比重達(dá)4.8%、3.91%和3.45%；中高植被覆蓋主要分布在東坡、西坡、南坡，分別占研究區(qū)面積的比重達(dá)11.02%、7.03%和7.55%；高植被覆蓋度主要分布在西坡、南坡和東坡，分別占研究區(qū)面積的比重達(dá)25.88%、28.92%和30.07%。

3.4植被受損與恢復(fù)的地形因子影響分析

3.4.1植被受損分析

2007—2008年間表征為植被覆蓋度受損的紅色調(diào)區(qū)域明顯超過了表征為植被覆蓋度增加的藍(lán)色調(diào)區(qū)域(圖7), 顯示了因地震造成的植被受損空間特征；汶川地震造成岷江汶川-都江堰段中高植被、中植被和中低植被受損，研究區(qū)植被受損面積為63808.7 hm2，占總面積的12.05%(表6)。

進(jìn)一步分析可知，植被受損以中高植被受損為主，面積為41784.67 hm2，占植被受損面積的65.48%，主要分布于汶川縣東部、都江堰市西北部地區(qū)(圖7 2007—2008年的紅色部分)；低植被覆蓋度區(qū)域增加，主要由于地震導(dǎo)致的滑坡、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害對(duì)植被的破壞。

植被受損在不同的高程、坡度和坡向具有顯著的空間分布特征。植被受損主要分布于高程567—4331 m，植被受損面積分別達(dá)61479 hm2，占研究區(qū)受損面積的96.34%，而高程大于4331 m的植被受損面積僅占3.65%(表6)。其中，植被受損最為嚴(yán)重的區(qū)域集中在海拔567—1105 m，面積為17687.83 hm2；其次，分布在海拔3256—4331 m，受損面積17359 hm2。擬合植被受損面積與高程，發(fā)現(xiàn)二者具有較強(qiáng)的相關(guān)性，滿足對(duì)數(shù)關(guān)系：

y=-5755.8ln(x)+15075,R2=0.6748

式中，y為植被受損面積(hm2)，x為高程(m)。

坡度<51°的范圍是主要的植被受損區(qū)域，約占植被受損面積的91.23%。其中，受損最為嚴(yán)重的區(qū)域分布在26—51°之間，占總受損面積的50.1%；其次，在坡度0—9°之間的植被受損，占總受損面積的32.81%(表6)。擬合植被受損與坡度，也具有較強(qiáng)的相關(guān)性，滿足二次曲線關(guān)系：

y=74.912x2-2383.2x+16605,R2=0.5959

式中，y為植被受損面積(hm2)，x為坡度(°)。

就植被受損的坡向分析，東坡和北坡的植被受損面積為23442.57 hm2，占研究區(qū)受損面積的36.74%；其次，南坡和西坡的植被受損面積為17489.99 hm2，占研究區(qū)受損面積的27.41%(表6)。擬合植被受損與坡向，相關(guān)性較弱，滿足弱二次曲線關(guān)系：

y=-46.665x2-83.881x+8987,R2=0.1814

式中，y為植被受損面積(hm2)，x為坡向。

3.4.2植被恢復(fù)分析

2008—2013年反映植被恢復(fù)的面積增加較多(圖7 2008—2013年綠色區(qū)域)，局部區(qū)域植被覆蓋度變化級(jí)差甚至達(dá)到了-4級(jí)(圖7 2008—2013年所示紅色部分)，表明局部區(qū)域植被覆蓋度出現(xiàn)急劇下降的態(tài)勢(shì)。

汶川地震5 a后，植被恢復(fù)面積達(dá)17786.48 hm2，占研究區(qū)面積的3.36%，但不同植被恢復(fù)狀況不同。低植被區(qū)域的減少，中植被覆蓋度區(qū)域面積恢復(fù)不明顯，高、中高植被覆蓋度區(qū)域面積增加顯著，約占植被恢復(fù)面積的92.56%，反映了這兩個(gè)等級(jí)的植被得到較大的恢復(fù)。

為了研究植被受損區(qū)的恢復(fù)狀況，本文分析了植被恢復(fù)與高程、坡度與坡向等地形因子的關(guān)系(表7)。

由表7可知，植被恢復(fù)在不同高程具有不同的特點(diǎn)?？傮w而言，隨著高程的增加，植被恢復(fù)面積呈遞減趨勢(shì)，即高程越高，植被恢復(fù)面積越少。研究區(qū)植被恢復(fù)主要發(fā)生在高程范圍為576—2180 m的區(qū)域，植被恢復(fù)面積約10389.6 hm2，約占植被恢復(fù)面積的58.4%?？傮w而言，海拔越高，植被恢復(fù)率越低，植被恢復(fù)程度與海拔總體上呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。采用植被恢復(fù)面積與高程進(jìn)行擬合，具有強(qiáng)相關(guān)性，滿足二次曲線關(guān)系，即：

y=9.2552x2-499.1x+4167.4,R2=0.8243

式中，y為植被恢復(fù)面積(hm2)，x為高程(m)。

植被恢復(fù)在不同的坡度體現(xiàn)不同狀況(圖8，表7)。植被恢復(fù)主要發(fā)生在坡度<60°的區(qū)域，植被恢復(fù)面積為17187.01 hm2，約占植被恢復(fù)面積的96.63%。其中，最主要的植被恢復(fù)發(fā)生在坡度26—51°的區(qū)域，植被恢復(fù)面積8261.29 hm2；其次，分布在<9°的區(qū)域，恢復(fù)面積約5940.55 hm2。坡度大于51°的區(qū)域，雖然震后已經(jīng)5 a，但植被恢復(fù)依然比較困難(圖8)。擬合植被恢復(fù)與坡度，具有較強(qiáng)相關(guān)性，滿足對(duì)數(shù)關(guān)系：

y=27.537x2-729.6x+4731.3,R2=0.5959

式中，y為植被恢復(fù)面積(hm2)，x為坡度(°)。

據(jù)表7，東坡的植被恢復(fù)面積最大，約5345.86 hm2；其次，南坡和東南坡的植被恢復(fù)面積占總恢復(fù)面積的比例分別達(dá)14.51%和12.78%。而西南坡、西北坡的植被的恢復(fù)狀況不佳，恢復(fù)面積僅占總恢復(fù)面積的比例分別達(dá)6.44%。擬合植被恢復(fù)與坡向，具有弱相關(guān)性，滿足弱二次曲線關(guān)系：

y=-106.19x2+910.45x+786.86,R2=0.2894

式中，y為植被恢復(fù)面積(hm2)，x為坡向。

4結(jié)果與討論

(1)基于Landsat5/8遙感數(shù)據(jù)，應(yīng)用像元二分模型法估算出岷江汶川-都江堰段植被覆蓋度，具有簡(jiǎn)便、適應(yīng)性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于植被稀疏、土壤反射率大的地區(qū)更適合[36- 37]。遙感估算方法雖然可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足，但由于岷江汶川-都江堰段云層覆蓋等天氣條件及對(duì)遙感數(shù)據(jù)的影響，研究區(qū)遙感影像的時(shí)相差異必然導(dǎo)致研究結(jié)果產(chǎn)生誤差。雖然本研究采取了輻射定標(biāo)、大氣校正、NDVI異常值消除等方法，消除大氣等因素對(duì)地物反射的影響，但如何消除云層覆蓋對(duì)線性光譜混合分析的影響，值得進(jìn)一步研究；植被與裸土NDVI值的確定是像元二分模型反演植被覆蓋度的關(guān)鍵[17]，由于植被類型、生長(zhǎng)狀況和下墊面的復(fù)雜性和多樣性，本研究應(yīng)用像元二分法模型選擇純植被和裸土覆蓋像元完全來(lái)自遙感數(shù)據(jù)，受氣象條件的影響，少部分區(qū)域難以100%滿足云量低于5%的要求，雖然精度檢驗(yàn)符合要求，但FVC 估算值和實(shí)測(cè)值很難完全一致，反演的植被覆蓋度仍有待進(jìn)一步的檢驗(yàn)，同時(shí)并未探究非密度和混合密度亞像元的情況[38]。

(2)植被覆蓋度時(shí)空變化差異顯著。岷江汶川-都江堰段大部分區(qū)域的植被覆蓋度均在中、高度以上，且其多集中未經(jīng)開采過的山區(qū)，植被覆蓋總體良好，但不同等級(jí)的植被類型變化趨勢(shì)不同；植被覆蓋度在空間格局上呈現(xiàn)由汶川縣東部、都江堰市西北部的龍門山區(qū)向兩側(cè)降低的總體趨勢(shì)。中高度、高度植被覆蓋區(qū)主要集中分布在汶川縣東部、都江堰市西北部的龍門山區(qū)，低植被覆蓋區(qū)主要分布于汶川縣西部。

(3)植被覆蓋與高程、坡度和坡向具有一定的關(guān)系。隨著高程的增加，岷江汶川-都江堰段的植被覆蓋度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，中低度植被覆蓋等級(jí)以上在高程4331—4869 m范圍以上體現(xiàn)顯著減少趨勢(shì)；隨著坡度的增加，植被覆蓋度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，坡度小于9°的區(qū)域，集中分布有24%以上的植被，而坡度大于60°的區(qū)域，植被覆蓋近占研究區(qū)面積的2.89%，幾乎全為低度植被覆蓋及無(wú)植被覆蓋；隨著坡向變化，植被覆蓋呈現(xiàn)不同的趨勢(shì)，植被覆蓋主要分布于東坡、西坡和南坡，但不同年份的植被覆蓋具有不同的變化特點(diǎn)。

(4)高程和坡度對(duì)植被損毀與恢復(fù)的影響明顯高于坡向。汶川地震造成岷江汶川-都江堰段中高植被、中植被和中低植被受損嚴(yán)重，面積達(dá)63808.7 hm2，占研究區(qū)總面積的12.05%。超過90%的植被受損集中分布于高程567—4331 m和50%以上的植被受損分布于坡度26—51°的范圍，這一結(jié)果與前人的研究結(jié)果基本一致[39- 41]；東坡和北坡的植被受損面積達(dá)36.74%，南坡和西坡的植被受損面積占研究區(qū)受損面積的27.41%。到2013年植被恢復(fù)面積達(dá)17786.48 hm2，占研究區(qū)面積的3.36%，其中以高植被和中高植被恢復(fù)為主，約占植被恢復(fù)面積的92.56%。植被恢復(fù)主要發(fā)生在高程范圍為576—2180 m的區(qū)域，植被恢復(fù)面積約10389.6 hm2，約占植被恢復(fù)面積的58.4%，隨著高程的增加，植被恢復(fù)面積呈遞減趨勢(shì)，總體上呈負(fù)相關(guān)；植被恢復(fù)主要發(fā)生在坡度小于9°和26—51°的區(qū)域范圍。各地形因子之間還存在著相互聯(lián)系和制約，對(duì)植被覆蓋程度的影響是一個(gè)綜合作用過程，雖然植被恢復(fù)與坡度之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，但不存在呈正相關(guān)的關(guān)系，這一結(jié)果與相關(guān)人員的研究結(jié)果不一致[11]。我們認(rèn)為，受降水、熱量條件、地形等因素的影響，適合于植被生長(zhǎng)與恢復(fù)的區(qū)域集中在坡度小于51°的區(qū)域，而山體坡度大，易發(fā)生次生災(zāi)害，導(dǎo)致大量的植被損失，植被生長(zhǎng)與恢復(fù)比較困難(圖8)。植被恢復(fù)主要發(fā)生在東坡、南坡和東南坡，植被恢復(fù)面積為10201.55 hm2，約占植被恢復(fù)面積的57.35%，植被恢復(fù)與坡向具有較顯著的關(guān)系。因此，植被恢復(fù)主要采用封育的方式進(jìn)行植被恢復(fù)，少量區(qū)域采用人工造林的方式恢復(fù)植被。

(5)岷江汶川-都江堰段地處青藏高原和四川盆地的過渡帶上，地震及其次生災(zāi)害在該區(qū)引發(fā)了大面積的滑坡、崩塌、泥石流等災(zāi)害，造成自然生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的巨大破壞，并將持續(xù)影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能[42- 43]。因此，基于多時(shí)像遙感數(shù)據(jù)、應(yīng)用遙感與GIS技術(shù)，對(duì)地震導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境演變進(jìn)行深入的研究，為災(zāi)后岷江上游乃至類似區(qū)域的生態(tài)恢復(fù)與重建提供理論依據(jù)。

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Dynamic monitoring of fractional vegetation cover along Minjiang River from Wenchuan County to Dujiangyan City using multi-temporal landsat 5 and 8 images

PENG Wenfu1,2, WANG Guangjie1,2, ZHOU Jieming1,2,*, XU Xinliang3, LUO Huailiang1,2,ZHAO Jingfeng1,2, YANG Cunjian1,2

1KeyLaboratoryofLandResourcesEvaluationandMonitoringinSouthwest,MinistryofEducation,SichuanNormalUniversity,Chengdu610068,China2TheInstituteofGeographyandResourcesScience,SichuanNormalUniversity,Chengdu610068,China3DataCenterforResourcesandEnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China

Key Words:fractional vegetation cover (FVC); dimidiate pixel model; spatial-temporal pattern; Minjiang River

Abstract：The terrestrial ecosystem plays an important role in maintaining the structure, function, and environment of earth systems, and therefore, human survival. Fractional vegetation cover (FVC) is an important indicator of ecological changes in the environment, and an important spatial parameter of land surface vegetation status for various ecological models. It is very important to estimate the changes and patterns of FVC within the fragile ecological system of the Minjiang River, which is located in a transition zone between the Tibetan Plateau and Sichuan basin. FVC information in the arid valley of the Minjiang River was extracted from remote sensing data, DEM, and GIS technology following the dimidiate pixel model. The differentiation characteristics of the spatial and temporal dynamic patterns of FVC, vegetation damage caused by the Wenchuan earthquake, vegetation restoration, elevation, slope, and aspect were also quantitatively studied. The results showed that: (1) the vegetation coverage was generally good during the study period; there were variations in levels of FVC, and the FVC in most areas was above medium and high levels. The overall spatial pattern showed reduced FVC on either side of the Longmen Mountains, in eastern Wenchuan County, and northwestern Dujiangyan City. The FVC change tended to increase first, then decrease with increasing elevation rendering. Above the lower levels, FVC was mainly distributed at elevations of 4331—4869 m, where the FVC decreased with increasing slope. More than 24% of the vegetation coverage was distributed in the area where the slope was less than 9°; there was little or no vegetation coverage in areas where the slope was greater than 51°. The FVC also changed according to aspect. It was mainly distributed on the eastern, western, and southern slopes. (2) The area of vegetation damage caused by the Wenchuan earthquake was 63808.7 hm2. Severe damage to vegetation occurred mainly within the range of 567—4331 m elevation, on slopes of 26—51°, with eastern, northern, southern, or western aspects. (3) After five years of natural regeneration, 17786.47 hm2of the destroyed areas were recovered. The recovered vegetation area occurred mainly across elevation ranges of 567—2180 m and 3256—3793 m, on slopes of <9° or 26—51°, and eastern, southeastern, and southern aspects. (4) The results also showed that elevation and slope had significantly larger effects than aspect on vegetation damage or restoration. Although there was a certain correlation between the vegetation damage and restoration, the change patterns were complicated. The results provided very useful information for decision-making and policy-planning in the region of the Minjiang River, from Wenchuan County to Dujiangyan City, after the Wenchuan earthquake. Although the natural vegetation recovery is a slow process, some of the areas with earthquake-induced damage can be restored to their original condition through natural succession. Human intervention may not be a good way to address natural vegetation recovery in this area. Thus, vegetation restoration mainly involves closing the areas to promote natural vegetation restoration, or adopting artificial forestation to restore vegetation in a small area.

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41371125)

收稿日期:2014- 09- 05; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 08- 05

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: zjm@sicnu.ecu.cn

DOI:10.5846/stxb201409051756

彭文甫, 王廣杰, 周介銘, 徐新良, 羅懷良, 趙景峰, 楊存建.基于多時(shí)相Landsat5/8影像的岷江汶川-都江堰段植被覆蓋動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè).生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(7):1975- 1988.

Peng W F, Wang G J, Zhou J M, Xu X L, Luo H L, Zhao J F, Yang C J.Dynamic monitoring of fractional vegetation cover along Minjiang River from Wenchuan County to Dujiangyan City using multi-temporal landsat 5 and 8 images.Acta Ecologica Sinica,2016,36(7):1975- 1988.