基于RS與GIS的九寨溝國家級自然保護(hù)區(qū)地震前后植被覆蓋度變化分析

雷雨, 馮彬, 謝瑤瑤, 胡露, 趙姍姍, 董鑫*

1. 四川省甘孜衛(wèi)生學(xué)校，四川 甘孜 626001；

2. 西華師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，四川 南充 637002；

3. 西華師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，四川 南充 637002；

4. 西華師范大學(xué)管理學(xué)院，四川 南充 637002

植被是生態(tài)系統(tǒng)中最基本的成分，也是生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中最重要的組成部分之一[1-2]。植被覆蓋度是描述生態(tài)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)變化有重要的指示作用[3]。因此，在區(qū)域生態(tài)監(jiān)測中，植被覆蓋度作為一個重要指標(biāo)來評估生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境的變化及地質(zhì)災(zāi)害的影響空間范圍及程度[4]。通過研究植被覆蓋度及空間格局變化能夠方便了解該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化，并結(jié)合影響植被覆蓋度的地形因子要素分析，對于認(rèn)識地表空間區(qū)域變化具有直接現(xiàn)實(shí)意義[5-6]。

傳統(tǒng)的估算方法存在效率低、范圍小等缺點(diǎn)，而遙感數(shù)據(jù)宏觀、快捷、信息量豐富，可以定量反映植被生長狀況、植被覆蓋度等信息[7]，基于遙感影像的植被覆蓋度估算能進(jìn)行多尺度、大范圍、連續(xù)長時間的植被覆蓋度估算[8]。近年來，3S技術(shù)在生態(tài)質(zhì)量評價(jià)和建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評價(jià)等相關(guān)研究領(lǐng)域占據(jù)越來越重要的位置[9]，遙感技術(shù)使得宏觀區(qū)域數(shù)據(jù)獲得更加方便快捷，GIS技術(shù)可對于空間地理數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和分析處理[10]。

四川省地處青藏高原地震區(qū)，是地震災(zāi)害較為嚴(yán)重的地區(qū)[11]。地震造成的次生地質(zhì)災(zāi)害會致使災(zāi)區(qū)樹木被埋、倒伏及折斷，破碎和松散的土壤可以直接破壞或推翻大面積的森林，造成災(zāi)區(qū)植被覆蓋面顯著減少，對自然環(huán)境造成極大的破壞[12]。利用3S技術(shù)對地震前后進(jìn)行區(qū)域尺度的動態(tài)生態(tài)監(jiān)測，能為區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善、未來生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)決策支持[13]。本研究基于ENVI 5.3及ArcGIS 10.2軟件，利用Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)分析四川省九寨溝國家級自然保護(hù)區(qū)地震前后植被覆蓋度的空間格局變化，從而判斷地震對于植被覆蓋度的影響程度和空間范圍，研究結(jié)果能對九寨溝自然保護(hù)區(qū)震后生態(tài)修復(fù)與重建提供一定的科學(xué)參考,同時幫助我們深入理解地震對不同地形因子的植被覆蓋度的影響機(jī)制與變化規(guī)律。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

九寨溝國家級自然保護(hù)區(qū)是岷山山系大熊貓種群的核心棲息地和走廊帶，具有典型的自然生態(tài)系統(tǒng)，為全國生物多樣性保護(hù)的核心區(qū)域之一[14]。研究區(qū)動植物資源豐富，具有極高的生態(tài)保護(hù)、科學(xué)研究和旅游價(jià)值。2017年8月8日21時19分46秒，四川省北部阿壩州九寨溝縣發(fā)生7.0級地震，地震毀壞了森林植被的完整性，并且震后誘發(fā)了大量的滑坡及泥石流等次生災(zāi)害，導(dǎo)致了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境破壞。此外，滑坡及崩塌形成的堆積物在強(qiáng)降雨的影響下再次形成泥石流，沖毀大量的植被，形成二次破壞。

1.2 數(shù)據(jù)來源

影像數(shù)據(jù)來源于九寨溝地震前后2016年11月和2017年12月云量較少的Landsat8衛(wèi)星OLI傳感器數(shù)據(jù)，空間分辨率為30m（見表1）。由于在數(shù)據(jù)搜集的過程中存在一定困難，包括云量遮蔽過多、積雪大片覆蓋、數(shù)據(jù)缺失且無法下載等情況，未能選擇兩個年度時間完全相同的影像，而是盡量選擇了較合適時間點(diǎn)的可用數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)字高程（DEM）數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/），空間分辨率為30 m，用于地形因子的提取。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)來源Tab. 1 Source of remote sensing image data

1.3 植被指數(shù)的提取

1.3.1 歸一化植被指數(shù)的計(jì)算

在對研究區(qū)域進(jìn)行生態(tài)評價(jià)時，植被作為最基本的評價(jià)因子，其指數(shù)模型有150余種，常用的也有40多種[15-16]。其中，歸一化植被指數(shù)（NDVI）使用最為廣泛和頻繁[17]。通過近紅外波段與可見光紅波段數(shù)值之差與這兩個波段數(shù)值之和的比值計(jì)算獲得NDVI數(shù)值。

其計(jì)算表達(dá)式為：

NDVI=NIR-RED/NIR+RED

公式中，NIR—近紅外波段反射率；RED—可見光波段的反射率。

NDVI<0時表示圖像中覆蓋為云、水、雪等，對可見光高反射； NDVI=0表示巖石及裸地，此時NIR與RED接近相等； NDVI>0表示有植被覆蓋，且NDVI的值隨覆蓋度增大而增大。綜上，NDVI是探索研究區(qū)域內(nèi)森林植被和生態(tài)格局的重要因子，它是對區(qū)域內(nèi)植被類型、覆蓋形態(tài)、生長狀況等的綜合反應(yīng)，對植被覆蓋度的檢測幅度較寬，有較好的時相和空間適應(yīng)性[18]。

1.3.2 植被覆蓋度計(jì)算

植被覆蓋度（Fractional Vegetation Cover，F(xiàn)VC）指植被在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的百分比，計(jì)算公式如下[19-21]：

NDVIsoil ——完全是裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值

NDVIveg ——完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值

1.3.3 覆蓋度變化與地形因子分析

基于ENVI 5.3中進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、邊界裁剪及歸一化植被指數(shù)（NDVI）計(jì)算后，將九寨溝國家級自然保護(hù)區(qū)地震前后NDVI數(shù)據(jù)分別使用Statistics/Compute Statistics查看純植被像元對應(yīng)值，將最大值與最小值作為純像元值進(jìn)行波段計(jì)算，得到九寨溝國家級自然保護(hù)區(qū)地震前后植被覆蓋度（Fractional Vegetation Cover，F(xiàn)VC），在ArcGIS 10.2軟件中，將九寨溝國家級自然保護(hù)區(qū)植被覆蓋度基于間斷值20、40、60、80劃分為低、較低、中、較高、高覆蓋度5類[22-24]。將植被覆蓋度與功能區(qū)劃、地形因子進(jìn)行疊加分析，探究地震前后研究區(qū)植被覆蓋度的空間格局變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 歸一化植被指數(shù)

如九寨溝國家級自然保護(hù)區(qū)地震前后NDVI指數(shù)分布圖可見，地震導(dǎo)致研究區(qū)NDVI指數(shù)明顯下降，其峰值由0.584下降至0.528；NDVI指數(shù)下降的主要區(qū)域集中在研究區(qū)北部的震中周邊區(qū)域（見圖1）。

圖1 九寨溝國家級自然保護(hù)區(qū)地震前后NDVI示意圖Fig. 1 Schematic diagram of NDVI in Jiuzhaigou National Nature Reserve before and after the earthquake

2.2 植被覆蓋度

由九寨溝國家級自然保護(hù)區(qū)地震前后植被覆蓋度圖可見，地震導(dǎo)致九寨溝國家級自然保護(hù)區(qū)北部、中部及西南部區(qū)域植被覆蓋度顯著下降，對保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境帶來了嚴(yán)重影響（見圖2）。

圖2 九寨溝國家級自然保護(hù)區(qū)地震前后植被覆蓋度圖Fig. 2 Vegetation coverage classification diagram in Jiuzhaigou National Nature Reserve before and after the earthquake

將九寨溝國家級自然保護(hù)區(qū)地震前后不同植被覆蓋度區(qū)域面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過數(shù)據(jù)比較分析可知：（1）地震后，植被低覆蓋度區(qū)域面積擴(kuò)大，擴(kuò)大面積占研究區(qū)總面積的14.53%；（2）植被中覆蓋度和較高覆蓋度區(qū)域的面積下降最明顯，下降面積分別占研究區(qū)總面積的5.54%和4.79%；（3）研究區(qū)植被覆蓋度整體上減少（見表2）。結(jié)果表明，地震給九寨溝國家級自然保護(hù)區(qū)的植被帶來了負(fù)面的影響，低植被覆蓋度范圍在震后明顯增加，而較高覆蓋度和高覆蓋度的區(qū)域面積在震后有所減少。

表2 九寨溝國家級自然保護(hù)區(qū)植被覆蓋度面積變化表Tab. 2 Changes of vegetation coverage classification area in Jiuzhaigou National Nature Reserve

2.3 植被覆蓋度的空間格局變化

2.3.1 植被覆蓋度與功能區(qū)劃重疊分析

對四川九寨溝國家級自然保護(hù)區(qū)不同功能區(qū)劃的覆蓋度面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示：由表可知：（1）地震前，較高及高植被覆蓋度區(qū)域集中在核心區(qū)與實(shí)驗(yàn)區(qū)，較低及低植被覆蓋度區(qū)域集中核心區(qū)與緩沖區(qū)；（2）地震后，較高及高植被覆蓋度區(qū)域集中在核心區(qū)與實(shí)驗(yàn)區(qū)，但面積有所減少，實(shí)驗(yàn)區(qū)所占比例增大；較低及低植被覆蓋度區(qū)域集中核心區(qū)與緩沖區(qū)，面積都有所增加；（3）地震后不同功能區(qū)植被覆蓋度與震前相比，低覆蓋度范圍內(nèi)面積增加明顯，而其他覆蓋度范圍內(nèi)植被數(shù)量則下降，表明震后植被覆蓋度在各功能區(qū)總體上呈下降趨勢；（4）震中位于核心區(qū)，地震后，核心區(qū)植被覆蓋度下降幅度較大，表明地震對四川九寨溝國家級自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)帶來了較大的影響。

2.3.2 植被覆蓋度與海拔重疊分析

對四川九寨溝國家級自然保護(hù)區(qū)不同海拔區(qū)間（< 2 500 m，2 500~3 000 m，3 000~3 500 m，3 500~4 000 m和> 4 000 m）覆蓋度面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[25]。結(jié)果顯示：（1）研究區(qū)植被低覆蓋度面積隨著海拔高度的增加而增加，其他覆蓋度在0~3 500 m區(qū)間內(nèi)上升，在大于3 500 m區(qū)間內(nèi)下降；（2）地震前高覆蓋度區(qū)域集中在3 000~3 500 m區(qū)間，地震后高覆蓋度區(qū)域集中在2 500~3 000 m區(qū)間；（3）地震對< 4 000 m區(qū)域的植被影響較大，對> 4 000 m區(qū)域內(nèi)的植被影響較?。ㄒ姳?）。

表4 九寨溝國家級自然保護(hù)區(qū)地震前后不同海拔區(qū)間植被覆蓋度面積統(tǒng)計(jì)表Tab. 4 Statistics of vegetation coverage area at different altitude areas in Jiuzhaigou National Nature Reserve before and after the earthquake

表3 九寨溝國家級自然保護(hù)區(qū)地震前后不同功能區(qū)植被覆蓋度表Tab. 3 Vegetation coverage in different functional areas in Jiuzhaigou National Nature Reserve before and after the earthquake

2.3.3 植被覆蓋度與坡度重疊分析

對四川九寨溝國家級自然保護(hù)區(qū)不同坡度區(qū)間（<15°，15°~25°，25°~35°，35°~45°，45°~55°，55°~65°和>65°）覆蓋度面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[26]。結(jié)果顯示：（1）植被覆蓋度從0°~45°坡度區(qū)間內(nèi)隨著坡度的增加而增加，大于45°坡度后，植被覆蓋度隨著坡度的增加而減少；（2）地震前，高、較高植被覆蓋度區(qū)域集中在15°~45°區(qū)間，地震后，高、較高植被覆蓋度區(qū)域集中在25°~45°區(qū)間；（3）地震源附近坡度以15°~45°為主，此區(qū)間植被覆蓋度在震后面積減少明顯，坡度25°~35°區(qū)間內(nèi)植被減少面積最大，以此區(qū)間為中心，植被覆蓋度減少的程度向兩邊遞減，即坡度在越平緩及越陡峭的情況下，植被覆蓋度的減少程度越不明顯（見表5和表6）。

表5 九寨溝國家級自然保護(hù)區(qū)地震前不同坡度范圍植被覆蓋度表Tab. 5 Vegetation coverage in different slope ranges inJiuzhaigou National Nature Reserve before the earthquake

表6 九寨溝國家級自然保護(hù)區(qū)地震后不同坡度范圍植被覆蓋度表Tab. 6 Vegetation coverage in different slope ranges in Jiuzhaigou National Nature Reserve after the earthquake

2.3.4 植被覆蓋度與坡向重疊分析

對四川九寨溝國家級自然保護(hù)區(qū)不同坡向：0°~22.5°和337.5°~360°（北坡）、22.5°~67.5°（東北坡）、67.5°~112.5°（東坡）、112.5°~157.5°（東南坡）、157.5°~202.5°（南坡）、202.5°~247.5°（西南坡）、247.5°~292.5°（西 坡）、292.5°~337.5°（西北）的覆蓋度面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[27]。結(jié)果顯示：（1）以157.5°~202.5°（南坡）為中心，植被覆蓋度向兩邊逐漸增加，坡向在0°~22.5°和337.5°~360°（北坡）范圍內(nèi)植被覆蓋度幾近為0；（2）地震前后，高、較高植被覆蓋度區(qū)域都集中在坡向?yàn)闁|坡、東南坡、南坡和西南坡的區(qū)域；（3）震中位于東北坡到西北坡范圍內(nèi)，震前該區(qū)域內(nèi)植被生長狀況最為優(yōu)良而震后覆蓋度顯著減少（見表7和表8）。

表7 九寨溝國家級自然保護(hù)區(qū)地震前不同坡向范圍植被覆蓋度表Tab. 7 Vegetation coverage in different slope directions in Jiuzhaigou National Nature Reserve before the earthquake

表8 九寨溝國家級自然保護(hù)區(qū)地震后不同坡向范圍植被覆蓋度表Tab. 8 Vegetation coverage in different slope directions in Jiuzhaigou National Nature after the earthquake Reserve

3 討論

由于云量、積雪、大氣輻射等因素影響，無法得到地震前后相同時間點(diǎn)的九寨溝保護(hù)區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)，這對結(jié)果有一定的影響。為將數(shù)據(jù)影響最小化，研究選取了可獲得數(shù)據(jù)中時間點(diǎn)最接近，云量、積雪、大氣輻射等影響因素最小的兩期遙感影像。

研究發(fā)現(xiàn)，地震帶來的強(qiáng)大沖擊毀壞了九寨溝國家級自然保護(hù)區(qū)的森林植被，導(dǎo)致四川九寨溝國家級自然保護(hù)區(qū)植被覆蓋度整體上減少且震中區(qū)域范圍內(nèi)覆蓋度明顯下降，低植被覆蓋度面積占比在震后明顯提高，而較高覆蓋度和高覆蓋度的區(qū)域面積在震后明顯減少，植被覆蓋減少的區(qū)域主要集中在保護(hù)區(qū)北部、中部及西南部。

震中位于保護(hù)區(qū)核心區(qū)，地震后，核心區(qū)低植被覆蓋面積增幅最大，表明保護(hù)區(qū)核心區(qū)受到了地震的最強(qiáng)影響。地震對海拔< 4 000 m的區(qū)域植被影響較大，對海拔> 4 000 m的區(qū)域內(nèi)植被影響較小。這可能與植被分布有關(guān)，在海拔> 4 000 m的區(qū)域，植被分布較稀疏且不易受到滑坡、崩塌及泥石流的次生災(zāi)害影響。植被在坡度25°~35°區(qū)間，坡向?yàn)闁|坡、東南坡、南坡和西南坡的區(qū)域生長狀態(tài)較好，因此，受到地震影響，植被覆蓋減少的面積較多。

九寨溝的自然風(fēng)光雖造就了九寨溝的生態(tài)及旅游價(jià)值，但也帶來了地震后生態(tài)恢復(fù)的一系列難題。地震時產(chǎn)生的植被破壞，地震后強(qiáng)降雨沖刷地面及陡坡使得泥石堆積形成泥石流，泥石流對植被及土地進(jìn)行的二次破壞，這些都使得生態(tài)被破壞、植被覆蓋度降低。且在進(jìn)行生態(tài)人工修復(fù)的過程中，由于九寨溝的高海拔及陡坡的存在，給生態(tài)恢復(fù)任務(wù)帶來了很大的困難，植被及生態(tài)的恢復(fù)非一朝一夕能夠完成，需要不斷地探索，將科學(xué)技術(shù)方法與生態(tài)檢測相結(jié)合，不斷嘗試新的方法。研究結(jié)果可為災(zāi)后重建和生態(tài)恢復(fù)提供一定的科學(xué)參考：對于覆蓋度變化明顯的區(qū)域進(jìn)行實(shí)地考察，按照坡度、坡向、海拔、功能區(qū)分別調(diào)查植被覆蓋度明顯變化的區(qū)域范圍，找到當(dāng)?shù)卣鸷蟮纳鷳B(tài)破壞因素，因地制宜清理積壓的淤泥，疏通被堵塞的河流小溪，清理滑坡、泥石流等帶來的堆積物。重點(diǎn)考察覆蓋度變化最明顯的坡度、海拔、坡向和功能區(qū)區(qū)域，進(jìn)一步推進(jìn)災(zāi)后植被恢復(fù)工作。