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    基于遙感的塔里木河下游地下水埋深對植被覆蓋的影響

    2022-11-26 05:46:56希爾艾力艾爾肯孫與襄劉強(qiáng)麥麥提吐遜麥麥提馬合木江艾合買提依爾帕尼江阿布力米提
    地理空間信息 2022年11期
    關(guān)鍵詞:覆蓋面積塔河覆蓋度

    希爾艾力·艾爾肯,孫與襄,2,劉強(qiáng),麥麥提吐遜·麥麥提,馬合木江·艾合買提,*,依爾帕尼江·阿布力米提

    (1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052;2.新疆新華水電投資股份有限公司,新疆 烏魯木齊 830052;3.塔里木河流域干流管理局,新疆 庫爾勒 841000;4.新疆喀什市水利局,新疆 喀什 844000)

    植被作為生態(tài)環(huán)境中最直觀的表征特征,不僅在衡量生態(tài)環(huán)境變化中起著“指示器”作用,更能對區(qū)域的生態(tài)安全和綠色發(fā)展產(chǎn)生重要影響,對評價植被生長狀態(tài)具有重要的現(xiàn)實意義。植被覆蓋度作為量化植被狀態(tài)的基本特征量,成為國內(nèi)的研究熱點(diǎn)[1-3]。新疆屬于內(nèi)陸干旱地區(qū),降水稀少、蒸發(fā)量大,地下水對植被生長和區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有至關(guān)重要的作用。自2000年開始,通過對塔里木河下游進(jìn)行生態(tài)輸水,抬升流域內(nèi)地下水位,修復(fù)其脆弱的生態(tài)環(huán)境。鄧銘江[4]等提出當(dāng)?shù)叵滤裆罴s為4 m時,適宜胡楊等根系植物的生長,當(dāng)?shù)叵滤裆畛^8.5 m時,不適宜植被生存。楊鵬年[5]等提出年輸水量維持在2.7×108m3以上,地下水埋深才能適宜流域內(nèi)植被生長。如何改善流域內(nèi)植被狀況和生態(tài)系統(tǒng),動態(tài)分析地下水變化,探究地下水和植被覆蓋度的關(guān)系,確定最佳的地下水埋深和生態(tài)輸水方式,成為重要的科學(xué)和現(xiàn)實問題[6-8]。遙感作為重要的對地觀測技術(shù),相較于傳統(tǒng)植被監(jiān)測方法,具有覆蓋范圍廣、時間序列性強(qiáng)、成本低等優(yōu)勢,在研究大區(qū)域植被覆蓋度動態(tài)監(jiān)測方面具有突出優(yōu)勢[9]。

    本文以塔里木河下游綠洲(以下簡稱塔河綠洲)為研究對象,基于英蘇里、喀爾達(dá)依、阿拉干、依干不及麻、庫爾干5個斷面8 a的年均地下水位埋深實測數(shù)據(jù),結(jié)合2001年和2017年7—10月的Landsat TM數(shù)據(jù)處理結(jié)果,定量分析了塔河綠洲地下水埋深對植被覆蓋度的影響。

    1 研究區(qū)概況

    研究區(qū)位于新疆塔河綠洲西海子水庫到臺特瑪湖之間(87°30'~88°20'E、39°20'~40°40'N),全長約428 km,東側(cè)為庫魯克沙漠,西側(cè)為塔克拉瑪干沙漠,形成隔斷兩大沙漠的重要綠色走廊,對區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)、綠色發(fā)展至關(guān)重要(圖1)。塔里木河下游具有典型的極端干旱溫帶大陸性氣候特征,氣候干燥(年均降水量為17.4~42.0 mm、蒸發(fā)量為2 500~3 000 mm),冬寒夏熱(年均氣溫為10.7~11.5℃),日照時間充足(年均日照時間為2 780~2 980 h),多為大風(fēng)天氣(年平均風(fēng)速為17~35 m/s)。由于遠(yuǎn)離海洋并被高山環(huán)繞,整個研究區(qū)降水稀少,自然降水不能有效補(bǔ)給地下水,生態(tài)環(huán)境非常脆弱,屬于典型的干旱少水地區(qū)。塔里木河下游區(qū)域海拔變化不大,主要在800~850 m之間,自西北向東南方向有下降趨勢,河道兩側(cè)形成了以胡楊等喬木,檉柳、鈴鐺刺、白刺等灌木以及蘆葦、羅布麻、駱駝刺等草本植物為主的天然綠色屏障。

    圖1 研究區(qū)位置

    2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

    2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

    1)數(shù)據(jù)來源。本文采用的地下水監(jiān)測資料為2001年和2017年英蘇里、喀爾達(dá)依、阿拉干、依干不及麻、庫爾干5個河道水文斷面43眼監(jiān)測井地下水位埋深實測數(shù)據(jù);采用的遙感數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)的Landsat系列影像,為實現(xiàn)可比性,選取2001年和2017年7—10月的Landsat TM數(shù)據(jù),均為塔里木河豐水期,植被覆蓋度高,云覆蓋率<5%,圖像分辨率為30 m,每景覆蓋范圍為185 km×185 km,條帶號/行編號分別為141/032、141/033和142/032。

    2)遙感影像預(yù)處理。首先利用ENVI 5.5軟件對研究區(qū)遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)和FLAASH大氣校正,以消除大氣和光照等因素對地物反射的影響;然后對3景影像進(jìn)行影像鑲嵌和研究區(qū)裁剪等處理,獲取研究區(qū)完整的遙感影像;再利用ENVI 5.5軟件的波段計算器工具,通過近紅外波段(NIR,0.76~0.96 μm)和可見光紅波段(RED,0.62~0.69 μm)計算得到研究區(qū)各像元的歸一化植被指數(shù)(NDVI),NDVI=(BNIR-BRED)/(BNIR+BRED);最后通過異常值計算公式,將大于1的NDVI值歸為1,小于-1的NDVI值歸為-1,得到去除異常值的NDVI遙感影像。

    2.2 基于NDVI的植被覆蓋度計算方法

    植被覆蓋度變化和NDVI變化具有很強(qiáng)的線性相關(guān)性,通??赏ㄟ^NDVI值直接提取植被覆蓋度。本文采用基于NDVI的像元二分模型估算植被覆蓋度,計算公式為:

    在實際應(yīng)用中,將NDVI值小于NDVImin區(qū)域的FVC取值為0;NDVI值大于NDVImax區(qū)域的FVC取值為1;介于二者之間的像元分別利用NDVImin和NDVImax代替NDVIsoil和NDVIveg,再利用式(1)進(jìn)行計算。NDVImin和NDVImax的取值是利用像元二分模型計算植被覆蓋度的關(guān)鍵[10],本文以5%和95%作為NDVImin和NDVImax。

    2.3 影像差值法

    為反映研究區(qū)植被覆蓋度和地下水埋深的動態(tài)變化,本文對不同時期的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行差值計算,獲取植被覆蓋度變化ΔF和地下水埋深變化ΔW。其計算公式為:

    式中,F(xiàn)2017、F2001分別為2017年和2001年的植被覆蓋度;W2017、W2001分別為2017年和2001年的地下水埋深。

    本文將ΔF分為嚴(yán)重退化(-1~-0.4)、一般退化(-0.4~-0.15)、基本穩(wěn)定(-0.15~0.15)、一般改善(0.15~0.4)、明顯改善(0.4~1)5個等級;將ΔW分為下降(<-0.5)、基本不變(-0.5~0.5)、輕微上升(0.5~2)、明顯上升(>2)4個等級。

    2.4 地下水埋深與植被覆蓋度的相關(guān)性計算

    通過相關(guān)性分析可研究兩個特定變量之間的相互關(guān)系[11-12],為了研究地下水埋深對植被覆蓋度的影響,本文以像元為計算單元,利用ArcGIS 10.5的柵格計算器計算得到2001—2017年植被覆蓋度變化和地下水埋深變化的相關(guān)系數(shù),計算公式為:

    式中,xi為2001年和2017年的植被覆蓋度;yi為2001年和2017年的地下水埋深;xˉ為這兩年植被覆蓋度的平均值;yˉ為這兩年地下水埋深的平均值。

    3 研究結(jié)果與分析

    3.1 植被覆蓋度空間分布特征與變化趨勢

    基于NDVI像元二分模型和Landsat TM/OLI遙感影像數(shù)據(jù),本文利用ENVI 5.3計算得到塔河綠洲兩個時期的植被覆蓋度,并通過傳統(tǒng)分割法將植被覆蓋度結(jié)果分為5個等級:裸地(0~0.2)、低植被覆蓋(0.2~0.3)、中低植被覆蓋(0.3~0.45)、中植被覆蓋(0.45~0.6)和高植被覆蓋(0.6~1)。2001年和2017年的植被覆蓋度空間分布如圖2所示,可以看出,塔河綠洲植被覆蓋總體以塔里木河下游段為軸線,從高植被覆蓋到低植被覆蓋向外分布;高植被覆蓋主要集中于34團(tuán)與35團(tuán)部、大西海子水庫與臺特瑪湖周圍,呈大面積片狀分布,其余植被覆蓋等級集中在高植被覆蓋外圍以及河流兩岸。

    圖2 塔河綠洲不同時期植被覆蓋度分級對比圖

    本文利用塔河綠洲矢量邊界掩模統(tǒng)計得到塔河綠洲不同等級植被覆蓋面積和NDVI均值的變化。結(jié)果表明,塔河綠洲植被覆蓋總面積和NDVI均值均呈增加趨勢,植被覆蓋總面積由2001年的779.9 km2增至2017年的884.0 km2,增幅為13.3%。從不同覆蓋等級來看,高植被覆蓋面積由147.1 km2增至267.9 km2,增幅為82.2%;中、中低植被覆蓋面積均呈增加趨勢,分別增加了61.6 km2和130.8 km2,增幅分別為128.3%和131.5%;低植被覆蓋和裸地面積均呈減少趨勢,分別減少了209.2 km2和104.1 km2,降幅分別為43.1%和5.7%。通過對比可知,在不同植被覆蓋變化中,中低植被覆蓋面積增加最顯著,低植被覆蓋面積在綠洲總植被覆蓋面積中的比重最大,高、中、中低和低植被覆蓋面積在兩個時期占總植被覆蓋面積的比重分別為18.9%、30.3%,6.2%、12.4%,12.8%、26.0%,62.2%、31.2%,說明高、中、中低植被覆蓋區(qū)域占比顯著上升,低植被覆蓋區(qū)域占比顯著下降。

    3.2 植被覆蓋空間變化特征

    為揭示塔河綠洲植被覆蓋動態(tài)變化,本文采用影像差值法計算了2001—2017年綠洲植被覆蓋的絕對變化,差值為正表示植被覆蓋面積增加,差值為負(fù)表示植被覆蓋面積減少。2001—2017年植被覆蓋絕對變化空間分布如圖3所示,可以看出,塔河綠洲34團(tuán)與35團(tuán)部、大西海子水庫與臺特瑪湖周圍變化較明顯;2001—2017年嚴(yán)重退化、一般退化、基本穩(wěn)定、一般改善、明顯改善的區(qū)域面積分別為14.93 km2、137.40 km2、2 121.91 km2、199.08 km2和133.25 km2,分別占總面積的0.57%、5.27%、81.41%、7.64%和5.11%。

    圖3 2001—2017年植被覆蓋絕對變化空間分布

    3.3 地下水埋深變化對植被覆蓋度變化的影響

    為了與塔河綠洲植被覆蓋度資料相對應(yīng),本文選取2001年和2017年英蘇里、喀爾達(dá)依、阿拉干、依干不及麻、庫爾干5個河道水溫斷面43眼監(jiān)測井地下水位埋深實測數(shù)據(jù),利用ArcGIS 10.8和ENVI 5.5軟件對地下水埋深數(shù)據(jù)進(jìn)行插值,并使地下水埋深分布圖與植被覆蓋度分布圖的像元大小一致,分別得到2001年和2017年地下水埋深空間分布圖(圖4),可以看出,2001年英蘇、老英蘇、博孜庫勒、臺特馬湖、庫爾干等區(qū)域的地下水埋深較淺,到2017年該區(qū)域周圍地下水位開始上升,并向周圍擴(kuò)大。2001年和2017年地下水埋深從低到高(h<2 m、2 m<h<3 m、3 m<h<4 m、4 m<h<5 m、5 m<h<6 m、6 m<h)區(qū)域?qū)?yīng)的面積分別為97.44 km2、398.11 km2、356.29 km2、492.01 km2、407.80 km2、852.22 km2和278.95 km2、286.44 km2、392.52 km2、479.02 km2、432.27 km2、734.66 km2。地下水埋深從低到高級別面積變化量分別為181.52 km2、-111.67 km2、36.23 km2、-12.99 km2、24.47 km2和-117.55 km2,變幅分別為186.29%、28.05%、10.17%、-2.64%、6.00%和-13.79%。

    圖4 2001年與2017年地下水埋深對比圖

    為了揭示塔河綠洲地下水埋深的動態(tài)變化情況,本文采用影像差值法計算兩個時期地下水埋深的絕對變化情況,得到2001—2017年塔河綠洲地下水埋深變化的空間分布圖(圖5),按差值大小分為下降、基本不變、輕微上升、明顯上升4個等級。由圖5可知,英蘇、老英蘇、喀爾達(dá)依、博孜庫勒區(qū)域地下水位明顯上升,輕微上升面積較大,老英蘇南部小面積地下水位下降;下降、基本不變、輕微上升、明顯上升區(qū)域?qū)?yīng)的 面 積 分 別 為4.28 km2、960.05 km2、1 379.26 km2、263.19 km2,占比分別為0.16%、36.83%、52.91%、10.10%。

    圖5 2001—2017年地下水埋深變化圖

    為研究地下水埋深變化對植被覆蓋度變化的影響,本文計算了研究區(qū)內(nèi)每個像元地下水埋深變化與植被覆蓋度變化之間的相關(guān)系數(shù),得到相關(guān)系數(shù)分布圖(圖6),可以看出,植被覆蓋度變化與地下水埋深變化呈正相關(guān)的區(qū)域面積占比為34.3%,呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域面積占比為65.6%。由圖3、4、6可知,大西海子水庫至阿拉干斷面之間河道兩側(cè)900 m、阿拉干斷面至臺特馬湖之間河道兩側(cè)500 m范圍內(nèi)地下水埋深變化與植被覆蓋度變化呈強(qiáng)烈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)在0.7~1之間,當(dāng)?shù)叵滤裆钌仙? m以上時,地下水埋深變化對植被覆蓋度具有明顯的改善作用;遠(yuǎn)離河道的區(qū)域呈強(qiáng)烈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)在-1~-0.5之間,當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥? m時,地下水埋深變化對植被覆蓋度變化沒有明顯影響。

    圖6 地下水埋深變化與植被覆蓋度變化的相關(guān)系數(shù)分布

    4 結(jié)語

    本文利用ArcGIS 10.8和ENVI 5.5軟件的空間解譯技術(shù),分析了塔河綠洲的地下水埋深和植被覆蓋度的空間分布特征,并擬合得到地下水埋深變化對植被覆蓋度變化的影響及其相關(guān)關(guān)系。

    1)近17年來塔河綠洲植被覆蓋面積明顯增加的同時,植被覆蓋度也明顯升高。2017年的植被覆蓋總面積比2001年增加了884.0 km2,增幅為13.3%。從不同覆蓋等級來看,高、中、中低植被覆蓋面積呈增加趨勢,其中中低植被覆蓋面積增加明顯;低植被覆蓋和裸地面積呈減少趨勢。

    2)塔河綠洲植被覆蓋空間變化存在區(qū)域性差異。塔河綠洲34團(tuán)與35團(tuán)部、大西海子水庫與臺特瑪湖周圍變化較明顯,明顯改善區(qū)域面積為嚴(yán)重退化區(qū)域的10倍,以高植被覆蓋為主。

    3)2001—2017年塔里木河下游地下水位的上升,主要以輕微上升為主。區(qū)內(nèi)適宜植被生長的最佳地下水埋深為2~4 m。當(dāng)?shù)叵滤裆顬?~6 m時,對植被覆蓋度具有改善作用;當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥? m時,對植被覆蓋度變化影響不大。

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