應(yīng)用Landsat影像數(shù)據(jù)分析岷江上游植被覆蓋度時空變化及地形分異特征1)

黃蘭鷹 楊育林 高鵬

(森林和濕地生態(tài)恢復(fù)與保育四川省重點實驗室(四川省林業(yè)科學(xué)研究院)，成都，610081)(理塘縣林業(yè)和草原局)

嚴(yán)欣榮 尤繼勇 張好 賀維 吳雨峰

(中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所)(森林和濕地生態(tài)恢復(fù)與保育四川省重點實驗室(四川省林業(yè)科學(xué)研究院))

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，具有涵養(yǎng)水源、平衡碳循環(huán)、保持水土等作用[1]。植被覆蓋度是反映地表植被覆蓋的重要參數(shù)，能夠直觀的反映一個地區(qū)的植被覆蓋程度和植被的生長狀態(tài)，也是生態(tài)修復(fù)、土壤風(fēng)蝕程度以及荒漠化程度有效評估的重要指標(biāo)[2-4]。植被覆蓋度的時空差異能夠反映地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)或退化的程度[5]。

植被覆蓋度傳統(tǒng)的測量方法包括目估法、采樣法、儀器法和模型法等[6-7]，這些方法的精度較高、獲取的信息也較為全面，但是獲取區(qū)域較小，操作復(fù)雜，效率低，成本較高。近年來，隨著高光譜、高空間、高時間分辨率傳感器的出現(xiàn)，遙感已經(jīng)成為實時、大尺度乃至全球植被覆蓋度監(jiān)測的重要手段，應(yīng)用歸一化植被指數(shù)的像元二分模型是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的植被覆蓋度估算方法[8]。李苗苗等[9]應(yīng)用像元二分模型對密云水庫上游植被覆蓋度進(jìn)行遙感估算，估算結(jié)果精度較高；王偉澤等[10]利用像元二分模型反演了扎龍濕地15年間的植被狀況，并分析了水文因子對植被覆蓋度的影響；張舒婷等[11]以黃土高原為對象，利用像元二分模型估算了研究區(qū)植被覆蓋度，并探討了地形因子對植被覆蓋度的影響；張志強等[12]利用像元二分模型估算了黃河流域的植被覆蓋狀況，并分析了其時序變化特征；崔燦等[13]利用像元二分模型提取了新疆荒漠的植被分布，并分析了荒漠等類型的轉(zhuǎn)化特征。

岷江上游作為長江等其他江河的重要流域，同時也是成都平原重要的水源，其植被狀態(tài)變化對區(qū)域經(jīng)濟生態(tài)的穩(wěn)定具有重要影響。近年來，在人類活動干擾和全球氣候變化影響下，其區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性受到干擾，主要表現(xiàn)為水土流失嚴(yán)重以及植被退化等方面。目前，對該區(qū)域的研究主要集中在土壤[14]、地貌[15]、水系[16]、植物群落[17]、土地利用變化[18]、干旱河谷植被恢復(fù)[19]等方面，而對其植被覆蓋度的時空變化研究還較少，而植被變化不僅與氣候、人類活動相關(guān)，還與其生境因子地形相關(guān)。因此，本文以2000，2010和2020年的Landsat遙感影像為數(shù)據(jù)源，應(yīng)用像元二分模型，結(jié)合海拔、坡度和坡向等地形因子，分析2000—2020年岷江上游植被覆蓋度的時空變化及其地形分布特征，以期為其生態(tài)保護和土地規(guī)劃利用提供技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況

岷江上游地處橫斷山脈與四川盆地的過渡地帶，地理坐標(biāo)為102°59′～104°14′E，31°26′～33°16′N(見圖1)，主要流經(jīng)四川省阿壩州的汶川、理縣、茂縣、黑水和松潘五縣，流域面積24 780.123 km2。該流域主要為高山峽谷地貌，地形起伏大，海拔764～5 840 m。岷江上游屬于干溫河谷類型，氣候垂直性差異大，焚風(fēng)效應(yīng)明顯，降水主要集中在5—9月，干濕季分明。植被類型較豐富，且具有明顯的垂直地帶性。

圖1 研究區(qū)地理位置示意圖

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

遙感數(shù)據(jù)使用中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心(https://www.gscloud.cn/)提供的美國陸地資源衛(wèi)星Landsat遙感影像。本文選取了2000年8月Landsat TM影像、2010年8月Landsat TM影像和2020年7月Landsat OLI3期遙感影像作為數(shù)據(jù)源，軌道編號為130/039，130/038，130/037。3期影像植被信息豐富，空間分辨率均為30 m，并已進(jìn)行了輻射校正、鑲嵌和裁剪等預(yù)處理。數(shù)字高程模型來自美國ASTER衛(wèi)星獲取的30 m地面分辨率ASTER GDEM數(shù)據(jù)(https://www.gscloud.cn/)，并利用Arcgis10.2軟件計算出研究區(qū)海拔、坡度以及坡向等地形因子并對其重分類(見圖2)。

圖2 研究區(qū)地形圖

2.2 植被覆蓋度信息提取

歸一化植被指數(shù)(INDV)。歸一化植被指數(shù)是應(yīng)用植被在可見光不同波段的光譜差異所構(gòu)建，即植物葉片在紅光波段具有很強的吸收特性，在近紅外波段具有較弱的吸收特性。

INDV=(NIR-R)/(NIR+R)。

式中：NIR為地表近紅外波段反射率，R為地表紅外波段反射率。

在ENVI5.3中用band math計算研究區(qū)3期影像的歸一化植被指數(shù)，本文用了兩個不同傳感器的數(shù)據(jù)，計算地表近紅外波段反射率和地表紅外波段反射率時有一定差異。

植被覆蓋度提取。像元二分模型的基本原理是假設(shè)一個像元的信息(S)由綠色植被部分的信息(Sv)和非植被部分(即裸土)(Ss)組成，則整個像元的信息(S)被線性分解為Sv和Ss兩部分。

晚上，杏子約了招財，兩人躲在牛欄旁的草堆里，招財又要做那事，杏子死活不肯，她說，我已經(jīng)被你害成這樣，你還要來害我。招財說，聽人講，在肚子上加壓，可以把孩子壓出來，我們試試吧？杏子無奈地說，那就試試吧！杏子仰著平躺下來，招財先是用手摁在杏子的肚子上，使勁往下壓，然后又橫躺下去，來來回回不停地翻滾，杏子在下面痛出一身大汗，她不敢叫喚，將手臂緊緊堵住嘴巴，不多久，手臂上咬出血來，黑糊糊的一片。后來，杏子實在禁不住，一身尖叫，暈了過去。

S=Sv+Ss；

假設(shè)像元內(nèi)植被覆蓋度為fv，完全由植被覆蓋的純凈像元信息為Sveg，完全由裸土覆蓋的純凈像元信息為Ssoil，則有：

Sv=fv·Sveg；

Ss=(1-fv)·Ssoil；

fv=(S-Ssoil)/(Sveg-Ssoil)。

利用李苗苗等[9]歸一化植被指數(shù)的改進(jìn)模型，植被覆蓋度最終計算公式為：

fv=(INDV-Is)/(Iv-Is)。

根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和區(qū)域?qū)嶋H情況，將植被覆蓋度分為5個等級：Ⅰ級為低覆蓋度(00.75)。將研究區(qū)海拔范圍為764～5 840 m，坡度范圍為0°～88°，結(jié)合岷江上游實際地形地勢情況，將地形因子分為5級(見表1)。

表1 地形因子分級及面積占比

3 結(jié)果與分析

3.1 岷江上游植被覆蓋度時空變化特征

3.1.1 時間尺度

由表2、表3可知，2000—2020年，岷江上游植被覆蓋度呈先降低后升高的趨勢，總體呈改善，其中Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅴ級區(qū)域面積分別增加10 924.29、36 560.7和71 153.01 hm2，增幅分別為9.00%、18.31%和4.75%，Ⅰ級和Ⅳ級區(qū)域面積分別減少80 027.10、38 610.90 hm2，降幅分別為27.04%和10.64%。不同時間段各級植被覆蓋度區(qū)域面積占比不同，但總體來說Ⅴ級區(qū)域占比面積最大，其次是Ⅰ級和Ⅳ級，而Ⅱ級最小。

表2 2000—2020年不同植被覆蓋度等級面積及比例

表3 2000—2020年不同植被覆蓋度等級面積的變化

2000—2010年間植被覆蓋度呈明顯降低的趨勢，主要表現(xiàn)為Ⅳ級和Ⅴ級區(qū)域面積下降，而Ⅰ級和Ⅱ級區(qū)域面積增加。Ⅳ級和Ⅴ級區(qū)域面積分別減少92 599.92、54 078.66 hm2；Ⅰ級和Ⅱ級區(qū)域面積分別增加100 395.36、36 001.71 hm2，增幅分別為33.92%和29.67%。這主要是由于岷江上游屬于高山峽谷地貌，2008年汶川地震引起塌方、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，導(dǎo)致坡上中高覆蓋區(qū)域等植被受到嚴(yán)重破壞。

2010—2020年間植被覆蓋度呈明顯增加的趨勢，主要表現(xiàn)為Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級區(qū)域面積增加，而Ⅰ級和Ⅳ級區(qū)域面積降低，其中Ⅴ級區(qū)域面積增幅最高，增幅為11.65%，Ⅰ級區(qū)域面積降幅最高，降幅為45.52%，這主要是經(jīng)過震后多年的植被恢復(fù)和有關(guān)林保措施的實施，岷江上游植被覆蓋率已明顯提高。

3.1.2 空間尺度

由圖3可知，在空間上，岷江上游流域植被覆蓋度整體呈現(xiàn)為“東高西低，南高北低”的分布特征，植被覆蓋度Ⅳ級和Ⅴ級主要分布在岷江上游中西部，Ⅲ級主要分布在雜谷腦河流域、黑水河兩岸山區(qū)、黑水縣的西部山區(qū)以及松潘縣的中高山區(qū)，Ⅱ級主要分布在干旱河谷低海拔的核心區(qū)域和松潘縣的東北山區(qū)，干旱河谷核心地帶地勢相對平坦、人口聚集，對植被干擾較大，Ⅰ級主要分布在黑水縣的西北部山區(qū)和松潘縣的極高海拔地帶。

圖3 2000—2020年植被覆蓋度等級

3.2 岷江上游植被覆蓋度地形因子的分異特征

3.2.1 岷江上游植被覆蓋度隨海拔的變化特征

由表4可知，隨著海拔的上升，植被覆蓋度呈先升高后降低的特征。海拔0

表4 2000—2020年不同海拔帶不同植被覆蓋度等級的面積

3.2.2 岷江上游植被覆蓋度隨坡度的變化特征

由表5可知，坡度通過改變物質(zhì)流動和能量循環(huán)來影響地表植被覆蓋狀況，不同坡度帶岷江上游植被覆蓋度隨著坡度的上升，植被覆蓋度呈先升高后降低的特征。坡度0°

表5 2000—2020年不同坡度帶不同植被覆蓋度等級的面積

3.2.3 岷江上游植被覆蓋度隨坡向的變化特征

由表6可知，坡向通過影響溫度和降雨來影響地表植被覆蓋狀況，不同坡向帶植被覆蓋度隨坡向的變化而變化，植被覆蓋度呈現(xiàn)從小到大的特征，且半陽坡的植被覆蓋度最大，平地大于半陰坡，陰坡最小。研究區(qū)平地地帶，主要植被覆蓋度以Ⅳ級以上為主，其面積占比達(dá)65%，其次為Ⅰ級，面積比例在10%左右；在陰坡和半陰坡地帶，植被覆蓋度主要以Ⅰ級、Ⅳ級和Ⅴ級為主，其面積總和占比達(dá)80%，且半陰坡的Ⅳ級以上區(qū)域面積比例比陰坡高，Ⅰ級區(qū)域面積比例也比陰坡低；在陽坡和半陽坡地帶，植被覆蓋度主要以Ⅰ級、Ⅳ級和Ⅴ級為主，其面積總和占比達(dá)85%以上，且半陽坡的Ⅴ級區(qū)域面積比例要比陽坡高，Ⅰ級區(qū)域面積比例要比陽坡低。說明研究區(qū)植被的分布受坡向影響也較大，半陽坡的植被覆蓋度相對較高，主要是由于岷江上游處于青藏高原-高山峽谷-四川盆地的過渡帶，在太平洋東南季風(fēng)和印度洋西南季風(fēng)向橫斷山區(qū)移動時，易在東坡(即半陽坡)形成較豐富的降水量，不僅為植物提供了水源，還在一定程度上促進(jìn)了土壤養(yǎng)分的礦化分解，為植物提供了較多的養(yǎng)分。2000—2020年時段內(nèi)，研究區(qū)各坡向帶植被覆蓋度有不同的變化，在平地、半陰坡以及半陽坡上，植被覆蓋度Ⅰ級和Ⅳ級的區(qū)域面積減少，Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅴ級的區(qū)域面積增加；在陰坡上，植被覆蓋度Ⅰ級、Ⅲ級和Ⅳ級的區(qū)域面積減少，Ⅱ級和Ⅴ級的區(qū)域面積增加；在陽坡上，植被覆蓋度Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅳ級的區(qū)域面積減少，Ⅳ級和Ⅴ級的區(qū)域面積增加。表明2000—2020年間各坡向地帶的植被覆蓋度均有所提高，且陽坡的提高幅度明顯高于陰坡。

表6 2000—2020年不同坡向帶不同植被覆蓋度等級的面積

4 結(jié)論與討論

岷江上游作為長江等其他江河重要的流域，同時也是成都平原重要的水源，其植被覆蓋變化對區(qū)域穩(wěn)定具有重要影響。傳統(tǒng)的植被覆蓋度調(diào)查方法獲取區(qū)域較小，高分辨遙感數(shù)據(jù)為植被覆蓋度實時、大尺度估算提供了支持。本文利用像元二分模型估算了研究區(qū)的植被覆蓋度，雖然該模型已經(jīng)得到廣泛運用[8-13]，但是對于該模型中的兩個參數(shù)(Is和Iv)取值仍然沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[9]，需要根據(jù)影像實際情況、歸一化植被指數(shù)分布范圍等對比不同置信區(qū)間選擇合適閾值，后續(xù)可以考慮使用多源遙感數(shù)據(jù)源進(jìn)行相互驗證，同時比較不同解混合模型的估算精度，并對模型進(jìn)一步完善，以獲取研究區(qū)更準(zhǔn)確的植被覆蓋狀況。

地形控制著區(qū)域物質(zhì)循環(huán)和能量流動，進(jìn)而影響植物的生長和分布。海拔、坡度等地形因子制約著岷江上游植被的分布，這與李崇巍等[22]研究的結(jié)果相一致。海拔主要通過影響溫濕度的再分配和人類活動來影響植被生長，植被覆蓋度在海拔2 000～4 000 m相對較高，與張文江等[23]研究的結(jié)論一致，即岷江上游地區(qū)2 000～3 000 m水熱條件最好。坡度主要是影響積溫能力，進(jìn)而制約土層保水能力，一般來說隨著坡度增加，土層保水能力降低，岷江上游植被覆蓋度隨坡度的變化符合該特征，岷江上游干旱河谷地帶作為區(qū)域經(jīng)濟文化的核心地帶，由于岷江上游生態(tài)退化和人類活動干擾，導(dǎo)致該地帶的植被狀態(tài)較差。近年來，隨著退耕還林等政策的實施，尤其是對坡度25°以上的耕地還林，使該區(qū)域的植被覆蓋度有明顯提高。坡向主要影響降水和積溫，與孫鵬森等[24]的研究結(jié)論相符合，總體上是陽坡植被覆蓋度大于陰坡，但本文中半陽坡的植被覆蓋度大于陽坡，主要是由于岷江上游處于青藏高原-高山峽谷-四川盆地的過渡帶，在太平洋東南季風(fēng)和印度洋西南季風(fēng)向橫斷山區(qū)移動時，受地形抬升的影響，易在東坡(即半陽坡)形成較豐富的降水，使其植被生長更好。因此，在后續(xù)對其發(fā)展規(guī)劃建設(shè)時，應(yīng)因地制宜，在低海拔、平緩坡地帶加強撫育造林，在中高海拔、斜陡坡地帶要加強退耕還林、還草和封山育林等措施；在河谷地帶應(yīng)重在保護，加強撫育造林，合理進(jìn)行人類活動和土地開發(fā)，改善植被覆蓋狀況。

以Landsat遙感影像為數(shù)據(jù)源，應(yīng)用像元二分模型分析了岷江上游2000—2020年的植被覆蓋狀況變化及地形分異特征。岷江上游植被覆蓋度呈先降低后升高的趨勢，Ⅲ級以上區(qū)域面積達(dá)到80%以上，Ⅰ級區(qū)域面積僅占10%左右，其中，Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅴ級區(qū)域面積分別增加9%、18.31%和4.75%，Ⅰ級和Ⅳ級區(qū)域面積分別減少為27.04%和10.64%。在空間上，流域整體植被覆蓋度呈現(xiàn)為“東高西低，南高北低”的分布特征，其中Ⅳ級區(qū)域主要分布在岷江上游中西部，Ⅰ級區(qū)域主要分布在黑水縣的西北部山區(qū)和松潘縣的極高海拔地帶；隨著海拔和坡度的上升，植被覆蓋度均呈先升高后降低的特征；半陽坡的植被覆蓋度最大，陰坡最小。