王兮之,陸龍,梁釗雄

(1.佛山大學(xué) 資源環(huán)境系,廣東 佛山 528000;2.蘭州工業(yè)研究所,蘭州 730050)

植被覆蓋度是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[1-2],它反映了地表植被分布規(guī)律,對探討植被分布影響因子,分析評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境,及時準(zhǔn)確地掌握植被動態(tài)變化至關(guān)重要,也是評價環(huán)境生態(tài)條件優(yōu)劣的一個主要指標(biāo)。近年來隨著遙感對地觀測技術(shù)的發(fā)展,應(yīng)用遙感數(shù)據(jù)估算大范圍的植被覆蓋度得到廣泛應(yīng)用。像元二分法就是通過建立植被覆蓋度和全植被覆蓋、純土壤覆蓋之間的關(guān)系模型來計(jì)算植被覆蓋度的方法。相關(guān)研究表明,即使不經(jīng)過大氣糾正,利用此模型也可以對植被動態(tài)變化做出可靠的估算[3-4]。MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)空間分辨率較高,時間分辨率高,實(shí)時性強(qiáng),成像范圍大,資源來源均勻、連續(xù),獲取成本低,在宏觀區(qū)域植被覆蓋研究中更具優(yōu)勢[5]。本文利用2001-2009年250 m分辨率的MODIS-NDVI數(shù)據(jù)與地形特征數(shù)據(jù),對湟水流域的植被覆蓋度時空變化進(jìn)行分析,研究結(jié)果將有助于了解該流域植被覆蓋動態(tài)變化及生態(tài)環(huán)境響應(yīng),為湟水流域生態(tài)環(huán)境評價以及流域水資源綜合管理和可持續(xù)發(fā)展提供決策支持。

1 流域概況

湟水河是青海省東北部最主要河流,也是黃河上游的最大支流。該流域位于北緯 36°20′-38°25′,東經(jīng)100°42′-103°15′,流域面積 32 900 km2,海拔5 197～1 578 m,屬青藏高原與黃土高原過渡地帶。湟水流域西起日月山,與青海湖內(nèi)陸水系相接;北依祁連山,和河西走廊內(nèi)陸水系相鄰;南以拉脊山為界,與黃河干流水系相鄰;東連甘肅省黃河支流莊浪河水系。大地構(gòu)造屬祁連山褶皺帶,地質(zhì)條件復(fù)雜,水系分布獨(dú)特,由西北向東南走向的祁連山、達(dá)坂山和拉脊山三條平行的山脈和其間的兩條谷地組成了湟水干流和支流大通河[6](圖1)。湟水干流與大通河形成了兩種截然不同的自然景觀共處于一個流域的獨(dú)特格局。

圖1 湟水流域位置圖

湟水流域內(nèi)由于相對高差大,氣溫、降水、植被、土壤隨地形、海拔高度的不同有明顯的差異。當(dāng)?shù)馗鶕?jù)地形、氣候、土壤、植被及農(nóng)業(yè)特點(diǎn)不同分為3種地貌單元,即腦山區(qū)、淺山區(qū)和川水區(qū),腦山區(qū)屬半濕潤區(qū),淺山區(qū)和川水區(qū)屬半干旱地區(qū)。腦山區(qū)約占流域面積的2/3,植被較好,局部山坡伴生天然林木,放牧草場占有很大比重;淺山區(qū)地表黃土覆蓋,植被稀少,水土流失嚴(yán)重,川水區(qū)為干流的河谷地帶,一般由多級階地構(gòu)成,村莊、工廠、公路、農(nóng)田多分布于Ⅱ-Ⅳ級階面上,氣候溫和,耕作歷史悠久,灌溉設(shè)施較為完善,作物產(chǎn)量較高[7]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)SRTM(分辨率為90 m)地形數(shù)據(jù)并借助ArcGIS的水文分析模塊功能,確定湟水流域及其子流域邊界?；诹饔虻牡匦翁卣鲃澐盅芯繀^(qū)為腦山區(qū)(2 700 m 以上)、淺山區(qū)(2 200～2 700 m)與川水區(qū)(2 200 m以下)[8]的分布和范圍(圖1)。

遙感數(shù)據(jù)采用美國LPDAAC(Land Process Distributed Active Archive Center)提供的MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品MOS13Q1,該數(shù)據(jù)為250 m分辨率的16 d合成植被指數(shù)(NDVI)。NDVI對于葉綠素含量比較敏感,更好地反映植被的冠層結(jié)構(gòu)[9],本研究使用了2001-2009年8月共計(jì)9個時相的NDVI數(shù)據(jù)。

2.2 植被覆蓋度估算

利用像元二分模型估算植被覆蓋度。采取基于NDVI的像元二分模型法反演植被覆蓋度,即假定每個像元所對應(yīng)的地表單元上僅存在兩種覆蓋類型,分別是植被和背景裸地,每個像元的歸一化植被指數(shù)NDVI是植被和裸地所對應(yīng)的NDVI值的加權(quán)和,而其權(quán)值即為這兩種覆蓋類型在像元內(nèi)的面積百分比。由此得出植被覆蓋度的計(jì)算公式[4]：

Fc=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)(1)式中：Fc——所求的植被覆蓋度;NDVI——像元的歸一化植被指數(shù)。NDVImin——純裸地覆蓋像元的最小值,理論上應(yīng)該接近于零;NDVImax——純植被覆蓋像元的最大值,理論上應(yīng)該接近于1。實(shí)際應(yīng)用中NDVImin和NDVImax都是從MODIS數(shù)據(jù)獲取的,式(1)中的NDVImin和NDVImax分別為研究區(qū)內(nèi)NDVI的最小值和最大值。

將計(jì)算得到的植被覆蓋度按照以下標(biāo)準(zhǔn)分級：Ⅰ級(低植被覆蓋度)：0～20%;Ⅱ級(較低植被覆蓋度)：20%～40%;Ⅲ級(中植被覆蓋度)：40%～60%;Ⅳ級(較高植被覆蓋度)：60%～80%;Ⅴ級(高植被覆蓋度)：80%～100%。進(jìn)行分級處理,獲得湟水流域的植被覆蓋度分級圖,并基于流域和地形特征統(tǒng)計(jì)與分析研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋度時空變化情況。

3 結(jié)果分析

3.1 流域植被覆蓋度

根據(jù)湟水流域的地形特征,分別統(tǒng)計(jì)計(jì)算流域內(nèi)不同子流域和不同地形區(qū)域的植被平均覆蓋度及空間分布變化,如表 1、圖2所示。

植被覆蓋度統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,湟水流域2001年植被平均覆蓋度為 68.77%,2009年為65.07%,從2001-2009年植被覆蓋度略有起伏但總體呈下降趨勢;大通河和湟水干流的植被平均覆蓋度變化趨勢與整個流域一致,但大通河流域的植被平均覆蓋度比湟水干流植被平均覆蓋度大約高1%～6%。流域內(nèi)基于地形特征的不同區(qū)域的植被平均覆蓋度差異顯著,腦山區(qū)、淺山區(qū)和川水區(qū) 9 a的平均覆蓋度分別為71.87%、57.54%和42.79%,腦山區(qū)和淺山區(qū)的植被平均覆蓋度總體呈下降趨勢,而川水區(qū)的植被平均覆蓋度總體略有增加。

表1 2001-2009年湟水流域植被平均覆蓋度統(tǒng)計(jì)%

湟水流域2001-2009年植被覆蓋度空間分布及變化情況(圖2)結(jié)合圖1所示可知,流域內(nèi)高植被覆蓋度與較高植被覆蓋度主要分布在大通河中、上游河流兩岸和湟水干流上游各支流水源區(qū);中度植被覆蓋度與較低植被覆蓋度主要分布在大通河上游與出水口附近以及湟水干流中下游地區(qū);低植被覆蓋度主要分布在大通河中游的最北部。腦山區(qū)以高植被覆蓋度與較高植被覆蓋度為主,淺山區(qū)以中植被覆蓋度與較高植被覆蓋度為主,川水區(qū)以中植被覆蓋度與較低植被覆蓋度為主。

圖2 2001-2009年湟水流域植被覆蓋度變化

3.2 流域植被覆蓋度變化

3.2.1 湟水流域植被覆蓋度變化 湟水流域以較高植被覆蓋度、高植被覆蓋度和中植被覆蓋度為主,9 a的平均植被覆蓋度分別占整個流域的46.78%、23.75%和20.38%,而低植被覆蓋度和較低植被覆蓋度共占9.09%。流域2001-2009年植被覆蓋度變化如圖3所示,9 a來較高植被覆蓋度與高植被覆蓋度的數(shù)量變化劇烈,高植被覆蓋度呈明顯較少趨勢,而較高植被覆蓋度增加顯著;中度植被覆蓋度數(shù)量表現(xiàn)為緩慢增加狀態(tài);較低植被覆蓋度數(shù)量略有變化,呈總體減少趨勢;流域植被覆蓋度總體表現(xiàn)為減少態(tài)勢。湟水流域的植被覆蓋度總體空間分布基本不變,但不同植被覆蓋度轉(zhuǎn)換較明顯,尤其高植被覆蓋度與較高植被覆蓋度之間的轉(zhuǎn)變顯著。

3.2.2 湟水干流與大通河流域植被覆蓋度變化 由圖2可知,湟水干流和大通河流域的植被覆蓋度差異明顯。湟水干流以較高植被覆蓋度、中植被覆蓋度和高植被覆蓋度為主,9 a的平均植被覆蓋度分別為43.57%、25.41%和21.74%,而低植被覆蓋度和較低植被覆蓋度共占9.28%;大通河流域以較高植被覆蓋度、高植被覆蓋度和中植被覆蓋度為主,9 a的平均植被覆蓋度分別為50.61%、26.17%和14.49%,而低植被覆蓋度和較低植被覆蓋度共占8.73%。從2001-2009年兩子流域各級植被覆蓋度的變化較大且也有一定差異。湟水干流的高植被覆蓋度和較低植被覆蓋度表現(xiàn)為減少態(tài)勢,而較高植被覆蓋度增加明顯,中植被覆蓋度數(shù)量略有增加而較低植被覆蓋度卻略有減少;大通河流域的高植被覆蓋度減少趨勢十分顯著而較高植被覆蓋度增加趨勢較明顯,中植被覆蓋度是略有增加而較低植被覆蓋度卻略有減少。兩子流域植被覆蓋度的總體變化與湟水流域一致,但變化的數(shù)量與程度上有顯著差異。

圖3 2001-2009年湟水流域植被覆蓋度變化

圖4 2001-2009年湟水干流植被覆蓋度變化

圖5 2001-2009年大通河流域植被覆蓋度變化

3.3 基于地形特征的湟水流域植被覆蓋度特征

3.3.1 流域植被覆蓋度特征 根據(jù)湟水流域的地形特征,即分別對腦山區(qū)、淺山區(qū)和川水區(qū)的植被覆蓋度變化情況。腦山區(qū)以較高植被覆蓋度、高植被覆蓋度和中植被覆蓋度為主,9 a的平均植被覆蓋度分別占整個流域的54.35%、30.87%和9.72%,而低植被覆蓋度和較低植被覆蓋度共占5.05%;淺山區(qū)以中植被覆蓋度和較高植被覆蓋度為主,9 a的平均植被覆蓋度分別占整個流域的49.39%和35.12%,而中植被覆蓋度、低植被覆蓋度和較低植被覆蓋度共占15.49%;川水區(qū)以較低植被覆蓋度和中植被覆蓋度為主,9 a的平均植被覆蓋度分別占整個流域的51.01%和43.11%,而較高植被覆蓋度、高植被覆蓋度和低植被覆蓋度共占5.88%。

圖6 2001-2009年腦山區(qū)植被覆蓋度變化

圖7 2001-2009年淺山區(qū)植被覆蓋度變化

圖8 2001-2009年川水區(qū)植被覆蓋度變化

3.3.2 植被覆蓋度變化 湟水流域內(nèi)腦山區(qū)、淺山區(qū)和川水區(qū)植被覆蓋度及其變化差異十分顯著。由圖6-8可知,從2001-2009年腦山區(qū)的高植被覆蓋度減少趨勢顯著,而較高植被覆蓋度增加趨勢明顯,中植被覆蓋度、較低植被覆蓋度和低植被覆蓋度基本保持不變,表明腦山區(qū)的高植被覆蓋度和較高植被覆蓋度之間轉(zhuǎn)換較大;淺山區(qū)的高植被覆蓋度和較低植被覆蓋度呈減少趨勢,而中植被覆蓋度增加趨勢明顯,較高植被覆蓋度雖有一定起伏但保持相對穩(wěn)定;川水區(qū)的中植被覆蓋度減少趨勢明顯,而較低植被覆蓋度增加趨勢顯著,較高植被覆蓋度雖有一定起伏變化,但保持基本穩(wěn)定,表明川水區(qū)的中植被覆蓋度和較低植被覆蓋度之間轉(zhuǎn)換劇烈。

4 結(jié)論

以2001-2009年的MODIS-NDVI和地形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分析湟水流域基于流域和地形特征的植被覆蓋度時空分布與變化。湟水流域以較高植被覆蓋度、中高植被覆蓋度與高植被覆蓋度為主。湟水干流和大通河流域的植被覆蓋度空間分布差異顯著,湟水干流以較高植被覆蓋度、中植被覆蓋度和高度植被覆蓋度為主;大通河流域以較高植被覆蓋度、高植被覆蓋度和中植被覆蓋度為主?；诘匦翁卣鞯匿宜饔蛑脖桓采w度分布地帶性特點(diǎn)明顯,腦山區(qū)以高植被覆蓋度和較高植被覆蓋度為主;淺山區(qū)以較高植被覆蓋度和中度植被覆蓋度為主;川水區(qū)以中度植被覆蓋度和低植被覆蓋度為主。

近9 a來湟水流域植被覆蓋度變化總體呈下降趨勢,尤其是較高植被覆蓋度與高植被覆蓋度之間的數(shù)量變化劇烈,即高植被覆蓋度呈明顯較少而較高植被覆蓋度顯著增加。湟水干流的高植被覆蓋度和較低植被覆蓋度表現(xiàn)為減少,而較高植被覆蓋度明顯增加;大通河流域的高植被覆蓋度減少,明顯而較高植被覆蓋度增加;腦山區(qū)的高植被覆蓋度減少,而較高植被覆蓋度增加,淺山區(qū)的高植被覆蓋度和較低植被覆蓋度減少而中植被覆蓋度增加,川水區(qū)的中植被覆蓋度減少,而較低植被覆蓋度增加。

[1] Gitelson A A,Kaufmn Y J,Stark R,et al.Novel algorithms for remote estimation of vegetation fraction[J].Remote Sensing of Environment,2002,80(1)：3457-3470.

[2] 祁燕,王秀蘭,馮仲科,等.基于 RS與GIS的北京市植被覆蓋度變化研究[J].林業(yè)調(diào)查規(guī)劃,2009,34(2)：1-4.

[3] 陽小瓊,朱文泉,潘耀忠.基于修正的亞像元的植被覆蓋度估算[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2008,19(8)：1860-1864.

[4] 李苗苗,吳炳方,顧長珍,等.密云水庫上游植被覆蓋度的遙感估算[J].資源科學(xué),2004,26(4)：153-159.

[5] Price J C.Comparing MODIS and ETM+data for regional and global classification[J].Remote Sensing of Environment,2003,86(4)：1835-1852.

[6] 李萬壽,席占平.湟水流域水源地基本特征與保護(hù)對策[J].水資源保護(hù),2005,21(4)：15-21.

[7] 李書堂.湟水流域徑流與泥沙特征的初步分析[J].陜西水利,2008(3)：64-65.

[8] 邱玉,周建中,馬林.湟水流域地表水資源特征[J].水資源與水工程學(xué)報,2007,18(6)：98-102.

[9] Huete A,Justice C,Leeuwen W V.Modis Vegetation Index(MOD13)Version 3.Algorithm Theoretical Basis Document[EB/OL],Http：//modis.gsfc.nasa.gov/data/atbd/atbd_mod13.pdf,1999.