1、收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()新疆维吾尔自治区“天山青年计划”青年博士科技人才培养项目()“新疆水利工程安全与水灾害防治自治区重点实验室”年开放课题项目()作者简介:张艳娇()女辽宁营口人硕士研究生主要从事水环境保护研究:.通信作者:李 巧()女四川广安人副教授博士硕士生导师主要从事水环境保护的研究:.:./.():基于遥感监测的 年三屯河流域植被覆盖时空演化分析张艳娇李 巧宿彦鹏陶洪飞姜有为马合木江艾合买提魏建群杨文新(.新疆农业大学 水利与土木工程学院乌鲁木齐 .新疆农业大学 新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室乌鲁木齐 .甘肃省临夏回族自治州广河县水务局甘肃 临
2、夏 )摘 要:为分析三屯河流域植被覆盖时空变化特征基于 卫星遥感数据、像元二分模型、图像差值法及变异系数等方法手段对 年 间植被覆盖时空分布特征、趋势及稳定性进行分析 三屯河流域植被覆盖度呈现逐年增长趋势特别是 年的年均增长速度为./()植被覆盖分布在空间上表现出两端高、中间低的规律性三屯河流域植被覆盖改善区域占比.整体呈现改善的趋势三屯河流域内植被覆盖度较为稳定区域绝大部分处于弱变异与中等变异 三屯河流域植被覆盖演化受到自然因素和人类因素影响自然因素的影响主要体现在温度与降水量的改变人类活动因素的影响主要体现在土地利用类型的改变上 研究成果可为促进三屯河流域生态恢复、经济发展提供科学依据关键
3、词:植被覆盖度 卫星遥感像元二分模型图像差值法变异系数三屯河流域中图分类号:文献标志码:文章编号:()开放科学(资源服务)标识码():(.):.第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报.年 月 .:研究背景植被是人类赖以生存发展的物质基础是陆地生态系统的重要组成部分对生态系统中的能量流动、物质循环和信息传递起着先导的作用植被与周围环境密切相关对生态环境的变化反应十分敏感人们常根据植被生长状况推测区域生态环境的变化情况因而从时间及空间尺度上监测植被的变化情况对于揭示生态环境变化、评价区域生态质量具有重要的意义 随着科技的进步覆盖范围广、时间有效性强且易获取的遥感监测技术成为大范围内植被监测的主要
4、手段目前基于遥感反演手段的植被覆盖度估算方法有很多如植被指数法、像元分解法、经验模型法等其中通过提取归一化植被指数计算植被覆盖度最为常用 等通过收集和评述利用热红外遥感数据获取的叶和冠层水平陆地植被最相关的信息讨论了在热红外区域植被研究中利用遥感的效果结果表明植被热红外遥感是其他遥感数据源的补充融合来自光谱不同部分的数据具有很高的潜力 等利用归一化植被指数()数据分析 年洞庭湖湿地植被变化的时空格局和驱动因素 结果表明人类活动有利于湿地植被恢复气候变化威胁湿地植被 田智慧等以 作为植被覆盖及生长状况指标研究了 年黄河流域植被时空演化驱动机制 得出研究区降水对植被的影响高于气温人类活动和气候变化
5、对黄河流域植被变化贡献度分别为 和 新疆属于典型的干旱地区对生态环境变化反应十分敏感具有气候干燥、降水量少且分布不均、蒸发性强、水资源匮乏、水土流失、植被退化等自然属性及生态环境问题因此新疆的植被覆盖变化情况一直以来备受学者的关注 同时新疆作为中国面积最大的省级行政区具有很大的发展空间三屯河流域位于新疆天山北坡经济带的中部是以农业为传统经济基础的昌吉市的经济保证因此研究三屯河流域长时间序列的植被覆盖变化对掌握三屯河流域环境的发展变化规律、生态环境保护及促进经济发展具有重要意义 目前三屯河流域长时间尺度植被覆盖变化方面的研究还处于空白阶段本研究以三屯河流域为研究区以 /卫星遥感数据、像元二分模型
6、为基础通过图像差值法、变异系数、转移矩阵等手段探讨自然因素与人类因素对三屯河流域植被覆盖的影响分析三屯河流域植被覆盖时空变化特征为促进三屯河流域生态恢复、经济发展提供科学依据 材料与方法.研究区概况三屯流域发源于天山北坡中段的天格尔峰由大气降水和冰雪融水进行补给冰川补给是三屯河径流较稳定的补给来源之一 三屯河流域面积为 流域整体呈条带状其地理位置在、之间是典型的内陆半干旱地区 三屯河流域位于新疆天山北坡经济带的中部承担着供应昌吉市生产生活用水任务是昌吉市的经济保证 三屯河流域的东西南北 个方向上分别对应以头屯河、呼图壁河、阿斯克达、古尔班通古特沙漠作为边界 三屯河自发源地起始流经南部山区、中部
7、平原消失于北部沙漠呈现出南高北低由西南向东北倾斜的地势三屯河流域生态环境较为脆弱整个流域自上游至下游以天然林、干草原、半荒漠、平原、荒漠的生态环境进行过渡三屯河流域年平均降水量为.年平均气温为.属中温带大陆性半荒漠干旱气候具有降雨量小、蒸发量大等特点.数据来源及数据处理综合考虑三屯河流域的农作物、自然植被生长期、沙尘暴、云量对植被覆盖度的影响本次研究选用 年 月 日、年 月 日、年 月 日、年 月 日、年 月 日及 年 月 日 期、景分辨率为 的遥感影像图遥感数据来源于地理空间数据云(:.)及美国地质勘探局(:.)研究所用到的用于绘制三屯河流域边界的 分辨率数字高程模型(长江科学院院报 年)高
8、程数据也来源于地理空间数据云 气象数据来自国家气象信息中心(:./)采用 年、年、年、年及 年的年均气温及降水量数据 土地利用数据来自资源环境科学与数据中心(:./)采用 年及 年的土地利用类型数据分辨率为 首先在 .软件中通过提取河网、分水岭等操作将三屯河流域边界图绘制出来然后运用.软件对本研究用到的遥感影像依次去条带、辐射定标、大气校正、镶嵌及裁剪和掩膜等处理得到三屯河流域遥感影像图 运用 .软件处理已下载的土地利用卫星数据得到三屯河流域土地利用变化情况.研究方法.计算 是所有植被指数中应用最为广泛的一种其能够涵盖 以上的植被信息对植被生长、覆盖变化等反应十分灵敏因此常用于植被监测 的计算
9、公式为 ()式中:表示近红外波段的反射值 表示红外波段的反射值 /的 对应的是 对应的是 的 对应的是 对应的是 不同研究区域的置信区间的取值范围也不尽相同常见的置信区间取值范围有 、研究处理得到的 像元数据在 左右时有递增的变化趋势故本次研究取 为置信区间即取频次为 的 作为 的值取频次为 的 作为 的值 为保证 最大值与最小值的准确性在.软件中利用波段运算掩膜去除 与 的异常值根据半干旱地区植被特征并结合土地利用现状调查技术规程草场资源调查技术规程土壤侵蚀分类分级标准等标准规范将研究区植被覆盖度 划分为 个等级:裸地或极低(.)、低(.)、中(.)、高(.).植被覆盖度估算利用像元二分模型
10、提取植被覆盖度是常用的植被覆盖度评估方法其在解译过程中能够减少大气、水体、土壤背景对遥感影像的影响 像元二分模型是将传感器监测到的光谱信息一分为二即植被覆盖的像元信息和没有植被覆盖的像元信息 像元二分模型的计算公式为 ()式中:表示混合像元信息表示无植被覆盖像元信息表示植被覆盖像元信息由于 对植被生长状态和植被覆盖等信息非常灵敏且能够减少部分因辐射引起的误差且其与植被覆盖度具有强相关性故在像元二分模型解析光谱波段和植被指数信息进行遥感提取时常选取 进行估测 用 替换像元信息将 也分为两部分即有植被覆盖的和无植被覆盖的得到如下植被覆盖度的计算公式为 ()基于研究区 年 间 期 景遥感影像通过 .
11、软件对数据进行处理分别得到 年、年、年、年、年及 年 组年均植被覆盖度数据用于分析 间三屯河流域植被覆盖的变化趋势.图像差值比较法图像差值法是基于遥感影像灰度值的差值原理而产生的一种差值比较法可以反映研究区植被的空间动态变化差值为正时表示研究区植被增加差值为负时表示研究区植被减少差值为 时表示植被覆盖状态未发生改变 图像差值法计算公式为 ()式中:表示植被覆盖的变化量表示前一个时相的植被覆盖数据表示后一个时相的植被覆盖数据图像差值法能够很好地反映研究区植被覆盖的变化情况根据图像差值法将三屯河流域 年与 年的植被覆盖度进行比较分析三屯河流域植被覆盖度绝对空间变化根据传统标准差值将三屯河流域研究区
12、植被覆盖空间动态变化分为 个等级:极度改善(.)、中度改善低(.)、轻微改善(.)、未改变()、轻微衰退(.)、中 度 衰 退(.)、极度衰退(.).植被覆盖度稳定性变异系数()是一种能够客观反映数据评价结果的方法计算结果均来自数据本身所包含的各种信息不受主观因素影响 第 期张艳娇 等 基于遥感监测的 年三屯河流域植被覆盖时空演化分析与德尔菲法等相比能更好、更客观地反映数据的评价结果 变异系数可以反映数据的波动程度可以用来表达植被变化的稳定性 变异系数的计算公式为 ()()()式中:表示标准差 表示研究区多年平均植被覆盖度 表示第 年植被覆盖度 表示样本数量当变异系数 时为强变异植被覆盖的波动
13、性与变异系数呈正比变异系数值越大植被覆盖越敏感 在 软件中选择地图代数模块通过栅格计算器计算 年植被覆盖度的变异系数得到三屯河流域植被覆盖的稳定性状况 结果与分析.植被覆盖度时空变化特征.植被覆盖时间分布特征三屯河流域 间植被覆盖变化趋势如图 所示 年三屯河流域年均植被覆盖度总体上呈现逐年增长的趋势在.之间变化年均增长速度为./()植被覆盖度最高的年份出现在 年植被覆盖度为.植被覆盖度最低年份出现在 年植被覆盖度为.年的植被覆盖度出现了轻微的下降趋势除 年外其余年份植被覆盖较前一期相比均为上升趋势且 年植被覆盖度的增长速度最快年均增长速度为./()图 植被覆盖度年际变化.通过查阅相关资料发现
14、年前后三屯河流域内并未发生大规模自然灾害结合研究区气温降水 资 料 年 气 温 为.降 水 量 为.年、年、年、年及 年的气温分别为.、.、.、.、.相应 的 降 水 量 分 别 为.、.、.、.、.发现 个时相中 年的气温与降水量与其他年份相比处于较为低下水平这可能是造成 年植被覆盖度出现下降的原因.植被覆盖空间动态变化特征通过对三屯河流域 年、年、年、年、年及 年 期植被覆盖度分级图(图)分析发现研究区各年份植被覆盖度分布表现出一定的规律性即三屯河流域植被覆盖总体表现为流域内两端高、中间低的大面积片状分布上下游地区植被覆盖度高中游地区植被覆盖度低中、低植覆盖区域被包裹着高植被覆盖区域生长
15、以高植被覆盖区域为中心向外发散植被覆盖等级逐步降低图 三屯河流域 期植被覆盖度分级.植被覆盖度变化趋势及稳定性分析.植被覆盖度变化趋势分析 年三屯河流域植被覆盖度绝对空间变化分布如图 所示三屯河流域植被覆盖情况整体呈现出改善的趋势植被覆盖表现为改善的区域占比.其中极度改善的区域占比.主要以斑块的形式分布于下游多处中游少量区域及上游周边区域中度改善的区域占比.主要分布在极度改善周围上、中、下游均有分布轻微改善的区域占比.遍布整个三屯河流域其中以 长江科学院院报 年 上游与中游地区分布最为广泛 植被覆盖表现为衰退的区域占比.其中极度衰退的区域占比.主要分布在下游区域呈大面积斑块状中度衰退的区域占比
16、.仍主要分布的下游地区上游地区也存在零星分布轻微衰退的区域占比.分布在上游流域边界周围呈半包围状包围上游于中下游交接处大面积片状分布植被覆盖未改变区域站总区域的.可见改善大于衰退三屯河流域植被覆盖呈改善变化趋势图 三屯河流域植被覆盖度绝对空间变化分布.植被覆盖度稳定性分析为分析研究区 年植被覆盖的的稳定性绘制三屯河流域植被覆盖稳定性图(图)经统计分析发现在三屯河流域内大部分地区的植被覆盖度处于弱变异与中等变异只有零星少部分地区处于强变异 弱变异地区主要分布在上游地区中等变异近乎涵盖整个流域强变异主要散乱分布在上游高海拔流域边界处与下游居民居住地 由此可见三屯河流域植被覆盖整体相对稳定植被覆盖表现为强变异除了受到自然因素的影响还受到人为因素的影响 植被覆盖变化影响因素的讨论三屯河流域是典型的半干旱地区其植被覆盖变化受到自然因素与人类活动因素的共同的影响.自然因素影响三屯河流域属中温带大陆性半荒漠干旱气候是典型的内陆半干旱地区 如图 所示 年 间降水与气温均呈波动变化降水量整体趋势表现为轻微下降气温整体趋势呈上升状态图 三屯河流域植被覆盖稳定性分析.图 三屯河流域气温、降水及植被覆盖变化趋
