甘肃岷县漳县MS6.6地震前后岷县植被覆盖度动态变化

孙艳萍，周中红，卢 嘉

（1. 甘肃省地震局，兰州 730000；2. 甘肃农业大学林学院，兰州 730070）

0 引言

植被覆盖及其变化是区域生态系统环境变化的重要指示，获取地表植被覆盖及其变化信息，对于揭示地表空间变化规律，探讨植被覆盖变化的驱动因子，分析评价区域生态环境等具有重要现实意义[1-3]。近年来，国内外许多学者对植被覆盖度及其影响因素进行了不同尺度的研究。彭文甫等[4]基于多时相Landsat5/8影像对岷江汶川-都江堰段植被覆盖动态变化进行了监测，分析了汶川地震前后植被受损与恢复的空间动态格局变化；梁超等[5]选取北川县“5·12”大地震前后2个时相的遥感数据，利用归一化植被指数（NDVI）反演植被覆盖度，采用破坏指数（DDI）表示不同灾害类型区域震后植被破坏情况；石亮亮等[6]利用Landsat TM和ETM影像数据建立植被受损模型，评价了芦山县“4·20”地震前后植被覆盖度的变化情况，同时分析了其空间分布特征。

北京时间2013年7月22日7时45分55秒，甘肃省定西市岷县漳县交界处发生了MS6.6地震。地震不仅造成了严重的人员伤亡和经济损失，还触发了大量滑坡、崩塌、不稳定斜坡等地质灾害隐患[7]，对生态环境和自然植被造成了严重损害。目前，对岷县漳县MS6.6地震灾害的研究主要集中在地质灾害体数量、分布、形成条件及诱发因素等方面，针对植被破坏和恢复的相关研究还很少。为了解本次地震对灾区植被覆盖的破坏和近几年植被的恢复情况，以岷县为研究区，选取了季节相近、植被生长旺盛的3期Landsat8遥感影像数据，应用像元二分模型及遥感、GIS技术，估算岷县的植被覆盖度，对研究区植被覆盖度动态变化进行监测，并结合高程和坡度数据，研究地形因素对地震前后植被受损和恢复的影响，以期为地震灾后研究区生态恢复和自然建设提出合理建议和对策。

1 研究区概况

岷县位于定西市西南部、洮河中游，地处青藏高原东麓与西秦岭陇南山地接壤区（103°41′～104°59′E，34°07′～34°45′N）。地貌属高原形态，西秦岭北支褶皱带。全县山地占88.8%，境内海拔2 040～3 754 m，县城海拔2 300 m（图1）。南有长江、黄河分水的岷峨山、大拉梁，北有洮河、渭河分水的木寨岭、岭罗山。全境山岭起伏，河流纵横。岷县气候属于温带半湿润向高寒湿润气候过渡带，高寒阴湿，植被覆盖很好，年平均气温为5.5 ℃，年均降水量为635 mm，雨水集中在7—9月。

图 1 研究区位置

2 数据来源和预处理

选取成像时间为2013年7月16日（震前）、2014年6月17日（震后1年）和2017年7月11日（震后3年）的三景云量较少的Landsat8 OLI影像（来源于地理空间数据云http://www.gscloud.cn/），影像共有11个波段，其中1～7，9～OLI多光谱波段分辨率为30 m。运用ENVl5.1对上述三景影像数据进行几何配准，校正误差均限制在0.5个像元以内。其他数据有研究区行政边界矢量数据、ASTER-GDEM，DEM数据空间分辨率30 m，来源于NASA Reverb（https://reverb.echo.nasa.gov/reverb/），利用ArcGIS10.2软件对处理后的遥感数据和DEM数据进行拼接、裁剪，获得研究区数据。

3 植被覆盖度估算

3.1 NDVI计算

归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）由于监测灵敏度高、监测范围宽、能消除地形和群落结构的阴影和辐射干扰以及削弱太阳高度角和大气所带来的噪音等优势，是目前众多植被指数中应用最广泛的指标[8-11]。根据

式（1）分别计算得到研究区三期影像的NDVI值。式中：NIR、R分别为近红外波段反射率和红光波段反射率。对Landsat8影像而言，近红外波段和红光波段分别是第5和第4波段。

3.2 像元二分模型

由于图像中像元有一定的面积，因此像元所代表的地物并不单一，存在混合像元，基于像元二分模型提取植被覆盖度的原理是假设1个像元的信息可分为植被覆盖像元与裸土覆盖像元2部分。植被覆盖度和NDVI之间存在极显著的线性相关关系，通常是通过建立二者之间的转换关系直接提取植被覆盖度信息。根据像元二分模型，像元信息同时包含土壤信息和植被信息。植被覆盖度用FC表示，假设纯植被覆盖的像元表示为veg，纯土壤覆盖的像元表示为soil，则植被覆盖度可表示为：

式中：NDVIveg为纯植被覆盖像元的NDVI值；NDVIsoil为裸土覆盖像元的NDVI值。在统计区域NDVI累积概率直方图的基础上，选择累积百分比0.5%和99.5%为置信区间，累积百分比小于0.5%的为近似纯土壤覆盖，大于99.5%的为全植被覆盖，读取对应的像元NDVI值，从而分别确定研究区有效的NDVIveg和NDVIsoil值（表1)，然后根据式（2）计算获得3期影像的植被覆盖度。

表 1 研究区 NDVIveg 和 NDVIsoil 值

3.3 植被覆盖度等级划分

为了更好地进行研究区植被变化分析，在以上植被覆盖度计算的基础上，利用ArcGIS软件将植被覆盖度分为5个等级：低覆盖度（0～0.2），中低覆盖度（0.2～0.4），中覆盖度（0.4～0.6），中高覆盖度（0.6～0.8），高覆盖度（0.8～1.0），获得研究区3个时期植被覆盖空间分布等级图和各等级面积统计结果（图2）。

4 结果与分析

4.1 植被覆盖度动态变化

研究区2013年平均植被覆盖度为0.48，2014年为0.39，整个地区植被覆盖度下降了0.09，2017年有所回升，为0.43。由表2可以看出，3个时段岷县植被覆盖度以中高和高植被覆盖度为主，分别占该地区总面积的91.64%、68.87%和78.82%，反映出研究区植被覆盖状况良好。

从时段变化上来看：2013—2014年高植被覆盖度面积呈下降趋势，下降面积占研究区面积的比重减少了26.92%，其余等级植被覆盖度均呈上升趋势。其中，中植被覆盖度上升面积最多，由2013年的196.69 km2上升至2014年的728.93 km2；2014—2017年中低、中、中高植被覆盖度面积分别减少了4.57%、5.64%、0.14%，低和高植被覆盖度面积增加，分别为0.26%和10.09%，高植被覆盖度面积增加较显著。

图 2 2013、2014和2017年植被覆盖度空间分布

空间分布上来看（图2），中高和高植被覆盖度主要分布在岷县西南和东南部的高海拔地区。这些地区多为未开采的山区林地，低植被覆盖区由岷县县城所在地向西北方向两侧沿居民地延展。2013—2014年植被受损严重和2014—2017年恢复良好地区也主要集中在地震中受灾严重的梅川镇、西江镇和茶埠镇附近（图3）。

表 2 植被覆盖度动态变化

图 3 研究区植被覆盖度动态变化图

4.2 植被受损与恢复的地形影响

4.2.1 植被受损分析

为进一步分析岷县漳县6.6级地震造成的岷县植被损失和近年来的恢复情况，通过差值计算得到2013—2014年植被受损和2014—2017年植被恢复情况。图3a表征了2013—2014年植被受损空间分布特征，研究区植被受损面积达到96.53%，主要为高植被覆盖度植被受损。植被受损在不同的高程和坡度上具有不同分布特征（表3）。高程上主要分布在2 344～3 283 m，受损面积达3 037.02 km2，占研究区受损面积的85.53%，其中植被受损最严重的区域集中在高程2 657～2 970 m范围内，受损植被面积1 577.55 km2；坡度5°～35°是植被受损的主要区域，受损面积为3 037.02 km2，占总受损面积的92.67%，其中植被受损最严重的坡度为15°～25°，受损面积达1 115.61 km2，其次分布在5°～15°，占总受损面积的30.40%。

表 3 植被受损与高程、坡度的关系

4.2.2 植被恢复分析

2014—2017年植被恢复面积达2 901.93 km2，占研究区总面积的81.26%，植被恢复以高植被覆盖度植被恢复为主，其次为低植被覆盖度。进一步研究了植被恢复与高程、坡度的关系（表4）。总体来说，植被恢复在高程2 031～2 970 m呈增长趋势，随后开始下降，其中在2 970～3 283 m高程区间植被恢复面积最多，达到1 421.89 km2，占研究区植被恢复面积的49.0%，其次为2 344～2 657m，恢复面积882.87 km2。植被恢复在坡度上的分布与高程有类似的特征，植被恢复面积在0°～25°呈增加趋势，随后降低，其中5°～25°植被恢复最多，面积为1 870.06 km2，占植被恢复面积的64.44%。

表 4 植被恢复与高程、海拔的关系

5 结论

1）研究区2013—2014年平均植被覆盖度下降了0.09，2017年回升至0.43。3个时段岷县植被覆盖度以中高和高植被覆盖度为主，反映了研究区植被覆盖状况良好。2013—2014年高植被覆盖度面积呈下降趋势，下降面积占研究区面积的比重减少了26.92%，其余等级植被覆盖度均呈上升趋势；2014—2017年中低、中、中高植被覆盖度面积分别减少了4.57%、5.64%、0.14%，低和高植被覆盖度面积增加，分别为0.26%和10.09%，高植被覆盖度面积增加较显著。

2）空间分布上来看，中高和高植被覆盖度主要分布在岷县西南和东南部的高海拔地区。这些地区多为未开采的山区林地，低植被覆盖区由岷县县城所在地向西北方向两侧沿居民地延展。2013—2014年植被受损严重和2014—2017年恢复良好地区也主要集中在地震中受灾严重的梅川镇、西江镇和茶埠镇附近。

3）进一步分析了2013—2014年植被受损和2014—2017年植被恢复情况。2013—2014年研究区植被受损面积达到96.53%，主要为高植被覆盖度植被受损。植被受损在高程上主要分布在2 344～3 283 m，其中最严重的区域集中在2 657～2 970 m；坡度5°～35°是植被受损的主要区域，其中植被受损最严重的坡度为15°～25°，其次分布在5°～15°。2014—2017年植被恢复面积达2 901.93 km2，占研究区总面积的81.26%，植被恢复以高植被覆盖度植被恢复为主，其次为低植被覆盖度。植被恢复在高程2 031～2 970 m呈增长趋势，随后开始下降，其中在2 970～3 283 m植被恢复面积最多，其次为2 344～2 657 m；在坡度上的分布与高程有类似的特征，植被恢复面积在0°～25°呈增加趋势，随后降低，其中5°～25°植被恢复最多。