基于遥感影像技术的塔里木河流域植被动态变化研究

2020-10-23王亚军

水电站机电技术 2020年10期

王亚军

（塔里木河流域干流管理局，新疆阿拉尔843000）

1 引言

塔里木河是新疆地区灌溉规模最大的内陆河，对于长期处于干旱地区的新疆具有非常重要的战略意义。水资源对新疆地区植被的生长影响巨大，而塔里木河作为该区域最大的灌溉河流，加强对该流域植被的生长情况研究，具有重要意义。

目前遥感影像技术已经应用于各行业的研究中[1-4]。霍艾迪[5]基于MODIS影像数据提出了适用于沙漠地区的植被覆盖度模型，并得到很好的验证。王非[6]利用MODIS-NDVI遥感数据对塔里木盆地的荒漠化变化进行了分析。王林林[7]同样利用MODIS-NDVI遥感数据对柴达木盆地的植被变化进行了研究，认为季节尺度可以很好的反映出气候变化。袁丽华[8]、刘辉明[9]等人利用遥感数据对黄河流域的植被覆盖区域进行分析，认为流域内植被可以改善流域退化。潘志钢[10]使用美国Landsat卫星的TM/ETM数据对太子河流域进行了研究。高振东[11]通过对遥感数据分析，认为西辽河流域植被有退化的趋势。谭克龙[12]对塔里木河流域植被和植物覆盖度进行了深入的分析。气象[13]和土壤侵蚀[14]等因素对植被的影响也很明显。国内外学者使用对应的指标对荒漠地区的演化进行了大量检测[15-16]。

本文基于遥感影像技术对塔里木河流域植被的动态变化进行分析，为新疆地区植被的演变研究提供参考。

2 工程概况

塔里木河是国内最长的内流河，环绕新疆北部，全长1 321 km，在整个流域内蜿蜒曲折。根据本文分析需要将塔里木河流域分为上游段（阿拉尔-英巴扎）、中游段（英巴扎-卡拉）和下游段（卡拉-大西海子水库）3段，详细见图1。本次检测流域面积大小为25 576 km2，其中上游、中游和下游面积分别为：10 353 km2、6 704 km2、8 519 km2。

图1 塔里木河流域分段图

3 方法介绍

本文采用ArcGIS、SPSS、MRT投影转换软件。MODIS数据由于其更高的时间和光谱分辨率被普遍应用于较大区域的动态监测。本文以Terra卫星监测到的MOD13Q1数据为基础进行分析。使用正弦SIN（Sinusoidal projection）投影将MOD13Q1数据的格式由HDF转化为Geotiff格式，然后使用ArcGIS软件进行数据的进一步分析。通过ArcGIS软件提取塔里木河流域的MODIS-EVI数据。由于绿色植物具有独特波普反射特性，可以通过不同波段来反映出植被的颜色，进一步确定植被的生长情况。本文选用增强型植被指数（Enhanced Vegetation Index，EVI）来进行研究，其计算过程见公式（1）。

式中：ρ*-经过大气校正的反射率；L-土壤调节参数，值为1；C1-系数，值为6.0；C2-系数，值为7.5。

植被覆盖度（Fractional Vegetation Cover，FVC）利用植被指数求解得出，本文采用增强型植被指数求解植被覆盖度，模型见公式（2）。

式中：EVIsoil-无植被覆盖区域的强型植被指数，理论上为零；EVIveg-完全被植被覆盖区域的强型植被指数。

归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）被用来检验EVI指数的重现准确性，其计算过程见公式（3）。

式中：R-红光波段的地面反射率；NIR-近红外波段的地面反射率。

通过SPSS使用单因素方差分析法对数据的准确性进行检验。本文中认为NDVI和EVI是植被指数这一因素下的两种不同水平。这一因素有r种水平，容量为n，假设各水平每个母体方差相等均为H0，可以求得组间离差平方和（QA）和组内离差平方和（QE），其计算公式分别见公式（4）、（5）。总离差平方和求解过程见公式（6）。

服从自由度为（r-1，n-r）的F分布计算关系见公式（7），公式（7）中SA2和SE

2的计算过程分别见公式（8）、（9）。

式中：r-因素水平数量；n-子样容量。

存在一个α使得F函数分布满足公式（10）。

当F≤Fα（r-1，n-1）成立时，说明该选定因素的不同水平对结果没有明显差异；反之，则认为假设失败。根据上述理论进行本文的计算分析。

4 结果分析

4.1 流域不同河段植被覆盖度空间特征

由于塔里木河流域比较长，又受到干旱条件的影响，因此在不同的河段之间植被的生存环境差异较大，造成植被的生长情况明显不同。针对不同河段在不同季节的生长情况进行分析，选取3月、7月、10月和12月作为4个季节的代表。分别对4个月份的EVI植被指数的空间分布进行分析，见图2。

根据图2可知，植被主要分布在塔里木河流域内部及其北部的部分地方，植被的分布呈现典型聚集现象，这与对应地方的生长环境和水资源等因素密切相关。从空间的整体分布可知，在不同河段植被分布明显不同，整体是上游段植被最多，中游段次之，下游段植被最少。从时间分布可知，7月份绿色区域最多，说明此时该流域的植被覆盖范围最广，这是因为7月份属于雨季，同时由于温度升高冰川融化水流汇集有利于植被的生长。在3月和12月的EVI植被指数相对较低，这是因为在12月和3月塔里木河流域处于冬季，温度低不利于植被生长，同时大部分河流断流，缺乏足够水资源的供应。

为进一步分析，不同月份的详细数据见图3。

根据图3可知，在一个年度内塔里木河流域各段的植被分布受温度和水分的影响有所不同，呈现出7月份植被的覆盖率最高，上游段、中游段和下游段的覆盖率分别为：37.45%、17.86%、11.15%；3月份植被的覆盖率最低，上游段、中游段和下游段的覆盖率分别为：8.75%、6.53%、4.87%。

图2 不同月份塔里木河沿岸EVI空间分布

图3 不同河段植被覆盖度

4.2 植被覆盖度年内动态变化

根据之前分析我们知道植被在一个年度的分布差异很大，塔里木河流域3个分段和干流每个月的植被覆盖度分析见图4。

根据图4可以知道，不管哪个河段，随着季节的变化植被覆盖度均先增加后减小，最大值均出现在7月份。进一步分析发现，干流的植被覆盖处于塔里木河上游段和塔里木河中游段之间，在1月～5月份干流的植被覆盖度和中游基本一致，5月～8月份时由于降雨的增加，干流的覆盖面积也增加，使得干流的植被覆盖度要明显大于中游的植被覆盖度。9月～12月份后天气寒冷，植被进入了枯叶期逐渐枯萎使得干流覆盖度和中游覆盖度再次比较接近。

图4 塔里木河流域植被年内动态变化

根据图2也可以知道，上游段植被的分布不仅仅在河道，在两岸侧也有较多植被存在。因此在植被生长较好的季节里，由于两岸植被的存在，使得上游段植被要大于塔里木河干流植被的数量。

4.3 植被指数方差分析

方差分析可以将研究目标因素对应的随机性误差和方法中的系统误差进行对比分析，进而得出所选取的因素对结果的影响程度。本文选择的EVI植被指数作为单一控制因素，同时使用NDVI来实现准确性验证。图5～7分别为塔里木河上游段、中游段、下游段对应的植被指数分析。

根据图5可知，NDVI植被指数与EVI植被指数在整年度的变化趋势基本保持一致，均呈现出先减小然后逐渐增加最后逐渐减小的变化规律。最大峰值出现在7月，最小值均出现在3月。峰值分别为：37.34%、37.45%；最小值分别为：9.17%、8.75%。而在整个年度内NDVI植被指数要比EVI植被指数大一些，仅仅在7月的时候稍微低一点。分析认为这是由于在7月植被的密度较大，使得NDVI的计算容易达到饱和所致。年度内NDVI植被指数与EVI植被指数的差值分别：0.59%、2.73%、0.42%、1.76%、3.12%、1.17%、-0.09%、1.76%、1.76%、2.19%、2.73%、2.26%。

图5 塔里木河上游段不同植被指数

本文中假设选取的两种植被指数对结果没有显著的影响，选取α=5%，r=2，n1=n2=12，根据公式（10）得出Fα（r-1，n-1）=F0.05（1，22）=4.3。根据公式（4）和公式（5）得出QA和QE分别为15.30和2 347.97；然后根据公式（8）和公式（9）得出SA2和SE

2的值分别为：15.30和106.73；根据公式（7）得出F=0.143＜Fα（r-1，n-1）=4.3，说明在上游段选择NDVI和EVI两种植被指数对计算结果没有明显的影响差异。

根据图6可知，塔里木河中游段NDVI植被指数与EVI植被指数在整年度的变化规律与塔里木河上游段变化规律基本保持一致。但是NDVI植被指数最大值出现在6月，EVI植被指数最大值出现在7月，大小分别为：18.47%、17.86%；最小值均出现在3月，大小分别为：6.58%、6.53%。年度内NDVI植被指数与EVI植被指数的差值分别：0.3%、1.09 %、0.05 %、0.5 %、2.27 %、0.69 %、0.11 %、0.79%、0.99%、0.99%、1.38%、0.69%。

图6 塔里木河中游段不同植被指数

对塔里木河中游段同样进行方差分析，发现F=0.20＜Fα（r-1，n-1）=4.3，说明在中游段选择NDVI和EVI两种植被指数对计算没有明显的影响差异。

表2 中游段植被指数方差分析表

根据图7可知，塔里木河下游段NDVI植被指数与EVI植被指数在整年度的变化规律与塔里木河上游段变化规律基本保持一致。最大峰值大小分别为：11.12%、11.15%；最小值大小分别为：4.38%、4.87%。年度内NDVI植被指数与EVI植被指数的差值分别：-0.06%、0.12%、-0.48%、0.0%、0.23%、-0.29%、-0.03%、-0.06%、0.23%、0.13%、0.18%、-0.04%。