清水河上游流域植被覆盖时空演化特征分析

2022-04-15刘蕊蕊马国栋

西北水电 2022年1期

赵雨，杨帆，刘蕊蕊，马国栋

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065；2.陕西省河湖生态系统保护与修复校企联合研究中心，西安 710065)

0 前言

植被覆盖度是衡量地表植被状况的一个重要指标，能够很好地反映生态环境质量状况。目前植被覆盖度主要研究手段是基于遥感监测快速、准确和高效地获取中高空间分辨率的地表植被覆盖信息，主要研究方法以植被指数法[1](归一化植被指数NDVI)和像元二分模型法为主。张建香等[2]利用NDVI指数估算了马莲河流域植被覆盖度，研究了黄土高原1977—2010年近33 a的植被覆盖变化过程；张春森等[3]通过对MODIS-NDVI数据进行分析，评价了黄土高原自退耕还林还草工程实施以来的区域植被覆盖变化情况。吴霞等[4]以2000—2015年宁夏回族自治区NDVI数据，分析了宁夏近年来植被覆盖时空分布及变化特征。李苗苗[5]基于像元二分法，建立了利用NDVI定量估算植被覆盖度的模型，并应用于密云、官厅水库植被覆盖度估算，成功指导了水库生态环境建设。何兰[6]、庞家泰[7]等人基于NDVI的像元二分模型在植被覆盖度估算方面进行了较为深入广泛的研究。

清水河为黄河一级支流，处于我国典型的黄土高原区，流域内水土流失严重，植被覆盖较低，生态环境脆弱。因此，研究清水河流域植被覆盖时空变化，对流域内的生态环保建设具有较大意义，从而更好支撑清水河流域生态保护和高质量发展。本文利用ENVI和ArcGIS软件，基于像元二分法原理，对固原市原州区清水河流域2001、2006、2013、2018年的Landsat系列遥感影像数据进行植被覆盖度估算，通过分析原州区清水河流域植被覆盖度时空分布特征，掌握流域植被覆盖变化趋势，为区域生态环境质量评价提供一定参考。

1 研究区域概况

清水河是宁夏境内最大、最长的黄河一级支流，对周边区域发展起着至关重要的作用。清水河发源于固原市原州区开城镇黑刺沟脑，由南向北纵贯原州区南部山区和中部干旱带的大部分地区。原州区段全长80 km，流域面积2 075 km2，东部地区为黄土丘陵地貌，西、南部区域皆为六盘山山地，中部与北部区域为清水河河谷平原，地势地貌复杂多样，如图1所示。长期以来，流域内干旱、水土流失和苦水等自然灾害频发，生态环境脆弱，流域内社会经济与生态环境保护协调发展受到严重制约。2000年，固原市被列入全国退耕还林示范试点县，实施了一系列植树造林、退耕还林等措施。2013年起，固原市对生态移民迁出区进行生态修复，包括林草生态修复和水土保持工程等措施，生态文明建设推行到一定高度。

2 研究方法

2.1 数据来源与处理

本本文选用2001、2006、2013、2018年初夏、夏季植被生长旺盛的4个阶段的Landsat5 TM和Landsat8 OLI-TIRS陆地卫星系列遥感影像数据作为基础数据，云量小于5%。相关遥感影像数据均在ENVI5.3软件中进行了辐射定标、大气校正及裁剪等预处理工作。

2.2 植被覆盖度提取

本研究采用李苗苗[5]于2003年提出的基于NDVI的像元二分法植被覆盖度遥感监测模型。该方法是一种简捷、可靠、有效的植被覆盖度计算方法，其数学模型如下：

(1)

公式(1)中：FVC为植被覆盖度；NDVI为归一化植被指数，NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)，取值范围为-1～1，其中水、云和雪为负值，裸土、岩石的值近似于0；NDVIsoil为无植被覆盖像元NDVI值；NDVI为纯植被覆盖像元NDVI值。

实际上，不同大气条件、湿度状况、土壤类型、植被种类、生长季节等都是影响NDVIsoil和NDVIveg取值的重要因素。由于研究实验数据有限，结合王爱芸[8]、杨玲[9]等人经验，本次取5%和95%置信度所对应的DN值作为NDVIsoil和NDVIveg值。通过ENVI 5.3进行波段计算，得到Landsat遥感影像NDVI值，其中NDVIsoil和NDVIveg取值情况见表1。

表1 NDVIsoil和NDVIveg取值情况

2.3 划分标准

按照HJ192-2015《生态环境状况评价技术规范》及吴霞[4]、李存厚[10]等人研究基础之上，结合原州区实际情况，将研究区域植被覆盖度划分5级，Ⅰ级-高覆盖度(FVC>0.60)，Ⅱ级-中覆盖度(0.45

2.4 分析方法

(1) 转移矩阵

植被覆盖度转移矩阵能够很好地描述一定区域内不同时相植被覆盖类型分布总体结构及转入转出情况。在刘瑞等人[11]的研究基础上，通过建立植被覆盖度转移矩阵，对研究区域植被覆盖动态变化进行定量分析。将初期t1时不同植被覆盖度的面积作为列(Pj)，将末期t2时不同植被覆盖度的面积作为行(Pi)，建立植被覆盖度转移矩阵，则当i≠j时，Pij表示t1-t2时段j类植被覆盖度被转入i类的面积，当i=j时，表示t1-t2时间段第i种植被覆盖度保持不变的面积。

(2) 差值分析

为更进一步清晰研究区域不同时期植被覆盖生长趋势的空间格局，采用差值法进行分析，即ΔF=F2-F1，其中F1，F2分别为初期和末期时间植被覆盖度数据，ΔF为差值，取值范围为(-1，1)。本次将ΔF阈值分为5级，显著减少(ΔF<-0.3)，轻微减少(0.3≤ΔF<-0.1)，基本不变(-0.1≤ΔF≤0.1)，轻微增加(0.1<ΔF≤0.3)，显著增加(ΔF>0.3)。

3 结果与分析

3.1 植被覆盖空间分布特征

利用ENVI5.3和ArcGIS10.7软件，对原州区清水河流域2001、2006、2013、2018年Landsat卫星遥感影像进行植被覆盖度计算、分级(见图2、表2)。

表2 植被覆盖度面积

2001年植被覆盖出现“西南丰、东北缺”的特点，中、高植被主要分布在西、南部六盘山山区和清水河及主要支流沿岸，占比15.34%；中低植被和低植被主要分布在中部河谷平原和东北部黄土丘陵区，占比达到66%；裸地主要集中在原州区及其主要镇域等居住区，占比为18.66%。2001年原州区清水河流域植被覆盖整体分布以低、中低植被覆盖为主，中、高植被覆盖较少，总体处于较低水平。

2006年区域北部头营镇、三营镇及黄铎堡镇中、高植被覆盖相对减少，南部及主要水系流域植被覆盖增加，占比16.92%；中低植被覆盖和低植被覆盖占比70.34%，较2001年提高4.34%；裸地占比12.74%，较2001年减少5.92%，围绕主要城镇形成零碎块状分布；2006年植被覆盖整体分布与2001年基本一致，仍以低、中低植被覆盖为主，中、高植被覆盖有所增加，但不明显。

2013年西、南部六盘山地区持续增绿，植被覆盖面积不断扩大，并逐渐辐射到中北、部河谷平原地区，东部黄土丘陵区植被覆盖由2006年的以裸地、低植被覆盖为主转变为以中低、中覆盖为主，植被覆盖大幅增加，生态逐步向好。其中，中、高植被覆盖占比45.37%，较2006年大幅增加28.45%，中低和低植被覆盖占比有所下降，为51.75%，较2006年减少18.59%。2013年原州区清水河流域植被覆盖有了较大改善，整体生态格局逐渐凸显。

2018年清水河流域基本“全域覆绿”，高植被覆盖占比44.06%，中植被覆盖占比18.52%，比2013年中、高植被占比增加了10.83%，集中分布于西、南山区和清水河东、北部黄土丘陵区，植被破碎度降低，连片性增强，生态环境质量得到提升。中低和低植被覆盖主要分布于中部河谷平原，占比26.67%。裸地分布趋于集中，主要分布于经济发展的城区与乡镇。整体形成以中、高植被覆盖为主，中低、低覆盖为辅的生态格局。

总体而言，清水河流域中、高植被覆盖逐年增加，低植被覆盖逐年减少，中低覆盖处于一个波动状态，裸地趋于集中，总体生态趋势较好。

3.2 植被覆盖度空间转移分析

为进一步探讨研究区域在时空维度上不同级别植被覆盖转移情况，利用ArcGIS 10.7软件，对植被覆盖数据进行相交分析，建立2001—2006、2006—2013、2013—2018、2001—2018年4个时段的植被覆盖度转移矩阵(见表3)。

2001—2006年，低等级植被覆盖转入高等级的面积为530.733 km2，而高等级转出低等级的面积为355.60 km2，有1 121.95 km2的范围植被覆盖未发生转移，植被覆盖呈增长趋势，中、高植被覆盖主要来源于低、中低覆盖转入，2006年达到339.77 km2，较2001年307.98 km2增加31.79 km2。

2006—2013年，低等级植被覆盖转入高等级的面积为1 479.79 km2，而高等级转出低等级的面积为103.30 km2，有425.19 km2的范围植被覆盖未发生转移，植被覆盖显著增长，中、高植被覆盖主要来源于低、中低覆盖转入，以低覆盖为主，中、高覆盖达到911.33 km2，是2016年的2.7倍。

2013—2018年，低等级植被覆盖转入高等级的面积为835.66 km2，而高等级转出低等级的面积为521.80 km2，有650.82 km2的范围植被覆盖未转移。中、高植被覆盖增长37.9%，达到1 256.64 km2，主要来源于低、中低覆盖转入。

18 a间，低等级植被覆盖转入高等级的面积为1 384.66 km2，而高等级转出低等级的面积为234.06 km2，有396.98 km2的范围植被覆盖未发生转移。中、高覆盖由2001年的304.98 km2增加到2018年的1 256.64 km2，增长了4.1倍，以低、中低覆盖转入为主，其中低覆盖转入666.52 km2，中低覆盖转入179.79 km2。图3直观地显示了原州区清水河流域2001—2018年植被覆盖转移情况，中、高植被覆盖呈快速增长趋势。到2018年，整个清水河流域植被覆盖整体处于较高水平，生态环境得到较大改善。