基于RS与GIS的九寨沟国家级自然保护区地震前后植被覆盖度变化分析

雷雨, 冯彬, 谢瑶瑶, 胡露, 赵姗姗, 董鑫*

1. 四川省甘孜卫生学校，四川 甘孜 626001；

2. 西华师范大学生命科学学院，四川 南充 637002；

3. 西华师范大学环境科学与工程学院，四川 南充 637002；

4. 西华师范大学管理学院，四川 南充 637002

植被是生态系统中最基本的成分，也是生态环境监测中最重要的组成部分之一[1-2]。植被覆盖度是描述生态系统的重要基础数据，对区域生态系统变化有重要的指示作用[3]。因此，在区域生态监测中，植被覆盖度作为一个重要指标来评估生态系统环境的变化及地质灾害的影响空间范围及程度[4]。通过研究植被覆盖度及空间格局变化能够方便了解该区域生态环境的变化，并结合影响植被覆盖度的地形因子要素分析，对于认识地表空间区域变化具有直接现实意义[5-6]。

传统的估算方法存在效率低、范围小等缺点，而遥感数据宏观、快捷、信息量丰富，可以定量反映植被生长状况、植被覆盖度等信息[7]，基于遥感影像的植被覆盖度估算能进行多尺度、大范围、连续长时间的植被覆盖度估算[8]。近年来，3S技术在生态质量评价和建设项目环境影响评价等相关研究领域占据越来越重要的位置[9]，遥感技术使得宏观区域数据获得更加方便快捷，GIS技术可对于空间地理数据进行管理和分析处理[10]。

四川省地处青藏高原地震区，是地震灾害较为严重的地区[11]。地震造成的次生地质灾害会致使灾区树木被埋、倒伏及折断，破碎和松散的土壤可以直接破坏或推翻大面积的森林，造成灾区植被覆盖面显著减少，对自然环境造成极大的破坏[12]。利用3S技术对地震前后进行区域尺度的动态生态监测，能为区域生态环境改善、未来生态环境建设提供科学决策支持[13]。本研究基于ENVI 5.3及ArcGIS 10.2软件，利用Landsat 8 OLI数据分析四川省九寨沟国家级自然保护区地震前后植被覆盖度的空间格局变化，从而判断地震对于植被覆盖度的影响程度和空间范围，研究结果能对九寨沟自然保护区震后生态修复与重建提供一定的科学参考,同时帮助我们深入理解地震对不同地形因子的植被覆盖度的影响机制与变化规律。

1 研究方法

1.1 研究区概况

九寨沟国家级自然保护区是岷山山系大熊猫种群的核心栖息地和走廊带，具有典型的自然生态系统，为全国生物多样性保护的核心区域之一[14]。研究区动植物资源丰富，具有极高的生态保护、科学研究和旅游价值。2017年8月8日21时19分46秒，四川省北部阿坝州九寨沟县发生7.0级地震，地震毁坏了森林植被的完整性，并且震后诱发了大量的滑坡及泥石流等次生灾害，导致了严重的生态环境破坏。此外，滑坡及崩塌形成的堆积物在强降雨的影响下再次形成泥石流，冲毁大量的植被，形成二次破坏。

1.2 数据来源

影像数据来源于九寨沟地震前后2016年11月和2017年12月云量较少的Landsat8卫星OLI传感器数据，空间分辨率为30m（见表1）。由于在数据搜集的过程中存在一定困难，包括云量遮蔽过多、积雪大片覆盖、数据缺失且无法下载等情况，未能选择两个年度时间完全相同的影像，而是尽量选择了较合适时间点的可用数据作为基础数据。数字高程（DEM）数据来源于地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/），空间分辨率为30 m，用于地形因子的提取。

表1 遥感影像数据来源Tab. 1 Source of remote sensing image data

1.3 植被指数的提取

1.3.1 归一化植被指数的计算

在对研究区域进行生态评价时，植被作为最基本的评价因子，其指数模型有150余种，常用的也有40多种[15-16]。其中，归一化植被指数（NDVI）使用最为广泛和频繁[17]。通过近红外波段与可见光红波段数值之差与这两个波段数值之和的比值计算获得NDVI数值。

其计算表达式为：

NDVI=NIR-RED/NIR+RED

公式中，NIR—近红外波段反射率；RED—可见光波段的反射率。

NDVI<0时表示图像中覆盖为云、水、雪等，对可见光高反射； NDVI=0表示岩石及裸地，此时NIR与RED接近相等； NDVI>0表示有植被覆盖，且NDVI的值随覆盖度增大而增大。综上，NDVI是探索研究区域内森林植被和生态格局的重要因子，它是对区域内植被类型、覆盖形态、生长状况等的综合反应，对植被覆盖度的检测幅度较宽，有较好的时相和空间适应性[18]。

1.3.2 植被覆盖度计算

植被覆盖度（Fractional Vegetation Cover，FVC）指植被在地面的垂直投影面积占统计区总面积的百分比，计算公式如下[19-21]：

NDVIsoil ——完全是裸土或无植被覆盖区域的NDVI值

NDVIveg ——完全被植被所覆盖的像元的NDVI值，即纯植被像元的NDVI值

1.3.3 覆盖度变化与地形因子分析

基于ENVI 5.3中进行辐射定标、大气校正、边界裁剪及归一化植被指数（NDVI）计算后，将九寨沟国家级自然保护区地震前后NDVI数据分别使用Statistics/Compute Statistics查看纯植被像元对应值，将最大值与最小值作为纯像元值进行波段计算，得到九寨沟国家级自然保护区地震前后植被覆盖度（Fractional Vegetation Cover，FVC），在ArcGIS 10.2软件中，将九寨沟国家级自然保护区植被覆盖度基于间断值20、40、60、80划分为低、较低、中、较高、高覆盖度5类[22-24]。将植被覆盖度与功能区划、地形因子进行叠加分析，探究地震前后研究区植被覆盖度的空间格局变化。

2 结果与分析

2.1 归一化植被指数

如九寨沟国家级自然保护区地震前后NDVI指数分布图可见，地震导致研究区NDVI指数明显下降，其峰值由0.584下降至0.528；NDVI指数下降的主要区域集中在研究区北部的震中周边区域（见图1）。

图1 九寨沟国家级自然保护区地震前后NDVI示意图Fig. 1 Schematic diagram of NDVI in Jiuzhaigou National Nature Reserve before and after the earthquake

2.2 植被覆盖度

由九寨沟国家级自然保护区地震前后植被覆盖度图可见，地震导致九寨沟国家级自然保护区北部、中部及西南部区域植被覆盖度显著下降，对保护区生态环境带来了严重影响（见图2）。

图2 九寨沟国家级自然保护区地震前后植被覆盖度图Fig. 2 Vegetation coverage classification diagram in Jiuzhaigou National Nature Reserve before and after the earthquake

将九寨沟国家级自然保护区地震前后不同植被覆盖度区域面积进行统计，通过数据比较分析可知：（1）地震后，植被低覆盖度区域面积扩大，扩大面积占研究区总面积的14.53%；（2）植被中覆盖度和较高覆盖度区域的面积下降最明显，下降面积分别占研究区总面积的5.54%和4.79%；（3）研究区植被覆盖度整体上减少（见表2）。结果表明，地震给九寨沟国家级自然保护区的植被带来了负面的影响，低植被覆盖度范围在震后明显增加，而较高覆盖度和高覆盖度的区域面积在震后有所减少。

表2 九寨沟国家级自然保护区植被覆盖度面积变化表Tab. 2 Changes of vegetation coverage classification area in Jiuzhaigou National Nature Reserve

2.3 植被覆盖度的空间格局变化

2.3.1 植被覆盖度与功能区划重叠分析

对四川九寨沟国家级自然保护区不同功能区划的覆盖度面积进行统计，结果显示：由表可知：（1）地震前，较高及高植被覆盖度区域集中在核心区与实验区，较低及低植被覆盖度区域集中核心区与缓冲区；（2）地震后，较高及高植被覆盖度区域集中在核心区与实验区，但面积有所减少，实验区所占比例增大；较低及低植被覆盖度区域集中核心区与缓冲区，面积都有所增加；（3）地震后不同功能区植被覆盖度与震前相比，低覆盖度范围内面积增加明显，而其他覆盖度范围内植被数量则下降，表明震后植被覆盖度在各功能区总体上呈下降趋势；（4）震中位于核心区，地震后，核心区植被覆盖度下降幅度较大，表明地震对四川九寨沟国家级自然保护区核心区带来了较大的影响。

2.3.2 植被覆盖度与海拔重叠分析

对四川九寨沟国家级自然保护区不同海拔区间（< 2 500 m，2 500~3 000 m，3 000~3 500 m，3 500~4 000 m和> 4 000 m）覆盖度面积进行统计[25]。结果显示：（1）研究区植被低覆盖度面积随着海拔高度的增加而增加，其他覆盖度在0~3 500 m区间内上升，在大于3 500 m区间内下降；（2）地震前高覆盖度区域集中在3 000~3 500 m区间，地震后高覆盖度区域集中在2 500~3 000 m区间；（3）地震对< 4 000 m区域的植被影响较大，对> 4 000 m区域内的植被影响较小（见表4）。

表4 九寨沟国家级自然保护区地震前后不同海拔区间植被覆盖度面积统计表Tab. 4 Statistics of vegetation coverage area at different altitude areas in Jiuzhaigou National Nature Reserve before and after the earthquake

表3 九寨沟国家级自然保护区地震前后不同功能区植被覆盖度表Tab. 3 Vegetation coverage in different functional areas in Jiuzhaigou National Nature Reserve before and after the earthquake

2.3.3 植被覆盖度与坡度重叠分析

对四川九寨沟国家级自然保护区不同坡度区间（<15°，15°~25°，25°~35°，35°~45°，45°~55°，55°~65°和>65°）覆盖度面积进行统计[26]。结果显示：（1）植被覆盖度从0°~45°坡度区间内随着坡度的增加而增加，大于45°坡度后，植被覆盖度随着坡度的增加而减少；（2）地震前，高、较高植被覆盖度区域集中在15°~45°区间，地震后，高、较高植被覆盖度区域集中在25°~45°区间；（3）地震源附近坡度以15°~45°为主，此区间植被覆盖度在震后面积减少明显，坡度25°~35°区间内植被减少面积最大，以此区间为中心，植被覆盖度减少的程度向两边递减，即坡度在越平缓及越陡峭的情况下，植被覆盖度的减少程度越不明显（见表5和表6）。

表5 九寨沟国家级自然保护区地震前不同坡度范围植被覆盖度表Tab. 5 Vegetation coverage in different slope ranges inJiuzhaigou National Nature Reserve before the earthquake

表6 九寨沟国家级自然保护区地震后不同坡度范围植被覆盖度表Tab. 6 Vegetation coverage in different slope ranges in Jiuzhaigou National Nature Reserve after the earthquake

2.3.4 植被覆盖度与坡向重叠分析

对四川九寨沟国家级自然保护区不同坡向：0°~22.5°和337.5°~360°（北坡）、22.5°~67.5°（东北坡）、67.5°~112.5°（东坡）、112.5°~157.5°（东南坡）、157.5°~202.5°（南坡）、202.5°~247.5°（西南坡）、247.5°~292.5°（西 坡）、292.5°~337.5°（西北）的覆盖度面积进行统计[27]。结果显示：（1）以157.5°~202.5°（南坡）为中心，植被覆盖度向两边逐渐增加，坡向在0°~22.5°和337.5°~360°（北坡）范围内植被覆盖度几近为0；（2）地震前后，高、较高植被覆盖度区域都集中在坡向为东坡、东南坡、南坡和西南坡的区域；（3）震中位于东北坡到西北坡范围内，震前该区域内植被生长状况最为优良而震后覆盖度显著减少（见表7和表8）。

表7 九寨沟国家级自然保护区地震前不同坡向范围植被覆盖度表Tab. 7 Vegetation coverage in different slope directions in Jiuzhaigou National Nature Reserve before the earthquake

表8 九寨沟国家级自然保护区地震后不同坡向范围植被覆盖度表Tab. 8 Vegetation coverage in different slope directions in Jiuzhaigou National Nature after the earthquake Reserve

3 讨论

由于云量、积雪、大气辐射等因素影响，无法得到地震前后相同时间点的九寨沟保护区遥感影像数据，这对结果有一定的影响。为将数据影响最小化，研究选取了可获得数据中时间点最接近，云量、积雪、大气辐射等影响因素最小的两期遥感影像。

研究发现，地震带来的强大冲击毁坏了九寨沟国家级自然保护区的森林植被，导致四川九寨沟国家级自然保护区植被覆盖度整体上减少且震中区域范围内覆盖度明显下降，低植被覆盖度面积占比在震后明显提高，而较高覆盖度和高覆盖度的区域面积在震后明显减少，植被覆盖减少的区域主要集中在保护区北部、中部及西南部。

震中位于保护区核心区，地震后，核心区低植被覆盖面积增幅最大，表明保护区核心区受到了地震的最强影响。地震对海拔< 4 000 m的区域植被影响较大，对海拔> 4 000 m的区域内植被影响较小。这可能与植被分布有关，在海拔> 4 000 m的区域，植被分布较稀疏且不易受到滑坡、崩塌及泥石流的次生灾害影响。植被在坡度25°~35°区间，坡向为东坡、东南坡、南坡和西南坡的区域生长状态较好，因此，受到地震影响，植被覆盖减少的面积较多。

九寨沟的自然风光虽造就了九寨沟的生态及旅游价值，但也带来了地震后生态恢复的一系列难题。地震时产生的植被破坏，地震后强降雨冲刷地面及陡坡使得泥石堆积形成泥石流，泥石流对植被及土地进行的二次破坏，这些都使得生态被破坏、植被覆盖度降低。且在进行生态人工修复的过程中，由于九寨沟的高海拔及陡坡的存在，给生态恢复任务带来了很大的困难，植被及生态的恢复非一朝一夕能够完成，需要不断地探索，将科学技术方法与生态检测相结合，不断尝试新的方法。研究结果可为灾后重建和生态恢复提供一定的科学参考：对于覆盖度变化明显的区域进行实地考察，按照坡度、坡向、海拔、功能区分别调查植被覆盖度明显变化的区域范围，找到当地震后的生态破坏因素，因地制宜清理积压的淤泥，疏通被堵塞的河流小溪，清理滑坡、泥石流等带来的堆积物。重点考察覆盖度变化最明显的坡度、海拔、坡向和功能区区域，进一步推进灾后植被恢复工作。