塔里木河下游植被覆盖度图谱分析

鲁文蕊, 蒲 智, 王亚波, 许 翔

(新疆农业大学 计算机与信息工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830052)

植被变化是生态系统不可或缺的一部分, 是生物多样性、水文循环、土壤质量和气候变化等方面的重要指标, 在维护生态平衡的过程中扮演着重要角色[1]。 因此,监测和评估植被变化情况, 并采取相应的保护和管理措施, 对于维护生态平衡和实现可持续发展目标具有至关重要的意义[2]。 地学信息图谱作为一种基于GIS(geogrophic information system)和信息可视化技术的工具, 融合了空间和非空间属性数据[3]。 植被覆盖度(fractional vegetation cover, FVC)是指植被在地面的垂直投影面积占统计总面积的百分比, 能够很好地反映出植被的生长状况[4-5]。 近年来,越来越多的学者对全球各地的植被变化展开了广泛而深入的研究, 为生态环境的改善提供了丰富的科学方法和可靠的数据支持。 例如,钟静等[6]通过2000—2020年的NDVI(normalized differnce vegetation index)数据, 采用像元二分模型计算了湖北省西部山体地区的植被覆盖度, 并采用斜率模型等方法对该区植被覆盖度的时空变化规律进行分析。 目前,地学信息图谱法多被用于土地利用领域, 该方法在植被变化方面的应用研究相对较少。

塔里木河流经中国西北部,是丝绸之路经济带上的一个重要节点[7]。作为中国连接西亚和东亚的重要门户,该地区的生态环境尤为重要。其下游地区的生态系统丰富多彩,对维护当地气候稳定和环境保护起着至关重要的作用。

本研究采用塔里木河下游2000、2011和2022年的3期遥感数据,采用像元二分模型法估算植被覆盖度并以此构建地学信息图谱,通过变化图谱、涨落势图谱和变化模式图谱分析研究期内塔里木河下游植被覆盖时空特征变化,为促进塔里木河下游生态环境可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于塔里木河下游,覆盖英巴扎水库至台特玛湖,总长约430 km。该区域地理位置为东经86°00′至89°30′,北纬39°00′至41°30′,属于典型的暖温带干旱的大陆性气候,常年气候干燥且降水稀少,日照时间长。为解决大西海子水库建成所造成主河道断流的问题[8],国家对下游实施了生态输水工程。截至2021年,已向塔里木河下游输水22次,累计下泄生态水8.79×109m3[9]。

1.2 数据来源及预处理

本研究基于GEE(google earth engine)平台获取2000、2011和2022年Landsat系列影像和年最大化NDVI数据,空间分辨率为30 m。结合像元二分模型法估算植被覆盖度,得到塔里木河下游3期植被覆盖变化数据。将植被覆盖度变化数据按照以0.25、0.35、0.45、0.70、0.85为节点划分为极低植被覆盖、低植被覆盖、中低植被覆盖、中植被覆盖、中高植被覆盖和高植被覆盖6类。并赋数值编码为1、2、3、4、5、6,建立塔里木河下游植被覆盖变化数据集。

1.3 研究方法

1.3.1 估算植被覆盖度

植被覆盖度是描述植被变化的重要参数之一,而像元二分模型则是目前最广泛使用的估算植被覆盖度的模型[10]。公式为

亲社会行为研究发现，慷慨的行为通常都是由他人取向动机驱使的，也就是说助人者有着改变他人状态的目标.因而，对助人者而言，如果没有成功帮助到他人就无法实现改变他人状态的目标[4].在试图帮助他人管理情绪的过程中，只有确定帮到了对方并收到相应的反馈，才能说明这一目标的完成.除此之外，助人者听到他人的倾诉后，也会受到消极情绪的感染.通过成功帮助对方缓解消极情绪，自身的消极情绪也随之减少.因而，助人者的情绪也会因求助者的积极反馈得以改善，间接地感受到亲社会行为带来的情感结果.事实上，这种反应依赖过程是他人取向行为的强有力动机.

(1)

式中:Ifvc为植被覆盖度;INDV为像元的NDVI值;INDV,soil为完全无植被覆盖区域的NDVI值;INDV,veg为完全被植被覆盖区域的像元NDVI值。

1.3.2 图谱单元的确定

地学信息图谱是综合物体空间形态特征和时空序列变化规律的一种显示方式[11]。本次选取30 m×30 m的空间分辨率作为图谱的空间单元,选择2000—2011年和2011—2022年这两个时段作为图谱的时间单元。

1.3.3 植被覆盖变化图谱

利用ArcGIS 10.8软件将相邻两期植被数据通过类型编码结合地图代数运算构建植被覆盖变化图谱[12]。公式为

C=10A+B。

(2)

式中:C表征该时段植被变化的图谱单元编码;A表征该时段起始年份植被类型的编码;B表征该时段结束年份植被类型的编码。

植被变化比率表示发生变化的植被类型占研究区所有发生变化的植被类型的比例[13-14]。公式为

(3)

式中:P表征研究时段植被变化比率;Sij表征前期第i类植被类型转变为后期第j类植被类型的图谱单元的面积;n为植被类型的个数。

(4)

式中:Dab表示植被变化的空间分离度,值越大说明植被变化在空间上的离散程度越大;Pab表示植被类型变化的图谱单元数;Lab表示植被变化的面积;a表示起始年份的植被类型单元属性值;b表示结束年份的植被类型单元属性值;n表示类别数。

1.3.4 植被覆盖涨落势图谱

植被覆盖转型包括转入和转出两个动态过程[16]。转入为其他植被类型转为该植被类型,即涨势;转出则为该植被类型转化为其他植被类型,即落势。通过统计转入转出情况,构建土地植被覆盖涨落势图谱,分析塔里木河下游2000—2011年、2011—2022年2个时段的涨落势情况。

1.3.5 植被覆盖变化模式图谱

将3期植被覆盖数据通过叠加计算得到植被覆盖变化模式图谱,图谱变化模式分为5种类型:稳定不变型,2000—2022年期间植被类型一直保持不变;反复变化型,2000年与2022年的植被类型相同,中间发生植被类型变化;全期变化型,植被类型一直发生变化,未出现连续相同的植被类型转移;前期变化型,仅在第一个时段发生植被变化;后期变化型[17-18],仅在后一个时段发生植被变化。

2 结果与分析

2.1 植被覆盖结构

2000—2022年塔里木河下游植被覆盖类型结构如图1(见封3)及表1所示。研究区因地理位置及气候等原因,植被主要为极低植被覆盖类型,占比在80%以上。随着塔里木河生态输水工程的实施,极低植被覆盖逐年减少,其他植被覆盖类型整体呈现增长趋势。

表1 植被覆盖类型占比统计

2.2 植被覆盖变化分析

由2000年、2011和2022年植被覆盖数据相交得到两个时段植被变化图谱,除去始末类型相同,即未发生变化的6类后,选取发生改变的图谱单元30类,其中主要变化数据如表2所示。

表2 植被覆盖变化

2000—2011年植被变化最为明显的是“极低植被覆盖-低植被覆盖”类型, 变化比率为14.34%, 面积为158.24 km2; 其次是“低植被覆盖-极低植被覆盖”类型, 变化比率为13.48%, 面积为148.74 km2; 第三是“极低植被覆盖-高植被覆盖”类型, 变化比率为9.84%, 面积为108.58 km2。 通过表2可发现该时序中最为明显的是极低植被覆盖与其他植被覆盖类型之间的转换, 其次是低植被覆盖和中植被覆盖与其他植被覆盖类型之间的转换。 该时段整体上植被变化情况逐渐变好且变化聚集。

2011—2022年植被发生变化相比2000—2011年更为明显。变化较为明显的是极低植被覆盖与其他植被覆盖类型之间的转换。首先是“极低植被覆盖-低植被覆盖”类型的变化,变化比率为24.60%,面积为372.77 km2;其次是“极低植被覆盖-中低植被覆盖”类型的变化,变化比率为9.79%,面积为148.32 km2;第三为“极低植被覆盖-中植被覆盖”,变化比率为9.58%,面积为145.16 km2。通过表2可看出,该时序植被覆盖变化整体呈增长趋势且变化聚集。

以上时段主要变化原因是国家对塔里木河下游的不断治理。 自2000年5月开启塔里木河下游生态输水工程以来, 研究区域的植被变化显著。 目前塔里木河下游生态环境得到改善, 重现“绿色走廊”。

2.3 植被覆盖涨落势分析

2.3.1 2000—2022年植被覆盖涨势

由表3可知,2000—2011年高植被覆盖呈现最大涨势,转入面积为246.63 km2;其次低植被覆盖,转入面积为233.88 km2;第三是极低植被覆盖,转入面积为197.90 km2。2011—2022年低植被覆盖呈最大涨势,转入面积为427.69 km2;第二是中植被覆盖,转入面积为354.29 km2;第三是中低植被覆盖,转入面积为268.31 km2。综上所述,2011—2022年植被类型转入级别高于2000—2011年,并且能够明显看出塔里木河下游植被转入情况趋势向好。

表3 植被覆盖涨落势

2.3.2 2000—2022年植被覆盖落势

通过表3可知, 2000—2011年期间塔里木河下游按照转出面积排序为极低植被覆盖、低植被覆盖、中植被覆盖、中低植被覆盖、高植被覆盖和中高植被覆盖。 其中极低植被覆盖呈现最大落势, 转出面积为425.69 km2; 其次是低植被覆盖, 转出面积为261.81 km2; 第三是中植被覆盖,转出面积为152.07 km2。 2011—2022年期间塔里木河下游各植被覆盖类型的转出面积相对于上一阶段有所增加, 主要萎缩类型为极低植被覆盖、低植被覆盖、中植被覆盖、中低植被覆盖。 排名第一的仍是极低植被覆盖, 转出面积为781.15 km2; 第二是低植被覆盖, 转出面积为232.65 km2; 第三是中植被覆盖, 转出面积为158.61 km2。 综上所述, 可以看出塔里木河下游植被覆盖类型不断从较低等级转出, 转入到较高等级。

2.4 植被覆盖变化模式分析

由图2(见封3)和表4可知,2000—2022年植被覆盖变化模式图谱以稳定不变型为主,变化面积11 592 km2,变化比率为85.43%,最大图谱单元类型为 “极低植被覆盖”,面积为11 151.42 km2,变化比率为96.20%;其次是后期变化型,变化面积872.86 km2,变化比率为6.43%,最大图谱单元为“极低植被覆盖-极低植被覆盖-低植被覆盖”,面积为324.66 km2,变化比率为37.19%;第三为全期变化型,变化面积473.08 km2,变化比率为3.49%,最大图谱单元类型为 “极低植被覆盖-低植被覆盖-中植被覆盖”,面积为37.97 km2,变化比率为8.03%。

表4 植被覆盖变化模式

综上所述,2000—2022年植被覆盖变化模式图谱以稳定不变型为主,后期变化型占比大于前期变化型。由此可以看出塔里木河下游植被逐年变好。

3 结论与讨论

本研究基于3期植被覆盖数据,对塔里木河下游植被覆盖进行时空变化特征分析,得出以下结论:

1) 塔里木河下游植被覆盖结构以极低植被覆盖为主,占研究区总面积的80%以上。2000—2022年,塔里木河下游植被覆盖变化主要是以极低植被覆盖的减少为主,这与塔里木河下游生态输水工程紧密联系。

2) 该时序中最明显的变化是从极低植被覆盖向其他植被覆盖类型的转变,其次是从低植被覆盖向其他植被覆盖类型的转变。整个时段植被变化情况呈现出逐渐变好的趋势且变化聚集。

3) 总体上低覆盖度和中覆盖度的涨势最大,极低覆盖度的落势最大。2011—2022年期间,植被类型向更高级别转化的比例高于2000—2011年期间,且植被覆盖度从低等级不断向高等级转移。这表明塔里木河下游的植被状况正持续向好发展。

根据植被覆盖变化模式图谱可以看出,稳定不变型的面积占比为主,后期变化型占比略高于前期变化型。这表明随着塔里木河下游生态输水工程的不断实施,植被覆盖度在逐年稳步提高。