基于归一化植被指数的小浪底库区植被覆盖度时空变化研究

张 静 朱梦娜 宋佳佳 宋辛辛* 王誉璐

(郑州师范学院地理与旅游学院,河南 郑州450044)

1 概述

植被是陆地生态系统的一部分,是生态系统变化的指示器[1]。在土壤侵蚀、水文、养分流失等地表物质迁移过程中发挥着重要作用,它通常用于研究植被与地表物质迁移的关系,以表征植被覆盖空间分布的复杂性、覆盖度及变化特征,同时也是描述生态系统的重要基础数据。其中植被覆盖度是衡量植物群落覆盖地表状况和生态环境状况的一个综合量化指标[2-4],该指标在水文、气象、生态等方面或全球性的研究中起着越来越重要的作用[5,6]。获取区域地表植被覆盖状态,对于揭示地表植被变化及植被动态变化趋势,分析、评价区域生态环境具有重要的现实意义。

精确测算植被覆盖度对了解区域环境状况非常重要,但传统的基于地面样方的植被覆盖度估算方法既费时又费力、且精度不高,已无法适应和满足区域生态环境可持续动态监测的需要。遥感等信息技术的发展,特别是对地观测技术的迅速发展和高分辨率商业卫星的投入使用,为研究区域范围内生态环境提供了新的技术手段,利用多波段、多时相遥感影像数据监测植被覆盖状况已成为国内外研究和应用的热点。

植被覆盖度的研究方法有地表实测法和遥感检测法。地表实测法通常作为一种较小范围内植被覆盖度监测和较大范围内植被覆盖度检测的遥感监测辅助手段,并为遥感监测提供相关数据,其中包括目估法[7]、采样法[8]、仪器法、模型法等；在大、中尺度的区域研究中,遥感方法是监测全球和区域植被变化的有效手段,利用遥感数据与方法分析植被的覆盖变化具有独特的优势[1],遥感监测是通过不同卫星多时段、多波段对地观测,为研究植被覆盖度创造条件,常用方法有回归模型法[9]、植被指数法[10]和像元分解模型法[11]等。其中,武娜[1]等人在植被遥感监测研究中指出：利用遥感进行植被监测的数据中,以归一化植被指数应用最广泛,它能很好地反映植被覆盖、生物量及生态系统参数的变化,且NDVI 能够精确地反映植被绿度、光合作用强变,反映植被代谢强度及其季节和年际变化。

黄河小浪底水利枢纽工程是黄河干流三门峡以下唯一能够取得较大库容的控制性工程,为国家“八五”重点建设项目。小浪底水库的建设、建成与投入使用对周边植被的演替和恢复带来一系列的显著影响。本文基于地理信息系统平台,利用多时相遥感影像数据,根据归一化植被指数定量分析小浪底水库运行前后库区植被覆盖度时空分布变化,以期了解小浪底水库的运行对当地的植被覆盖影响状况及存在的问题,并由此提出应对措施。

2 研究区概况

小浪底工程位于河南省洛阳市孟津县与济源市之间,1991年4 月动工兴建,主体工程于1994 年9 月12 日正式开工,1997年10 月28 日小浪底工程顺利实现大河截流。2000 年11 月30日大坝主体全部完工。2001 年12 月31 日,工程全部竣工。2002年至2008 年,小浪底工程先后通过了安全技术鉴定、工程及移民部分竣工初步验收和水土保持、环境保护、劳动安全卫生等专项验收,并于2009 年4 月7 日竣工验收。本文以河南省境内小浪底水库及其周边县市为研究区域,涉及陕县、洛宁县、渑池县、宜阳县、新安县、济源市、孟津县、孟州市、沁阳市、温县、博爱县、巩义市、原阳县、中牟县等20 个县(市)区,经纬度范围跨度为东经111.12°-114°,北纬32.72°-35.16°,见图1。

3 数据来源与研究方法

图1 研究区域范围示意图

3.1 数据来源

本文根据小浪底工程修建及运行时间段,选用1987-2020年时间跨度为33 年的遥感影像数据,即1987 年、1989 年、1993年、2002 年、2008 年、2016 年、2018 年、2020 年(共计8 年,6-10月份)植被生长季、云量较少的多景Landsat 影像为主要数据源,数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn)。

3.2 研究方法

本研究根据植被指数估算原理,通过对像元二分模型[10,12,13,14]的推导,建立归一化植被指数[12,13,15](Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)模型,目的对小浪底水库运行前后库区的植被覆盖度进行遥感估算。

首先,对八个时段影像做预处理(包括辐射定标、去云层和条带处理、掩膜统计、大气校正、镶嵌及裁剪等),利用ENVI5.3软件根据NDVI 计算流程得出研究区植被指数统计结果。若统计数据出现异常值,则对植被指数统计结果再做去除异常值处理,然后分别取累积概率为5%和90%的NDVI 值作为NDVImin和NDVImax。

根据公式(1)计算像元的植被覆盖度：

其中Fg表示此像元的植被覆盖度(植被覆盖面积所占的比例),NDVImin和NDVImax分别是区域内最小和最大的NDVI 值,由于不可避免存在噪声,NDVImin和NDVImax一般取一定置信度范围内的最大值与最小值。

当NDVI 小于NDVImin时,Fg取值为0；NDVI 大于NDVImax,Fg取值为1；介于两者之间的像元使用上式计算。

然后利用Band Math 流程化工具,输入公式(2)进行植被覆盖度计算。最后得到单波段的植被覆盖度图像文件,再借助于ARCGIS10.6 制作植被覆盖度分级图。

4 研究结果

4.1 植被覆盖度时空变化

本文研究结果取NDVI 指数置信度区间为5%和90%,得到NDVImin和NDVImax参数结果,见表1 所示。

表1 NDVI 指数置信度区间为5%和90%参数

根据上表可得到8 期研究区域植被覆盖度统计图,为了更加直观地反应植被覆盖情况,根据等级划分对应表2,对植被覆盖度进行分级统计,得到植被覆盖度分级图,见图2。

表2 植被覆盖度等级划分表[16]

由图2 可知,1987-2020 年小浪底周边植被覆盖的时空变化情况,1987-2008 年西部和西南部裸地和低等植被覆盖区域的面积逐渐减少,2008-2020 年东部河口地区裸地和低等植被覆盖区域的面积逐渐增多；1987-1993 年小浪底水库内部和黄河水域均有明显的植被覆盖面积增加,但在2002-2020 年水库内部及黄河水域呈现无植被覆盖和低等植被覆盖,如图2。

自小浪底水库修建运行起,水库季节性蓄水,改善水库周边局部小气候。西部、西南部多丘陵山地,为植被生长提供光热水等自然资源条件, 表现在1987-2008 年西部和西南部植被覆盖面积增多且逐渐转变为优等植被覆盖。2008-2020 年研究区域下游河口地区裸地和低等植被覆盖范围扩大,由于上游水库长期蓄水,水体携带泥沙量发生变化,营养物质被拦截,水流下泻流速发生变化,水温降低,地下水位抬升,土壤水盐运动发生变化,土地水渍化、盐碱化加重,不利于农作物、林木等植被的生长。小浪底水库建成后,上游河道由原来的河道型转变为湖泊型,水流速度减慢,自净能力减弱。蓄水后,水库内部的土壤中含有化肥农药等有机污染物、工程及生活残留垃圾浸没在水底,导致水体水温分层、水质下降、水分盐度增高、自净含氧能力下降,因此水库内部及黄河水域植被减少,甚至成为无植被覆盖即裸地。

4.2 不同植被覆盖度面积变化

为了定量分析研究区域植被覆盖度变化情况,本文利用ARCGIS10.6 对植被覆盖度分级图做重分类,并利用字段计算器,根据像元个数及单个像元面积,对植被覆盖度进行面积统计,见表3。

表3 植被覆盖度面积统计表 单位：平方千米

图2 1987-2020 年植被覆盖度分级图

由表3 可知：1987-2020 年小浪底流域周边的优等植被覆盖面积远远大于低等植被覆盖面积；其中,优等植被覆盖面积在1989 年达到次高峰,面积达到10342.5 平方千米,2008 年面积最大为14856.5 平方千米,2016 年面积最小,为5891.4 平方千米；整体来看,优等植被覆盖区域的面积自1987 年开始呈现波动起伏,在1987-1989 年、1993-2008 年、2016-2020 年均呈上升趋势,在1989-1993 年、2008-2016 年呈下降趋势；同时中等植被覆盖和良等植被覆盖区域的面积没有明显的变化；2016-2020 年裸地和低植被覆盖区域面积要比1987-2008 年要高。基于单波段植被覆盖度图像文件,本文利用ENVI5.3 软件,对植被覆盖度图像像元值进行基本数理统计分析,得到1987-2020 年单波段影像的均值,见图3。

图3 平均植被覆盖度变化趋势图

1987-1993 年平均植被覆盖度呈现下降趋势,且1989-2018年平均植被覆盖度低于1987 年,但在1993-2020 年均呈现缓慢上升趋势。根据小浪底工程修建与运行时期已有相关研究分析得出,1991 年9 月小浪底前期工程动工兴建,工程建在地质条件比较复杂的浅山丘陵地带,植被稀少、岩石裸露、地处沟壑且河谷狭窄。前期工程兴建,库区及周边动土开挖导致地表植被破坏、河流植被面积及河滨植被减少、生物多样性降低,水库淹没区和浸没区使得原有植被死亡；在后期蓄水运行中,局部地区地下水位抬升,出现土壤沼泽化、盐碱化,抑制植被生长,因此在1993-2008 年平均植被覆盖度没有明显的变化,相对较低。

小浪底工程在2001 年全部竣工,2002-2008 年前后实现各项验收。小浪底水库正常运行后,“库区效应”增加了周边的空气湿度,局部地区干燥度降低,降水增多,气温升高,无霜期日数增加,使得光热水等生产潜力有了很大提高,生态环境向着良性发展,在一定程度上促进植被生长,因此在1993-2020 年,小浪底库区植被覆盖度均有增加。介玉娥[17]等在研究小浪底水库蓄水后气候变化对生态及农业上的影响研究上同样也指出：小浪底水库的蓄水对库区降水量有明显的增加,平均增幅为16.9%,库区及周边的温度也呈增加趋势。

小浪底工程在建设初期,河南省内小浪底流域及周边的平均植被覆盖度有一定的减少,但在后期的运行中,对植被覆盖度的提升起到了一定的积极作用。同时在2016 年开始,裸地和低等植被覆盖区域相对扩大,优等植被覆盖区域相对集中,需要进一步加强植被建设,尽可能减少水库建设运行对植被环境生长的弊端。

5 结论

本文根据植被的光谱特征,利用遥感植被解释,通过获取多时相、多尺度的遥感影像数据,连续监测河南省境内小浪底库周的多年植被覆盖度,从而得出区域植被覆盖度时空变化图,定量分析了小浪底水库运行对库区植被覆盖度情况的影响,并得出以下主要结论：

5.1 小浪底水库建成初期,季节性蓄水,改善了西部和西南部光热水资源条件,促进当地农林等植被生长；但水库下游区域由于长期蓄水,带来一定的弊端,抑制区域内植被生长。

5.2 自小浪底水库正常运行投入使用起,小浪底流域优等植被覆盖面积远远多于低等植被覆盖面积,且优等植被覆盖区域多集中在西部及西南部；平均植被覆盖面积自1993 年至2020年呈现缓慢上升趋势,说明小浪底水库后期的稳定运作有利于植被生长。

5.3 小浪底水库运行对河南省内小浪底流域的植被覆盖度的提升起到了一定的积极作用,但目前还需要加强区域植被生态建设；应及时采取相应的措施减少水库运行带来的弊端,以恢复植被生长。