基于MODIS数据的植被覆盖度时空变化及石漠化监测研究

发布时间：2020-10-29 21:59

　　喀斯特地区的生态环境脆弱,土壤形成速率慢、蓄水性差,土层覆盖浅薄不连续、粘着性低,这对于地表植被的生长极为不利,在外部条件尤其是人类活动的影响下生态系统很容易发生退化。我国西南喀斯特地区经济发展比较落后,生态环境也十分脆弱。在脆弱的地质背景下,上覆植被一旦被破坏,水土流失速率加快,导致下伏基岩大面积暴露地表、土地退化,出现石质荒漠化现象。近年来,为了遏制石漠化、控制水土流失、保护生态环境,国家在西南地区实施了一系列生态治理和植被恢复工程。植被覆盖度是监测与评价土壤侵蚀、水土流失等生态环境变化的重要内容,能为喀斯特地区的石漠化生态建设工程成效评估提供数据支撑。传统的植被覆盖地面测量方法费时费力、局限大、难推广。遥感技术的发展使大范围的植被覆盖度监测成为可能,这对喀斯特地区的生态环境监测具有重要意义。重庆是长江流域经济带的联结点和重要的生态屏障,岩溶地貌广布、生态环境脆弱,三峡库区生态风险大、扶贫与环境保护矛盾突出。因此,本研究以2000~2015年的MODIS数据为基础,结合地质、地形、气象和土地利用等数据,运用像元二分模型计算植被覆盖度,采用距平百分率、趋势分析、变异系数、分布指数、景观指数和残差分析等方法,分析了重庆植被覆盖度的时空变化及石漠化演变特征,结果表明:(1)2000~2015年,重庆植被在年际、夏季和秋季均以中覆盖度为主,春季和冬季则以低覆盖度为主。劣、低覆盖度比例冬季最高,主要分布在合川、江津、永川等地;中覆盖度比例夏季最高,主要分布在梁平、南川、垫江等地;高覆盖度比例秋季最高,主要分布在城口、巫溪、武隆等地。劣覆盖度在2000、2002、2003年春季,2001、2006年秋季以及2011年冬季异常偏多,主要在垫江、璧山、大足、铜梁等地;低覆盖度在2000、2001年秋季异常偏多,主要在巫溪、奉节、忠县等地;高覆盖度在2000、2008年秋季和2014年春季异常偏少,主要在永川、江津、合川等地。植被覆盖变化趋势以不变类型为主(81.12%),增加类型其次(15.04%),减少类型最低(3.84%)。减少类型比例冬季最高,主要分布在荣昌、潼南、巫山等地;不变类型比例秋季最高,主要分布在城口、巫溪、彭水等地;增加类型比例春季最高,主要分布在綦江、潼南、荣昌等地。植被覆盖波动变化以轻度波动为主(63.60%),稳定其次(21.72%),中度波动第三(11.68%),重度波动最低(3.00%)。稳定比例夏季最高,主要分布在城口、綦江、江津等地;轻度波动比例秋季最高,主要分布在梁平、綦江、南川等地;中度和重度波动比例冬季最高,主要分布在荣昌、大足、铜梁、永川、重庆*等地。(2)植被覆盖度在夏季斑块类型破碎度和多样性低、连通性好、聚集度高。与非喀斯特地区相比,喀斯特地区植被覆盖度斑块类型破碎度和多样性高、连通性差、聚集度低;劣覆盖度斑块破碎度和聚集度低,低覆盖度斑块破碎度低、聚集度高,中覆盖度斑块破碎度高、聚集度低,高覆盖度斑块破碎度和聚集度高。植被覆盖变化趋势在秋季斑块类型破碎度和多样性低、连通性好、聚集度高。与非喀斯特地区相比,喀斯特地区植被变化趋势斑块类型破碎度高、连通性好、多样性和聚集度低;植被减少类型斑块破碎度和聚集度低,增加类型斑块破碎度高、聚集度低。植被覆盖波动变化在秋季斑块类型破碎度和多样性低、连通性好、聚集度高。与非喀斯特地区相比,喀斯特地区植被覆盖波动变化斑块类型破碎度高、连通性好、多样性和聚集度低;稳定和重度波动类型斑块破碎度高、聚集度低,轻度和中度波动类型斑块破碎度和聚集度高。(3)在地形分布中,劣、低覆盖度主要分布在高程小于600m、坡度小于15°以及北坡、西坡区域,中、高覆盖度主要分布在高程大于600m、坡度大于15°以及东坡、南坡区域。在季节变化中,从春到夏季,劣覆盖度分布增加的区域在高程小于300m、坡度2~15°以及东坡、南坡区域,低覆盖度在高程小于300m、坡度大于6°以及北坡、西坡区域,中覆盖度在高程小于800m、坡度小于6°以及北坡、西坡区域,高覆盖度在高程大于1400m、坡度小于15°以及东坡、南坡区域;从秋到冬季,劣覆盖度分布增加的区域在高程大于300m、坡度大于15°以及北坡区域,低覆盖度在高程大于500m、坡度大于6°以及北坡、东坡区域,中覆盖度在高程大于800m、坡度大于6°以及东坡、南坡区域,高覆盖度在高程小于1100m、坡度大于15°以及西坡区域。植被减少类型主要分布在高程小于400m、坡度小于6°以及北坡、西坡区域,增加类型主要分布在高程400~1200m、坡度大于6°以及东坡、南坡区域。在季节变化中,从春到夏季,植被减少类型分布增加的区域在高程200~600m、坡度小于6°以及东坡、西坡区域,增减类型在高程大于900m、坡度大于6°以及东坡、南坡区域;从秋到冬季,植被减少类型分布增加的区域在高程300~500m和大于1300m、坡度小于2°和大于15°以及南坡区域,增加类型在高程500~1300m、坡度大于6°以及北坡、东坡和西坡区域。植被稳定类型主要分布在高程400~800m、坡度大于15°以及东坡、南坡区域,轻度波动主要分布在高程大于1300m、坡度大于6°以及北坡区域,中度波动主要分布在800~1300m、坡度6~15°以及西坡区域,重度波动主要分布在高程小于400m、坡度小于6°以及平地区域。在季节变化中,从春到夏季,轻度波动分布增加的区域在高程小于400m和大于1200m、坡度小于6°以及北坡、西坡区域,中度波动在高程小于200m和600~1400m、坡度大于6°以及西坡区域,重度波动在高程小于400m、坡度小于6°以及南坡、西坡区域;从秋到冬季,轻度波动分布增加的区域在高程大于500m、坡度大于6°以及东坡、南坡区域,中度波动在高程400~1100m、坡度6~25°以及东坡、南坡区域,重度波动在高程大于400m、坡度大于6°以及北坡、西坡区域。(4)基于降水和气温数据建立植被覆盖度的反演模型,并采用残差分析分离气候和人类活动对植被覆盖变化的贡献率。2000~2013年,以人类活动影响为主的面积占25.88%,以气候影响为主的面积占74.12%。人类活动逆向作用主要分布在江津、永川、璧山等地以及高程小于400m、坡度小于6°和西坡等区域;人类活动正向作用主要分布在巫溪、城口、石柱等地以及高程大于1100m、坡度大于25°和北坡、南坡等区域;气候抑制作用主要分布在黔江、酉阳、彭水等地以及高程700~1100m、坡度6~25°等区域;气候促进作用主要分布在潼南、大足、梁平等地以及高程400~700m和平地、东坡区域。植被覆盖度与降水正相关的面积占47.26%,长寿相关系数最高;与气温正相关的面积占39.33%,巫溪相关系数最高。在季节变化中,春季与降水正相关的占51.05%,云阳相关系数最高,与气温正相关的占44.08%,巫山相关系数最高;夏季与降水正相关的占49.70%,万州相关系数最高,与气温正相关的占61.22%,云阳相关系数最高;秋季与降水正相关的占37.43%,开县相关系数最高,与气温正相关的占20.98%,秀山相关系数最高;冬季与降水正相关的占46.53%,垫江相关系数最高,与气温正相关的占61.72%,江津相关系数最高。植被减少类型主要在耕地、水域和建设用地,增加类型主要在林地和草地。在植被减少分布中,耕地和建设用地主要在夏季,林地和草地主要在冬季,水域主要在春季;在植被增加分布中,耕地、水域和建设用地主要在秋季,林地和草地主要在夏季。植被稳定类型主要在耕地,轻度波动主要在林地和草地,中度和重度波动主要在水域和建设用地。在植被稳定类型的分布中,耕地和林地主要在夏季,草地主要在秋季,水域主要在春季,建设用地主要在冬季;在轻度波动分布中,耕地主要在秋季,林地和草地主要在冬季,水域和建设用地主要在夏季;在中度波动分布中,耕地主要在秋季,林地和草地主要在春季,水域和建设用地主要在夏季;在重度波动分布中,耕地和林地主要在冬季,草地主要在春季,水域和建设用地主要在夏季。(5)以植被覆盖度为基础,结合岩石裸露率、坡度、土地利用数据建立石漠化遥感定量监测模型,分析石漠化的演变特征。2001~2015年,重庆石漠化面积逐渐减少,石漠化程度逐渐降低。以中度石漠化为主(57.33%),轻度石漠化其次(31.95%),重度石漠化第三(9.61%),极重度石漠化最低(1.11%);轻度石漠化比例呈增加趋势,中度石漠化比例先增加后降低,重度和极重度石漠化比例呈减少趋势。在石漠化演变类型中,以层变方式为主(49.47%),其次是返变方式(30.61%),单变方式最低(19.92%);石漠化恶化主要发生在秀山、彭水、酉阳等地,石漠化改善主要发生在重庆*、奉节、巫山等地;石漠化恶化和改善主要发生在300~800m区域。石漠化的相互转化较为复杂,但不同程度石漠化面积均在减少。其中,中度石漠化面积减少最多(3046.75km2),其次是重度石漠化(1254.56km2),轻度石漠化第三(691.56km2),极重度石漠化最少(229.19km2)。不同石漠化的演变速率均呈现先增加后降低的趋势,其转入速率均逐渐降低;轻度和极重度石漠化的转出速率逐渐降低,而中度和重度石漠化的转出速率则先增加后降低。其中,中度石漠化减少速率最高(50.78km2?a-1),重度石漠化其次(20.91km2?a-1),第三是轻度石漠化(11.53km2?a-1),极重度石漠化最低(3.82km2?a-1);转入速率最高的是轻度石漠化(30.36km2?a-1),转出速率最高的是中度石漠化(75.55km2?a-1)。2001~2015年,石漠化斑块数量逐渐减少,破碎度、最大斑块优势度、形状规则化和连通性增加,多样性、均匀度和聚集度降低。轻度石漠化破碎度和最大斑块优势度增加,斑块数量、形状规则化和聚集度降低;中度石漠化斑块数量、形状规则化和聚集度降低,破碎度和最大斑块优势度增加;重度和极重度石漠化斑块数量、破碎度、最大斑块优势度、形状规则化和聚集度均降低。本研究通过对重庆植被覆盖度的变化分析,可以清楚地了解植被的时空变化规律及其影响因素,在此基础上进一步分析了石漠化的演变特征,可以为重庆的生态环境建设和石漠化治理提供一定的参考。
【学位单位】：西南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X171;X87
【部分图文】：

重庆市区,位置图,概况,数据来源

第 2 章研究区概况及数据来源第 2 章研究区概况及数据来源研究区概况地理位置重庆地处中国西南、长江上游地区，105°11'~110°11' E、28°10'~32°青藏高原向长江中下游平原的过渡区域。西、北部与四川和陕西相连北和湖南相邻，南部与贵州接壤，幅员面积 82370.94km2，东、西横跨长 4北宽 450km。截止到 2016 年 12 月底，重庆共下辖 26 个区、8 个县和。

空间分布,重庆市,高程,空间分布

结合实际和相关成果（陈利顶等，2008；马士彬等，2012），将和坡度图进行分级。在进行高程分级时，把 200m 以下和 1500m 以上，200~1500m 之间按间隔 100m 进行分级，共 15 级（表 2-2）。根据国发的《第二次全国土地调查技术规程》，将坡度划分为≤2°、2~6°、65°、＞25°共 5 级（表 2-3、图 2-3）。参考相关研究（童晓伟等，201数据划分为平地、北坡（315~45°）、东坡（45~135°）、南坡（135~2（225~315°），即阴坡、半阴坡、阳坡、半阳坡（图 2-4）。表 2-2 重庆市高程分级Tab.2-2 The gradient of elevation of Chongqing级 1 2 3 4 5 6 7 程/m ≤200 200~300 300~400 400~500 500~600 600~700 700~800 级 9 10 11 12 13 14 /m 900~1000 1000~1100 1100~1200 1200~1300 1300~1400 1400~1500

空间分布,重庆市,坡度,坡度分级