第一作者简介:张灿(1990- ),女,河南邓州人,硕士研究生,研究方向为环境与资源遥感。E-mail: 1721374724@qq.com
*通信作者简介:徐涵秋(1955- ),男,江苏盐城人,博士(爱尔兰国立大学),教授,博导,主要从事环境与资源遥感研究。E-mail: hxu@fzu.edu.cn
南方红壤典型水土流失区——福建省长汀县曾因生态破坏导致严重的水土流失。经过多年以植树为主的生态修复,该县生态面貌有了明显的改观。论文首先采用线性光谱混合分析模型计算植被覆盖度,并在此原始模型的基础上提出了对地形阴影进行修正的方法来获取植被覆盖度。精度验证表明,在线性光谱混合分析模型中加入山地指数(NDMVI)波段能够削弱地形阴影问题,提高植被覆盖度反演精度。在此基础上利用多时相遥感影像分析了长汀2001—2013年植被覆盖度的时空变化,并利用遥感生态指数( RSEI)定量评价了长汀水土流失生态修复的效果。结果表明,经过13 a的水土流失治理,长汀的植被覆盖度有了明显的升高,从2001年的75.1%上升到2013年的86.5%。 RSEI生态指数值也随之上升,生态等级为优良的面积比例从85.83%增加到90.59%,反映了长汀县生态质量整体有了明显的提高。植被的生态效应定量研究表明,长汀县的植被覆盖度每增加10%, RSEI生态指数值至少提高10%,植被覆盖度的生态提升效应显著。
Changting County in Fujian Province is a typical reddish soil erosion region in southeastern China. The county has been called the flame mountains area due to severe soil erosion on barren terrains. After years of ecological restoration, the local ecosystem has been improved remarkably and the barren lands are now covered with forests. This paper used remote sensing techniques to study the fractional vegetation cover ( FVC) changes and quantitatively evaluated the effects of ecological restoration in Changting during the period from 2001 to 2013 by using the remote sensing ecological index ( RSEI). Two remote-sensing based models for estimating FVC have been compared in order to select a suitable model for the retrieval of the FVC in the study area. One is the commonly-used Linear Spectral Mixture Analysis (LSMA) model, and the other is the LSMAM model. The LSMAM is based on the LSMA but with a Normalized Difference Mountain Vegetation Index (NDMVI) derived band added into the model. The comparative analysis confirms that the LSMAM model has higher accuracy than the LSMA model, indicated by its lower root mean square error and higher correlation with referenced FVC data because the addition of the NDMVI band into the model could eliminate shadow problem caused by topographic relief in the mountainous areas. Therefore, the LSMAMmodel was selected to retrieve the FVC in this study. The result indicates that the 13-year effort for treatment of the soil loss in the county has led to a notable increase in county's FVC from 75.1% (2001) to 86.5% (2013). Meanwhile, the RSEI-based analysis also indicates a significant improvement of the county's ecological quality during the same period, because of the increase in RSEI value from 0.750 to 0.787, along with an increase in high- RSEI-level area from 85.83% to 90.59%. Regression analysis between FVC and RSEI suggests that each 10% increment in FVC could raise the RSEI by 10%. This clearly indicates a significant effect of FVC on county's ecological quality.
福建省长汀县是我国南方红壤地区的典型水土流失区, 其河田镇一带的严重水土流失历来备受关注。在20世纪40年代初, 河田镇便与甘肃天水、陕西长安一起建立了水土保持试验站, 并同时被列为当时全国的3个重点水土保持试验区, 但治理成效甚微。新中国成立以来, 特别是从20世纪80年代开始, 各级政府逐步加大长汀水土流失治理的力度, 制订了一系列激励措施。福建省政府更是在2000年将长汀水土流失治理列入为民办实事项目之一。经过20多年的整治, 长汀县水土保持工作取得了明显的成就, 生态面貌有了明显的改观, 并成为我国水土流失治理的典范。
大面积地表裸露、植被稀疏是长汀水土流失的典型特征。遍布红土、不见绿被的山体曾有“ 红色沙漠” 之称。因此, 长汀县的水土流失治理多以植被恢复为主, 通过造林绿化来改善区域生态系统。随着长汀县水土流失治理力度的加大, 对其所产生的生态效应进行研究和评估就显得愈为重要。由于植被是生态系统的重要组成成分, 植被覆盖度的变化是地球内、外部作用与人类改造相互作用的结果[1], 对区域生态系统具有重要的影响。因此围绕植被覆盖度及其生态效应的研究长期以来一直为科学界所重视, 例如植被覆盖度与土壤湿度、地表温度和气候变化[2, 3, 4]等关系的研究。除此之外, 植被覆盖度还是气候模型、水文模型、水土流失土壤侵蚀模型以及生态系统模型的重要输入参数[5, 6, 7, 8, 9]。特别是植被覆盖度作为直观描述陆地植被生长状况的综合量化指标, 在生态环境综合评价、植被变化监测、水土保持以及干旱、沙尘暴[10, 11, 12, 13]等自然灾害监测中得到了广泛的应用。
本文在研究长汀县2001— 2013年植被覆盖度变化的基础上, 重点对其产生的生态效应进行评估, 并研究植被覆盖度与生态变化之间的定量关系, 这对长汀县进一步治理水土流失和改善生态质量具有重要的现实指导意义。
长汀县位于福建省西南部, 其地理位置为东经116° 00′ ~116° 40′ , 北纬25° 18′ ~26° 02′ , 土地总面积3 099 km2。该县以低山、丘陵地带为主, 成土母岩类型主要为砂、泥质岩和酸性火成岩等, 质脆而面蚀强烈, 风化后的土壤类型主要为红壤和砂壤土。长汀属亚热带季风气候, 年平均气温18.3 ℃, 年均降雨量达1 700 mm, 独特的自然条件决定了该区生态的脆弱性。根据中国植被区划, 长汀县属于亚热带常绿阔叶林区。但由于长期不合理的开发利用, 原生植被已遭毁灭性破坏, 代之的是大量的马尾松林。长汀县在地形上呈四周隆起、中部下凹的盆地特征, 这一盆地即为水土流失严重的河田盆地区[14]。
本文采用Landsat系列遥感影像为数据源, 所用影像的获取时间为:2001年10月12日(ETM+)、2004年10月12日(TM)和2013年10月5日(OLI)。其中2013年影像为最新发射的Landsat 8遥感影像。遥感数据的预处理包括几何配准和辐射校正。首先, 以2001年影像为基准, 采用二次多项式和最邻近像元法分别对2004和2013年影像进行配准, 配准的均方根误差小于0.5个像元。为减少不同时间的影像在大气、光照等各方面的差异与影响, 采用Chander等[15, 16]的模型和Chavez[17]的大气校正参数, 将Landsat TM/ETM+原始影像的DN值转换为传感器处反射率来进行辐射校正, 公式如下:
式中:
对于新发射的Landsat 8遥感影像, 依据美国USGS(http://glovis.usgs.gov/)提供的定标公式将影像的DN值转换为表观反射率:
式中:ρ λ 为表观反射率; θ SZ为太阳天顶角; Qcal为像元DN值; Mρ 、Aρ 分别为相应波段的调整系数和偏差值, 均可在影像头文件获得。
当前, 植被覆盖度(Fractional Vegetation Cover, FVC)的估算以线性光谱混合分析模型和基于NDVI植被指数的像元二分模型最为常用[12]。考虑到本文将研究植被覆盖度与遥感生态指数(RSEI)为代表的生态效应关系, 而RSEI指数的计算基础是NDVI, 因此为避免二者互为相关, 本文采用独立于NDVI的线性光谱混合分析方法来计算研究区的植被覆盖度。
1.3.1 线性光谱混合分析
在混合像元分解法中, 线性光谱混合分析(Linear Spectral Mixture Analysis, LSMA)以其物理意义明显且相对简单而得到广泛应用[18, 19, 20], 它将像元在某一光谱波段的反射率视为由构成像元的各终端单元(Endmember)的反射率(亮度值)以其所占像元面积比例为权重系数的线性组合, 公式及其约束条件如下[21]:
式中:Rb为波段b的反射率; N为端元的数目; fi为端元i的权重, 代表各个光谱端元所占的比率; Rib为端元i在波段b的反射率; eb为残差。模型的精度可通过计算每个波段的残差(eb)的均方根来检验:
式中:RMS为残差eb的均方根; M是影像中的波段数。RMS越小, 则模型的误差越小。
在线性光谱分析的端元确定中, 以V-L-H-S(植被-低反照地物-高反照地物-裸露土壤)的4端元模型[20]最为常用。但由于该模型中未包含水体, 因此需先对影像进行水体掩膜, 然后对原始的反射率影像进行最小噪声分离变换(Minimum Noise Fraction, MNF), 实现数据降维和噪音分离以消除波段间的相关性。在统计MNF变换后各分量对应的特征值发现, 原始影像的前3个主分量特征值在原始影像信息量中所占的百分比为85.87%, 可以有效地表示数据的基本维度。因此可在MNF变换的前3个分量所形成的散点图中, 圈出不同端元的样本区域, 得到各端元的光谱均值(图1)。在理想的线性光谱混合分析模型中, 各端元应该分布在三角特征空间的顶点区域, 每个顶点区域的散点代表一种光谱端元, 越靠近边缘, 像元越纯净[21]。最后利用线性光谱混合分析进行波谱分离, 得到4个端元的丰度图像和残余误差图像, 其中植被端元的丰度图像即为植被覆盖度影像。
![]() | 图1 原始影像MNF前3个分量特征空间散点图及纯像元位置Fig. 1 Scatterplots of the first three MNF components showing the purity of pixels |
由于研究区的植被主要分布在山地上, 地形起伏的阴影会对阴坡的植被覆盖度估算带来误差[22, 23]。对此, 在原始影像的6个多光谱波段中引入能够削弱阴影的山地指数NDMVI(Normalized Difference Mountain Vegetation Index)[24]作为辅助波段, 以削弱阴坡对线性光谱分解结果的影响, 提高分解结果的精度。为了描述方便, 将引入山地指数波段的LSMA模型称为LSMAM, 以与原始的LSMA区别。
1.3.2 精度验证
为了更准确地估算长汀的植被覆盖度, 以研究区2004年10月12日影像为例, 对LSMA和LSMAM两种模型反演得到的植被覆盖度进行精度验证, 通过对比两种模型的精度, 选取最适合于研究区的植被覆盖度反演模型, 然后依此模型反演2001和2013年影像的植被覆盖度。
精度验证采用基于高分辨率影像的亚像元对比法[21], 该方法不仅能检验精度, 而且还可以将由模型求出的植被覆盖度和高分辨率影像所代表的实际植被覆盖度关联起来。利用3
式中:Xi是模型求出的植被覆盖度估计值; Yi是实际的植被覆盖度值; n为样本数。系统误差RMSE反映的是样本的总体精度, RMSE值越小, 则表明模型精度越高。
为了考察植被变化所产生的生态效应, 本文选用徐涵秋[25]新近提出的遥感生态指数(Remote Sensing Ecological Index, RSEI)来对长汀县的生态进行评价。该指数是一综合多种要素的生态综合评价指数, 它不仅考虑了植被所代表的绿度变化, 还结合了湿度、热度、干度等多种因素, 因此可以较全面地考察区域的生态变化, 其结果与国家环保部的生态状况指数(EI)[26]也有较好的可比性[27]。RSEI可表示为上述各因子的函数, 即:
式中:Green、Wet、Thermal和Dry分别为绿度、湿度、热度和干度, 这4个指标可分别由遥感的对应指数或参量获得。以Landsat TM影像为例, 它们的计算公式分别为:
绿度指标以植被指数NDVI[28]来代表:
式中:ρ TM4和ρ TM3分别代表TM4和TM3波段的反射率。
湿度指标由缨帽变换中的湿度分量[29]代表:
式中:
热度指标由经过比辐射率校正的亮温来代表。亮温BT的计算参照Landsat用户手册的模型[30], 再对其进行比辐射率校正[31, 32]:
式中:T为经过比辐射率校正后的亮温(℃); λ 为第6波段的中心波长(11.45 μ m); ρ =1.438× 10-2 mK; ε 为地表比辐射率, 其取值见文献[33]。
干度指标采用由裸土指数SI[34]和建筑指数IBI[35]合成得到的干度指数NDSI来代表:
由于以上4个指标的量纲不统一, 为消除不同数据间的差异, 必须对其归一化, 使其数值范围统一于[0, 1]之间, 归一化公式为:
式中:NIi为归一化后的某一指标值, Indicatori为该指标在像元i的值, Indicatormax和Indicatormin分别为该指标的最大值和最小值。
对经过归一化后的4个指标计算第一主成分(PC1), 使好的生态条件由PC1值大的来代表, 再用1减去计算出的PC1, 得到初始生态指数RSEI0:
同理, 利用公式(11)对RSEI0进行归一化, 即得到RSEI, 经过归一化后的RSEI值介于[0, 1]之间, RSEI值越接近1, 生态越好。
根据1.3.2所述的精度验证方法, 分别对LSMA和LSMAM模型反演的植被覆盖度进行精度验证(图2)。
![]() | 图2 LSMA和LSMAM模型反演的植被覆盖度(FVC)的精度比较 注:方程通过0.1%的显著性检验。Fig. 2 Accuracy assessment of the LSMA and LSMAM models |
由图2可知, LSMAM模型在各方面都有明显的优势, 与LSMA模型相较, 其相关系数R值增加了0.173, RMSE值降低近1倍, 这说明加入山地指数波段的LSMAM模型比未加该波段的LSMA模型的精度有了大幅提高。显然, 在原LSMA模型中加入山地指数波段可以有效提升阴坡植被的反射率, 从而降低了阴坡植被和低反照地物的混淆度, 提高了植被覆盖度的反演精度。综上, 本文选用引入山地指数的LSMAM模型来反演各研究年份的植被覆盖度。
图3(a) (b) (c) 和表1为利用LSMAM模型反演的各研究年份的植被覆盖度影像图及其统计值。
由表1可知, 长汀县的植被覆盖度在这13 a间呈总体上升趋势, 其均值从2001年的75.1%上升到2013年的86.5%。但从不同的时间段来看, 其植被覆盖度经历了先下降后上升的趋势。在2001— 2004年间的植被覆盖度有所下降, 其均值从2001年的75.1%下降到2004年的72.1%, 下降了3个百分点; 但在2004— 2013年间植被覆盖度则有大幅度增加, 由2004年的72.1%增加到86.5%, 增加了14.4个百分点, 说明13 a来长汀加大水土流失治理的成效显著。从标准差来看, 其值也从13.2%减少到12.3%, 这说明长汀县的植被覆盖度在增加的同时, 空间差异性也在逐渐减小, 植被覆盖度趋于统一。
从图3 (a) (b) (c) 可以看出, 这13 a来长汀县植被覆盖度在各地区均有不同程度的增加, 表现为2013年植被覆盖度影像整体较2001和2004年颜色偏红。且从空间分布来看, 植被覆盖度增加的区域主要集中在中部的河田盆地区, 该区中代表植被覆盖度提高的红色图斑在2013年有了明显的增加。与此同时, 盆地周围边缘地区的红色较前两个时相进一步加深, 表明了这一区域内的植被覆盖度也有所提升。
![]() | 表1 研究区各年份植被覆盖度统计 Table 1 Statistics of fractional vegetation cover of each study year |
利用1.4的公式分别计算各研究年份的生态指数, 得到研究区各时相的遥感生态指数影像[图3 (d) (e) (f) ], 并对其进行统计(表2)。
![]() | 表2 长汀县各年份4个生态分指标和遥感生态指数RSEI的统计值 Table 2 Statistics of four indicators and RSEI in Changting |
在表2各指标第一主成分(PC1)的载荷中, 湿度和绿度指标的值与干度和热度指标的值符号相反, 说明它们对生态起不同的作用。由各指标均值变化情况可知, 2001— 2013年间, 代表生态条件差的干度指标和热度指标的均值表现为总体下降的趋势, 而对生态有利的绿度指标和湿度指标的均值表现为总体上升。4个指标的各自表现说明了长汀县的生态质量整体趋于变好和提高, 因此遥感生态指数RSEI整体也呈现为上升趋势, 其均值从2001年的0.750上升到2013年的0.787。但2004年的RSEI(0.705)比2001年的RSEI(0.750)有所下降, 虽然代表生态条件变好的湿度和绿度在该年份均表现为上升, 但是代表生态条件变差的热度和干度的均值也有明显增加, 特别是干度指标比2001年大幅提高了0.165, 因此湿度和绿度的上升不足以抵消热度和干度的提高所带来的负面影响, 从而导致了生态指数相应降低。同样, 2013年的湿度虽较2004年有所下降, 但其他指数均值皆往生态好的方向转变, 因此生态指数得以整体升高。
为了进一步了解长汀的生态质量分布, 以0.2为间隔将RSEI指数分为5个生态等级, 分别为差、较差、中等、良和优, 并统计各生态等级的面积和所占的比例(表3)。
从表3统计结果可以看出, 在研究期间, 长汀县的生态质量呈整体上升趋势, 具体表现在生态级别为优良等级(4、5级)所占的面积比例从85.83%上升到90.59%, 生态等级为差和较差(1、2级)所占的面积比例从3.09%下降到1.95%。但在2001— 2004年期间, 生态等级为优良(4、5级)所占的面积比例从85.83%下降到80.84%, 而差到中等的生态等级所占面积比例也相应上升, 说明生态质量出现下降; 在2004— 2013年期间生态质量大有好转, 生态等级为优良(4、5级)所占的面积比例显著增加, 从80.84%又上升到90.59%, 提高了约10%, 等级为较差到中等的面积比例相应大幅下降。
![]() | 表3 长汀县生态等级面积和比例 Table 3 Area and percent changes of graded RSEI from 2001 to 2013 in Changting |
为了进一步直观了解长汀县的植被覆盖度和生态质量的空间变化, 利用遥感变化检测技术获得研究区植被覆盖度和生态质量等级的变化图(图4)。遥感变化检测技术采用三原色混色技术, 即植被覆盖度或生态质量上升的地区由绿色代表, 植被覆盖度或生态质量下降的地区由红色代表, 植被覆盖度或生态质量不变区则由黄色(红绿的混色)来代表。
![]() | 图4 长汀县2001— 2013年植被覆盖度和生态质量变化检测Fig. 4 Change detection images of FVC (a) and RSEI (b) between 2001 and 2013 |
从植被覆盖度的变化[图4 (a)]来看, 盆地周围的地区13 a里基本未发生变化, 呈黄色, 这是由于盆地周边是地势较高、受人类活动干扰较少的山区, 因此植被覆盖度历年来都较好, 没有发生明显的变化。而中部盆地内及其边缘的低矮山地主要呈绿色, 说明这13 a来植被覆盖度增加的地区主要在盆地内, 长汀县针对这一水土流失重点区的治理已取得明显成效。而代表植被覆盖度降低的少部分红色斑块主要零散地分布于盆地中, 这主要是盆地中新增的建筑用地导致了植被覆盖度的下降。还有些零星的红色斑块则是由于火烧山导致的地表裸露而造成的植被覆盖度降低。
从遥感生态指数RSEI的变化[图4 (b)]可以直观看出, 生态指数的变化与植被覆盖度的变化在空间位置上高度吻合。凡是植被覆盖度增加的位置, 生态指数也增加, 同样表现为绿色; 而植被覆盖度下降的地方, 生态指数也同样表现为下降的红色。可见植被覆盖度与生态指数有密不可分的关系, 其变化直接影响着区域的生态质量。
从变化检测的统计结果来看(表4), 2001— 2013年间, 长汀县生态质量等级下降地区的面积为108.31 km² , 仅占总面积的3.5%, 而生态质量上升地区的面积则达1 849.06 km² , 占到了59.74%, 表明长汀县生态质量有了较明显的上升。
![]() | 表4 生态变化检测(2001— 2013年) Table 4 Change detection result of graded RSEI between 2001 and 2013 |
为进一步验证植被覆盖度与生态的关系, 定量分析植被覆盖度的生态改善效应, 分别将各年份的植被覆盖度影像和生态指数影像做回归分析。在影像上按11× 11的网格随机采样, 每个年份各采28 000个样本, 大量样本可以保证统计结果的客观性和代表性。由于RSEI与FVC数据的表示形式不一致, 因此首先将RSEI数据转换为百分比形式再与FVC进行回归分析(图5)。
![]() | 图5 植被覆盖度(FVC)与生态指数关系的回归分析注:方程通过0.1%的显著性检验。Fig. 5 Regression analysis of the relationship between FVC and RSEI |
由以上各年份回归模型来看, 植被覆盖度FVC和生态指数RSEI呈显著的线性正相关关系, 相关系数皆大于0.9, 说明植被覆盖度的升高会明显地提升区域的生态质量。从回归方程来看, 在长汀县, 植被覆盖度每提升10%, 至少可以使生态质量相应地提升10%。因此可以看出植被覆盖度具有重要的生态提升效应, 在改善区域生态质量上具有举足轻重的作用。
1)通过对比LSMA和LSMAM两种模型反演植被覆盖度的精度, 发现LSMAM模型的精度更高, 其相关系数R值比LSMA模型高出0.173, 均方根误差减小了近50%。这是因为基于增加山地指数波段的LSMAM模型能够有效削弱阴阳坡植被光谱的差异, 并可以降低阴坡植被与低反照地物的混淆度, 从而有效地提高了植被覆盖度的反演精度, 因此更适合于山地的植被覆盖度反演。
2)RSEI可以有效地揭示长汀水土流失区的生态状况, 但由于RSEI的4个生态因子中含有NDVI, 因此在研究RSEI与植被覆盖度FVC的关系时, 不应再采用基于NDVI的植被覆盖度模型来反演FVC, 以避免二者互为相关。本次研究使用独立于NDVI的LSMAM模型来计算FVC, 使得揭示的RSEI与FVC的关系更为客观。
3)长汀县水土流失治理工作在所研究的13 a里已取得明显成效, 植被覆盖度有了显著的上升, 从2001年的75.1%上升到2013年的86.5%。植被覆盖度增加的区域主要集中在河田盆地内。长汀县植被覆盖度的提高也产生了明显的生态效应, 其遥感生态指数RSEI从2001年的0.750提高到2013年的0.787。定量回归分析表明, 在长汀植被覆盖度与生态指数呈线性正相关关系, 植被覆盖度每增加10%, 生态指数最少可增加10%, 在改善区域生态质量上具有明显的效应。
The authors have declared that no competing interests exist.
[1] |
|
[2] |
|
[3] |
|
[4] |
|
[5] |
|
[6] |
|
[7] |
|
[8] |
|
[9] |
|
[10] |
|
[11] |
|
[12] |
|
[13] |
|
[14] |
|
[15] |
|
[16] |
|
[17] |
|
[18] |
|
[19] |
|
[20] |
|
[21] |
|
[22] |
|
[23] |
|
[24] |
|
[25] |
|
[26] |
|
[27] |
|
[28] |
|
[29] |
|
[30] |
|
[31] |
|
[32] |
|
[33] |
|
[34] |
|
[35] |
|