高鹏文(1995-), 男(汉族), 新疆维吾儿自治区哈密市人, 硕士研究生, 研究方向为资源环境遥感。Email:
对近30 a来哈密绿洲植被覆盖度时空变化及驱动力进行分析,为该地区绿洲持续健康发展提供理论借鉴。
以1988,1998,2008及2018年4期影像为基础数据,利用像元二分模型计算了基于AFRISWIR2指数提取的植被覆盖度,利用动态度指数与植被覆盖度转移矩阵分析哈密绿洲植被覆盖度动态变化;再通过地理探测器对8个影响因子进行探测,探寻哈密绿洲植被覆盖度的驱动因子。
近30 a来哈密绿洲面积从1988年的214 km2增长到2018年的632.1 km2,增幅达195%,但绿洲内植被覆盖度等级却较低,同时哈密绿洲面积主要扩展的区域在西北部和东南部区域;哈密绿洲的发展阶段可分为3个阶段:1988-1998年为低强度稳定期,1998-2008年为极度扩张期,2008-2018年为高强度稳定期。
土地利用类型变化是造成哈密绿洲植被覆盖度变化的直接原因,同时在近30 a内,人为因素对哈密绿洲植被覆盖状况的影响远高于自然因素。
The temporal and spatial changes and driving forces of vegetation coverage in Hami Oasis in the past 30 years were analyzed in order to provide theoretical reference for the sustainable and healthy development of oasis in this area.
Based on the 4 images of 1988, 1998, 2008 and 2018, the vegetation coverage extracted from the AFRISWIR2 index was calculated using the pixel binary model. The vegetation coverage of Hami Oasis was analyzed using the dynamic index and the vegetation coverage transfer matrix. Then, 8 influencing factors were detected by the geographic detector, to explore the driving factors of the vegetation coverage of Hami Oasis.
In the past 30 years, the area of Hami Oasis increased from 214 km2 in 1988 to 632.1 km2 in 2018, with increase range of 195%. The development speed was relatively fast, but the level of vegetation coverage in the oasis was low. At the same time, the main expansion area was in the northwest and southeast regions. The development stage was defined as follows:1988-1998 was the low-strength stable period, 1998-2008 was the period of extreme expansion, and 2008-2018 was the high-strength stable period.
The change of land use type is the direct cause of the change of vegetation coverage in Hami Oasis. At the same time, in the past 30 years, the influence of human factors on vegetation coverage of Hami Oasis is much higher than natural factors.
绿洲是干旱区水系分布不均及空间降水量不平衡共同作用下形成的特殊地理单元[
哈密绿洲位于新疆维吾尔自治区东部,也是内地省份进入新疆的第一片绿洲,属于哈密市伊州区行政管辖。哈密绿洲南侧为大片荒漠戈壁,北侧为是东天山南部的洪积扇。因地处干旱区,属于典型的温带大陆性干旱气候。昼夜温差大,最大日较差26.7 ℃,年均气温仅有9.8 ℃,年均降水量仅有33.8 mm,同时蒸发量却高达3 300 mm,气候干燥。哈密绿洲内有哈密河流经,但常年处于干涸状态,主要水源由地表水(降水、降雪)和地下水(东天山冰川融化)两部分提供。
https://www.usgs.gov/),获取时间分别为7月24日,8月7日,7月29日及7月20日。再进行几何校正、辐射定标、大气校正等步骤消除大气对于植被覆盖度计算时的影响,再对其拼接裁剪,得到绿洲植被覆盖度影像。②空间数据。从资源环境云平台(http://www.resdc.cn/)获取DEM、人口密度、GDP、温度、降水和土地利用栅格数据。统一重采样至30 m,重分类为5类。③基础地理信息数据。从国家地理信息中心获取1:100万的地理信息数据,选取道路及水系。先对获取的道路与水系两种矢量数据转换坐标系,依据研究区图裁剪需要的范围,再对处理后数据做核密度分析。之后再转栅格依据,同时重采样至30 m,最后利用自然断点法分成5类。]]>
众多学者对全球40多种植被指数进行了比较,高志海[
式中:NRI, red, blue分别为Landsat影像近红外、红色、蓝色波段的反射率;γ为大气光路修订系数,取值为1;SWIR2为TM及OLI影像的第7波段。
采用像元二分模型估算植被覆盖度,该模型也是较为简单实用且被大量印证过得模型,其原理为:假定有植被覆盖度与无植被覆盖度的区域共为一个像元
通过推到得出基于AFRISWIR2指数的植被覆盖度公式:
式中:FVC为植被覆盖度;AFRImax,AFRImin表示AFRISWIR2影像中纯植被像元值与纯裸地像元值。
理论上AFRImin值近似为0,但由实际地理环境影响,不同研究区内需依照实际情况进行取值[
哈密绿洲去气溶胶植被指数AFRISWIR2频率直方图与累计频率
研究期内哈密绿洲植被覆盖度不同等级面积动态变化,可以用动态度表示,具体为:
式中:
本文依据国家《土地利用现状调查技术规程》《草场资源调查技术规范》《土壤侵蚀分类分级标准》及《中国荒漠化防治国家报告》,再结合朱震达等人[
地理探测器是用来度量地理现象及其潜在影响因子关系的空间分析模型,其不仅能较好的表达同一区域内的相似性和不同区域间的差异性,也可解释自变量
因子探测器可计算不同因子对生态质量时空变化分异性,以及探测其影响程度大小,计算公式为:
式中:
交互作用探测为判断不同影响因子之间的交互作用,即评估因子
两个自变量对因变量交互作用的类型
判断依据 | 交互作用 |
非线性减弱 | |
min〔 |
单因子非线性减弱 |
双因子增强 | |
独立 | |
非线性增强 |
哈密绿洲植被覆盖度驱动因子
类型 | 分类标准 |
坡度( |
从DEM数据中提取,由自然断点法分为5类 |
GDP( |
由自然断点法分为5类 |
降水( |
由自然断点法分为5类 |
道路( |
核密度分析后由自然断点法分为5类 |
人口密度( |
由自然断点法分为5类 |
温度( |
由自然断点法分为5类 |
水系( |
核密度分析后由自然断点法分为5类 |
土地利用( |
土地利用状况分类(GB/T21010-2017) |
生态探测用于比较两两因子对生态质量的空间分布的影响是否具有有显著的差异:
式中:
本文利用4期影像计算哈密绿洲近30 a植被覆盖度空间变化(
哈密绿洲植被覆盖度时空变化
哈密绿洲植被覆盖度面积统计
植被覆盖度等级 | 1988年 | 1998年 | 2008年 | 2018年 | |||||||
面积/km2 | 比例/% | 面积/km2 | 比例/% | 面积/km2 | 比例/% | 面积/km2 | 比例/% | ||||
极低覆盖度 | 0.29 | 0.02 | 0.30 | 0.02 | 0.34 | 0.02 | 0.32 | 0.02 | |||
低覆盖度 | 1 150.64 | 84.25 | 1 049.66 | 76.86 | 773.40 | 56.63 | 733.31 | 53.69 | |||
中覆盖度 | 102.93 | 7.54 | 116.32 | 8.52 | 190.26 | 13.93 | 214.18 | 15.68 | |||
中高覆盖度 | 72.42 | 5.30 | 102.94 | 7.54 | 154.49 | 11.31 | 219.96 | 16.11 | |||
高覆盖度 | 39.46 | 2.89 | 96.50 | 7.07 | 247.25 | 18.10 | 197.97 | 14.50 |
从
经计算可知哈密绿洲植被覆盖度动态度(
哈密绿洲植被覆盖度动态度
为探究哈密绿洲内部不同植被覆盖度之间的相互转化,及判断哈密绿洲近30 a变化阶段,本文对4期数据做植被覆盖度转移矩阵(
哈密绿洲1988-1998年植被覆盖度转移矩阵
植被覆盖度等级 | 1998年 | |||||
极低覆盖度 | 低覆盖度 | 中覆盖度 | 中高覆盖度 | 高覆盖度 | ||
1988年 | 极低覆盖度 | 0.04 | 1.75 | 0.08 | 0.01 | 0.00 |
低覆盖度 | 0.16 | 1 025.96 | 19.25 | 2.80 | 1.50 | |
中覆盖度 | 0.02 | 71.03 | 34.27 | 9.20 | 1.80 | |
中高覆盖度 | 0.04 | 31.70 | 31.18 | 30.26 | 9.77 | |
高覆盖度 | 0.03 | 20.21 | 18.14 | 30.15 | 26.40 |
哈密绿洲1998-2008年植被覆盖度转移矩阵
植被覆盖度等级 | 2008年 | |||||
极低覆盖度 | 低覆盖度 | 中覆盖度 | 中高覆盖度 | 高覆盖度 | ||
1998年 | 极低覆盖度 | 0.01 | 0.30 | 0.02 | 0.00 | 0.00 |
低覆盖度 | 0.20 | 765.83 | 6.03 | 1.03 | 0.31 | |
中覆盖度 | 0.23 | 135.48 | 42.07 | 9.52 | 2.97 | |
中高覆盖度 | 0.41 | 67.87 | 36.75 | 34.91 | 14.54 | |
高覆盖度 | 1.03 | 80.18 | 31.44 | 57.49 | 77.10 |
哈密绿洲2008-2018植被覆盖度转移矩阵
植被覆盖度等级 | 2018年 | |||||
极低植被覆盖度 | 低植被覆盖度 | 中植被覆盖度 | 中高植被覆盖度 | 高植被覆盖度 | ||
2008年 | 极低覆盖度 | 0.01 | 0.28 | 0.03 | 0.00 | 0.00 |
低覆盖度 | 0.25 | 664.38 | 44.57 | 10.14 | 13.97 | |
中覆盖度 | 0.07 | 59.07 | 85.03 | 44.33 | 25.68 | |
中高覆盖度 | 0.01 | 24.22 | 35.54 | 68.08 | 92.11 | |
高覆盖度 | 0.00 | 25.45 | 25.10 | 31.93 | 115.48 |
由因子探测的结果可知(
哈密绿洲植被覆盖度的因子探测结果
项目 | 坡度 | GDP | 降水 | 道路 | 人口密度 | 温度 | 水系 | 土地利用 |
0.056 | 0.545 | 0.489 | 0.122 | 0.51 | 0.325 | 0.114 | 0.647 | |
0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 |
由此可知土地利用变化是引起绿洲植被覆盖度变化的第一影响因子,第二影响因素是人口密度与GDP,然后是温度与降水,最后是水系及道路网络的影响。表明干旱区哈密绿洲植被覆盖度变化的主要驱动因素是土地利用类型。由于绿洲是基于人类活动在干旱区的产物,受自然因素如降水、气温、坡度等影响的同时,人类活动也对其产生更为深刻的影响。哈密绿洲发展过程受人口密度、道路等人工设施的建设影响较大。哈密绿洲内人口密度与GDP的贡献率明显高于温度与降水,而土地利用类型是主导因子。自然因子与人类活动对于不同时间尺度上对绿洲演化起着不同的作用。表明在研究期内哈密绿洲,人为因素对植被覆盖度状况的影响远高于自然因素。随着西部大开发的实施,新疆城镇发展迅速,经济社会进程稳步加快,人类活动对地表影响日益深刻,由此造成绿洲植被覆盖度变化剧烈。
从交互探测(
哈密绿洲植被覆盖度的交互探测与生态探测结果
项目 | 坡度 | GDP | 降水 | 道路 | 人口密度 | 温度 | 水系 | 土地利用 |
注:①加*号表示两两因子的交互作用为非线性增强;②不加*号表现为双因子增强,加+号表现表示生态探测中为显著差异,否则无标记。 | ||||||||
坡度 | 0.056 | |||||||
GDP | 0.556+ | 0.545 | ||||||
降水 | 0.510+ | 0.652+ | 0.489 | |||||
道路 | 0.208* | 0.630+ | 0.568+ | 0.122 | ||||
人口密度 | 0.520+ | 0.595 | 0.637 | 0.588+ | 0.510 | |||
温度 | 0.382+ | 0.633+ | 0.529+ | 0.465*+ | 0.610+ | 0.325 | ||
水系 | 0.184* | 0.624+ | 0.548+ | 0.417* | 0.590+ | 0.406+ | 0.114 | |
土地利用 | 0.666+ | 0.791+ | 0.784+ | 0.685+ | 0.787+ | 0.752+ | 0.687+ | 0.647 |
综上分析说明不同类型的土地利用方式直接决定了该区域内绿洲植被覆盖度,当然其他自然与人文因子对哈密绿洲植被覆盖度有间接影响作用。生态探测(
绿洲扩展阶段主要分为前中后期3个阶段[
干旱区绿洲扩展主要表现为人工绿洲的扩展,对植被覆盖度的分析可量化人工绿洲扩展[
(1) 近30 a内,哈密绿洲总体上低植被覆盖度占主要份额;中覆盖度与中高覆盖度从近18 a内呈现增长趋势;高植被覆盖度呈现先增加后减小的总体趋势。
(2) 哈密绿洲从植被覆盖度分析,(1988—1998年)属于绿洲低强度稳定期;(1998—2008年)属于极度扩张期,形成了现在哈密绿洲基本框架;(2008—2018年)属于高强度稳定期。
(3) 土地利用类型变化是造成哈密绿洲植被覆盖度变化的直接原因,同时在近30 a内,人为因素对哈密绿洲植被覆盖度状况的影响远高于自然因素。
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