王亞軍

（塔里木河流域干流管理局，新疆 阿拉爾843000）

1 引言

塔里木河是新疆地區(qū)灌溉規(guī)模最大的內(nèi)陸河，對(duì)于長(zhǎng)期處于干旱地區(qū)的新疆具有非常重要的戰(zhàn)略意義。水資源對(duì)新疆地區(qū)植被的生長(zhǎng)影響巨大，而塔里木河作為該區(qū)域最大的灌溉河流，加強(qiáng)對(duì)該流域植被的生長(zhǎng)情況研究，具有重要意義。

目前遙感影像技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于各行業(yè)的研究中[1-4]?；舭蟍5]基于MODIS影像數(shù)據(jù)提出了適用于沙漠地區(qū)的植被覆蓋度模型，并得到很好的驗(yàn)證。王非[6]利用MODIS-NDVI遙感數(shù)據(jù)對(duì)塔里木盆地的荒漠化變化進(jìn)行了分析。王林林[7]同樣利用MODIS-NDVI遙感數(shù)據(jù)對(duì)柴達(dá)木盆地的植被變化進(jìn)行了研究，認(rèn)為季節(jié)尺度可以很好的反映出氣候變化。袁麗華[8]、劉輝明[9]等人利用遙感數(shù)據(jù)對(duì)黃河流域的植被覆蓋區(qū)域進(jìn)行分析，認(rèn)為流域內(nèi)植被可以改善流域退化。潘志鋼[10]使用美國(guó)Landsat衛(wèi)星的TM/ETM數(shù)據(jù)對(duì)太子河流域進(jìn)行了研究。高振東[11]通過(guò)對(duì)遙感數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為西遼河流域植被有退化的趨勢(shì)。譚克龍[12]對(duì)塔里木河流域植被和植物覆蓋度進(jìn)行了深入的分析。氣象[13]和土壤侵蝕[14]等因素對(duì)植被的影響也很明顯。國(guó)內(nèi)外學(xué)者使用對(duì)應(yīng)的指標(biāo)對(duì)荒漠地區(qū)的演化進(jìn)行了大量檢測(cè)[15-16]。

本文基于遙感影像技術(shù)對(duì)塔里木河流域植被的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析，為新疆地區(qū)植被的演變研究提供參考。

2 工程概況

塔里木河是國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)的內(nèi)流河，環(huán)繞新疆北部，全長(zhǎng)1 321 km，在整個(gè)流域內(nèi)蜿蜒曲折。根據(jù)本文分析需要將塔里木河流域分為上游段（阿拉爾-英巴扎）、中游段（英巴扎-卡拉）和下游段（卡拉-大西海子水庫(kù)）3段，詳細(xì)見(jiàn)圖1。本次檢測(cè)流域面積大小為25 576 km2，其中上游、中游和下游面積分別為：10 353 km2、6 704 km2、8 519 km2。

圖1 塔里木河流域分段圖

3 方法介紹

本文采用ArcGIS、SPSS、MRT投影轉(zhuǎn)換軟件。MODIS數(shù)據(jù)由于其更高的時(shí)間和光譜分辨率被普遍應(yīng)用于較大區(qū)域的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。本文以Terra衛(wèi)星監(jiān)測(cè)到的MOD13Q1數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析。使用正弦SIN（Sinusoidal projection）投影將MOD13Q1數(shù)據(jù)的格式由HDF轉(zhuǎn)化為Geotiff格式，然后使用ArcGIS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析。通過(guò)ArcGIS軟件提取塔里木河流域的MODIS-EVI數(shù)據(jù)。由于綠色植物具有獨(dú)特波普反射特性，可以通過(guò)不同波段來(lái)反映出植被的顏色，進(jìn)一步確定植被的生長(zhǎng)情況。本文選用增強(qiáng)型植被指數(shù)（Enhanced Vegetation Index，EVI）來(lái)進(jìn)行研究，其計(jì)算過(guò)程見(jiàn)公式（1）。

式中：ρ*-經(jīng)過(guò)大氣校正的反射率；L-土壤調(diào)節(jié)參數(shù)，值為1；C1-系數(shù)，值為6.0；C2-系數(shù)，值為7.5。

植被覆蓋度（Fractional Vegetation Cover，F(xiàn)VC）利用植被指數(shù)求解得出，本文采用增強(qiáng)型植被指數(shù)求解植被覆蓋度，模型見(jiàn)公式（2）。

式中：EVIsoil-無(wú)植被覆蓋區(qū)域的強(qiáng)型植被指數(shù)，理論上為零；EVIveg-完全被植被覆蓋區(qū)域的強(qiáng)型植被指數(shù)。

歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）被用來(lái)檢驗(yàn)EVI指數(shù)的重現(xiàn)準(zhǔn)確性，其計(jì)算過(guò)程見(jiàn)公式（3）。

式中：R-紅光波段的地面反射率；NIR-近紅外波段的地面反射率。

通過(guò)SPSS使用單因素方差分析法對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗(yàn)。本文中認(rèn)為NDVI和EVI是植被指數(shù)這一因素下的兩種不同水平。這一因素有r種水平，容量為n，假設(shè)各水平每個(gè)母體方差相等均為H0，可以求得組間離差平方和（QA）和組內(nèi)離差平方和（QE），其計(jì)算公式分別見(jiàn)公式（4）、（5）?？傠x差平方和求解過(guò)程見(jiàn)公式（6）。

服從自由度為（r-1，n-r）的F分布計(jì)算關(guān)系見(jiàn)公式（7），公式（7）中SA2和SE

2的計(jì)算過(guò)程分別見(jiàn)公式（8）、（9）。

式中：r-因素水平數(shù)量；n-子樣容量。

存在一個(gè)α使得F函數(shù)分布滿足公式（10）。

當(dāng)F≤Fα（r-1，n-1）成立時(shí)，說(shuō)明該選定因素的不同水平對(duì)結(jié)果沒(méi)有明顯差異；反之，則認(rèn)為假設(shè)失敗。根據(jù)上述理論進(jìn)行本文的計(jì)算分析。

4 結(jié)果分析

4.1 流域不同河段植被覆蓋度空間特征

由于塔里木河流域比較長(zhǎng)，又受到干旱條件的影響，因此在不同的河段之間植被的生存環(huán)境差異較大，造成植被的生長(zhǎng)情況明顯不同。針對(duì)不同河段在不同季節(jié)的生長(zhǎng)情況進(jìn)行分析，選取3月、7月、10月和12月作為4個(gè)季節(jié)的代表。分別對(duì)4個(gè)月份的EVI植被指數(shù)的空間分布進(jìn)行分析，見(jiàn)圖2。

根據(jù)圖2可知，植被主要分布在塔里木河流域內(nèi)部及其北部的部分地方，植被的分布呈現(xiàn)典型聚集現(xiàn)象，這與對(duì)應(yīng)地方的生長(zhǎng)環(huán)境和水資源等因素密切相關(guān)。從空間的整體分布可知，在不同河段植被分布明顯不同，整體是上游段植被最多，中游段次之，下游段植被最少。從時(shí)間分布可知，7月份綠色區(qū)域最多，說(shuō)明此時(shí)該流域的植被覆蓋范圍最廣，這是因?yàn)?月份屬于雨季，同時(shí)由于溫度升高冰川融化水流匯集有利于植被的生長(zhǎng)。在3月和12月的EVI植被指數(shù)相對(duì)較低，這是因?yàn)樵?2月和3月塔里木河流域處于冬季，溫度低不利于植被生長(zhǎng)，同時(shí)大部分河流斷流，缺乏足夠水資源的供應(yīng)。

為進(jìn)一步分析，不同月份的詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3。

根據(jù)圖3可知，在一個(gè)年度內(nèi)塔里木河流域各段的植被分布受溫度和水分的影響有所不同，呈現(xiàn)出7月份植被的覆蓋率最高，上游段、中游段和下游段的覆蓋率分別為：37.45%、17.86%、11.15%；3月份植被的覆蓋率最低，上游段、中游段和下游段的覆蓋率分別為：8.75%、6.53%、4.87%。

圖2 不同月份塔里木河沿岸EVI空間分布

圖3 不同河段植被覆蓋度

4.2 植被覆蓋度年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化

根據(jù)之前分析我們知道植被在一個(gè)年度的分布差異很大，塔里木河流域3個(gè)分段和干流每個(gè)月的植被覆蓋度分析見(jiàn)圖4。

根據(jù)圖4可以知道，不管哪個(gè)河段，隨著季節(jié)的變化植被覆蓋度均先增加后減小，最大值均出現(xiàn)在7月份。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，干流的植被覆蓋處于塔里木河上游段和塔里木河中游段之間，在1月～5月份干流的植被覆蓋度和中游基本一致，5月～8月份時(shí)由于降雨的增加，干流的覆蓋面積也增加，使得干流的植被覆蓋度要明顯大于中游的植被覆蓋度。9月～12月份后天氣寒冷，植被進(jìn)入了枯葉期逐漸枯萎使得干流覆蓋度和中游覆蓋度再次比較接近。

圖4 塔里木河流域植被年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化

根據(jù)圖2也可以知道，上游段植被的分布不僅僅在河道，在兩岸側(cè)也有較多植被存在。因此在植被生長(zhǎng)較好的季節(jié)里，由于兩岸植被的存在，使得上游段植被要大于塔里木河干流植被的數(shù)量。

4.3 植被指數(shù)方差分析

方差分析可以將研究目標(biāo)因素對(duì)應(yīng)的隨機(jī)性誤差和方法中的系統(tǒng)誤差進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而得出所選取的因素對(duì)結(jié)果的影響程度。本文選擇的EVI植被指數(shù)作為單一控制因素，同時(shí)使用NDVI來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確性驗(yàn)證。圖5～7分別為塔里木河上游段、中游段、下游段對(duì)應(yīng)的植被指數(shù)分析。

根據(jù)圖5可知，NDVI植被指數(shù)與EVI植被指數(shù)在整年度的變化趨勢(shì)基本保持一致，均呈現(xiàn)出先減小然后逐漸增加最后逐漸減小的變化規(guī)律。最大峰值出現(xiàn)在7月，最小值均出現(xiàn)在3月。峰值分別為：37.34%、37.45%；最小值分別為：9.17%、8.75%。而在整個(gè)年度內(nèi)NDVI植被指數(shù)要比EVI植被指數(shù)大一些，僅僅在7月的時(shí)候稍微低一點(diǎn)。分析認(rèn)為這是由于在7月植被的密度較大，使得NDVI的計(jì)算容易達(dá)到飽和所致。年度內(nèi)NDVI植被指數(shù)與EVI植被指數(shù)的差值分別：0.59%、2.73%、0.42%、1.76%、3.12%、1.17%、-0.09%、1.76%、1.76%、2.19%、2.73%、2.26%。

圖5 塔里木河上游段不同植被指數(shù)

本文中假設(shè)選取的兩種植被指數(shù)對(duì)結(jié)果沒(méi)有顯著的影響，選取α=5%，r=2，n1=n2=12，根據(jù)公式（10）得出Fα（r-1，n-1）=F0.05（1，22）=4.3。根據(jù)公式（4）和公式（5）得出QA和QE分別為15.30和2 347.97；然后根據(jù)公式（8）和公式（9）得出SA2和SE

2的值分別為：15.30和106.73；根據(jù)公式（7）得出F=0.143＜Fα（r-1，n-1）=4.3，說(shuō)明在上游段選擇NDVI和EVI兩種植被指數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果沒(méi)有明顯的影響差異。

根據(jù)圖6可知，塔里木河中游段NDVI植被指數(shù)與EVI植被指數(shù)在整年度的變化規(guī)律與塔里木河上游段變化規(guī)律基本保持一致。但是NDVI植被指數(shù)最大值出現(xiàn)在6月，EVI植被指數(shù)最大值出現(xiàn)在7月，大小分別為：18.47%、17.86%；最小值均出現(xiàn)在3月，大小分別為：6.58%、6.53%。年度內(nèi)NDVI植被指數(shù)與EVI植被指數(shù)的差值分別：0.3%、1.09 %、0.05 %、0.5 %、2.27 %、0.69 %、0.11 %、0.79%、0.99%、0.99%、1.38%、0.69%。

圖6 塔里木河中游段不同植被指數(shù)

對(duì)塔里木河中游段同樣進(jìn)行方差分析，發(fā)現(xiàn)F=0.20＜Fα（r-1，n-1）=4.3，說(shuō)明在中游段選擇NDVI和EVI兩種植被指數(shù)對(duì)計(jì)算沒(méi)有明顯的影響差異。

表2 中游段植被指數(shù)方差分析表

根據(jù)圖7可知，塔里木河下游段NDVI植被指數(shù)與EVI植被指數(shù)在整年度的變化規(guī)律與塔里木河上游段變化規(guī)律基本保持一致。最大峰值大小分別為：11.12%、11.15%；最小值大小分別為：4.38%、4.87%。年度內(nèi)NDVI植被指數(shù)與EVI植被指數(shù)的差值分別：-0.06%、0.12%、-0.48%、0.0%、0.23%、-0.29%、-0.03%、-0.06%、0.23%、0.13%、0.18%、-0.04%。

圖7 塔里木河下游段不同植被指數(shù)

對(duì)塔里木河下游段同樣進(jìn)行方差分析，發(fā)現(xiàn)F=0.002＜Fα（r-1，n-1）=4.3，說(shuō)明在下游選擇NDVI和EVI兩種植被指數(shù)對(duì)計(jì)算沒(méi)有明顯的影響差異。

表3 下游段植被指數(shù)方差分析表

5 結(jié)論

本文使用遙感數(shù)據(jù)對(duì)塔里木河流域上游段、中游段、下游段在一個(gè)年度不同季節(jié)的植被動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）該流域不同河段植被分布明顯不同，整體呈現(xiàn)上游段植被最多，中游段次之，下游段植被最少的分布規(guī)律。

（2）7月份植被的覆蓋率最高，上游段、中游段和下游段的覆蓋率分別為：37.45%、17.86%、11.15%；3月份植被的覆蓋率最低，上游段、中游段和下游段的覆蓋率分別為：8.75%、6.53%、4.87%。

（3）使用植被指數(shù)方差分析得出上游段、中游段、下游段的F函數(shù)值分別為：0.14、0.20、0.002均小于Fα（r-1，n-1）=4.3，說(shuō)明指標(biāo)選取對(duì)結(jié)果沒(méi)有顯著影響差異。