南方山地丘陵區不同植被覆蓋度景觀分形研究
——以廣州市從化區為例

2021-08-23 01:15:20向慧昌廖建文

人民珠江 2021年8期

常進，向慧昌，邊振，廖建文

(1.中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣東廣州 510610；2.濟南大學水利與環境學院，山東濟南 250024)

植被是連接大氣、水體、土壤的重要環節與“自然紐帶”。植被覆蓋度是衡量地表植被狀況的一個最重要指標，已有的研究表明，基于歸一化植被指數(normalized difference vegetation index,NDVI)的像元二分模型反演植被覆蓋度具有良好的精度[1]。

分形，具有以非整數維形式充填空間的形態特征。分形理論描述的是形狀不規則、破碎、復雜的幾何圖形特征，它適用于研究自然界不規則現象的規律性、層次性等[2]，而植被覆蓋度的空間格局具有分形特征。目前，眾多學者利用分形理論在研究地貌[3-5]、土地利用[6-8]、城市規劃[9-11]和植被景觀[12]等方面取得了豐碩成果，但對南方山地丘陵區不同植被覆蓋度的景觀分形研究并不多。

本文在3S技術的支持下，以2019年TM影像為數據源，選取從化區為研究對象，通過NDVI像元二分模型，反演了從化區植被覆蓋度，并利用分形理論，計算了不同植被覆蓋度在不同海拔高程、坡度、坡向的分維數、穩定性指數，分析了不同植被覆蓋度景觀的空間格局，為從化地區、乃至整個南方丘陵區的生態治理、恢復工作提供科學依據。

1 研究區概況

廣州市從化區位于廣東省中部，廣州市東北面，轄區面積1 974 km2，地理坐標東經113°17′～114°04′，北緯23°22′～23°56′，地理位置見圖1。地處珠江三角洲到粵北山區過渡地帶，地勢自北向南傾斜，海拔高度位于30～1 170 m之間，東北高，西南低，地形呈階梯狀，以山地丘陵為主，山地丘陵占總面積的70%左右。從化區位于亞熱帶季風氣候區，氣候溫和，雨量充沛，年平均氣溫19.5～21.4℃，年平均雨量1 800～2 200 mm，年日照時數1 590 h，年平均相對濕度79%。植被類型為亞熱帶常綠闊葉林，主要植物類型有藜蒴、荷木、黃樟、楓香、馬尾松等100多種，土壤類型主要有黃壤、紅壤或黃紅壤。

圖1 研究區地理位置示意

2 數據源與研究方法

2.1 數據源

本研究所用TM影像圖為地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/home)免費提供。TM影像的空間投影坐標系為WGS_1984_UTM_Zone_49N。根據研究的具體需要，選取了2019年11月的云量覆蓋少、質量好的2幅TM影像圖作植被蓋度反演，數據標識為LC81220432019318LGN00、LC81220442019318LGN00，產品等級為1A級(相對輻射校正影像產品)，是經數據解析、均一化輻射校正、去噪、MTFC、CCD拼接、波段配準等處理的影像數據；并提供衛星直傳姿軌數據產生的RPC文件。在進行反演前，須對遙感影像進行后續大氣校正、正射校正、圖像融合等處理。

本研究所用數字高程模型DEM為1∶5萬紙質地形圖經掃描、拼接、矢量化后轉化而來，數據為GRID格式，空間投影坐標系轉換為WGS_1984_UTM_Zone_49N。

2.2 研究方法

2.2.1植被覆蓋度的獲取

根據像元二分模型原理，可以利用歸一化植被指數來計算一個像元的植被覆蓋度[12-15]，模型公式如下：

F=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(1)

式中F——植被覆蓋度；NDVI——影像像元點的歸一化植被指數值；NDVImax——整幅影像像元點歸一化植被指數最大值；NDVImin——整幅影像像元點歸一化植被指數最小值。

由于影像不可避免存在噪聲，NDVImax和NDVImin一般取一定置信度范圍內的最大值與最小值，本次研究取累積概率為5%和95%的NDVI值作為NDVImin和NDVImax。對所得到的植被覆蓋度影像進行重分類，分為水域和裸露地表(F≤0%),低植被覆蓋度(0%

圖2 從化區植被覆蓋度分級影像

以從化區DEM為基礎，提取海拔高程、坡度和坡向地形因子，將提取的各因子進行分級(表1)后，與植被覆蓋度分級影像圖進行空間疊加，最終獲得不同植被覆蓋度在高程、坡度、坡向上的特征分布，見圖3—5，為下一步分析做好準備。

表1 地形因子分級

圖3 從化地區高程(海拔)分級影像

圖4 從化地區坡度分級影像

圖5 從化地區坡向分級影像

2.2.2分形研究

由于自然界分形的多樣性，描述其特征的分形函數也是多種形式的。董連科[16]利用物理量綱分析法推導出n維歐式空間分形公式：

(2)

若令式中n=2，則表示二維歐式空間中，面積與周長的分維關系，以A(r)表示以r為測度的斑塊面積，P(r)表示斑塊的周長，則斑塊的面積與周長的分維關系即為：

(3)

式(3)兩邊同時取自然對數：

(4)

當D=1.5時，該斑塊處于類似布朗運動的隨機狀態(雜亂無章的、無規則的運動狀態)，即最不穩定狀態；D越接近1.5，則斑塊穩定性越低。以D=1.5(布朗運動狀態)引申出斑塊的穩定性指數(W)計算公式如下：

W=1.5-D

(5)

W表示斑塊的穩定性，W的理論值為-0.5～0.5之間，當W∈(0，0.5]時,描述了斑塊在簡單形態下的一種穩定性，W越大，斑塊越穩定；當W∈[-0.5，0]時,描述了斑塊在結構復雜狀態下的一種穩定性，W越小，斑塊越穩定。穩定性指數反映出的是某一分維斑塊，在自然狀態下，抵御外來干擾，維持其形態的能力。

3 結果與分析

3.1 各級植被覆蓋度斑塊分形特征

本文對不同植被覆蓋度斑塊的“lnA-lnP”散點圖進行一元回歸擬合，獲取了不同植被覆蓋度斑塊的分維數(圖6)。結果顯示，5條擬合曲線的相關系數均大于0.95，表明各級植被覆蓋度斑塊的“lnA-lnP”呈顯著性相關，運用分形理論描述各級植被覆蓋度斑塊特征是可行的。

a)低植被覆蓋度

b)中低植被蓋度

c)中植被蓋度

d)中高植被蓋度

e)高植被蓋度

從化地區不同植被覆蓋度斑塊的面積、分維數、穩定性指數統計見圖7。

圖7 從化區不同植被覆蓋度斑塊的分形特征統計

圖7顯示，從化地區植被狀況總體良好，中等(大于45%)及以上植被蓋度的斑塊面積占植被總面積的86.7%。低植被覆蓋度斑塊的分維數最小，穩定性指數最大，主要分布在從化區西南部的城鎮(從化市區、溫泉鎮、鰲頭鎮、民樂鎮等)、主要公路(大廣高速等)周邊(圖2)。中高植被覆蓋度斑塊分維數最大，穩定性指數最小，主要分布在從化區東北部(溫泉鎮上游)以及西南部遠離城鎮的區域(圖2)。斑塊的分布、分維數及穩定性指數的變化，表明隨著植被覆蓋度的增加，斑塊逐漸遠離城鎮分布，形狀逐漸由相對規則、簡單趨向于復雜，穩定性則逐漸降低。現場調查結果顯示，城鎮周邊中等及以下覆蓋度斑塊以農田、經果林、荒草地等為主，受人為規劃、管護原因，抵御外界干擾、保持其形態的能力較強，結構相對穩定，形狀簡單、規律。中高及以上植被覆蓋度斑塊以生態景區、林場等為主，結構復雜，形狀不規則，穩定性較農田、經果林等斑塊小，調查結果與計算結果一致。

3.2 各級植被覆蓋度斑塊高程分布特征

各級植被覆蓋度隨高程分布特征統計見圖8。圖7、8顯示，低、中低植被覆蓋度斑塊主要分布在小于90 m高程范圍內，面積分別為53.39、73.61 km2，分別占整個地區各自斑塊總面積的66.0%、51.3%。高植被覆蓋度斑塊則只有26.3%位于該范圍。除小于90 m高程范圍外，其余高程范圍內，高植被覆蓋度斑塊的面積百分比維持在50%左右，占據明顯的主導優勢。中、中高植被覆蓋度斑塊在不同高程范圍內的面積百分比相對穩定，分別在15%～18%、23%～30%之間浮動。

圖8顯示了在相同高程區間內，隨著斑塊植被覆蓋度的增加，呈現其分維數增加、穩定性指數降低的趨勢，同時這種變化規律在不同高程區間之間具有很高的相似性。當高程大于90 m時，同一覆蓋度斑塊，隨著高程的增加，呈現分維數緩慢增加、穩定性指數緩慢下降的趨勢。而在高程小于90 m區間，不同植被覆蓋度斑塊的分維數均處于較高水平(大于1.30)，穩定性指數均處于較低水平(小于0.20)，顯示了該區域內的斑塊形狀更復雜、零碎，干擾(人為和自然)強度更大。

圖8 不同覆蓋度斑塊的面積、分維數、穩定性指數的高程分布

3.3 各級植被覆蓋度斑塊的坡度分布特征

不同植被覆蓋度隨坡度變化特征見圖9。圖9顯示，從化地區的地形坡度以平坡(小于5°)、緩坡(5～15°)、斜坡(15～25°)為主，該3類地形坡度占總面積的75%以上。其中72%的低覆蓋度斑塊和60%的中低覆蓋度斑塊位于15°坡度以內。在坡度小于5°的區間內，低、中低植被覆蓋度斑塊面積百分比達到了23.4%，是所有坡度區間的最高值；高覆蓋度斑塊面積百分比則僅有28.4%，為所有坡度區間最低值。隨著坡度的增加，除高植被覆蓋度斑塊面積百分比明顯升高并維持在“高位”外，其余覆蓋度斑塊的面積百分比逐漸降低并穩定。

圖9顯示了在相同坡度區間內，隨著斑塊植被覆蓋度的增加，呈現其分維數增加、穩定性指數降低的趨勢，同時這種變化規律在不同坡度區間之間具有很高的相似性。但同一覆蓋度斑塊，在不同坡度上的分維數、穩定性指數變化規律不明顯。

圖9 植被覆蓋度斑塊在不同坡度區間的面積、分維數、穩定性指數變化

3.4 各級植被覆蓋度斑塊的坡向分布特征

不同植被覆蓋度隨坡向變化特征統計見表2。表2數據顯示，陽坡、陰坡斑塊總面積數相當，除高植被覆蓋度斑塊外，其余斑塊的面積、面積百分比均大于陽坡。同一坡向內，隨著斑塊的植被覆蓋度增加，斑塊呈現分維數增加，穩定性指數減小的趨勢。同一植被覆蓋度斑塊，分維數：陽坡<陰坡，穩定性指數：陽坡大于陰坡。以上現象主要因為陰坡光照相對溫和、溫度較低，水分蒸發較少，土壤較濕潤，腐殖質含量較多，土壤肥力較高，多被開發利用為農業、林業用地，造成陰坡高植被覆蓋度斑塊的面積少，而中等及以下植被覆蓋度斑塊的面積多。同時相應斑塊的分維數增加，穩定性減少。