基于RS和GIS的丹巴縣植被蓋度與地質(zhì)災(zāi)害關(guān)系研究

倪忠云，何政偉，3，趙銀兵，趙 勇，南 希

(1．成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610059;2．成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，成都610059;3．首都師范大學(xué) 資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100037)

基于RS和GIS的丹巴縣植被蓋度與地質(zhì)災(zāi)害關(guān)系研究

倪忠云1，2，何政偉1，2，3，趙銀兵1，2，趙 勇1，南 希1，2

(1．成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610059;2．成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，成都610059;3．首都師范大學(xué) 資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100037)

植被蓋度作為地表特征指數(shù)之一，其發(fā)育和分布特征受控于生態(tài)地質(zhì)環(huán)境，而地質(zhì)災(zāi)害又是生態(tài)地質(zhì)環(huán)境不良作用的表現(xiàn)方式之一，二者存在一定聯(lián)系。以地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育且危害嚴(yán)重的丹巴縣為例，采用1999年和2006年二期衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，提取這二個(gè)時(shí)相的植被蓋度圖，以及1999年～2006年植被蓋度變化圖，采用地理信息系統(tǒng)技術(shù)，將地質(zhì)災(zāi)害與二期的植被覆蓋圖進(jìn)行疊加和統(tǒng)計(jì)分析。其結(jié)果表明，地質(zhì)災(zāi)害主要分布在海拔較低，人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈的低植被覆蓋和較低植被覆蓋區(qū)域，且地質(zhì)災(zāi)害在植被覆蓋度減少的區(qū)域較之植被蓋度不變和增加的區(qū)域，更加容易突發(fā)，研究結(jié)果與區(qū)內(nèi)其它地質(zhì)災(zāi)害工作成果吻合。

歸一化植被指數(shù);密度分割;生態(tài)地質(zhì)環(huán)境;疊加分析;丹巴縣

0 前言

地質(zhì)災(zāi)害是指在地質(zhì)營(yíng)力作用下，因地殼物質(zhì)運(yùn)動(dòng)或地質(zhì)自然環(huán)境變化，造成人類生命財(cái)產(chǎn)損失或?qū)е氯祟愘囈陨媾c發(fā)展的資源、環(huán)境發(fā)生嚴(yán)重破壞的現(xiàn)象或過程［1]。地質(zhì)災(zāi)害按破壞形式、動(dòng)力作用、物質(zhì)組成和破壞速率，可以劃分為十大類三十一種，其中崩塌、滑坡、泥石流的影響較為嚴(yán)重。

影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的因素很多，有內(nèi)部的，也有外部的因素，而植被是重要的外部因素之一。植被蓋度是某個(gè)區(qū)域內(nèi)，植被垂直投影面積占地表面積的百分比［2、3]。植被蓋度是地表環(huán)境的刻度指標(biāo)之一，它可以反映地質(zhì)災(zāi)害的孕育背景、發(fā)生過程和破壞結(jié)果［4～6]。通過研究地質(zhì)災(zāi)害與植被蓋度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)植被蓋度減少的區(qū)域，是地質(zhì)災(zāi)害集中分布的區(qū)域，在一定程度上，可為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育規(guī)律研究提供一種參考［7、8]。

1 丹巴縣概況

丹巴縣位于四川西部，地跨東經(jīng)101°17'26″～102°12'33″、北緯30°23'56″～31°29'12″。因地處川滇南北向，構(gòu)造與小金～金湯弧形構(gòu)造和復(fù)合部位，緊鄰鮮水河地震帶，地震活動(dòng)頻繁，工程地質(zhì)條件和區(qū)域穩(wěn)定性較差。丹巴縣出露地層主要有震旦系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系和三疊系及沿河谷分布的第四系等，巖性復(fù)雜，以變質(zhì)巖為主，局部出露侵入巖。縣內(nèi)地形復(fù)雜，地勢(shì)西高東低，北高南低，自西北向南東傾斜，地勢(shì)多變，相對(duì)高差懸殊，峽谷深切。區(qū)內(nèi)最低海拔約1 700m，最高海拔5 521 m，平均海拔4 477 m。地貌上處于盆地到高原過渡地帶，分為極高山、高山和中高山。氣候?qū)儆诟咴图撅L(fēng)氣候，復(fù)雜多樣，地域差異顯著，氣溫隨著緯度自南向北逐漸降低。丹巴縣內(nèi)多年平均降雨量為609.8 mm，平均蒸發(fā)量為1 314 mm;平均氣溫14.6℃，最冷月為1月，平均溫度3℃ ～6℃，最熱月為8月，平均溫度20℃ ～23℃，極端最高氣溫為39.70℃，極端最低氣溫為－5.40℃。在研究區(qū)內(nèi)，崩塌、滑坡、泥石流等外動(dòng)力地質(zhì)作用十分發(fā)育。綜合四川省環(huán)境監(jiān)測(cè)總站2004年“四川省丹巴縣地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃”，以及成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所2005年“四川省丹巴縣地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查”成果，在丹巴縣內(nèi)對(duì)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)造成危害的地質(zhì)災(zāi)害有270多處，其中泥石流109處，滑坡90處，崩塌45處，不穩(wěn)定斜坡(潛在崩塌和滑坡)28處。地質(zhì)災(zāi)害具有點(diǎn)多面廣，分布不均，相對(duì)集中，突發(fā)性強(qiáng)，以及危害大的特點(diǎn)［9]。

2 植被蓋度提取及分析

2．1 數(shù)據(jù)選取

作者在研究區(qū)選取覆蓋范圍較廣，空間分辨率較高的Landsat TM/ETM+衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，以獲取工作區(qū)不同時(shí)期、不同時(shí)相的植被蓋度。同時(shí)收集研究區(qū)內(nèi)的基礎(chǔ)地質(zhì)、地理和地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)，作為植被蓋度與地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)性研究的數(shù)據(jù)集成基礎(chǔ)。因地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查成果主要集中在2006年夏季及以前，考慮到遙感數(shù)據(jù)與地質(zhì)災(zāi)害時(shí)間的對(duì)應(yīng)，作者選取1999年和2006年二個(gè)時(shí)相，覆蓋工作區(qū)域需131～38和131～39南北相鄰的二景數(shù)據(jù)，避開植被覆蓋最為茂盛的7月～8月，數(shù)據(jù)獲取時(shí)間均為10月中旬，使用對(duì)植被信息敏感的ETM(TM)4(NIR)、3(R)、2(G)波段成圖及計(jì)算，三個(gè)波段的空間分辨率均為30 m。

2．2 植被蓋度提取

應(yīng)用輻射校正理論，將1999年和2006年二個(gè)時(shí)相的遙感影像DN值轉(zhuǎn)換為表觀反射率，進(jìn)而計(jì)算植被指數(shù)(NDVI)，－1≤NDVI≤1［10、11]。因云、水、雪等在紅光波段(R)比在近紅外波段(NIR)有較大的反射率，故這些地物的NDVI表現(xiàn)為負(fù)值;巖石或裸土等在NIR和R波段近似相等，故NDVI值近于0;而植被在NIR波段具有較大的反射率，正值表示有植被覆蓋且隨覆蓋度的增大而增大。對(duì)比二期影像的NDVI，采用密度分割方法，對(duì)植被覆蓋(蓋度)進(jìn)行分級(jí)［12、13]。參照水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，以及《水土保持技術(shù)規(guī)范》植被蓋度分級(jí)的要求，結(jié)合研究區(qū)情況，將植被蓋度定為五級(jí)(見表1)，使用ARCGIS編輯，獲得研究區(qū)1999年(見下頁(yè)圖1)和2006年(見下頁(yè)圖2)二個(gè)時(shí)相的植被蓋度信息。

表1 植被覆蓋度分級(jí)Tab．1 Vegetation cover classification

3 植被蓋度與地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)性

3．1 植被蓋度總體特征

根據(jù)1999年和2006年二個(gè)時(shí)相的植被蓋度分布信息統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)在二個(gè)時(shí)相均具有如下特征:

(1)中植被及以下程度覆蓋面積占到90%以上，控制了縣域面積的絕大部份，而高植被覆蓋和較高植被覆蓋所占比例極小(見表2)。

(2)結(jié)合區(qū)內(nèi)DEM信息，發(fā)現(xiàn)從河谷向山地過渡，植被蓋度由低到高漸增，從山地中部向頂部過渡，植被蓋度又由高到低漸變。

(3)受地形地貌和人類活動(dòng)影響，研究區(qū)內(nèi)圖斑破碎，斑塊密度和斑塊平均值較大，尤其是中覆蓋和較低覆蓋區(qū)域。

表2 丹巴縣1999年～2006年植被蓋度分級(jí)統(tǒng)計(jì)表Tab．2 Vegetation cover classification table from 1999 to 2006 in Danba county

圖1 1999年丹巴縣植被蓋度圖Fig．1 The vegetation covermap of Danba county in 1999

圖2 2006年丹巴縣植被蓋度圖Fig．2 The vegetation covermap of Danba county in 2006

3．2 地質(zhì)災(zāi)害與單時(shí)相植被蓋度關(guān)系

地質(zhì)災(zāi)害是一種持續(xù)的動(dòng)力作用，具有周期性，而由遙感數(shù)據(jù)獲取的植被蓋度卻是某一時(shí)間點(diǎn)的植被衡量指數(shù)。因地質(zhì)災(zāi)害的作用周期未準(zhǔn)確界定，暫不考慮1999年和2006年的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量和分布區(qū)別，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)思想，應(yīng)用空間疊加及空間統(tǒng)計(jì)模型研究地質(zhì)災(zāi)害與植被蓋度在統(tǒng)計(jì)學(xué)層次的關(guān)聯(lián)性。

分析評(píng)價(jià)模型為:應(yīng)用遙感技術(shù)制作植被蓋度圖→應(yīng)用地理信息系統(tǒng)技術(shù)制作地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布圖→統(tǒng)一專題圖件地理基準(zhǔn)(包括坐標(biāo)體系及比例尺精度)→集成遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)將分級(jí)植被蓋度圖與地質(zhì)災(zāi)害分類進(jìn)行空間疊加→單時(shí)相植被分級(jí)區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量和密度空間統(tǒng)計(jì)→統(tǒng)計(jì)信息分析。

經(jīng)研究1999年植被蓋度與地質(zhì)災(zāi)害關(guān)聯(lián)性后發(fā)現(xiàn):

(1)高植被覆蓋區(qū)域呈零星斑塊狀分布，地質(zhì)災(zāi)害一處，為不穩(wěn)定斜坡，地質(zhì)災(zāi)害密度為0.015處/km2。

(2)中高覆蓋區(qū)域呈條帶狀分布，具有一定的延續(xù)性，研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害有七處，不穩(wěn)定斜坡二處，崩塌二處，泥石流二處，滑坡一處，地質(zhì)災(zāi)害密度為0.057處/km2。

(3)中覆蓋區(qū)域呈團(tuán)狀及帶狀分布，地質(zhì)災(zāi)害有三十處，滑坡十三處，泥石流九處，崩塌六處，不穩(wěn)定斜坡二處，地質(zhì)災(zāi)害密度為0.020處/km2。

(4)較低覆蓋區(qū)域呈連通性較好樹枝狀分布，占據(jù)河谷低處，切割劇烈，人類活動(dòng)頻繁，地質(zhì)災(zāi)害分布數(shù)量最大，共計(jì)一百三十四處，泥石流六十一處，滑坡四十一處，崩塌二十一處，不穩(wěn)定斜坡十一處，地質(zhì)災(zāi)害密度最高，達(dá)到0.085處/km2。

(5)低覆蓋區(qū)域，緊鄰較低覆蓋區(qū)域，呈較為寬大的樹枝狀分布，地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量和密度位列第二，有一百處，泥石流三十七處，滑坡三十五處，崩塌十六處，不穩(wěn)定斜坡十二處，地質(zhì)災(zāi)害密度為0.072處/km2。

經(jīng)分析研究2006年植被蓋度與地質(zhì)災(zāi)害關(guān)聯(lián)性后發(fā)現(xiàn)，植被蓋度在不同區(qū)域和不同程度上均有轉(zhuǎn)變:

(1)高植被覆蓋區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害一處，為不穩(wěn)定斜坡，因分布面積減小，地質(zhì)災(zāi)害密度變化為0.017處/km2。

(2)中高覆蓋區(qū)域，地質(zhì)災(zāi)害二處，崩塌一處，滑坡一處，地質(zhì)災(zāi)害密度為0.045處/km2。

(3)中覆蓋區(qū)域，地質(zhì)災(zāi)害十五處，泥石流七處，滑坡四處，崩塌二處，不穩(wěn)定斜坡二處，地質(zhì)災(zāi)害密度為0.012處/km2。

(4)較低覆蓋區(qū)域，地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量列第二位，共計(jì)六十七處，泥石流二十九處，滑坡二十四處，崩塌十二處，不穩(wěn)定斜坡二處，地質(zhì)災(zāi)害密度較高，達(dá)到0.046處/km2。

(5)低覆蓋區(qū)域面積增加較大，區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量和密度位列第一，共計(jì)一百八十七處，泥石流七十三處，滑坡六十一處，崩塌三十處，不穩(wěn)定斜坡二十三處，地質(zhì)災(zāi)害密度為0.072處/km2。

綜合1999年和2006年二期的植被蓋度與地質(zhì)災(zāi)害的疊加分析信息，低植被覆蓋和較低植被覆蓋是地質(zhì)災(zāi)害分布的主體區(qū)域，地質(zhì)災(zāi)害的分布數(shù)量占到總數(shù)的90%左右，地質(zhì)災(zāi)害的分布密度達(dá)到0.070處/km2，均高于全縣的地質(zhì)災(zāi)害分布密度0.058處/km2，而其它級(jí)別的植被覆蓋區(qū)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量和密度相對(duì)較小。

3．3 地質(zhì)災(zāi)害與植被蓋度變化關(guān)系

在地質(zhì)災(zāi)害與單時(shí)相植被蓋度關(guān)系研究的基礎(chǔ)上，求取植被蓋度變化，用不同變化程度的分區(qū)與地質(zhì)災(zāi)害做空間疊加及空間統(tǒng)計(jì)。分析評(píng)價(jià)模型為:

(1)先將1999年和2006年的植被蓋度圖進(jìn)行處理，在ARCGIS中，將高植被覆蓋區(qū)賦值為“5”，中高植被覆蓋區(qū)賦值為“4”，中植被覆蓋賦值為“3”，較低植被覆蓋區(qū)賦值為“2”，低植被覆蓋區(qū)賦值為“1”。

(2)然后，用2006年植被蓋度圖減去1999年植被蓋度圖，得到植被蓋度變化圖，賦值范圍為－4～4，其中“－4～－1”表示區(qū)域內(nèi)植被蓋度降低，“0”表示區(qū)域內(nèi)植被蓋度沒有改變，“1～4”表示區(qū)域內(nèi)植被蓋度增加。將－4～4的值域范圍分為五級(jí):Ⅰ 級(jí)(3～4)、Ⅱ 級(jí)(1～2)、Ⅲ級(jí)(0)、Ⅳ級(jí)(－2～ －1)、Ⅴ級(jí)(－4～ －3)(見下頁(yè)圖3)。

將地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)與圖3疊加運(yùn)算，統(tǒng)計(jì)五個(gè)級(jí)別內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量。通過計(jì)算表明，Ⅰ級(jí)區(qū)面積為16.59 km2，Ⅱ 級(jí)區(qū)面積為322.60 km2，Ⅲ級(jí)區(qū)面積為3 826.34 km2，Ⅳ級(jí)區(qū)面積為1 465.26 km2，Ⅴ級(jí)區(qū)面積為18.22 km2。地質(zhì)災(zāi)害主要分布在Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)區(qū)內(nèi)。在272處地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)中，Ⅱ級(jí)區(qū)內(nèi)分布有七處地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)，包括崩塌一處，滑坡五處，泥石流一處，地質(zhì)災(zāi)害密度為0.022處/km2;Ⅲ級(jí)區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害共計(jì)一百五十三處，其中不穩(wěn)定斜坡十四處，崩塌二十三處，滑坡四十八處，泥石流六十八處，地質(zhì)災(zāi)害密度為0.040處/km2;Ⅳ級(jí)區(qū)內(nèi)分布有地質(zhì)災(zāi)害共計(jì)一百一十二處，其中不穩(wěn)定斜坡十四處，崩塌二十一處，滑坡三十七處，泥石流四十處，地質(zhì)災(zāi)害密度為0.076處/km2。

綜合來看，在1999年至2007年間，植被蓋度在區(qū)內(nèi)不同區(qū)域，除部份區(qū)域保持穩(wěn)定外，另在不少區(qū)域內(nèi)的不同植被覆蓋有一定的增加或減少。其中植被覆蓋減少的區(qū)域是地質(zhì)災(zāi)害集中分布的區(qū)域，尤其是崩塌和滑坡的發(fā)育與之相匹配。由此可見，發(fā)育時(shí)間短并且規(guī)模小的地質(zhì)災(zāi)害，與植被蓋度的變化有較強(qiáng)的耦合關(guān)系。結(jié)合區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃，及地質(zhì)災(zāi)害詳查的成果［9、14]，植被覆蓋減少Ⅳ級(jí)區(qū)、Ⅴ級(jí)區(qū)正是地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)區(qū)和風(fēng)險(xiǎn)集中分布的區(qū)域。

圖3 地質(zhì)災(zāi)害與植被蓋度變化疊加圖Fig．3 The overlay map of geo－h(huán)azards and vegetation cover change

4 結(jié)論與討論

植被蓋度作為地表的指數(shù)之一，其發(fā)育和分布特征受控于生態(tài)地質(zhì)環(huán)境，而地質(zhì)災(zāi)害又是生態(tài)地質(zhì)環(huán)境不良作用的表現(xiàn)方式之一，因此植被蓋度與地質(zhì)災(zāi)害二者之間存在一定的聯(lián)系。作者選用丹巴縣1999年和2006年秋季二個(gè)時(shí)相的衛(wèi)星遙感影像，提取植被蓋度信息，并將之與區(qū)內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和區(qū)劃，以及詳細(xì)調(diào)查成果進(jìn)行空間疊加分析。結(jié)果表明，在植被覆蓋低的區(qū)域和植被蓋度呈減少的變化區(qū)域，地質(zhì)災(zāi)害一般容易發(fā)生。因此在一定程度上，可以由植被蓋度及植被蓋度變化，來間接推及地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性區(qū)劃和風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。

討論:

(1)選擇適當(dāng)?shù)倪b感數(shù)據(jù)時(shí)相，避開植被生長(zhǎng)茂盛的季節(jié)，最大程度地揭示地表的覆蓋程度。

(2)正確地界定植被蓋度的級(jí)別，合理結(jié)合地形地貌、土壤、人類工程活動(dòng)和土地利用等情況，避免由于級(jí)別界定偏差導(dǎo)致的植被蓋度信息偏差。

(3)掌握區(qū)內(nèi)準(zhǔn)確的地質(zhì)災(zāi)害信息，在區(qū)域?qū)哟巫鳢B加分析，從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度查清植被蓋度與地質(zhì)災(zāi)害的耦合關(guān)系。

(4)植被蓋度及其變化與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)弱因差異而定，需要采用精度更高的數(shù)據(jù)和更為有效的模型及方法，獲取區(qū)域?qū)哟?、?zāi)害鏈層次和單體災(zāi)害層次的信息，空間信息技術(shù)與災(zāi)害地質(zhì)等結(jié)合是發(fā)展的一種趨勢(shì)。

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TP 79

A

1001—1749(2011)02—0217—05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40972225);國(guó)家科技支撐“十一五”計(jì)劃項(xiàng)目(2008BAK49B02);國(guó)家863重點(diǎn)項(xiàng)目(2007AA120306)

2010－08－18

倪忠云(1982－)，女，河南駐馬店人，博士，主要從事生態(tài)遙感及GIS應(yīng)用研究。