南方山地丘陵区不同植被覆盖度景观分形研究——以广州市从化区为例

常 进，向慧昌，边 振，廖建文

(1.中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610；2.济南大学水利与环境学院，山东 济南 250024)

植被是连接大气、水体、土壤的重要环节与“自然纽带”。植被覆盖度是衡量地表植被状况的一个最重要指标，已有的研究表明，基于归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)的像元二分模型反演植被覆盖度具有良好的精度[1]。

分形，具有以非整数维形式充填空间的形态特征。分形理论描述的是形状不规则、破碎、复杂的几何图形特征，它适用于研究自然界不规则现象的规律性、层次性等[2]，而植被覆盖度的空间格局具有分形特征。目前，众多学者利用分形理论在研究地貌[3-5]、土地利用[6-8]、城市规划[9-11]和植被景观[12]等方面取得了丰硕成果，但对南方山地丘陵区不同植被覆盖度的景观分形研究并不多。

本文在3S技术的支持下，以2019年TM影像为数据源，选取从化区为研究对象，通过NDVI像元二分模型，反演了从化区植被覆盖度，并利用分形理论，计算了不同植被覆盖度在不同海拔高程、坡度、坡向的分维数、稳定性指数，分析了不同植被覆盖度景观的空间格局，为从化地区、乃至整个南方丘陵区的生态治理、恢复工作提供科学依据。

1 研究区概况

广州市从化区位于广东省中部，广州市东北面，辖区面积1 974 km2，地理坐标东经113°17′～114°04′，北纬23°22′～23°56′，地理位置见图1。地处珠江三角洲到粤北山区过渡地带，地势自北向南倾斜，海拔高度位于30～1 170 m之间，东北高，西南低，地形呈阶梯状，以山地丘陵为主，山地丘陵占总面积的70%左右。从化区位于亚热带季风气候区，气候温和，雨量充沛，年平均气温19.5～21.4℃，年平均雨量1 800～2 200 mm，年日照时数1 590 h，年平均相对湿度79%。植被类型为亚热带常绿阔叶林，主要植物类型有藜蒴、荷木、黄樟、枫香、马尾松等100多种，土壤类型主要有黄壤、红壤或黄红壤。

图1 研究区地理位置示意

2 数据源与研究方法

2.1 数据源

本研究所用TM影像图为地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/home)免费提供。TM影像的空间投影坐标系为WGS_1984_UTM_Zone_49N。根据研究的具体需要，选取了2019年11月的云量覆盖少、质量好的2幅TM影像图作植被盖度反演，数据标识为LC81220432019318LGN00、LC81220442019318LGN00，产品等级为1A级(相对辐射校正影像产品)，是经数据解析、均一化辐射校正、去噪、MTFC、CCD拼接、波段配准等处理的影像数据；并提供卫星直传姿轨数据产生的RPC文件。在进行反演前，须对遥感影像进行后续大气校正、正射校正、图像融合等处理。

本研究所用数字高程模型DEM为1∶5万纸质地形图经扫描、拼接、矢量化后转化而来，数据为GRID格式，空间投影坐标系转换为WGS_1984_UTM_Zone_49N。

2.2 研究方法

2.2.1植被覆盖度的获取

根据像元二分模型原理，可以利用归一化植被指数来计算一个像元的植被覆盖度[12-15]，模型公式如下：

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

(1)

式中F——植被覆盖度；NDVI——影像像元点的归一化植被指数值；NDVImax——整幅影像像元点归一化植被指数最大值；NDVImin——整幅影像像元点归一化植被指数最小值。

由于影像不可避免存在噪声，NDVImax和NDVImin一般取一定置信度范围内的最大值与最小值，本次研究取累积概率为5%和95%的NDVI值作为NDVImin和NDVImax。对所得到的植被覆盖度影像进行重分类，分为水域和裸露地表(F≤0%),低植被覆盖度(0%

图2 从化区植被覆盖度分级影像

以从化区DEM为基础，提取海拔高程、坡度和坡向地形因子，将提取的各因子进行分级(表1)后，与植被覆盖度分级影像图进行空间叠加，最终获得不同植被覆盖度在高程、坡度、坡向上的特征分布，见图3—5，为下一步分析做好准备。

表1 地形因子分级

图3 从化地区高程(海拔)分级影像

图4 从化地区坡度分级影像

图5 从化地区坡向分级影像

2.2.2分形研究

由于自然界分形的多样性，描述其特征的分形函数也是多种形式的。董连科[16]利用物理量纲分析法推导出n维欧式空间分形公式：

(2)

若令式中n=2，则表示二维欧式空间中，面积与周长的分维关系，以A(r)表示以r为测度的斑块面积，P(r)表示斑块的周长，则斑块的面积与周长的分维关系即为：

(3)

式(3)两边同时取自然对数：

(4)

当D=1.5时，该斑块处于类似布朗运动的随机状态(杂乱无章的、无规则的运动状态)，即最不稳定状态；D越接近1.5，则斑块稳定性越低。以D=1.5(布朗运动状态)引申出斑块的稳定性指数(W)计算公式如下：

W=1.5-D

(5)

W表示斑块的稳定性，W的理论值为-0.5～0.5之间，当W∈(0，0.5]时,描述了斑块在简单形态下的一种稳定性，W越大，斑块越稳定；当W∈[-0.5，0]时,描述了斑块在结构复杂状态下的一种稳定性，W越小，斑块越稳定。稳定性指数反映出的是某一分维斑块，在自然状态下，抵御外来干扰，维持其形态的能力。

3 结果与分析

3.1 各级植被覆盖度斑块分形特征

本文对不同植被覆盖度斑块的“lnA-lnP”散点图进行一元回归拟合，获取了不同植被覆盖度斑块的分维数(图6)。结果显示，5条拟合曲线的相关系数均大于0.95，表明各级植被覆盖度斑块的“lnA-lnP”呈显著性相关，运用分形理论描述各级植被覆盖度斑块特征是可行的。

a)低植被覆盖度

b)中低植被盖度

c)中植被盖度

d)中高植被盖度

e)高植被盖度

从化地区不同植被覆盖度斑块的面积、分维数、稳定性指数统计见图7。

图7 从化区不同植被覆盖度斑块的分形特征统计

图7显示，从化地区植被状况总体良好，中等(大于45%)及以上植被盖度的斑块面积占植被总面积的86.7%。低植被覆盖度斑块的分维数最小，稳定性指数最大，主要分布在从化区西南部的城镇(从化市区、温泉镇、鳌头镇、民乐镇等)、主要公路(大广高速等)周边(图2)。中高植被覆盖度斑块分维数最大，稳定性指数最小，主要分布在从化区东北部(温泉镇上游)以及西南部远离城镇的区域(图2)。斑块的分布、分维数及稳定性指数的变化，表明随着植被覆盖度的增加，斑块逐渐远离城镇分布，形状逐渐由相对规则、简单趋向于复杂，稳定性则逐渐降低。现场调查结果显示，城镇周边中等及以下覆盖度斑块以农田、经果林、荒草地等为主，受人为规划、管护原因，抵御外界干扰、保持其形态的能力较强，结构相对稳定，形状简单、规律。中高及以上植被覆盖度斑块以生态景区、林场等为主，结构复杂，形状不规则，稳定性较农田、经果林等斑块小，调查结果与计算结果一致。

3.2 各级植被覆盖度斑块高程分布特征

各级植被覆盖度随高程分布特征统计见图8。图7、8显示，低、中低植被覆盖度斑块主要分布在小于90 m高程范围内，面积分别为53.39、73.61 km2，分别占整个地区各自斑块总面积的66.0%、51.3%。高植被覆盖度斑块则只有26.3%位于该范围。除小于90 m高程范围外，其余高程范围内，高植被覆盖度斑块的面积百分比维持在50%左右，占据明显的主导优势。中、中高植被覆盖度斑块在不同高程范围内的面积百分比相对稳定，分别在15%～18%、23%～30%之间浮动。

图8显示了在相同高程区间内，随着斑块植被覆盖度的增加，呈现其分维数增加、稳定性指数降低的趋势，同时这种变化规律在不同高程区间之间具有很高的相似性。当高程大于90 m时，同一覆盖度斑块，随着高程的增加，呈现分维数缓慢增加、稳定性指数缓慢下降的趋势。而在高程小于90 m区间，不同植被覆盖度斑块的分维数均处于较高水平(大于1.30)，稳定性指数均处于较低水平(小于0.20)，显示了该区域内的斑块形状更复杂、零碎，干扰(人为和自然)强度更大。

图8 不同覆盖度斑块的面积、分维数、稳定性指数的高程分布

3.3 各级植被覆盖度斑块的坡度分布特征

不同植被覆盖度随坡度变化特征见图9。图9显示，从化地区的地形坡度以平坡(小于5°)、缓坡(5～15°)、斜坡(15～25°)为主，该3类地形坡度占总面积的75%以上。其中72%的低覆盖度斑块和60%的中低覆盖度斑块位于15°坡度以内。在坡度小于5°的区间内，低、中低植被覆盖度斑块面积百分比达到了23.4%，是所有坡度区间的最高值；高覆盖度斑块面积百分比则仅有28.4%，为所有坡度区间最低值。随着坡度的增加，除高植被覆盖度斑块面积百分比明显升高并维持在“高位”外，其余覆盖度斑块的面积百分比逐渐降低并稳定。

图9显示了在相同坡度区间内，随着斑块植被覆盖度的增加，呈现其分维数增加、稳定性指数降低的趋势，同时这种变化规律在不同坡度区间之间具有很高的相似性。但同一覆盖度斑块，在不同坡度上的分维数、稳定性指数变化规律不明显。

图9 植被覆盖度斑块在不同坡度区间的面积、分维数、稳定性指数变化

3.4 各级植被覆盖度斑块的坡向分布特征

不同植被覆盖度随坡向变化特征统计见表2。表2数据显示，阳坡、阴坡斑块总面积数相当，除高植被覆盖度斑块外，其余斑块的面积、面积百分比均大于阳坡。同一坡向内，随着斑块的植被覆盖度增加，斑块呈现分维数增加，稳定性指数减小的趋势。同一植被覆盖度斑块，分维数：阳坡<阴坡，稳定性指数：阳坡大于阴坡。以上现象主要因为阴坡光照相对温和、温度较低，水分蒸发较少，土壤较湿润，腐殖质含量较多，土壤肥力较高，多被开发利用为农业、林业用地，造成阴坡高植被覆盖度斑块的面积少，而中等及以下植被覆盖度斑块的面积多。同时相应斑块的分维数增加，稳定性减少。

表2 不同植被覆盖度斑块坡向分布特征统计

4 结论与讨论

a)从化区植被状况总体良好，距离城镇、公路等越远，斑块植被盖度越大，分维数越大，形状趋于复杂、无规律性。

b)90 m高程内，低、中低植被覆盖度斑块面积比重较大；同时各类斑块的分维数处于较高水平，斑块形状较零碎、复杂，表明该范围存在较大强度的干扰。90 m高程之外，随高程增加，斑块形状逐渐趋于复杂、无规律。

c)从化区地形坡度主要以25°以下的坡度为主。低、中低植被覆盖度斑块主要分布在15°以下的区域，高植被覆盖度斑块则在15°以上区域占据主要优势。随着坡度的增加，同一植被覆盖度斑块的分维数、稳定性指数变化不明显。

d)阳坡的植被状况好于阴坡，可能是由于阴坡土壤条件更好，人为开发强度较大，造成高植被覆盖度斑块的面积减少。