赤峰市大型地表水空间分布与植被长势的关系分析

李鑫杨

(赤峰市气象局,内蒙古 赤峰 024000)

赤峰属于干旱—半干旱地区，多年平均降水量在390mm左右，年降水集中在6月-8月，占全年降水的75%。由于降水较少，加之人为影响，赤峰的生态环境比较脆弱。近年来，赤峰市的一些大型地表水，如达里湖的面积由20世纪70年代的228km2缩减至182km2(2020年)、红山水库的面积由80年代的51km2缩减至20km2(2020年)。随着赤峰经济社会的发展，对水资源的开发利用量也在逐年增加，同时也带来了一定的生态环境问题。水资源与生态环境的关系紧密，因此对赤峰市地表水以及其对生态植被的影响进行分析，不仅有利于了解本市地表水资源状况，也为因地制宜防旱抗旱、水资源合理开发利用、水库调节、改善水环境、合理开采地下水提供技术和决策支持。

1 数据介绍

本研究的水体数据为GlobeLand30，GlobeLand30以包括美国陆地资源卫星(Landsat)的TM5、ETM+、OLI多光谱影像、中国环境减灾卫星(HJ-1)多光谱影像以及16m分辨率高分一号(GF-1)多光谱影像作为数据源，实现了包括国产卫星资料在内的多源遥感资料的最佳覆盖、地表覆盖各种参考资料的最大限度整合、计算机自动分类与专家知识的有机结合和产品质量的有效检核等关键技术[1]。GlobeLand30 V2020数据精度评价由基于景观形状指数抽样模型进行全套数据布点，共布设样本超过23万个。得出GlobeLand30 V2020数据的总体精度为85.72%，Kappa系数0.82，与欧美国家1 000m和300m产品相比，GlobeLand30产品具有更高的空间分辨率和精度[2]；本研究的植被长势数据的源数据为NOAA与NASA联合发射Suomi-NPP可见光红外成像辐射组件VIIRS的L3级16天合成产品，近红外(NIR：波谱带846nm-885nm)反射率以及绿光(Green：波谱带545nm-565nm)反射率是该数据的两个波段。

图1 赤峰市地表水(30m尺度)空间分布

图2 赤峰市个旗县区地表水(30m尺度)面积对比

2 地表水空间分布与植被长势的关系

2.1 30m尺度可识别地表水

由于GlobeLand30是30m尺度的数据，对于小于30m尺度的水体(比如相对于30m较细的河道，以及一些小型水体，其外接圆的直径相对于30m较小)无法识别，因此，实际的地表水面积会更大。但是通过30m尺度的地表水空间分布(见图1)以及面积对比直方图(见图2)也可以掌握赤峰市大型地表水的整体状况与相对大小，赤峰市的南部—中部—北部，地表水面积为适中—较小—较大。克什克腾旗的地表水面积最大，巴林右旗水体面积次大，红山区的水体面积最小。

2.2 地表水周边植被长势缓冲区分析

对地表水周边不同距离的植被长势进行缓冲区分析，将缓冲区的设置以红山水库为例进行说明，500m缓冲区为不包括红山水库的外围500m，500m～1 000m缓冲区为500m缓冲区的外围500m缓冲区，1 000m～1 500m缓冲区、1 500m～2 000m缓冲区以此类推(见图3)。

由图4(a)可知，4月-11月，绿色植被在绿光波段的反射率均值由“500m缓冲区”至“>2 000m缓冲区”逐渐减小，仅在5月中旬(生长季初期)，5个缓冲区范围内的绿光波段反射率均值差距较小。在11月过后绿光波段反射率均值在“500m缓冲区”大幅增加，反射率值在11月达到最高。

图4(a) 2020年绿光波段(波谱带545nm-565nm)反射率时序变化

由图4(b)可知，4月-10月，“500m缓冲区”在近红外波段的反射率均值始终最小，仅在10月末开始大幅增加超过其他缓冲区的反射率均值。近红外波段反射率在6月中旬-8月初居高并呈现缓慢增长态势。在2020年4月30日前后，在地表水“500m缓冲区”外的其他区域，近红外波段反射率都约等于0.26，差距最小，直至6月中旬差距最大，8月下旬差距开始减小。

杨雨薇等人选择位于干旱—半干旱地区的甘肃张掖的研究区为研究对象，得到植被、水体与土壤端元的光谱曲线(见图5)[3]，与赤峰的地物反射率相似。由图5可知在545nm-565nm波谱带，反射率土壤>反射率水体>反射率植被，在846nm-885nm波谱带，反射率植被>反射率土壤>反射率水体。随着波长增加(由绿光至近红外)，植被的反射率变化最大。

图4(b) 2020年近红外波段(波谱带846nn-885nm)反射率时序变化

图5 植被、水体与土壤在400nm-1 100nm波谱段的光谱曲线[3]

绿光波段反射率的时序变化间接指示植被长势，绿光波段在生长季的下降趋势是因为地表植被在绿光波段的反射率比水体和裸土低，生长季之前地表植被较少，裸露出地表的土壤，植被在生长季集中生长，导致反射率较高的裸土大量减少，导致绿光波段反射率变低，较多的呈现出植被的绿光波段反射率。仅在地表覆盖大量植被，裸土较少时(图4(a)的5月-9月)，绿光反射率越高代表绿色植被长势越好。

近红外波段的时序变化反映出植被和水体的混合信息，虽然植被的近红外反射率与土壤和水体的相比最高，在生长季时有近红外反射率值增长趋势，虽然地表此时植被大量覆盖，但不是很明显，原因是水体拉低了地表对近红外波段的反射。相比于时序反映的植被长势信息，在生长季不同缓冲区域对比时，空间的单项对比更多地体现了地表含水情况。

综上所述，图4(a)显示，从5月生长季初期开始，由距离地表水较远范围至距离地表水500m范围内，绿色植被长势越来越好。图4(b)显示，6月-8月生长季中期植被长势为全年最好导致近红外波段反射率居高并呈现缓慢增长态势，此时地表水500m缓冲区范围内的近红外波段反射率大大低于其他地域的近红外波段反射率，原因可能为地表水500m缓冲区范围大多为湿地，植被含水量高于其他地域，水体的近红外波段反射率较低，使得地表水500m缓冲区范围内的近红外波段反射率低于其他地区。10月份由于降水减少、植被枯萎等原因，近红外波段反射率的差距开始减小。11月开始，温度降低、湿地结冰，距离地表水500m范围内的绿光和近红外反射率皆陡然增长。

2.3 近8年反射率变化的气象影响因子分析

图6(a)和图6(b)可以看出，绿光波段反射率谷值和近红外反射率峰值出现在6月-8月份平均气温和降水峰值出现时。从2012年-2020年，距离地表水越近的地区，绿光波段反射率相对越高，植被长势越好。从2012年-2020年，地表水附近500m区域的植被与地表的近红外反射率最低，含水量最高，但其他区域每年的含水量情况不定，降水量在生长季前期较多的年份，近红外反射率随距离地表水的距离越远而越高，原因是距离地表水的距离越远，地表与植被含水量越低。在一些年份(2012年-2013年、2015年-2016年、2019年-2020年、2021年)的11月-2月绿光波段反射率和近红外反射率会出现极大值，原因是这些年份，生长季降水较好，气温降低，湿地结冰使得绿光波段反射率和近红外反射率升高。

图6(a) 2012年-2020年绿光波段反射率与气温降水的时序变化

图6(b) 2012年-2020年近红外波段反射率与气温降水的时序变化

3 结论

从前述分析可知，赤峰市由南部至中部再至北部，地表水面积呈现适中—较小—较大的态势。克什克腾旗的地表水面积最大，巴林右旗水体面积次大，红山区的水体面积最小。从5月生长季初期开始，距离地表水越近的缓冲区，植被长势越好；6月-8月生长季中期地表水500m缓冲区范围的地表与植被含水量高于其他缓冲区；在>500m的缓冲区区域，仅在降水量在生长季前期较多的年份，植被长势随距离地表水的距离越近而越好，呈现规律性变化，降水量在生长季较少的年份植被长势不呈现前述规律。