基于Landsat-8 OLI的岷县十里铺幅植被覆盖度多年变化与地质灾害时空分布关系.pdf

投稿网址:2023 年 第23 卷 第24 期2023,23(24):10220-09科 学 技 术 与 工 程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T收稿日期:2022-12-23修订日期:2023-06-06基金项目:中国地质调查局地质调查项目(DD20190645);甘肃省科技重大专项计划(19ZD2FA002);甘肃省地下水工程及地热资源重点实验室开放基金(201909)第一作者:张家峰(1975),男,汉族,甘肃永昌人,高级工程师。研究方向:水工环及生态地质勘查。E-mail:957547202 。通信作者:张永军(1976),男,汉族,甘肃榆中人,正高级工程师。研究方向:水工环地质与地质灾害防治。E-mail:445880788 。引用格式:张家峰,张永军,刘德玉,等.基于 Landsat-8 OLI 的岷县十里铺幅植被覆盖度多年变化与地质灾害时空分布关系J.科学技术与工程,2023,23(24):10220-10228.Zhang Jiafeng,Zhang Yongjun,Liu Deyu,et al.Relationship between multi-year change of vegetation coverage and spatiotemporal distribu-tion of geological hazards on Shilipu map in Minxian County based on Landsat-8 OLIJ.Science Technology and Engineering,2023,23(24):10220-10228.基于 Landsat-8 OLI 的岷县十里铺幅植被覆盖度多年变化与地质灾害时空分布关系张家峰1,2,张永军3,4,刘德玉3,4,蒋兴波3,4,李保强3,4(1.甘肃省地矿局第一地质矿产勘查院,天水 741020;2.甘肃省地质矿产勘查开发局,兰州 730000;3.甘肃省地下水工程及地热资源重点实验室,兰州 730050;4.甘肃省地质环境监测院,兰州 730050)摘 要 以岷县十里铺标准图幅为研究区,基于 Landsat-8 OLI(operational land imager)遥感影像数据分析 19902018 年的植被覆盖度多年动态变化特征以及发展趋势。将多年植被覆盖度与相近年份的地质灾害点进行空间叠加对比,分析植被覆盖度与地质灾害发生的时空对应关系,结合植被的水文效应以及力学效应探讨植被的抑灾及致灾作用机理。结果表明:研究区内植被先后经历急剧退化-逐渐恢复-略微退化的发展趋势,历年发生的地质灾害点主要分布于裸地和低植被覆盖度区域。地质灾害点分布密度总体随植被覆盖度的增加而减少,呈近似负相关关系。植被并不是决定地质灾害发育的关键因素,植被的水文效应和力学效应具有抑灾和致灾作用。在研判地质灾害发生概率时应综合考虑植被覆盖度、大气降水强度、历时产渗流等特征。关键词 植被覆盖度;地质灾害;遥感数据;岷县;十里铺幅中图法分类号 P642;文献标志码 ARelationship between Multi-year Change of Vegetation Coverage andSpatiotemporal Distribution of Geological Hazards on Shilipu Map inMinxian County Based on Landsat-8 OLIZHANG Jia-feng1,2,ZHANG Yong-jun3,4,LIU De-yu3,4,JIANG Xing-bo3,4,LI Bao-qiang3,4(1.The First Institute of Geology and Minerals Exploration,Gansu Provincial Bureau of Geology andMinerals Exploration and Development,Tianshui 741020,China;2.Gansu Provincial Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development,Lanzhou 730000,China;3.Key Laboratory of Groundwater Engineering and Geothermal Resources in Gansu Province,Lanzhou 730050,China;4.Gansu Institute of Geological Environment Monitoring,Lanzhou 730050,China)Abstract Taking the Shilipu standard map of Minxian County as the research area,based on Landsat-8 operational land imager(OLI)remote sensing image data,the dynamic changes and development trends of vegetation coverage over the years from 1990 to2018 were analyzed.The spatial overlap comparison between vegetation coverage over the years and geological disaster points in similaryears was conducted,and the spatiotemporal correspondence between vegetation coverage and geological disaster occurrence was ana-lyzed,and the mechanism of vegetation disaster-suppression and disaster-causing was discussed by combining the hydrological and me-chanical effects of vegetation.The results show that the vegetation in the study area has experienced the development trend of rapid deg-radation,gradual recovery,and slight degradation.The geological disaster points that have occurred over the years are mainly distribu-ted in bare land and low vegetation coverage areas.The overall distribution density of geological hazard points decreases with the in-crease of vegetation coverage,showing an approximate negative correlation.Vegetation is not the key factor determining the develop-ment of geological disasters,and the hydrological and mechanical effects of vegetation have inhibitory and catastrophic effects.Vegeta-tion coverage,atmospheric precipitation intensity,duration of seepage and other characteristics should be considered comprehensively投稿网址:when determining the probability of geological disasters.Keywords vegetation coverage;geologic hazard;remote sensing data;Minxian County;Shilipu map 植被覆盖度通常被定义为植被(包括叶、茎、枝)在地面的垂直投影面积占统计区总面积的百分比1,它不仅是量化描述某一地区地表植被生长状况的重要指标,而且还是反映区域生态地质环境变化的重要参量2-4。地质灾害形成条件及分布规律除了与地形地貌、地层岩性、地质构造、地震、大气降水、地下水、人类工程活动等因素有关外,也与植被覆盖度存在一定关系。目前,中国针对植被覆盖度与地质灾害分布关系的研究得到业界普遍重视,部分学者认同两者呈负相关关系,即植被覆盖度越低,地质灾害发生的概率越大。李凯等5通过研究白龙江流域植被覆盖度与滑坡分布的时空格局,得出植被覆盖度越低,滑坡点密度越高。倪忠云等6将丹巴县的地质灾害点与植被覆盖图进行叠加分析,得出地质灾害主要分布在海拔较低、人类工程活动强烈的低植被-较低植被覆盖区域。赵美龄等7通过对比分析印度伊都基地区地质灾害与土地利用/覆被变化之间的关系,得出植被覆盖度下降区域的地质灾害发生率高于上升区域。张晓东等8-9应用遥感与地理信息系统(geographic informa-tion system,GIS)技术对宁夏中宁县和盐池县的地质灾害点密度与植被覆盖度进行空间叠加分析,得出灾害点密度随着植被覆盖度的增加而降低。张国平等10依托 GIS 技术研究环境因子分级与滑坡和泥石流发生频率之间的统计规律,指出在高植被覆盖度区域,地质灾害发生的概率更大。由此可见,学者们就植被覆盖度与地质灾害时空格局是呈正相关关系还是负相关关系的问题上尚未达成统一认识5,且研究内容主要集中于分析两者之间的统计学对应关系,对内在的抑灾、致灾作用机理研究较为匮乏。为进一步探究两者之间的关系,以岷县十里铺幅(1 50 000)为研究区,基于Landsat-8 OLI(operational land imager)遥感影像数据分析 19902018 年的植被覆盖度多年动态变化,并反演出了区域植被总体退化及恢复趋势。通过将多年植被覆盖度与相近年份的地质灾害点叠加进行空间分析,研究了植被覆盖度与地质灾害的时空分布关系,最后结合植被的水文效应以及力学效应探讨了植被对地质灾害的抑灾及致灾作用机理,旨在为不同植被覆盖度地区的地质灾害预警及防灾减灾工作提供科学依据及参考。1 研究区概况十里铺幅(1 50 000)的图幅面积约 420 km2,范围居于甘肃省洮河流域中游(图 1),包含岷县十里镇、清水镇、西寨镇、秦许乡以及卓尼县纳浪镇。研究区属温带半湿润气候区向高寒湿润气候区过渡带,具有降雨量较丰沛,气温低,无霜期短,多冰雹等高寒阴湿气候特点。区内多年平均气温5.7,多年平均蒸发量 1 203 mm,多年平均降水量560.8 mm。该区地处青藏高原边缘的甘南高原、陇南山地、陇西黄土高原等地貌单元交汇地带,区域新构造运动十分强烈,形成了构造侵蚀中山、构造侵蚀中低山和侵蚀堆积河谷平原三种地貌类型,地 势 总 体 西 南 高、东 北 低,海 拔 2 305 3 605 m。区域地层岩性主要为三叠系砂岩、板岩,新近系砂质泥岩、泥质砂岩及砂砾岩,第四系马兰黄土及冲洪积层。研究区森林植被主要为冷温带针叶林和针阔叶混交林,树种有云杉、柏木、落叶松、青杨、白桦、椴树、槭树等。另外,作为甘肃有名的药材之乡,当地还大量种植当归、党参、黄芪等经济作物。2 研究方法通过地理空间数据云平台下载了5 期数据质量较好的 Landsat-8 OLI 遥感影像数据,时相分别为1990 年 8 月、1998 年 8 月、2003 年 8 月、2014 年 6月以及 2018 年 6 月,空间分辨率为 30 m。对以上数据进行辐射定标、大气校正、正射校正等预处理后计算得到归一化植被指数(normalized differencevegetation index,NDVI),该指数是对地表植被状况的简单、有效和经验的度量11。fc=NDVI-NDVIminNDVImax-NDVImin(1)式(1)中:fc为植被覆盖度;NDVImin、NDVImax分别为归一化植被指数的最小值和最大值。计算得到植被覆盖度 fc,按照数值区间将其等间距划分为 5 级,分别为:裸地(0 fc20%)、低植被覆盖度(20%fc 40%)、中植被覆盖度(40%fc60%)、中高植被覆盖度(60%fc 80%)、高植被覆盖度(80%fc 灌木 阔叶林19。其次,坡面表层的枯枝落叶层也有吸收降水、消减降水动能、增加地表粗糙度以及分散消散、滞缓地表径流的作用19。植被根系提高了边坡土体的负孔隙水压力,即维持了一定的基质吸力值,从而提高了土体的有效应力和稳定性20,而且植被根系可不同程度起到控制降雨条件下边坡位移的效果21。总体上,植被的水文效应阻挡了降水对地表土壤的直接冲蚀,减缓了地表径流速度22,延长了地表产汇流时间,从而遏制了岩土体内部渗流破坏,提高了土体基质吸力,减少了地表水土流失,有效抑制了地质灾害的形成及发育。在实际走访调查中也发现,近年来随着封山育林政策的实施,研究区内的植被覆盖率较五六十年代大幅提高,流域可转化的物源减少,泥石流的爆发频率已经明显降低。4.2 植被的力学效应在提高岩土体稳固性方面,植被的力学效应既有有利的一面,又有不利的一面。植被稳固岩土体的力学效应主要体现在根系对土体的“加筋”和“锚固”作用23。草本类以及一些灌木类植物的根系发达,须根密集,向四周发散式的生长拓展,能够让松散的土体稳固成团,相当于对土体进行了“加筋”,增大了土体的抗剪强度和稳定性。乔木类植物的根系一般较为粗壮,延伸较远。根系与岩土体之间的摩擦力较大,垂向生长的主根对其周围的土体形成一种“锚固”作用,侧根则产生一种斜向的牵引作用23,进一步增强了斜坡岩土体的稳定性,减少了滑坡发生概率。此外,植被根系深度以及根形的不同对斜坡稳定性也具有不同影响。一般根系深度小于 40 cm 的浅根系植被对于表层土体滑动具有明显的抑制作用,但是对滑动面较深的斜坡土体作用甚微19,此时,根系深度在数米以上的植被就会发挥有益的固土增稳作用。植被根型的生长方向差异对于土体“锚固”强度的大小也各不相同,通常主直根型 散生根型 水平根型19。植被破坏岩土体稳定性的力学效应主要有:根劈作用、重力荷载作用。植物根系在不断生长过程中所产生的膨胀作用力会对周围岩土体产生挤压破坏作用23,即根劈作用,该力学效应在一定程度上促进了岩土体裂隙的发育,降水沿拓展的多条裂隙通道下渗,通过潜蚀或者冻融作用又进一步加速了岩土体的变形破坏,导致岩土体结构失稳,容易诱发滑坡、崩塌灾害。斜坡体上生长的植被,尤其是高大的林木由于其自身质量较大,对坡体产生的重力荷载也相应较大。在强降水导致坡体土壤含水量达到饱和的情况下,土体抗剪强度降低,如果滑坡区域的植被根系未深至滑动面以下,则坡体上部的植被相当于增加了滑体重量,加速了滑坡的发生。基于以上分析可以看出,植被对地质灾害的形成和发育既有抑制作用,同时又有促进作用。一般来讲,在植被覆盖度低的地区发生地质灾害的风险和概率相对较大,但是在极端降水条件下,植被覆盖度高的地区发生地质灾害的风险和概率也会变大。因此,认为植被并不是决定地质灾害发育的关键因素,相比之下,大气降水对地质灾害的激发和控制作用更为明显和重要,因此建议在分析预测不同植被覆盖度区域内的地质灾害发生概率时要重点结合当地的大气降水强度和历时产渗流特征等因素据实综合研判。5 结论(1)受历史人类工程活动影响,研究区内的植被 19902018 年先后经历了急剧退化-逐渐恢复-62201科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(24)投稿网址:略微退化的发展趋势。中-高植被覆盖度主要分布在人为活动干扰少的中山区,裸地-低植被覆盖度集中分布在人口较为密集的河谷平原区和中低山区。(2)研究区内的地质灾害点主要集中分布于裸地和低植被覆盖度区域,地质灾害点密度总体随植被覆盖度的增加而减少,呈近似负相关关系;在同等条件下,中低山区的浅根系植被覆盖区发生地质灾害的风险和概率比中山区的深根系植被覆盖区相对要高。(3)植被并不是决定地质灾害发育的关键因素,在极端降水条件下,植被覆盖度高的地区发生地质灾害的风险和概率也会变大,研究其抑灾及致灾机理至关重要。植被的水文效应能抑制缓解地质灾害的发生,力学效应则既有抑灾作用,又有致灾作用。在分析研判地质灾害发生概率时应综合考虑植被覆盖度、大气降水强度、历时产(渗)流等特征。参考文献1 Gitelson A A,Kaufman Y J,Stark R,et al.Novel algorithms forremote estimation of vegetation fractionJ.Remote Sensing of En-vironment,2002,80(1):76-87.2 彭飞,范闻捷,徐希孺,等.20002014 年呼伦贝尔草原植被覆盖度时空变化分析J.北京大学学报(自然科学版),2017,53(3):563-572.Peng Fei,Fan Wenjie,Xu Xiru,et al.Analysis on temporal-spa-tial change of vegetation coverage in Hulunbuir steppe(20002014)J.Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis,2017,53(3):563-572.3 杨坤士,卢远,汤传勇.广西南流江流域19862020 年植被覆盖度时空变化及预测J.科学技术与工程,2022,22(32):14148-14158.Yang Kunshi,Lu Yuan,Tang Chuanyong.Dynamic changes andpredictions of vegetation voverage in the Nanliu River Basin inGuangxi from 19862020J.Science Technology and Engineer-ing,2022,22(32):14148-14158.4 何清芸,牟凤云,李秋彦,等.重庆植被覆盖度时空演变及驱动力 地 理 学 探 究 J.科 学 技 术 与 工 程,2021,21(8):11955-11962.He Qingyun,Mu Fengyun,Li Qiuyan,et al.Geography study onspatiotemporal evolution of fractional vegetation coverage and thedriving forces in ChongqingJ.Science Technology and Engineer-ing,2021,21(8):11955-11962.5 李凯,孙悦迪,江宝骅,等.基于像元二分法的白龙江流域植被覆盖度与滑坡时空格局分析J.兰州大学学报(自然科学版),2014,50(3):376-382.Li Kai,Sun Yuedi,Jiang Baohua,et al.Analysis on spatial-tem-poral patterns of the vegetation coverage and landslides in Bailongjiang River Basin based on the dimidiate pixel modelJ.Jour-nal of Lanzhou University(Natural Sciences),2014,50(3):376-382.6 倪忠云,何政伟,赵银兵,等.基于 RS 和 GIS 的丹巴县植被盖度与地质灾害关系研究J.物探化探计算技术,2011,33(2):217-221.Ni Zhongyun,He Zhengwei,Zhao Yinbing,et al.Study on the rela-tionship between vegetation coverage and geological hazards in Danbacounty based on RS and GISJ.Computing Techniques for Geo-physical and Geochemical Exploration,2011,33(2):217-221.7 赵美龄,赫利娜,许晓露,等.土地利用/覆被变化对地质灾害发育 的 影 响 研 究 J.遥 感 技 术 与 应 用,2022,37(2):399-407.Zhao Meiling,He Lina,Xu Xiaolu,et al.Research on the impact ofland use/cover change on geological disaster developmentJ.Re-mote Sensing Technology and Application,2022,37(2):399-407.8 张晓东,刘湘南,赵志鹏,等.遥感技术在宁夏中宁县地质灾害详细调查中的应用J.中国地质灾害与防治学报,2015,26(3):120-126.Zhang Xiaodong,Liu Xiangnan,Zhao Zhipeng,et al.The applica-tion of RS technique for investigation of geological hazards inZhongning County of NingxiaJ.The Chinese Journal of Geolog-ical Hazard and Control,2015,26(3):120-126.9 张晓东,刘湘南,赵志鹏,等.基于像元二分法的盐池县植被覆盖度与地质灾害点时空格局分析J.国土资源遥感,2018,30(2):195-201.Zhang Xiaodong,Liu Xiangnan,Zhao Zhipeng,et al.Spatial-tem-poral pattern analysis of the vegetation coverage and geologicalhazards in Yanchi County based on dimidiate pixel modelJ.Re-mote Sensing for Land and Resources,2018,30(2):195-201.10 张国平,徐晶,毕宝贵.滑坡和泥石流灾害与环境因子的关系J.应用生态学报,2009,20(3):653-658.Zhang Guoping,Xu Jing,Bi Baogui.Relations of landslide anddebris flow hazards to environmental factorsJ.Chinese Journalof Applied Ecology,2009,20(3):653-658.11 李婷,尹军,刘玉婷,等.岷江流域植被变化特征及其成因解析J.科学技术与工程,2022,22(19):8236-8247.Li Ting,Yin Jun,Liu Yuting,et al.Spatial-temporal variationcharacteristics in vegetation and the cause analysis in the MinjiangRiver BasinJ.Science Technology and Engineering,2022,22(19):8236-8247.12 陈耀乾,田万生,李长生,等.甘肃省岷县地质灾害调查与区划报告R.兰州:甘肃省地质环境监测总站,2003.Chen Yaoqian,Tian Wansheng,Li Changsheng,et al.Geologicalhazard survey and zoning report of Min County,Gansu ProvinceR.Lanzhou:Gansu Provincial Geological Environment Monito-ring Station,2003.13 王春磊,徐大录.甘肃省定西市岷县地质灾害详细调查报告R.张掖:甘肃省地矿局水文地质工程地质勘察院,2013.Wang Chunlei,Xu Dalu.Detailed investigation report on geolog-ical hazards in Min County,Dingxi City,Gansu ProvinceR.Zhangye:Institute of Hydrogeology and Engineering Geology ofGansu Bureau of Geology and Mineral Exploration and Develop-ment,2013.14 刘德玉,蒋兴波,李保强,等.十里铺幅灾害地质调查成果报告R.兰州:甘肃省地质环境监测院,2019.Liu Deyu,Jiang Xingbo,Li Baoqiang,et al.Investigation reporton geological hazards of Shilipu mapR.Lanzhou:Gansu Insti-tute of Geological Environment Monitoring,2019.15 崔云,孔纪名,田述军,等.强降雨在山地灾害链成灾演化中722012023,23(24)张家峰,等:基于 Landsat-8 OLI 的岷县十里铺幅植被覆盖度多年变化与地质灾害时空分布关系投稿网址:的关键控制作用J.山地学报,2011,29(1):87-94.Cui Yun,Kong Jiming,Tian Shujun,et al.The critical role forheavy rainfall in the evolution of the mountain hazards chainsJ.Journal oF Mountain Science,2011,29(1):87-94.16 郭富赟,孟兴民,黎志恒,等.天水市“7 25”群发性地质灾害特征及成因J.山地学报,2015,33(1):100-107.Guo Fuyun,Meng Xingmin,Li Zhiheng,et al.Characteristicsand causes of assembled geo-hazards induced by the rainstorm on25th July 2013 in Tianshui City,Gansu,ChinaJ.MountainResearch,2015,33(1):100-107.17 铁永波,阮崇飞,杨顺,等.云南省贡山县“5 25”暴雨诱发地质灾害的特征与形成机制J.水土保持通报,2021,41(2):10-15.Tie Yongbo,Ruan Chongfei,Yang Shun,et al.Characteristicsand mechanism of geological disasters induced by“525”rain-storm in Gongshan County of Yunnan ProvinceJ.Bulletin of soiland Water Conservation,2021,41(2):10-15.18 于国强,张茂省,胡炜.天水市“7 25”群发性山洪地质灾害发育特征及成因分析J.西北地质,2014,47(3):185-191.Yu Guoqiang,Zhang Maosheng,Hu Wei.Analysis on the devel-opment characteristics and hydrodynamic conditions for the massivedebris flow in Tianshui J.Northwestern Geology,2014,47(3):185-191.19 王国民,江峰.福建省植被与地质灾害关系初探J.福建地质,2010,29(S1):39-44.Wang Guomin,Jiangfeng.Preliminary study of relationship be-tween vegetation and geological disasters in FujianJ.Geology ofFujian,2010,29(S1):39-44.20 蒋希雁,杨尚青,谢聪.降雨条件下不同类型植被边坡稳定性的研究J.科学技术与工程,2022,22(26):11550-11558.Jiang Xiyan,Yang Shangqing,Xie Cong.Stability of slope withdifferent vegetation types under rainfall conditionsJ.ScienceTechnology and Engineering,2022,22(26):11550-11558.21 嵇晓雷,杨平.不同根系布置模式对降雨条件下边坡稳定性的影响J.东北林业大学学报,2020,48(7):86-97.Ji Xiaolei,Yang Ping.Influence of different root distributionmodes on slope stability under rainfall conditionsJ.Journal ofNortheast Forestry University,2020,48(7):86-97.22 张潇月,张炜,时真男,等.进水模式对植被浅沟雨水水文调控效能的影响研究J.科学技术与工程,2017,17(25):290-294.Zhang Xiaoyue,Zhang Wei,Shi Zhennan,et al.Effect ongrassed swales for hydrological regulation of urban stormwater run-off by different influent patternsJ.Science Technology and En-gineering,2017,17(25):290-294.23 樊维.裂隙岩体植物根劈作用机理研究D.重庆:重庆交通大学,2016.Fan Wei.The mechanism study of rock-broken process by root-growth of plant in fractured rockD.Chongqing:Chongqing Jiao-tong University,2016.82201科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(24)