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
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1、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:
2、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 o
3、f 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、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
5、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 J
6、ia-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 Devel
7、opment,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
8、 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 wa
9、s 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
10、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 d
11、ensity 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 catas
12、trophic 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;Shi
13、lipu 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
14、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
15、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
16、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
17、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
18、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
19、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
20、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
21、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,
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