基于swbi的土地利用類型空間分布格局及其對水文干旱的影響

基于swbi的土地利用類型空間分布格局及其對水文干旱的影響

1水文干旱的特征貴州喀什人口眾多，人類活動頻繁。人類使用土地資源的不同類型和用途，影響了流域的蓄水能力，促進(jìn)了流域水文干旱的發(fā)生。目前,對于水文干旱的研究,國外最先利用游程理論對水文干早進(jìn)行識別;但研究較多的是水文干旱發(fā)生的概率問題、水文干旱的特征問題,以及水文干旱的重現(xiàn)期計算等問題。國內(nèi)主要是論述了水文干旱與大氣水和下墊面的關(guān)系,強調(diào)下墊面因素是改變水文干旱的重要環(huán)節(jié),并應(yīng)用游程理論量化水文干旱的3個特征值,研究極限水文干旱歷時的概率密度函數(shù)與分布函數(shù);應(yīng)用分形理論,研究水文干旱的時間分形特征;應(yīng)用Copula聯(lián)結(jié)分布函數(shù)構(gòu)造水文干旱特征的聯(lián)合分布。因此,本論文擬從系統(tǒng)論的角度,根據(jù)地物光譜特征,利用面向?qū)ο蠓诸惣夹g(shù),自動提取土地利用類型;借用景觀指數(shù)計算軟件(如Fragstats4.0),計算土地利用類型的景觀密度指數(shù)(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、景觀形狀指數(shù)(SI)、景觀分維指數(shù)(FDI),分析喀斯特土地利用空間格局,揭示流域儲水規(guī)律;根據(jù)灰色理論原理,計算土地利用類型的4種景觀指數(shù)與水文干旱指標(biāo)(RDSI)的關(guān)聯(lián)度值,研究在人類活動下的喀斯特土地利用空間格局及其對水文干旱的影響機制。2數(shù)據(jù)和方法2.1徑流時空選擇(1)水文數(shù)據(jù)。水文數(shù)據(jù)是依據(jù)貴州省水文水資源局整編的貴州省歷年各月平均流量統(tǒng)計資料以及《貴州省水資源公報》,選其中都處于相同氣候帶的40個水文斷面,時間選用2005~2010年的每年最小月平均徑流量,流域面積一般以中小流域為主,目的是為了保證流域下墊面的地質(zhì)地貌、氣候、降水等條件盡可能相同或相近,計算研究樣區(qū)最枯月的6年平均徑流深、并進(jìn)行極差標(biāo)準(zhǔn)化處理。(2)遙感數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)選用TM影像,成像時間為2005~2010年,選用研究樣區(qū)每年最枯月平均徑流深所對應(yīng)時段的遙感數(shù)據(jù),并對遙感影像進(jìn)行預(yù)處理,提取40個水文斷面控制的遙感影像研究樣區(qū)。2.2ody高度定義首先,對40個研究樣區(qū)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行光譜輻射亮度及表觀反射率處理;其次,構(gòu)建土壤水體指數(shù)(SoilWaterBodyIndex,簡稱:SWBI),即公式(1):式中:TM1為LandSatTM的藍(lán)光波段;TM2為Land-SatTM的綠光波段;TM3為LandSatTM的紅光波段;TM4為LandSatTM的近紅外波段。第三,根據(jù)地物光譜特征,利用面向?qū)ο蠓诸惣夹g(shù),劃分土地利用類型、提取遙感信息。詳見技術(shù)流程框圖1及參數(shù)表1。3結(jié)果與分析3.1干旱的時空變化分析以2005~2010年的40個研究樣區(qū)的最小月平均徑流深水文數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),計算樣區(qū)的RDSI值,并分類統(tǒng)計,如圖2。3.2土地利用類型及指標(biāo)在地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS9.3支持下,以40個樣區(qū)土地利用類型遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),計算2005~2010年的土地利用類型斑塊密度指數(shù)(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、斑塊形狀指數(shù)(SI)、景觀分維指數(shù)(FDI);計算4種景觀指數(shù)6年均值,如圖3。3.2.1水體和城鎮(zhèn)斑塊密度空間分布從圖3(左上)可知:(1)疏林、旱地和灌木林的斑塊密度指數(shù)相對較大,且斑塊密度指數(shù)空間分布曲線變化也較大,說明疏林、旱地和灌木林的空間分布相對集中、破碎,且斑塊密度空間分布差異也較大;(2)水體和城鎮(zhèn)的斑塊密度指數(shù)最小,且斑塊密度指數(shù)空間分布曲線變化也很小,說明水體和城鎮(zhèn)的分布相對分散,而且斑塊密度空間分布差異也很小;(3)水體與城鎮(zhèn)的斑塊密度指數(shù)差值很小,其余土地利用類型斑塊密度指數(shù)差值很大,說明水體與城鎮(zhèn)在同一地區(qū)集中分布程度基本相同,而其余土地利用類型在同一地區(qū)集中分布程度差異很大。3.2.2空間分布曲線及斑塊指數(shù)變化規(guī)律從圖3(右上)可知:(1)疏林、旱地和森林的最大斑塊指數(shù)相對較大,最大斑塊指數(shù)的空間分布曲線變化最大,其次,是灌木林和水田;最大斑塊指數(shù)相對較小的是水體、城鎮(zhèn)、道路及農(nóng)村,且空間分布曲線變化小;(2)黔西南、黔南、黔東南以及貴陽的不同土地利用類型最大斑塊指數(shù)差值最大;而遵義、畢節(jié)、六盤水、安順的不同土地利用類型最大斑塊指數(shù)差值相對較小。3.2.3水體、城鎮(zhèn)的形狀指數(shù)空間分布從圖3(左下)可知:(1)所有土地利用類型的形狀指數(shù)均大于1,反映了喀斯特土地利用類型的邊緣圓度差或呈鋸齒狀、邊界復(fù)雜;(2)貴陽和畢節(jié)的城鎮(zhèn)形狀指數(shù)相對較大,黔東南和安順的水體形狀指數(shù)也是相對較大,說明貴陽和畢節(jié)城鎮(zhèn)的邊界分布最復(fù)雜以及黔東南和安順?biāo)w的邊界分布也是最復(fù)雜的;而六盤水的水體和城鎮(zhèn)形狀指數(shù)最小,說明六盤水的水體和城鎮(zhèn)邊界分布相對簡單;(3)水體和城鎮(zhèn)的形狀指數(shù)空間分布曲線變化最大,說明水體和城鎮(zhèn)的邊緣分布空間差異很大、邊界分布復(fù)雜;但貴州省其余土地利用類型的形狀指數(shù)空間分布曲線變化小,說明其余土地利用類型的邊緣分布空間差異很小、邊界分布相對簡單。3.2.4分維指數(shù)空間分布從圖3(右下)可知:(1)六盤水的水體分維指數(shù)為0.61,其余土地利用類型的分維指數(shù)均大于0.8,說明貴州土地利用類型的形狀分布復(fù)雜;(2)道路和旱地的分維指數(shù)大于1,且分維指數(shù)空間分布變化很小,說明道路和旱地形狀分布最復(fù)雜,且形狀空間分布變化也很小;灌木林、疏林的分維指數(shù),在黔西南地區(qū)略小于1,而在貴州省其余地區(qū)均大于1,說明灌木林、疏林形狀分布很復(fù)雜;城鎮(zhèn)的分維指數(shù)在黔東南地區(qū)略小于1,在貴州省其余地區(qū)也均大于1,說明城鎮(zhèn)的形狀分布也很復(fù)雜;(3)水體、森林、農(nóng)村和水田分維指數(shù)空間分布變化相對較大,說明水體、森林、農(nóng)村和水田形狀分布空間差異相對明顯。3.3土地利用類型與關(guān)系以40個樣區(qū)的9種土地利用類型、4種景觀指數(shù)的6年均值及40個樣區(qū)RDSI的6年均值為基礎(chǔ),根據(jù)灰色理論原理,計算土地利用類型的4種景觀指數(shù)與RDSI的關(guān)聯(lián)度,并進(jìn)行分類統(tǒng)計,如圖4所示。3.3.1斑塊密度對水文干旱空間分布的影響從圖4(左上)可知:(1)六盤水部分土地利用類型的PD與RDSI的關(guān)聯(lián)度值小于0.5,其余土地利用類型的PD與RDSI的關(guān)聯(lián)度值均大于0.5,說明土地利用類型的斑塊密度分布對水文干旱產(chǎn)生影響;(2)水體和城鎮(zhèn)的PD與RDSI的關(guān)聯(lián)度值相對較大,說明水體和城鎮(zhèn)的斑塊密度分布對水文干旱影響較大,但對水文干旱空間分布變化的影響較小;其余土地利用類型的斑塊密度分布對水文干旱的影響相對較小,但對水文干旱空間分布變化的影響相對較大;(3)不同土地利用類型的PD與RDSI的關(guān)聯(lián)度值空間分布曲線基本平行,說明不同土地利用類型的斑塊密度對水文干旱空間變化的影響趨勢基本一致。(4)六盤水地區(qū)是部分土地利用類型(農(nóng)村、道路、旱地、水田、灌木林、疏林)的PD與RDSI的關(guān)聯(lián)度的最小值點,說明六盤水地區(qū)的部分土地利用類型斑塊分布對水文干旱影響最小。從土地利用類型的斑塊密度空間分布可知,如受人類活動影響較大的地區(qū),斑塊密度指數(shù)相對較大,自然景觀相對破碎,流域儲水能力相對較弱,則對流域水文干旱影響不顯著;如土地利用類型的斑塊密度空間分布變化越大,受人類活動影響的空間差異性也越大,流域儲水空間的空間分布變化越大、流域儲水能力空間差異明顯,則斑塊密度分布對水文干旱影響的空間分布變化大。3.3.2土地利用類型的最大斑塊指數(shù)的時空分布從圖4(右上)可知:(1)所有土地利用類型的LPI與RDSI的關(guān)聯(lián)度值均大于0.5,說明土地利用類型的最大斑塊分布對水文干旱產(chǎn)生影響;(2)道路和城鎮(zhèn)的LPI與RDSI的關(guān)聯(lián)度值相對較大,說明道路和城鎮(zhèn)對水文干旱影響最大,且對水文干旱影響的空間分布變化小;其余土地利用類型的最大斑塊分布對水文干旱影響的空間分布變化較大;(3)黔南、黔東南、六盤水、安順、貴陽等地區(qū),不同土地利用類型的最大斑塊指數(shù)對水文干旱影響差異較大,而其余地區(qū)差異相對較小。對比分析土地利用類型的最大斑塊指數(shù)空間分布曲線與其對水文干旱影響的空間分布曲線可知:其兩條曲線形狀恰好相反,即波峰與波谷相反、曲線變化方向相反,說明土地利用類型最大斑塊指數(shù)越大,其對水文干旱影響越小;土地利用類型的最大斑塊指數(shù)空間分布變化越大,其對水文干旱影響的空間分布變化越大。3.3.3土地利用類型形狀指數(shù)的空間分布從圖4(左下)可知:(1)六盤水地區(qū)的水體、旱地和城鎮(zhèn),黔西南地區(qū)水體以及黔東南地區(qū)城鎮(zhèn)的SI與RDSI的關(guān)聯(lián)度值大于0.5,其余土地利用類型的SI與RDSI的關(guān)聯(lián)度值均小于0.5,說明土地利用類型的邊界分布對水文干旱影響較小;(2)水體、旱地、森林、城鎮(zhèn)、農(nóng)村的形狀指數(shù)對水文干旱影響的空間分布變化很大;水田和道路的形狀指數(shù)在黔南地區(qū)對水文干旱影響相對較大,在貴州省其余地區(qū)影響相對較小,且對水文干旱影響空間變化小;而疏林和灌木林在黔西南地區(qū)對水文干旱影響相對較大,在貴州省其余地區(qū)影響相對較小,且對水文干旱影響空間變化小;(3)六盤水地區(qū)是水體和旱地的SI與RDSI的關(guān)聯(lián)度值的最大值點。通過對比分析土地利用類型形狀指數(shù)空間分布曲線與其對水文干旱影響的空間分布曲線可知:其兩條曲線形狀恰好相反,即波峰與波谷相反、曲線變化方向及變化趨勢相反,說明土地利用類型的邊界分布越復(fù)雜,其對水文干旱影響越小;土地利用類型形狀指數(shù)空間分布變化越大,流域儲水空間的連續(xù)性差異很大、流域地表儲水能力的空間分布變化也越大,則對水文干旱影響的空間分布變化越大,如水體和城鎮(zhèn)最為典型。3.3.4水文干旱空間分布從圖4(右下)可知:(1)六盤水地區(qū)的水體和旱地的FDI與RDSI的關(guān)聯(lián)度值大于0.5,其余土地利用類型的FDI與RDSI的關(guān)聯(lián)度值均小于0.5,說明土地利用類型的形狀分布對水文干旱影響較小;(2)水體、森林、旱地和農(nóng)村的分維指數(shù)對水文干旱影響的空間分布變化較大;在黔西南地區(qū),灌木林和疏林的分維指數(shù)對水文干旱影響較大,而在貴州省的其余地區(qū)相對較小,且空間分布基本沒變化或變化很小;同理,在黔南地區(qū),道路和水田的分維指數(shù)對水文干旱影響較大,而在貴州省的其余地區(qū)相對較小,且空間分布基本沒變化或變化很小。對比分析土地利用類型分維指數(shù)空間分布曲線與其對水文干旱影響的空間分布曲線可知,其兩條曲線形狀恰好相反,即波峰與波谷相反、曲線變化方向及變化趨勢相反,說明土地利用類型的分維指數(shù)越大、土地利用類型對水文干旱影響程度越小;土地利用類型的分維指數(shù)空間分布變化越大,則土地利用類型對水文干旱影響的空間差異性也越大。4土地利用類型的空間分布及形狀分布對流域水文干旱土地利用是人類活動對流域介質(zhì)作用的方式,土地利用空間格局是人類活動對流域介質(zhì)作用的結(jié)果,而景觀指數(shù)是其作用結(jié)果的定量描述。人類活動對流域介質(zhì)作用結(jié)果,主要表現(xiàn)為改變流域介質(zhì)及其空間結(jié)構(gòu)、影響或破壞流域儲水空間,從而影響流域儲水能力,導(dǎo)致或促進(jìn)流域水文干旱的發(fā)生。因此,筆者通過上述分析,喀斯特土地利用空間格局及其對水文干旱影響可總結(jié)如下:(1)疏林、旱地和灌木林分布相對集中、空間分布變化較大,水體和城鎮(zhèn)分布相對分散、空間分布變化較小;疏林、旱地和森林的最大斑塊分布較大、且空間變化大,水體、城鎮(zhèn)、道路及農(nóng)村的最大斑塊分布相對較小、且空間變化小;所有土地利用類型的邊界分布復(fù)雜、邊緣圓度差,其中,水體和城鎮(zhèn)的邊界分布最復(fù)雜、空間分布變化最大;所有土地利用類型的形狀分布復(fù)雜,其中,道路和旱地形狀分布最復(fù)雜、且道路、旱地的空間分布變化很小。(2)土地利用類型的斑塊密度分布及最大斑塊分布對流域水文干旱均產(chǎn)生影響,其中,水體和城鎮(zhèn)的斑塊密度分布、道路和城鎮(zhèn)的最大斑塊分布影響較大,且對水文干旱影響的空間分布都相對較小;土地利用類型的邊界分布及形狀分布對流域水文干旱影響較小,其中,水體、旱地、森林和農(nóng)村的邊界分布及形狀分布對流域水文干旱影響空間差異很大。(3)土地利用類型的斑塊密度指數(shù)越小,土地利用類型對流域水文干旱影響越顯著;土地利用類型的斑塊密度空間分布變化越大,土地利用類型對水文干旱影響的空間分布變化越大。土地利用類型最大斑塊指數(shù)越大,土地利用類型對流域水文干旱影響越小;土地利用類型最大斑塊指數(shù)空間分布變化越大,土地利用類型對水文干旱影響的空間分布變化大。(4)土地利用類型的形狀指數(shù)越大,土地利用類型對水文干旱影響越不顯著;土地利用類型形狀指數(shù)空間分布變化越大,土地利用類型對水文干旱影響的空間分布變化越大;土地利用類型的分維指數(shù)越大,土地利用類型對水文干旱影響越不顯著;土地利用類型的分維指數(shù)空間分布變化越大,土地利用類型對水文干旱影響的空間差異也越大。根據(jù)圖2可知:(1)2005~2010年,RDSI均為負(fù),說明貴州全省已發(fā)生了不同程度的水文干旱。(2)2010年,黔西南至畢節(jié)等地區(qū)的RDSI絕對值相對較大,說明水文干旱最嚴(yán)重;而安順、貴陽、遵義等地的RDSI絕對值相對較小,六盤水最小,說明安順、貴陽、遵義和六盤水的水文干旱相對較輕,這與20