基于NDVI的水电站开发对植被的影响_以澜沧江梯级水电站开发为例_刘世梁

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33卷第1期48～57页

2015年1月

文章编号：1008－2786－（2015）1－48－10DOI：10．16089/j．cnki．1008－2786．000007

山地学报

MOUNTAINＲESEAＲCHVol.33，No.1pp48～57

2015Jan.，

基于NDVI的水电站开发对植被的影响

——以澜沧江梯级水电站开发为例—

安南南，董世魁，赵海迪，邓丽，赵晨刘世梁，

（北京师范大学环境学院水环境模拟国家重点实验室，北京100875）

摘利用1998—2012年SPOTNDVI数据建立近15a澜沧江流域NDVI时序数据集，在要：基于ＲS和GIS技术，

收集该流域水电站建设概况资料的基础上，利用空间分析与统计方法、最大值合成法、一元趋势方法分析流域水电站周边植被覆盖的时空变化及其与土地利用的关系。结果表明：1998—2012年间，水电站的年最大NDVI值均保持在0．78～0．92之间；通过对比已建水电站在建设前、中、后期的年最大NDVI值随上下游距离梯度的变化趋势，水电站上、下游在建设前、建设中和建设后呈现出基本一致的波动变化；横向分析NDVI随岸边距离不同的变化情NDVI值缓慢增加，况，小湾水电站附近10km范围内，随着岸边距离的增加，建设中的NDVI值要低于建设前后。NDVI变化可以指示大坝建设对植被的影响。趋势分析表明，上述结果表明，整个缓冲区内得到改善的面积占63%左右。ZonalStatistics结果表明，耕地、林地、草地的NDVI有所增加。本研究为探索多时段态NDVI监测水电站效应的可能性及水电开发的生态环境保护与恢复提供了一定的科学依据。关键词：NDVI；澜沧江；水电站建设；时空变化；趋势分析X2中图分类号：X144，

文献标志码：A

社会效益的同重大水利工程在带来巨大经济、

时，不可避免地改变周边植被状况，对当地气候特征、生态过程、土地利用产生一定程度的影响。植被是环境的重要组成因子，是反映区域生态环境最好的指标之一，同时也是土壤、水文等要素的解译标［1－2］

。水利工程对当地植被的影响主要包括工程志

实施过程和建成后频繁的人类活动。工程实施过程对植被的影响主要包括水库拦截回水对植被的淹没、开发新的交通道路对植被的碾踏和对土地的占用以及破坏土壤表面影响植被的附着、大坝厂房建筑的施工等活动对植被造成不利影响。水利工程竣工后，人类活动改变土地利用类型进而对植被组成类型及其分布产生一定影响。

对于水电站建设影响来说，传统上主要是利用遥感影响解译分类得到土地利用方式进行分析，将不同时期主要植被覆盖类型图与主要土地利用变化

类型图叠加分析，探索不同土地利用变化类型区域

的植被动态变化特征，分析土地利用变化与植被动态的响应关系

［3－5］

。随着理论及应用研究的深入，

［6］利用植被指数来表征地表植被覆盖及生长状况。近几十年来，国内外学者为定量研究研究植被覆盖

变化，从不同的角度创新和发展了植被指数。其中，归一化植被指数（TheNormalizedDifferenceVegeta-tionIndex，NDVI）对植被盖度的检测幅度较宽，有较

［7］

好的时间和空间适应性，因此应用较广。该指数DVI和DDVI等算法的优点［8］，综合了EVI、在一定程度上反映植物组成类型情况、覆盖分布情况、生物量积累情况和植被活力情况，与植被分布密度呈线

［9］

性相关，是指示大尺度植被覆盖的良好指标，常生态环境监测以及植被被用于土地利用/覆盖变化、

［10］

动态监测等方面。

目前，基于NDVI时序数据源资料的研究主要

收稿日期（Ｒeceiveddate）：2013－12－14；改回日期（Accepted）：2014－04－25。

NonprofitEnvironmentProtectionSpecificProjectofChina（No．201209029）．］基金项目（Foundationitem）：环保公益项目（201209029）。［

1976年生，GIS与ＲS研究。［LiuShiliang，male，bornin1976，作者简介（Biography）：刘世梁，男，博士生导师，副教授，主要从事景观生态学、

doctoralsupervisor，associateprofessor，mainlyengagedinlandscapeecology，GISandＲS．］E－mail：shiliangliu@bnu．edu．cn

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集中于以下几个方面：1．结合NDVI时序数据分析

植被NDVI的变化类型、空间分布变化特征及其年

［11］

内和年际变化规律；2．将人类活动与植被NDVI变化之间建立关系是植被NDVI演变影响因素研究

［12－14］

。谢高地［15］等人结合2001—2010的一个热点

年MODIS09Q1数据，分析平均NDVI值的时空变化差异及综合分析Slope和Hurst指数预测澜沧江流域植被发展趋势。水电站的建设是人类活动中对环

［16］

境造成压力的主要影响之一，邹家祥等人研究了长江三峡工程对植被覆盖变化的影响，分析库区植被类型和覆盖率的变化情况并提出相关保护措施。王晶晶等人对比三峡大坝蓄水前后植被覆盖度特征、动态变化及将土地利用类型覆盖与植被变化相联系分析不同年份的植被动态变化特征。随着理

NDVI是否可作为水电站建设影论及研究的深入，

响当地植被的“指示器”还未有定论。目前，基于NDVI数据的各项研究中涉及到水电站开发建设对周边植被产生的影响的研究仍然较少，同时，水电站上、下游不同距离梯度范围内及岸边不同梯度距离的植被变化研究也尚未开展。

本文以澜沧江中下游8级梯级电站为研究对象，结合多时相遥感影像资料，利用GIS和ＲS技术为支撑，统计植被覆盖的变化信息，定性分析水电站周边年最大NDVI在时间序列上的变化及横向、纵向空间梯度上植被覆盖分布差异，探讨近15年来水电站周边植被覆盖的变化情况，为澜沧江流域生态环境的保护恢复、评估人类活动及工程建设对植被动态的影响和资源可持续发展提供一定的基础信息，制定环境保护对策提供了一定的科学依据。

［1］

93°32'～101°澜沧江流域（21°11'～33°52'N，

53'E），藏和滇，是国内最长的南北流向的流经青、

河流。澜沧江是一条著名的国际河流，干流长1216．7km，经度差仅为3．7°，流程1240km，流域

42［17］

资源丰富。流域河谷区气候面积9．1×10km，

带包含了热带、亚热带、温带等，几乎涵括了全国主要的气候类型；多样化的气候和复杂的地理环境，形

［18］

成了全球生物多样性最丰富的地区之一。澜沧江流域植被类型及其丰富，植被分布具有明显的纬度地带性与垂直地带性，并受到局地微气候和地形的影响，上游为温带高寒草甸及温带针叶林和落叶阔叶林；中游为温带，亚热带高山落叶灌丛和稀疏草原，同时伴有常绿林和湿性常绿阔叶林；下游为热带、亚热带常绿阔叶林和热带雨林以及零散的落叶

［19］

季雨林。

流域沿途山高谷深，水流湍急，蕴藏着丰富的水力资源，仅在云南境内的干流就规划了14级梯级水电站。尤其澜沧江中、下游河段条件最为优越，被列为近期重点开发河段。自上而下分别为：功果桥水电站、小湾水电站、漫湾水电站、大朝山水电站、糯扎渡水电站、景洪水电站、橄榄坝水电站和勐松水电站（表1）。

研究区域是以澜沧江主河道为中心轴左右作20km的带状缓冲区（图1），参考国家1∶25万基础地理数据，结合1998—2012年的SPOTNDVI数据分析，研究水电站建设前后NDVI的时空变化规律。为了方便比较水电站建设对NDVI的空间分布的变化，对各水电站的上、下游进行划分，由于各水电站基本位于各子流域分界线上，因此在水电站处，利用垂直于河流的垂线进行划分。1.2数据源

1998—2012年的SPOTVEGETATION逐旬ND-VI数据，共有504幅图像，空间分辨率为1km。本

1

1.1

研究区概况及研究方法

研究区概况

表1

Table1

澜沧江中下游水电站概况

建设情况Constructionstatus

建成建成建成建成在建建成在建未建

位置Location最上游一级电站漫湾电站上游约70km

云南省云县与景东县交界处的漫湾镇上游附近

漫湾电站下游约100km澜沧江下游思茅市距下游景洪市约5km距上游景洪市约20km景洪市与勐腊县交界处

TheinformationofhydropowerstationsinmiddleandlowerreachesofLancangＲiver完工时间Completiontime

2012201019952003201720092018

总库容Ｒeservoircapacity

（×10m）

5．10151．3210．069．40237．0311．400．72

8

3

水电站名称Stationname功果桥水电站小湾水电站漫湾水电站大朝山水电站糯扎渡水电站景洪水电站橄榄坝水电站勐松水电站

施工时间Constructiontime

2009200219861997200520032012

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图1

Fig．1

研究区示意图

Locationofthestudyarea

最大化NDVI具有以下文采用年最大NDVI值分析，

优势：1．能减少被云覆盖的像元；2．能够消除由于植物物候变化引起的植被反射光谱的不同，还可以进一步降低大气和太阳高度角等因素的干扰和影［13］

响；3．对于时间序列的研究来说，所关注的焦点是各年内植被覆盖最好时期的状况及其动态变化。本文借助软件ArcGIS9．3，利用SpatialAnalystTools中的CellStatistics模块中对1998—2012年的SPOT遥感影像数据年的合成，然后采用ZonalStatistics模块进行年NDVI最大值统计。1.3研究方法1．3．1

时序NDVI变异系数计算

利用变异系数评价植被变化的总体状况，掌握缓冲区植被覆盖空间格局及空间分异规律。变异系数中的标准差σ能反映逐一栅格年最大NDVI值分布的离散程度，除以多年均值X可以有效地剔除地这样既能评估植被多年生长过程的时表类型差异，

［9］

序稳定性，又能确保不同像元间的时序稳定性具有可比性。本文基于过去15a（1998—2012）的逐年NDVI最大值进行平均得到合成数据，利用公式（1），逐栅格计算1998—2012年间的NDVI的变异系数来评估年最大NDVI的时序稳定性。计算公式为

C．V．=σ/X

（1）

C．V．值越大，表明各年份之间数据分布越离散，时间序列数据波动较大，时序不稳定；反之则表明各年

份之间数据分布较为集中，时序较为稳定。

1．3．2水电站建设的空间NDVI的变化

趋势线分析法通过模拟每个栅格的变化趋势，反映不同时期植被覆盖变化的空间分布特征。本文

［15］

用此方法来模拟缓冲区多年NDVI的变化趋势，根据研究区特征和总结前人的经验基础上，将该区

域的植被NDVI变化范围划分为显著减少、中度减少、轻度减少、基本不变、轻度改善、中度改善和显著改善（表2）等7个变化等级。计算公式为θslope=

n×∑j×NDVIj－（∑j）（∑NDVIj）

j=1n

n

n

j=1

n

j=1

n×∑j－（∑j）

j=1

j=1

n

22

（2）

式中n为监测时间段的年数；NDVIj为第j年ND-VI的最大值；θslope是趋势线的斜率，其中θslope＞0则

反之则说明NDVI在n年间的变化趋势是增加的，是减少的。

2

2.1

结果分析

大坝影响下NDVI时间序列数据变异系数分析

研究区1998—2012年NDVI的时间序列分析

（图2）结果显示：从整体上看，自上游到下游的变异系数总体上呈减小趋势，变异系数在25%以上的地区主要集中在最上游地区，大部分地区的变异系数都保持在10%以下。功果桥水电站的上游地区的变异系数在5%～10%的面积占整个上游区域的

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80%以上，其次是小湾水电站到糯扎渡水电站之间地区的变异系数，分布在5%～10%的面积占小湾

水电站到糯扎渡水电站区域的40%左右，糯扎渡水电站下游的水电站整体的变异系数在5%以下。变异系数分布图表明研究区NDVI及其指示的植被覆盖状况在过去的15a里具有较强的稳定性。也就是，基于年最大NDVI合成方法得到的新的NDVI数据集具有很好的可利用性、可以用于进一步分析本地区NDVI的空间分布格局、空间分异等特征及规律

。

开始施工，施工前的准备活动（如运输道路和临时

厂房的建设）对周围水电站产生一定影响，土地利用类型

［17］

的改变也间接地改变研究区植被稳定性。

小湾水电站位于功果桥水电站和漫湾水电站之间，小湾水电站的建设活动（拦截、蓄水等）会对其上、NDVI下游的植被生长产生一定影响。2002年之后，值波动增加，增幅较慢。研究期间，大朝山水电站年最大NDVI变化曲

1998—2002年整体呈现下降趋势，线表明，下降幅2002年之后上、度约为13%，下游分别以0．0073/

a、0．0041/a的幅度缓慢增加，主要原因是大朝山水电站在2003年投入发电使用完成竣工，由建设水电站引起的人类活动干扰频度和强度都有所减缓。1998—2012年间，景洪水电站年最大NDVI的

1999—2002变化曲线可分为3个阶段，第一阶段，年上、下游年最大NDVI均显著下降；第二阶段，

2002—2010年呈现不规律的波动；第三阶段，2010—2012年呈缓慢增长变化。这与景洪水电站的建设过程有很大关系，景洪水电站在2003年筹备2010年投入使用，建设，年最大NDVI值呈现出这种变化趋势和水电站的建设有一定的关系。2.3

水电站建设前后的空间梯度NDVI的变化梯级水电站的建设时间：在本研究时间段的水

电站从上到下依次为功果桥水电站、小湾水电站、大朝山水电站和景洪水电站，所以以这4个水电站为例来对比分析水电站建设前后NDVI的变化状况及趋势。2．3．1

图2

研究区时间序列变异系数分布

Fig．2Distributionofvariationcoefficientinstudyareafrom1998to2012

水电站建设前后上下游NDVI变化对功果桥水电站、小湾水电站和大朝山水电站

和景洪水电站上、下游地区10km分区统计，分析水电站建设前、中、后NDVI随距离变化规律的差异，也就是在纵向上分析水电站建设对附近植被的影响变化。4个水电站上、下游在建设前、中、后的年最大NDVI随距离增大呈现基本一致的波动变化。功果桥水电站（图4）上游、下游在建设中、后的年最大NDVI的2条曲线大小关系的基本排序为：建设中＞建设后。根据现场考察，功果桥水电站规模相对较小，而且所处位置地势较为陡峭，为深峡型水库，在建设过程中建设的开挖面不大，需要对河流进行导流，使得河流水面面积变小，对周边植被的影响较小，因此建设中的年最大NDVI值略高于建设前的值。在小湾水电站（图5）上游，建设前、中、后的年最大NDVI值的3条曲线大小关系基本排序为：建

1998—2012年间，流域气候特征主要包括降水和气温等都没有发生明显变化，说明其引起的气候变化还不足以对植物种类的生长产生明显的影响，可以排除自然条件对当地植被分布格局和生长势等的影响

［19］

。这里植被受到的最主要影响就是人类

活动，主要为大坝建设对植被的直接破坏与间接影响。2.2

水电站上、下游年际间NDVI的动态变化

2002图3表明，各水电站上下游均在2001年、

年都出现不同程度的下降变化，下降幅度较大的是

功果桥水电站，漫湾水电站及大朝山水电站，变化幅度约为15%左右。主要原因是2002年小湾水电站

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3条曲线大小设后＞建设中＞建设前；水电站下游，

基本排序为：建设前＞建设后＞建设中。在4km范围内，年最大NDVI的波动较剧烈，幅度也较大，尤其是在施工过程中年最大NDVI的波动幅度较建设前、后剧烈；水电站上、下游在4km之外的范围随着距离的增加，年最大NDVI随距离增加缓慢上升，说明在超过4km之外的地区，植被的生长受大坝影响较小。大朝山水电站（图6）上、下游建设中和建设后在4km处出现明显下降的转折点。而且建成后的年最大NDVI值要高于建设过程中，表明水电站建设过程要对库区进行蓄水形成消落带，而且蓄水

造成的泥沙流失堆积在下游也会阻碍植被的正常生

长。景洪水电站上游、下游的建设前，建设中和建设后NDVI值基本保持在0．8以上，周边区域植被生长状况良好。从景洪水电站（图7）上、下游变化曲线可看出，建设前、中、后这三个时期年最大NDVI值基本排序为建设后＞建设中＞建设前。水电站周边属亚热带气候，建设期间土地及植被遭破坏后，次生演替发生较快，次生植物群落的生长较快，同时水NDVI空间年际变化较大，电站建设周期长，亚热带气候特征会使得NDVI存在一定的误差，这就导致建设中的年最大NDVI值略高于建设前的值。

建成

图3

Fig．3

1998—2012年水电站上下游年最大NDVI变化曲线

TheannualMAXNDVIchangecurvesofupstreamanddownstreamofhydropowerstationfrom1998to2012