一种矿区地下水位变化对植被NDVI影响阈值确定方法

一种矿区地下水位变化对植被ndvi影响阈值确定方法
技术领域
1.本发明涉及生态修复技术领域，具体为一种矿区地下水位变化对植被ndvi影响阈值确定方法。


背景技术：

2.集群化、高强度的煤炭开采对当地的经济、社会和生态环境都造成了持续而深远的影响，不可避免地引起水土流失加剧、土地质量降低和植被退化等问题，导致区域生态系统对经济社会发展的支撑能力下降，制约了矿产资源后续开发与区域可持续发展，形成了煤炭资源开发与生态环境保护的矛盾局面。因此，煤炭资源开发引发的生态环境约束依旧是社会各界关注焦点，其中，植被退化是矿区面临的主要生态环境问题之一。
3.通常来说，随着地下开采进行，地下水位埋深深度的逐渐变浅，会在一定程度上抑制地表植被的生长，分析高强度煤炭开采区植被覆盖度对地下水变化的响应规律，对改善生态环境，保证水资源的合理利用以及当地煤炭等资源的合理开发具有重要意义。目前，关于矿区地下水变化与植被生长关系的研究主要基于定性描述地下水水位下降引起植被退化的现象，关于矿区地下水位下降到什么程度会对植被生长产生影响的定量研究少有，现有的研究成果并不能很好的指导生态脆弱矿区植被恢复与实践，为此提出一种矿区地下水位变化对植被ndvi影响阈值确定方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种矿区地下水位变化对植被ndvi影响阈值确定方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种矿区地下水位变化对植被ndvi影响阈值确定方法，其包括以下步骤：
6.s1、获取研究区域的遥感影像及地下水位埋深数值，并进行预处理操作，得到经过预处理后的遥感数据及研究区地下水位时序变化情况；
7.s2、基于所述经过预处理后的遥感数据获取植被生长状况指标，并根据多个年度不同月份的植物ndvi值生成植被覆盖变化曲线，分析矿区生态环境变化情况；
8.s3、利用地下水位测线长期监测的地下水位埋深数值，分析其空间分布情况以及年际变化差异；
9.s4、遥感解译所述研究区域，以水井点为圆心建立缓冲区，对水井点周围的ndvi进行缓冲分析，确定ndvi提取的最佳缓冲区范围；
10.s5、叠加所述缓冲区范围内的地下水位和ndvi数据，确定矿区地下水位变化对植被ndvi影响阈值。
11.本技术方案中优选的，所述步骤s1中遥感影像为云量小于5％的landsat tm和oli遥感影像数据。
12.本技术方案中优选的，所述步骤s1中地下水位埋深数值获取方法为：选取研究区
域至少20个富有代表性的井口，利用地下水位测线长期监测的地下水位埋深数值，监测时间至少为3年，其中每个月监测一次，每次取三次观测平均值。
13.本技术方案中优选的，所述步骤s1中预处理操作为：所有获取的landsat tm和oli遥感影像数据统一采用utm投影，wgs84坐标系进行辐射定标、大气校正，以2000年1月的影像为基准配准，以保证影像之间误差在1个像元内，并根据研究区域的矢量边界进行裁剪。
14.本技术方案中优选的，所述步骤s2中植被生长状况指标为归一化植被指数，所述归一化植被指数计算公式为：
[0015][0016]
其中，ndvi为归一化植被指数，n
nir
和nr分别表示近红外和红光波段的实际表面反射率。
[0017]
本技术方案中优选的，所述步骤s3中空间分布情况以及年际变化差异运用arcgis软件中的kriging插值分析工具获取。
[0018]
本技术方案中优选的，所述步骤s4中缓冲区的半径范围选择为10m-200m。
[0019]
本技术方案中优选的，所述步骤s4中最佳缓冲区范围获取方法为：利用缓冲分析的ndvi结果与水井点的水位埋深进行多项式拟合，根据趋势线拟合度r2确定ndvi提取的最佳缓冲区范围。
[0020]
本技术方案中优选的，所述步骤s5中叠加所述缓冲区范围内的地下水位和ndvi数据具体为：确定最佳ndvi提取区，利用envi分区提取研究区植被生长季6、7、8月缓冲区范围内的ndvi值，对缓冲区的地下水位和ndvi值生成散点图，并绘制线性趋势线，判定突变点，确定矿区地下水位变化对植被ndvi影响阈值。
[0021]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0022]
本发明所提出的矿区地下水位变化对植被ndvi影响阈值确定方法，能够通过大数据分析的方式更为准确的对数据突变进行处理，以此来确定阈值，以使数据处理和分析的结果更为精准，为矿区人工引导型植被修复工作提供数据支撑，并对生态脆弱矿区植被恢复与地下水资源的协调发展具有重要意义，通过其能够很好的指导生态脆弱矿区植被恢复与实践。
附图说明
[0023]
图1为是研究区域植被ndvi时序变化统计图；
[0024]
图2是研究区域植被ndvi空间分布图；
[0025]
图3是不同地下水位观测井口地下水位时序变化图；
[0026]
图4是不同地下水位观测井口地下水位空间分布图；
[0027]
图5是不同地下水埋深与ndvi线性拟合显著度变化趋势图。
具体实施方式
[0028]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029]
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件所必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0030]
此外，应当理解，为了便于描述，附图中所示出的各个部件的尺寸并不按照实际的比例关系绘制，例如某些层的厚度或宽度可以相对于其他层有所夸大。
[0031]
应注意的是，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义或说明，则在随后的附图的说明中将不需要再对其进行进一步的具体讨论和描述。
[0032]
本发明提供一种技术方案：一种矿区地下水位变化对植被ndvi影响阈值确定方法，其具体实施步骤如下：
[0033]
s1、获取研究区域的遥感影像及地下水位埋深数值，并进行预处理操作，得到经过预处理后的遥感数据及研究区地下水位时序变化情况，所述遥感影像为云量小于5％的landsat tm和oli遥感影像数据，时间分辨率为16d，空间分辨率为30m，影像下载列/行号为127/33，所述预处理操作为：所有获取的landsat tm和oli遥感影像数据统一采用utm投影，wgs84坐标系进行辐射定标、大气校正，以2000年1月的影像为基准配准，以保证影像之间误差在1个像元内，并根据研究区域的矢量边界进行裁剪，所述地下水位埋深数值获取方法为：选取矿区20个富有代表性的井口，利用地下水位测线长期监测的地下水位埋深数值，监测时间从2013年1月到2015年12月，每个月监测一次，每次取三次观测平均值。
[0034]
需要知道的是，本实施例选取2013年1月到2015年12月的共36景landsat tm和oli遥感影像数据，所有landsat影像均从美国地质调查局(usgs)网站(https://glovis.usgs.gov/)下载。
[0035]
s2、基于所述经过预处理后的遥感数据获取归一化植被指数，并根据多个年度不同月份的植物ndvi值生成植被覆盖变化曲线，分析矿区生态环境变化情况；
[0036]
本实施例中选取归一化植被指数表达地表植被的生长状况，根据实际情况，可以改换其他植被相关指标。
[0037]
具体的，基于所述预处理后的遥感影像获取归一化植被指数ndvi，其计算公式为：
[0038][0039]
式中：n
nir
、nr分别表示近红外和红光波段的实际表面反射率。
[0040]
s3、利用地下水位测线长期监测的地下水位埋深数值，分析其空间分布情况以及年际变化差异；
[0041]
具体的，运用arcgis软件中的kriging插值分析工具对选取井口包围的范围内的地下水埋深进行插值，得出20个井口范围内地下水位埋深的空间分布情况以及年际变化差异。
[0042]
s4、遥感解译所述研究区域，以水井点为圆心建立缓冲区，对水井点周围的ndvi进行缓冲分析，确定ndvi提取的最佳缓冲区范围，由于对于特定的水井点与其对应的ndvi值，会存在偏差，此外，水井点周围的地物有可能受到人为破坏，使得ndvi与周围值发生很大变
化，不具有代表性，因此本实施例在数据处理过程中，使用缓冲区分析，以水井点为圆心，分别50m、60m、70m、80m、90m、100m、120m、140m、160m、180m为半径以建立缓冲区。
[0043]
具体的，对水井点周围的ndvi进行缓冲分析，并利用缓冲分析的ndvi结果与水井点的水位埋深进行多项式拟合，根据趋势线拟合度r2确定本文ndvi提取的缓冲区范围，考虑到地下水位埋深过深对ndvi影响较小，所以本实施例在进行多项式拟合时，仅考虑0-40m地下水位埋深与对应缓冲区中ndvi的关系，结果如下表。
[0044]
表1地下水位埋深与不同缓冲区范围中ndvi的多项式拟合关系
[0045]
缓冲距离(m)多项式拟合模型拟合度r250y＝3e-06x
4-0.0002x3 0.0066x
2-0.0737x 0.52610.508160y＝2e-06x
4-0.0002x3 0.0062x
2-0.0712x 0.52740.491770y＝2e-06x
4-0.0002x3 0.0058x
2-0.0668x 0.51440.508580y＝2e-06x
4-0.0002x3 0.0054x
2-0.0623x 0.50080.464490y＝2e-06x
4-0.0002x3 0.0046x
2-0.0547x 0.48470.4386100y＝2e-06x
4-0.0001x3 0.0044x
2-0.0525x 0.48010.4402120y＝1e-06x
4-0.0001x3 0.0037x
2-0.0446x 0.4550.3930140y＝1e-06x
4-0.0001x3 0.0034x
2-0.0415x 0.44810.3904160y＝1e-06x
4-9e-05x3 0.0029x
2-0.0364x 0.43160.3605180y＝9e-07x
4-8e-05x3 0.0025x
2-0.0324x 0.41820.3347
[0046]
s5、叠加所述缓冲区范围内的地下水位和ndvi数据，确定矿区地下水位变化对植被ndvi影响阈值；
[0047]
具体的，本实施例选择各水井点周围70m范围作为最佳ndvi提取区，然后利用envi分区提取研究区植被生长季6、7、8月缓冲区范围内的ndvi值，对缓冲区的地下水位和ndvi值生成散点图，并绘制线性趋势线，根据趋势线拟合度r2从而初步探寻地下水位埋深的阈值，由于各个井口的地下水位埋深深度不一且区间较大0-40m内皆有，因此本实施例以2m为一个区间，统计分析各个区间内地下水位埋深与植被指数ndvi的关系，判定突变点，确定矿区地下水位变化对植被ndvi影响阈值。
[0048]
运用线性拟合的r2值的变化，推断研究区井口70m缓冲区范围内显著影响地表植被分布的地下水位埋深的阈值约为4m，当地下水位埋深到8m左右时，其对于根系比较浅的植被影响不再显著，而当地下水位埋深到达14m时，地下水位埋深则不再对植被产生显著的影响。
[0049]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。