南水北調(diào)中線水源區(qū)植被覆蓋度遙感監(jiān)測分析

周志強，曾 源，張 磊，杜 鑫，吳炳方

南水北調(diào)中線水源區(qū)植被覆蓋度遙感監(jiān)測分析

周志強1，2，曾 源1，張 磊1，杜 鑫1，吳炳方1

(1.中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所，北京 100101;2.西南林業(yè)大學(xué)，昆明 650224)

南水北調(diào)中線工程是我國大規(guī)模跨流域調(diào)水工程的一部分，開展該區(qū)域植被覆蓋度變化的研究與分析，對于保護該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境及水質(zhì)具有重要意義。該文以2000年和2009年兩期遙感圖像為本底數(shù)據(jù)，利用基于NDVI的像元二分模型對南水北調(diào)中線水源區(qū)的植被覆蓋度進行了估算，并分析了該區(qū)植被覆蓋度的時空變化特征。結(jié)果表明:2000年該水源區(qū)植被覆蓋度的平均值為67.5%，2009年的平均值達到72%，植被覆蓋度總體呈增長趨勢;植被覆蓋度增幅的空間特征表現(xiàn)為水源區(qū)中部地區(qū)高，東西部地區(qū)相對較低;在不同植被類型中，落葉針葉林的覆蓋度平均值增幅最大，草地覆蓋度增幅最小;位于水源區(qū)的大多數(shù)縣(市)的植被覆蓋度在近十年來都有不同程度的增加，其中柞水縣的植被覆蓋度平均值增長幅度最大，這與國家實施退耕還林、封山育林、基本農(nóng)田建設(shè)等政策有關(guān)。

植被覆蓋度;南水北調(diào)中線水源區(qū);遙感監(jiān)測

0 引言

植被覆蓋度是指一個地區(qū)所有植物(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占總面積的百分比［1－4］。在土地沙漠化評價、水土流失監(jiān)測和分布式水文模型建立中，植被覆蓋度是重要的輸入?yún)?shù)，也是衡量一個地區(qū)生態(tài)環(huán)境好壞的重要指標(biāo)之一。因此獲取地表植被蓋度及其變化信息，對于揭示地表生態(tài)環(huán)境中各要素的空間變化規(guī)律，探討生態(tài)環(huán)境變化的驅(qū)動因子，分析評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量都具有重要的現(xiàn)實意義［5］。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者在植被覆蓋度估測方面已開展了大量研究，其方法可分為地表實測和遙感監(jiān)測兩類。根據(jù)測量原理，地表實測分為目估法、采樣法、儀器法和模型法［6－7］，但這些方法費時費力，且對于大面積實測來說，更加不現(xiàn)實，因而遙感監(jiān)測已逐漸成為估算植被覆蓋度的主要手段［8］。根據(jù)模型建立的原理，遙感監(jiān)測方法分為物理模型法和統(tǒng)計模型法，前者由于變量多且難以測量，而會影響植被覆蓋度的提取精度;后者應(yīng)用最廣的方法是回歸模型法、像元分解法和植被指數(shù)法，回歸模型法只適用于特定區(qū)域與特定的植被類型，一般不易推廣［9］，而像元分解法和植被指數(shù)法則不需要建立回歸模型［10］，因而對地表實測數(shù)據(jù)的依賴較小，是一種從宏觀上監(jiān)測特定區(qū)域植被治理情況的方法之一［11］，其相對于回歸模型法更具有實用價值，經(jīng)驗證后可推廣應(yīng)用到大范圍地區(qū)的植被監(jiān)測，形成通用的植被覆蓋度計算方法［12］。

南水北調(diào)中線工程是保持或恢復(fù)水源區(qū)生態(tài)環(huán)境以及促進社會經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的動力［13］。我國學(xué)者針對該區(qū)域的生態(tài)、水土流失等也已進行了大量研究:李思悅通過分析該區(qū)面臨的水質(zhì)、植被破壞、水土流失等主要生態(tài)環(huán)境問題，提出了以異齡復(fù)層的喬灌混交林和草相結(jié)合為主的植被恢復(fù)、庫岸帶生態(tài)屏障建設(shè)的方法來改善庫區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境［14］;朱桂香針對該區(qū)水土流失嚴(yán)重問題，提出建立政府行為與市場經(jīng)濟相結(jié)合的運行機制、封禁區(qū)群眾生產(chǎn)生活補貼機制［15］;金蓉玲和沈大軍等對該區(qū)調(diào)水進行了水資源評價，并分析了對漢江中下游的水文情勢及用水帶來的影響［16－17］。上述研究針對水源區(qū)植被的時空變化分析的較少，特別是在植被自然生長特征和人為因素影響方面。由于植被覆蓋度可以反映水源區(qū)的植被生長狀況，因此通過該區(qū)調(diào)水前后植被覆蓋度的比較，可全面分析南水北調(diào)工程對本地區(qū)植被生長狀況的影響。沈澤昊也指出今后在該區(qū)生態(tài)保護方面要特別考慮植被(特別是河岸帶植被)恢復(fù)等問題［18］。本文在前人工作的基礎(chǔ)上，以南水北調(diào)中線水源區(qū)為研究對象，以Landsat TM圖像和國產(chǎn)環(huán)境災(zāi)害衛(wèi)星HJ－1A/1B CCD圖像為遙感數(shù)據(jù)，利用像元二分法和植被指數(shù)法對2000年和2009年的植被覆蓋度進行估算，通過分析該區(qū)域植被覆蓋度的時空變化特征，以掌握水源區(qū)植被保護措施的實施情況，為進行生態(tài)環(huán)境治理政策的制定提供遙感信息支持。

1 研究區(qū)概況

南水北調(diào)中線水源區(qū)范圍為 N 31°20'～34°10'，E 106°～112°，位置如圖1所示。集水面積約為9.45萬km2，涉及6省37個縣(市)，其中長安縣、巫溪縣及巫山縣面積非常小，在統(tǒng)計中并入周邊各縣。

圖1 南水北調(diào)中線水源區(qū)位置Fig.1 Regional location of water source area of the middle route of projects to divert water from the south to the north

研究區(qū)內(nèi)地貌形態(tài)多樣，特點主要是以中、低山和丘陵為主，一般高程在500～2 000 m之間，坡度陡、切割深、高差大;水源區(qū)氣候為北亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫12.2℃，多年平均降水量880 mm，緯向地帶性降水特征明顯。丹江口水庫是南水北調(diào)中線工程起點，也是漢江上游與中下游的分界點，其庫容量大，水體稀釋自凈能力強，水質(zhì)較好。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

1)遙感數(shù)據(jù)源。HJ－1A/1B衛(wèi)星CCD遙感數(shù)據(jù)的時間分辨率高、覆蓋范圍大，識別季節(jié)性變化強、光譜易混淆的植被類型的識別能力強，因此本研究采用2009年6月5日6景30 m空間分辨率的HJ－1A/1B衛(wèi)星CCD遙感數(shù)據(jù)(波譜范圍0.43～0.9 μm［19］)進行植被覆蓋度監(jiān)測。為了比較不同年份植被覆蓋度的變化，本文還采用了與其相同空間分辨率的2000年6—9月10景Landsat TM遙感數(shù)據(jù)(波譜范圍0.45 ～2.35 μm)來進行植被覆蓋度監(jiān)測。

2)遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理。由于大氣的吸收和散射會引起遙感圖像的輻射失真，而衛(wèi)星傳感器系統(tǒng)和地面系統(tǒng)中的儀器在接收、轉(zhuǎn)換、傳送及處理圖像信息的過程中也會使圖像產(chǎn)生幾何位置的變化［20］，因此在預(yù)處理過程中本文采用ERDAS ATCOR2模型，對TM和HJ－1A/1B CCD兩期遙感圖像分別進行了輻射校正，并采用二次多項式幾何糾正模型進行幾何精糾正，誤差控制在0.5個像元內(nèi)。

3)野外樣本采集。野外調(diào)查中，采集具有代表性、均質(zhì)的植被樣本122個，利用GPS定位樣本坐標(biāo)，通過魚眼相機獲取植被信息，初步掌握了研究區(qū)內(nèi)植被的空間分布情況。

2.2 植被覆蓋度估算方法

2.2.1 像元二分模型

像元二分模型［21－23］是線性模型中常見模型之一。假定遙感圖像中一個像元對應(yīng)地面一定面積的光譜信息是由兩個組分因子(有植被覆蓋的地表因子和無植被覆蓋的地表因子)的光譜信息線性組合而來。每個組分對傳感器所獲得的光譜信息都有貢獻，它們各自在像元對應(yīng)的地面面積中所占的比例即為該組分因子所貢獻信息的權(quán)重，其中植被覆蓋地表部分所占的百分比即為該像元的植被覆蓋度［24］。

根據(jù)上述像元二分模型，可以得到公式

該式可理解為傳感器所獲得的信息S由完全植被覆蓋地表所貢獻的信息Sveg和無植被覆蓋地表所貢獻的信息Ssoil組成;fc為植被覆蓋度，fc和(1－fc)分別為Sveg和Ssoil在該像元中所貢獻信息的權(quán)重。

對式(1)進行變換可得到

采用這個計算模型可以最大程度地降低大氣氣溶膠、土壤背景等因素對計算植被覆蓋度的影響，只要把Sveg和Ssoil這兩個參數(shù)確定了，就可以通過式(2)求得植被覆蓋度。

2.2.2 歸一化植被指數(shù)模型

利用歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)進行植被覆蓋度的估算，不僅方法簡單易行，而且有利于對區(qū)域內(nèi)植被的總體狀況做定量評估［25］，因此該指數(shù)常用來反映植被生長狀況、植被覆蓋、生物量等信息，是反映生態(tài)環(huán)境狀況的重要指標(biāo)［26］。計算公式為

式中:NIR為近紅外波段像素值;RED為可見光紅波段像素值;NDVI為歸一化植被指數(shù)。

將式(3)代入式(2)，即得到以下基于NDVI的植被覆蓋度像元二分模型，即

式中:NDVIveg為完全植被覆蓋地表所貢獻的信息;NDVIsoil為無植被覆蓋地表所貢獻的信息。

2.2.3 閾值的確定

NDVIsoil在理論上是不隨時間和空間改變的，然而由于受大氣影響和地表濕度條件的改變，以及粗糙度、土壤類型、土壤顏色等條件的不同，NDVIsoil也會隨之發(fā)生變化，變化范圍一般在 －0.1～0.2之間［27］。應(yīng)用NDVI閾值監(jiān)測植被的限制在于區(qū)分不同的植被覆蓋類型需要設(shè)置不同的閾值，這是因為大部分植被覆蓋類型是不同植物類型的混合體［28］，所以不能采用固定的 NDVIsoil和 NDVIveg值。本文根據(jù)NDVI數(shù)據(jù)頻率統(tǒng)計表，計算NDVI數(shù)據(jù)的頻率累積值，取累積頻率為2%的 NDVI值為NDVIsoil，取累積頻率為98%的 NDVI值為NDVIveg。由于TM和HJ－1A/1B CCD數(shù)據(jù)的空間分辨率均為30 m，并且NDVI值范圍相近，因此兩期數(shù)據(jù)采用的閾值相同。

2.2.4 精度驗證與變化分析方法

1)精度驗證方法。利用2009年122個植被覆蓋度野外調(diào)查樣點對2009年植被覆蓋度遙感監(jiān)測結(jié)果進行精度驗證，具體方法是將每個樣點根據(jù)葉面積指數(shù)儀LAI2000和魚眼鏡頭觀測獲得的100 m×100 m空間分辨率的平均植被覆蓋度，與相對應(yīng)的3像元×3像元遙感監(jiān)測植被覆蓋度進行匹配，獲得植被覆蓋度的觀測值(即真實值)與遙感測量值之間的決策系數(shù)R2，以驗證遙感估算精度。

2)變化分析方法。通過植被覆蓋度逐像元相減的方法，即2009年像元植被覆蓋度減去2000年相對應(yīng)像元植被覆蓋度，就可得到2000—2009年植被覆蓋度變化。同時分別對研究區(qū)不同植被類型、不同縣(市)的植被覆蓋度變化結(jié)果進行了分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度估算結(jié)果

將研究區(qū)劃分為植被覆蓋區(qū)和非植被覆蓋區(qū)，利用式(3)分別獲得2000年與2009年南水北調(diào)中線水源區(qū)的NDVI數(shù)據(jù)。然后根據(jù)該數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的NDVIsoil和NDVIveg閾值，通過式(4)得到2000年與2009年的植被覆蓋度遙感監(jiān)測結(jié)果(圖2)。

圖2 南水北調(diào)中線水源區(qū)植被覆蓋度遙感監(jiān)測結(jié)果Fig.2 Remote sensing monitoring results of fractional vegetation cover in water source area of the middle route of projects to divert water from the south to the north

2000年和2009年南水北調(diào)中線水源區(qū)植被覆蓋度的平均值分別為67.5%和72%。由2期監(jiān)測結(jié)果可見:植被覆蓋度的平均值整體呈增長趨勢，其增幅的空間特征表現(xiàn)為水源區(qū)中部地區(qū)高，東、西部相對較低，中、西部高山地帶增幅較顯著，水源區(qū)中低植被覆蓋度區(qū)域的面積明顯減少。

3.2 精度驗證

野外調(diào)查結(jié)果表明，南水北調(diào)中線水源區(qū)內(nèi)，自然植被占85.9%，植被群落主要以落葉闊葉/針葉混交林為主。圖3是根據(jù)研究區(qū)122個植被覆蓋度的實測數(shù)據(jù)(即真實值)與遙感估算數(shù)據(jù)得到的散點圖。2種數(shù)據(jù)之間相關(guān)性的決策系數(shù)R2為0.816 1。

圖3 2009年植被覆蓋度遙感監(jiān)測結(jié)果精度驗證Fig.3 Verified the accuracy of remote sensing monitoring results of fractional vegetation cover in 2009

結(jié)果表明，應(yīng)用像元二分模型估算植被覆蓋度具有一定的準(zhǔn)確性，雖然不同的研究區(qū)需要重新判定模型的輸入閾值，但模型在區(qū)域尺度監(jiān)測上的確有很好的適用性。

3.3 植被覆蓋度變化分析

3.3.1 不同植被類型覆蓋度比較

圖4為2000年與2009年水源區(qū)不同植被類型的覆蓋度對比。

圖4 2000年與2009年不同植被類型覆蓋度對比Fig.4 Comparing the fractional cover of different vegetation types in 2000 and 2009

圖中顯示，草地、灌木、混交林、常綠闊葉林、常綠針葉林、落葉闊葉林及落葉針葉林的植被覆蓋度均有不同程度的增加，這與該區(qū)域以原始自然植被為主、人類活動干擾得到較好控制的實際情況相符。水源區(qū)植被覆蓋度增加的原因，除了自然因素以外，國家采取的植被保護政策和相關(guān)措施在一定程度上改善了植被的生長條件則是重要因素。落葉針葉林平均植被覆蓋度增長最快，達15.64%，增幅為25.49%。這是由于亞熱帶、熱帶落葉針葉林，如巴山冷杉、太白冷杉等分布在秦嶺南坡中段與西部海拔1 700～1 900 m的高山地帶，人為干擾因素很少的緣故。水源區(qū)2009年草地平均植被覆蓋度較2000年增加了4.44%。這是由于草地多分布于河谷及山區(qū)，特別是坡度較大、土壤較薄的山坡上，因此自然生長面積的增幅相對較小。

3.3.2 各縣(市)植被覆蓋度比較

為了多方位地掌握該區(qū)植被覆蓋度的動態(tài)變化情況，本文對位于中心區(qū)域的37個縣(市)2000年和2009年的植被覆蓋度變化情況進行了分析，制作了“2000年和2009年植被覆蓋度平均值對比圖”和“植被覆蓋度變化分析圖”(圖5，6)。

圖5 2000年與2009年各縣(市)植被覆蓋度平均值對比Fig.5 Comparing the average of fractional vegetation cover of various towns in 2000 and 2009

圖6 2000—2009年植被覆蓋度變化分析Fig.6 The analysis of fractional vegetation cover changes in 2000 and 2009

由圖5和圖6得出，水源區(qū)內(nèi)植被覆蓋度整體呈增長趨勢，其中柞水縣平均植被覆蓋度增幅最大;作為丹江口水庫的水利樞紐和渠首丹江口市和淅川縣的植被覆蓋度也有不同程度的增加。以下詳細分析這4個縣(市)的具體情況。

在水源區(qū)37個縣市中，柞水縣的平均植被覆蓋度增幅最大(圖7(a))，由59.72%增長到77.48%。雖然柞水縣地處秦嶺南麓，是一個“九山半水半分田”的土石山區(qū)，但自2000年實施退耕還林政策以來，該縣已經(jīng)退耕造林28萬畝??1畝≈0.066 7 hm2，目前森林復(fù)蓋率達66%［29］，植被已得到較好的恢復(fù)。

圖7 植被覆蓋度變化遙感監(jiān)測結(jié)果Fig.7 Monitoring results of fractional vegetation cover changes by remote sensing

洋縣2009年平均植被覆蓋度與2000年相比整體變化不大(圖7(b))。洋縣地表多為低山丘陵，地表土質(zhì)松散裸露，耕地面積較大，是植被覆蓋度變化不明顯的因素。區(qū)水生植被較多，基本位于丹江口水庫庫尾地帶;自2002年退耕還林等生態(tài)工程建設(shè)以來，水源區(qū)的植被生長得到了有效保護。從實地調(diào)查也可以看出，通過工程與生物措施相結(jié)合，沿丹江口水庫兩岸形成了較高的植被覆蓋度，不同的造林模式，也增加了庫區(qū)生態(tài)林涵養(yǎng)水源和保護水土的功能。

2009年淅川縣的植被覆蓋度雖比2000年有所提高，但平均植被覆蓋度較其他36個縣市來說還相對較低。淅川縣位于南水北調(diào)中線水源區(qū)渠首，在水源區(qū)內(nèi)的面積為2 407.15 km2，其中永久水面和季節(jié)性水面 302.47 km2，耕地 710.89 km2，水體和耕地共占該縣水源區(qū)內(nèi)面積的42.1%，由于水面及耕地所占比例較大，加上其他建設(shè)用地的使用，均使得該縣植被覆蓋度處于較低水平。

綜上所述，雖然南水北調(diào)中線水源區(qū)植被覆蓋度總體上逐年呈增長趨勢，但該區(qū)植被覆蓋的整體格局仍保持不變，林地植被覆蓋度雖保持穩(wěn)定增加，但隨著水源區(qū)人口的不斷增加以及城鎮(zhèn)的擴張，水源區(qū)水域河岸帶的植被將受到人為因素的干擾，部分地區(qū)的植被覆蓋度可能會有降低的趨勢。

4 結(jié)論

本文基于像元分解法和植被指數(shù)法，利用2000年生長季的TM圖像和2009年生長季的HJ－1A/1B圖像估算了南水北調(diào)中線水源區(qū)的植被覆蓋度，并分析其時空變化特征，主要結(jié)果如下:

1)利用像元二分模型估算南水北調(diào)中線水源區(qū)的植被覆蓋度，總體精度達到81.61%，證明用該方法進行水源區(qū)植被覆蓋度的估算是可行的。

2)2000年水源區(qū)的平均植被覆蓋度為67.5%，2009年達到72%，植被覆蓋度總體呈增高趨勢，其增幅的空間特征表現(xiàn)為該區(qū)中部地區(qū)高，東部和西部地區(qū)相對較低。

3)在不同的植被類型中，落葉針葉林植被覆蓋度的增長幅度最大，增幅為25.49%，草地覆蓋度的增長幅度最小，平均只增長了4.44%。位于水源區(qū)的大多數(shù)縣(市)的植被覆蓋度在近十年內(nèi)都有不同程度的提高，其中柞水縣的平均植被覆蓋度的增長幅度最大。植被覆蓋度的普遍增加與國家實施的退耕還林還草、荒山造林、封山育林、基本農(nóng)田建設(shè)等政策有密切關(guān)系。

本文的不足之處在于沒有對非密度模型加以討論，也未確定植被的消光系數(shù)和葉面積指數(shù)等重要的植被特征參量。此外，對綜合條件相近的混合像元區(qū)域取相同的參數(shù)，也是需要改進的方面。今后還可進一步開展2000—2009年長時間序列植被覆蓋度的月動態(tài)監(jiān)測，對植被覆蓋度和累積生物量等生態(tài)環(huán)境效應(yīng)參數(shù)進行動態(tài)變化分析，以及結(jié)合降雨量進行相關(guān)關(guān)系分析等工作。

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Remote Sensing Monitoring and Analysis of Fractional Vegetation Cover in the Water Source Area of the Middle Route of Projects to Divert Water from the South to the North

ZHOU Zhi－ qiang1，2，ZENG Yuan1，ZHANG Lei1，DU Xin1，WU Bing － fang1
(1.Institute of Remote Sensing Applications，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China;2.Southwest Forestry University，Kunming 650224，China)

The middle route of the projects to divert water from the south to the north is a part of the large－scale inter－basin water transfer projects in China.It is important to carry out the study and analysis of changes of regional fractional vegetation cover for the protection of ecological environment and water quality.In this paper，based on the data of the remote sensing images obtained in 2000 and 2009，the authors estimated fractional vegetation cover of the water source area by using the method of dimidiate pixel model from normalized difference vegetation index(NDVI)，and analyzed the temporal and spatial variation characteristics of the fractional vegetation cover.The main conclusions are as follows:The average fractional vegetation cover in the water source area was 67.5%in 2000，and reached 72%in 2009，with the average fractional vegetation cover being increased in the whole area.The spatial characteristics of increased fractional vegetation cover show that the increase in central region is relatively higher than that in the eastern and western regions;in different kinds of vegetation types，the deciduous conifer forest shows the largest average increase of the fractional vegetation cover，while the grassland shows the smallest increase;fractional vegetation cover has increased in different degrees in most towns of the water source area in the past 10 years，with the increase in Zhashui County being most apparent.This is attributed to the Chinese Government’s policies such as quitting cultivation and returning to forest，closing hillside to facilitate afforestation and farmland construction.

fractional vegetation cover;water source area of the middle route of projects to divert water from the south to the north;remote sensing monitoring

TP 79;X 835

A

1001－070X(2012)01－0070－07

10.6046/gtzyyg.2012.01.13

2011－05－12;

2011－06－08

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(編號:XDA05050108)和國務(wù)院南水北調(diào)項目“利用遙感技術(shù)對南水北調(diào)中線水源區(qū)生態(tài)環(huán)境變化的監(jiān)測研究”共同資助。

周志強(1985－)，男，碩士研究生，主要從事生態(tài)遙感研究。E－mail:upgis@foxmail.com。

曾 源(1979－)，女，博士，副研究員，主要從事植被定量遙感研究。E－mail:yuanz@irsa.ac.cn。

(責(zé)任編輯:邢 宇)