基于MODIS－NDVI的甘肅河?xùn)|地區(qū)植被覆蓋度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

李小亞，張 勃，靳自寶

（西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，蘭州730070）

植被覆蓋度是指植被在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)面積的百分比［1］。植被覆蓋度是一個(gè)反映地表植被群落生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)的綜合量化指標(biāo)［2］。歸一化植被指數(shù)（NDVI）能很好地消除數(shù)據(jù)之間的高階冗余，便于提取有效信息［3］，植被覆蓋度及其變化是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境變化的重要指示，獲取地表植被覆蓋及其變化信息，了解植被覆蓋變化對(duì)環(huán)境、資源和氣候的反饋?zhàn)饔茫瑢?duì)于揭示地表空間變化規(guī)律，探討變化驅(qū)動(dòng)因子，分析評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［1，4］，在全球變化研究領(lǐng)域受到高度關(guān)注［5］。根 據(jù)檢測(cè)手段，植被覆蓋度變化的研究方法可分為地面測(cè)量和遙感測(cè)量?jī)纱箢?lèi)［1，6］，地面測(cè)量中最簡(jiǎn)單的方法是目測(cè)法［1，7］和樣點(diǎn)法、樣方法、樣帶法［1，7－9］等，或借助于采樣儀器的測(cè)量方法、如空間定量計(jì)、移動(dòng)光亮計(jì)等［1，8］。這些方法雖然精度較高，但野外操作不便，并且成本高，不適合植被蓋度的大范圍快速提取。GIS手段改變了以往花費(fèi)大量人力和物力為代價(jià)獲取環(huán)境背景數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)做法，具有數(shù)據(jù)獲取相對(duì)容易、信息豐富、分析快速的優(yōu)點(diǎn)［10－11］。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展及數(shù)據(jù)精度的提高，大范圍的植被覆蓋度估算及其它相關(guān)因子的分析得到了廣泛的應(yīng)用［12］。目前，基于遙感信息估算植被覆蓋度可歸納為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ê椭脖恢笖?shù)轉(zhuǎn)換法兩大類(lèi)。像元二分模型是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的植被指數(shù)法，李苗苗等［13］、劉廣峰等［14］、吳云等［15］和唐志光等［16］利用該模型分別對(duì)密云水庫(kù)上游、毛烏素沙地、海河流域及三江源區(qū)的植被覆蓋度進(jìn)行了估算且精度較高。前人利用像元二分模型對(duì)其它地區(qū)的植被覆蓋進(jìn)行估算，本文利用不同的方法對(duì)河?xùn)|地區(qū)植被覆蓋進(jìn)行研究。本文選擇地形變化較大的甘肅河?xùn)|地區(qū)作為研究區(qū)，能更好地反映植被覆蓋變化的情況。

本文以河?xùn)|地區(qū)為研究區(qū)，分別選用2000—2010年植被生長(zhǎng)較好的7月份的遙感影像建立像元二分模型提取不同時(shí)間段內(nèi)植被覆蓋度。采用不同的方法分析河?xùn)|地區(qū)植被覆蓋的變化，揭示地表空間變化規(guī)律，探討變化驅(qū)動(dòng)因子，分析評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化。

1 研究區(qū)概況

甘肅黃河以東地區(qū)簡(jiǎn)稱(chēng)河?xùn)|地區(qū)，地理坐標(biāo)為100．73°—108．73°E，32．52°—37．30°N，處于東部季風(fēng)區(qū)、西北干旱區(qū)和青藏高原高寒區(qū)三大自然區(qū)的交匯過(guò)渡帶，自然景觀具有顯著的地域差異，在行政區(qū)劃上包括白銀、蘭州、臨夏、定西、甘南、隴南、天水、平?jīng)觥c陽(yáng)9個(gè)市／州，總面積17．8萬(wàn)km2。本區(qū)由甘肅中部黃土高原與丘陵、隴南山地和甘南高原三大地貌組成，區(qū)內(nèi)海拔高度變化大（600～4 800m），除甘南高原為高寒濕潤(rùn)氣候外，其它地區(qū)均屬于大陸性季風(fēng)氣候，光照充足，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，冬冷夏熱，晝夜溫差大，降水少，雨熱同期。由于東西、南北跨度大，加之地形起伏劇烈，氣候的緯向地帶性和垂直地帶性明顯。根據(jù)地形和氣候的綜合因素將河?xùn)|地區(qū)劃分為河?xùn)|北部（白銀市和蘭州市）、河?xùn)|中部（慶陽(yáng)市、平?jīng)鍪小⒍ㄎ魇泻团R夏回族自治州）、河?xùn)|南部（天水市和隴南市）和甘南高原4個(gè)區(qū)域。

2 研究方法

2．1 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

本文所用數(shù)據(jù)主要為：①2000—2010年每年7月份的9景MODIS／Terra NDVI產(chǎn)品，空間分辨率為250m×250m；②甘肅省河?xùn)|地區(qū)土壤圖和土地利用圖；③2000—2010年甘肅省河?xùn)|地區(qū)及其周邊共15個(gè)氣象站點(diǎn)的4—7月份每月平均氣溫與降雨資料。上述11個(gè)時(shí)期的遙感影像數(shù)據(jù)均攝于植被生長(zhǎng)比較好的7月份，對(duì)研究區(qū)的植被生長(zhǎng)狀況具有一定的代表性，不同時(shí)期的植被狀況具有可比性。采用MRT（Modis Reprojection Tool）工具對(duì) MODIS 9景數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、投影變換等處理，投影方式為Albers等積投影；利用ArcGIS 10空間分析模塊計(jì)算植被覆蓋度變化趨勢(shì)及空間分析；利用ERDAS IMAGE 9．3軟件進(jìn)行植被覆蓋度的提取。

2．2 植被覆蓋度提取

像元二分模型［1，10，17－18］原理是假設(shè)影像上一個(gè)像元的反射率R可分為純植被部分反射率Rv和非植被部分Rs反射率兩部分，那么，任一像元的反射率值可以表示為由植被覆蓋部分與非植被覆蓋部分的線(xiàn)性加權(quán)的和：

假設(shè)影像上一個(gè)像元中有植被覆蓋的面積比例為fc，即該像元的植被覆蓋度，那么非植被覆蓋的面積比例為1－fc。如果該像元全由植被所覆蓋，則所得的反射率為Rveg，如果該像元無(wú)植被覆蓋，則反射率為Rsoil。因此，混合像元的植被部分所貢獻(xiàn)的信息Rv可以表示為純植被反射率Rveg與像元中植被覆蓋面積fc的乘積，見(jiàn)公式（2）；而非植被成分所貢獻(xiàn)的信息Rs可以表示為Rsoil與1－fc的乘積，見(jiàn)公式（3）：

通過(guò)解算式（1）、式（2）和式（3），可得到植被覆蓋度的計(jì)算公式：

其中Rsoil與Rveg是像元二分模型的兩個(gè)參數(shù)。只要求得這兩個(gè)參數(shù)，就可以利用遙感信息根據(jù)公式（4）來(lái)估算植被覆蓋度。本文選用 MODIS—NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行植被覆蓋度提取，并在ERDAS IMAGE 9．3軟件下通過(guò)Modeler實(shí)現(xiàn)植被覆蓋度定量轉(zhuǎn)換模型，得到不同時(shí)相的植被覆蓋度圖。

2．3 趨勢(shì)線(xiàn)分析

趨勢(shì)線(xiàn)分析方法可以模擬每個(gè)柵格的變化趨勢(shì)［19－20］，反映不同時(shí)期植被覆蓋變化的空間特征。本文采用此方法在ArcGIS的空間分析（Spaitial Analyst）模塊下模擬河?xùn)|地區(qū)11a的NDVI變化趨勢(shì)，計(jì)算公式［21－22］為：

式中：n——監(jiān)測(cè)時(shí)間段的累積年數(shù)，本文為11a；NDVIi——第i年的 NDVI；θslope——趨勢(shì)線(xiàn)的斜率，這個(gè)趨勢(shì)并不是簡(jiǎn)單的最后一年與第一年的連線(xiàn)，而是2000—2010年連續(xù)年份的趨勢(shì)，其中θslope＞0，說(shuō)明NDVI在n年間的變化趨勢(shì)是增加的，反之則減少。

3 結(jié)果與分析

3．1 河?xùn)|地區(qū)植被覆蓋現(xiàn)狀空間差異分析

2010年整個(gè)河?xùn)|地區(qū)植被覆蓋度為60．5%。其中河?xùn)|北部植被覆蓋度為12．3%，河?xùn)|中部為50．6%，河?xùn)|南部為83．4%，甘南高原為96．4%。甘肅省河?xùn)|地區(qū)植被覆蓋度總體特征表現(xiàn)為南高北低（附圖1）。將植被指數(shù)利用公式歸一到0～255之間，歸一化的NDVI公式為：

式中：NDVImin，NDVImax——最小、最大歸一化差值植被指數(shù)值。

根據(jù)NDVI歸一化的結(jié)果，結(jié)合國(guó)家“土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程”和“全國(guó)沙漠類(lèi)型劃分原則”的規(guī)定，將像元的灰度值劃分為不同的植被覆蓋度等級(jí)［23－24］（表1）分析河?xùn)|地區(qū)土地利用類(lèi)型。

表1 河?xùn)|地區(qū)植被覆蓋度等級(jí)劃分

據(jù)表1，對(duì)河?xùn)|地區(qū)植被蓋度進(jìn)行分級(jí)如附圖2所示，裸地主要分布在河?xùn)|中北部地區(qū)，密林、灌木林地主要分布在南部地區(qū)。其中裸地所占比例最大，為49．1%，覆蓋面積為869 297．5km2；密林地，灌木林地（優(yōu)等）覆蓋度為23．1%，覆蓋面積為408 571．3 km2；高覆蓋草地、農(nóng)田、林地、園林（良等）植被覆蓋度為16．8%，面積408 571．3km2；中覆蓋草地、農(nóng)地、灘水地（中等）植被覆蓋度7．0%，面積124 498．8 km2；零星植被、疏林地、低覆蓋草地（低等）覆蓋度4．1%，面積71 836km2。可見(jiàn)河?xùn)|北部主要為裸地、南部主要為密林地和灌木林地。

3．2 河?xùn)|地區(qū)植被覆蓋度動(dòng)態(tài)分析

3．2．1 甘肅河?xùn)|地區(qū)植被覆蓋度趨勢(shì) 通過(guò)Arc－GIS空間分析（Spaitial Analyst）模塊，計(jì)算河?xùn)|地區(qū)植被覆蓋趨勢(shì)，如附圖3所示，藍(lán)色表示植被覆蓋度增加，黃色表示植被覆蓋度減少，11a間河?xùn)|地區(qū)植被覆蓋度增加的面積占80．5%，減少的占19．5%，減少區(qū)域主要集中在白銀市、隴南東南部和甘南高原以及慶陽(yáng)市的北部。植被覆蓋度以增加為主，增加的面積為1 426 012km2，占總覆蓋度的80．5%。其中，甘南高原植被覆蓋度增加的面積占13．9%，減少的占0．7%；河?xùn)|北部植被覆蓋度增加的面積占13．6%，減少的占5．4%；中部增加的面積占33．7%，減少的占3．2%；南部增加的面積占19．3%，減少的占4．3%。

3．2．2 2000－2010年河?xùn)|各地區(qū)植被覆蓋度變化情況對(duì)比 由圖1可見(jiàn)，2000—2010年，河?xùn)|各地區(qū)植被覆蓋度變化有所差異，甘南高原區(qū)植被覆蓋度最高，平均覆蓋度為94．6%，植被覆蓋度變化不大；河?xùn)|南部植被覆蓋度平均值為69．5%，高于河?xùn)|地區(qū)的平均值；河?xùn)|中部從2000年的18．0%增至2010年的50．6%，增加幅度較大，低于河?xùn)|植被覆蓋度的平均值；東北部植被覆蓋度最低，平均為5．6%。

圖1 河?xùn)|地區(qū)2000－2010年植被覆蓋度變化曲線(xiàn)

3．3 植被覆蓋度驅(qū)動(dòng)因子分析

1999年甘肅省率先在全國(guó)開(kāi)展退耕還林、荒山荒地造林、封山育林工程，截至2008年，全省累計(jì)完成退耕還林66．9萬(wàn)hm2，荒山荒地造林99萬(wàn)hm2，荒山育林8 067萬(wàn)hm2，取得了顯著的生態(tài)效益，改善了全省生態(tài)環(huán)境。處于甘肅中部的黃土高原區(qū)，植樹(shù)造林大幅度增加了植被覆蓋度，11a來(lái)植被覆蓋度增幅最大；而處于河?xùn)|北部的隴中黃土干旱區(qū)，由于氣候原因植樹(shù)造林成果不夠顯著；甘南高原高植被覆蓋得益于對(duì)甘南生態(tài)草原的保護(hù)；河?xùn)|南部山區(qū)植被覆蓋變化較大，主要受降水的影響；其中2006年河?xùn)|各地區(qū)植被覆蓋普遍出現(xiàn)低值，主要受2006年降水減少的影響。

氣候因素是影響植被生長(zhǎng)變化的一個(gè)重要因素，由于遙感影像攝于7月，所以本文選擇植被生長(zhǎng)季（4—7月）平均氣溫和降水與對(duì)應(yīng)年份的植被覆蓋度做相關(guān)分析。結(jié)果表明：在空間尺度上，河?xùn)|地區(qū)降雨量從南部到北部呈減少的趨勢(shì)，這與植被覆蓋度的變化趨勢(shì)基本一致，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0．80；時(shí)間尺度上，2000—2010年降雨量呈減少趨勢(shì)，和植被變化趨勢(shì)不一致，可見(jiàn)在時(shí)間尺度上，植被的變化主要受退耕還林政策的影響。

4 結(jié) 論

在空間尺度上，2010年甘南高原植被覆蓋度最高，為96．4%，次之為河?xùn)|南部（天水市和隴南市）為83．4%，河?xùn)|中部為50．6%，河?xùn)|北部（蘭州市和白銀市）最低為12．3%。其中，河?xùn)|中北部地區(qū)主要是裸地，河?xùn)|南部主要是密林地和灌木林地。植被覆蓋度由南向北遞減。研究時(shí)段內(nèi)年平均植被覆蓋度大于60%（優(yōu)等）的區(qū)域占23．06%，主要受降水南北分異影響。時(shí)間尺度上，近11a來(lái)，90．49%的區(qū)域植被覆蓋度呈增加趨勢(shì)，以河?xùn)|中部植被覆蓋度增加速度最快，為33．68%，減少區(qū)域主要集中在白銀市和隴南東南部、慶陽(yáng)市北部和甘南高原，可能受植樹(shù)造林政策的影響。

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