基于神東中心區(qū)植被覆蓋變化的多時相遙感監(jiān)測

付新雷

1．中國神華生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測中心，北京 100085

2．神華地質勘查有限責任公司，北京 100085

礦區(qū)開采過程中修建簡易公路、砍伐樹木、搭建工棚、堆放廢石棄渣等，對地表植被破壞較大。植被作為連接土壤、大氣和水分等生態(tài)環(huán)境要素的自然“紐帶”，其動態(tài)變化在一定程度上反映了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的動態(tài)變化。依靠傳統(tǒng)的地面樣方實測方法來估算礦區(qū)的植被覆蓋度要投入巨大的人力、財力，且精度不高，難以在大范圍內快速提取所需信息，因此可利用衛(wèi)星遙感技術對礦區(qū)環(huán)境變化實施監(jiān)測，通過數學模型計算植被覆蓋度［1］。Rouse 等［2］提出監(jiān)測植被生長狀態(tài)的歸一化植被指數(NDVI)，該指數常被用來進行區(qū)域和全球的植被狀態(tài)研究。Duncan等［3］曾研究了墨西哥荒漠地區(qū)灌木林覆蓋率與NDVI的關系，得到了較好的關系模型;Larson等［4］分別從TM、MSS和SPOT衛(wèi)星圖像數據估算植被指數，并建立了阿拉伯森林地區(qū)植被指數與覆蓋率的關系模型。筆者針對神東中心區(qū)干旱、半干旱的自然條件，對2002—2012年植被覆蓋變化進行動態(tài)監(jiān)測，分析植被覆蓋的時空變化規(guī)律，為礦區(qū)植被覆蓋調查評價、植被修復和生態(tài)保護等提供基本數據和理論依據。

1 研究區(qū)概況

中國神華能源股份有限公司神東煤炭分公司開采活動主要位于內蒙古南部與陜西北部交界的神東礦區(qū)以及山西保德礦區(qū)，研究區(qū)(下稱神東中心區(qū))包括10個井田，如圖1所示。

圖1 神東中心區(qū)位置

神東中心區(qū)位于晉、陜、蒙3省區(qū)接壤地區(qū)，地處黃土高原和毛烏素沙漠的過渡地帶，具有干旱、半干旱的大陸性氣候特征，土壤貧瘠，風蝕和水蝕交互作用。中心區(qū)內植被類型以旱生、半旱生植被為主，生態(tài)環(huán)境先天脆弱，極為敏感，礦產資源開發(fā)易引發(fā)區(qū)內生態(tài)系統(tǒng)進一步退化。

2 數據選擇與分析方法

2.1 數據源選擇

數據主要包括遙感數據和相關的矢量數據。遙感數據采用了多種數據源(美國陸地衛(wèi)星Landsat的TM/ETM+影像和中國環(huán)境一號衛(wèi)星CCD1影像)。Landsat數據和CCD1數據均有近紅外通道和紅光通道，分辨率統(tǒng)一，見表1。兩者可以綜合使用監(jiān)測神東中心區(qū)植被覆蓋。矢量數據為神東中心區(qū)井田范圍，為Shapefile格式，面積1 096.61 km2。

表1 遙感數據源信息

2.2 數據預處理

2.2.1 條帶修復與裁剪

由于Landsat-7 ETM+機載掃描行校正器(SLC)故障導致2003年5月31日之后獲取的影像數據條帶丟失，所以需要對2005-07-29數據進行條帶修復。再通過神東中心區(qū)矢量圖層對5期數據進行裁剪，得到神東中心區(qū)遙感影像。

2.2.2 輻射定標

遙感影像通常給出的是像元DN值，需要將DN值轉換成對應像元的表觀幅亮度，可根據各傳感器提供的輻射定標系數進行計算［5］(計算方法和操作流程略)。

2.2.3 大氣校正

從水體或植被中提取生物物理變量，必須對遙感數據進行大氣校正，否則可能會丟失這些重要成分的反射率(或出射率)的微小差別信息，研究中大氣校正采用了FLAASH模型，具體操作過程參照《ENVI遙感圖像處理方法》教程。

2.3 分析方法

2.3.1 歸一化植被指數(NDVI)

根據綠色植物在近紅外通道具有高反射而在紅光通道具有強吸收的光譜特征，采用紅光、近紅外通道的反射率來提取植被信息。采用NDVI指數模型，計算公式為

式中：ρNIR為近紅外通道地表反射率，ρR為紅光通道地表反射率。NDVI是植物生長狀態(tài)及植被空間分布密度的最佳指示因子，可用來定性和定量評價植被覆蓋及其生長活力［6-7］。

2.3.2 植被覆蓋度

采用像元二分模型法，對神東中心區(qū)植被覆蓋度進行估算，公式為

式中：fc為植被覆蓋度;NDVIsoil為純土壤覆蓋或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，即無植被像元NDVI值;而NDVIveg則代表完全被植被所覆蓋的像元NDVI值，即純植被像元的NDVI值。對NDVI值累積頻率統(tǒng)計給定置信區(qū)間，求該區(qū)間內的最大值和最小值來確定全植被覆蓋和無植被覆蓋的NDVI值。選擇累積百分比2.5% ～97.5%為置信區(qū)間，認為累積百分比小于2.5%的近似為無植被覆蓋，大于97.5%的為全植被覆蓋，并取此時對應的NDVI值為純土壤覆蓋像元的NDVIsoil值和純植被覆蓋像元的NDVIveg值［8-10］。

對5期NDVI計算結果進行統(tǒng)計分析，得到不同時期的NDVIsoil值與NDVIveg值，并根據各自的NDVIsoil值與NDVIveg值，按式(2)計算得出不同時期的植被覆蓋度分布圖。

2.3.3 覆蓋程度分級

根據《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術規(guī)范(試行)》(HJ/T 192—2006)行業(yè)標準的規(guī)定，將研究區(qū)植被覆蓋劃分為5級，見表2。根據各等級的閾值對植被覆蓋度進行密度分割，得到5期植被覆蓋等級圖，如圖2所示。

表2 植被覆蓋度分類表 %

3 結果與分析

3.1 神東中心區(qū)植被覆蓋的動態(tài)變化特征

圖2 2002—2012年神東中心區(qū)植被覆蓋等級圖

對5期植被覆蓋等級圖進行統(tǒng)計，得到各覆蓋等級的面積，計算整個神東中心區(qū)內平均植被覆蓋度，如表3所示。

表3 2002—2012年神東中心區(qū)植被覆蓋度特征

神東中心區(qū)2002—2012年間平均植被覆蓋度由38.20%上升到56.27%，整體處于中覆蓋和中高覆蓋水平。其中，2002—2005年植被覆蓋程度總體偏低，以中植被覆蓋類型為主導，面積占52.16%，其次為中高覆蓋類型和極低覆蓋類型，分別占20.00%和16.45%;2005—2010年植被覆蓋程度變化幅度較小，總體上平穩(wěn)提高，區(qū)內沙漠化程度有所減輕;2010—2012年植被覆蓋程度增幅明顯，特別是2012年，極低、低、中覆蓋類型相比于 2010年分別減少了 3.22%、2.42%、15.97%，而中高、高覆蓋類型分別增加了16.05%、5.56%，中高和高覆蓋類型面積比重高達66.13%，具體見圖3、圖4。

圖3 2002—2012年神東中心區(qū)植被覆蓋度變化趨勢

圖4 2002—2012年神東中心區(qū)植被覆蓋度等級面積對比

植被覆蓋變化是降水因素和人類活動共同作用的結果。鑒于黃土高原地區(qū)年降水量整體趨于穩(wěn)定［11］(2004 年除外)，如圖5 所示。

圖5 黃土高原地區(qū)年降水量變化趨勢

可見，降水不是導致神東中心區(qū)植物覆蓋上升的直接原因，植被覆蓋情況整體改善緣于有利的人為因素，主要包括國家實施的退耕還林還草、圍欄圈養(yǎng)和禁牧政策，以及神東煤炭分公司持續(xù)穩(wěn)定的礦區(qū)環(huán)境保護投入與卓有成效的礦區(qū)環(huán)境治理工作，隨著用于礦區(qū)環(huán)境保護的資金投入加大，自然情況日益好轉，整個生態(tài)環(huán)境向良性方向發(fā)展。

3.2 神東中心區(qū)植被覆蓋的各類型定量變化

為定量說明神東中心區(qū)各植被覆蓋類型間的轉化情況，計算2002、2012年的植被覆蓋轉移矩陣，見表4。

表4 神東中心區(qū)植被覆蓋轉移矩陣 km2

由表4可以看出，2002年極低植被覆蓋類型面積為180.41 km2，截至2012年，21.71%仍為極低植被覆蓋類型，78.29%向上級轉化;低植被覆蓋類型和中植被覆蓋類型分別有1.91%和22.95%未發(fā)生變化，88.68%和70.73%向上級轉化，明顯高于向下級轉化的9.41%和6.32%;中高植被覆蓋類型中56.44%未發(fā)生變化，22.41%向下級轉化，21.15%向上級轉化，基本持平;高植被覆蓋類型22.34%未發(fā)生變化，向下轉化占77.66%。綜上所述，整個生態(tài)環(huán)境向良性方向發(fā)展。

求取相同像元在2002、2012年2期植被覆蓋圖上的變化，將變化趨勢分為7個等級，見表5。

表5 神東中心區(qū)2002—2012年植被覆蓋變化趨勢面積比例

由表5可以看出，2002—2012年，神東中心區(qū)植被覆蓋退化區(qū)(包括輕微退化、中度退化和嚴重退化)的面積約占15.34%，而植被覆蓋改善區(qū)(包括輕微改善、中度改善、明顯改善)的面積高達64.01%。從空間分布上看，植被退化區(qū)主要分布在井田交界處的工業(yè)建筑區(qū)附近，并在井田內部零星分布;而植被改善區(qū)分布在井田內大部分地區(qū)，如圖6所示。

圖6 神東中心區(qū)2002—2012年植被覆蓋變化空間分布

4 結論和建議

遙感數據具有監(jiān)測面積大、數據可比性強、獲取快速和人為影響少等特點，能夠直觀反映神東中心區(qū)植被的生長變化情況。采用Landsat TM/ETM+和HJ1A-CCD1時間序列影像提取NDVI值，運用像元二分模型反演2002—2012年間神東中心區(qū)內植被覆蓋，對覆蓋情況進行分級統(tǒng)計、評價和變化檢測，進而監(jiān)測神東中心區(qū)多時相地表覆蓋變化過程。

監(jiān)測結果表明，2002—2012年間神東中心區(qū)植被覆蓋等級整體呈上升趨勢，絕大部分地區(qū)的地表覆蓋得到改善，神東中心區(qū)的生態(tài)環(huán)境治理工作成效顯著。建議在取得成績的同時，繼續(xù)積極保護好區(qū)內現有林草植被，促進陡坡退耕還林，實施低產林低效灌叢地改造，增強區(qū)內生態(tài)功能，建設綠色礦區(qū)。

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