基于遙感和GIS的黃岡市植被時空變化及其驅動機制研究

摘要：本文以黃岡市2006、2007、2009年三個時期的TM遙感影像為數據源，運用GIS技術，從研究背景、技術與數據支持入手，分析了黃岡市的植被覆蓋度的時空變化情況及其驅動機制。對黃岡地區的植被覆蓋度變化的研究不僅具有重要的科學意義和現實典型性，也為區域水土流失治理、生態環境建設及當地經濟發展提供決策支持。

關鍵詞：TM影像；植被覆蓋度；歸一化植被指數；黃岡

一、研究背景

植被變化驅動力的分析可為農業、林業、環境監測和生物多樣性保護等工作提供信息服務。此次研究選擇黃岡市作為研究區域，以GIS和遙感現代空間信息技術為手段，從區域尺度上研究1989～2012年黃岡的植被覆蓋動態變化情況，在分析中考慮到了地形、氣候的影響。本課題的研究一方面為本市的生態環境改善提供理論參考，另一方面也為黃岡地區的社會經濟發展提供決策服務，同時該研究也具有一定的科學價值。

二、技術準備、數據預處理及數據處理結果

（一）技術準備

此研究選擇的是遙感測量。對于獲得的遙感影像采用計算機自動識別解譯，其技術路線如下：⑴衛星圖像識別機理分析→知識獲取與知識形式化表示→建立專家知識庫和背景知識庫→遙感圖像解譯專家系統構建；⑵數字遙感圖像→幾何糾正和輻射糾正→目標地物光譜特點抽取→目標地物形狀特征和空間位置抽取與描述→地理專題信息復合→運用遙感圖像解譯專家系統實現數字圖像智能化識別→產生專題圖→實現地理數據庫更新。

此次研究數據來源選用完全覆蓋研究區域的Landsat TM 遙感數據，研究時相分別為1989年2月4日、1998年5月28日、2009年11月2日，其軌道號為122/38，數據的空間分辨率為30m。這三幅影像在成像時間上具有大致相當的時間間隔，從而使得在進行變化分析時更具有科學性。本次研究中選取的數字高程數據是從中科院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站中獲得。黃岡市行政區劃邊界圖來源于國家基礎地理信息系統網站。

（二）數據預處理

由于光學處理成本高，技術復雜，在此次研究中主要以簡單、高效、價格相對低的計算機圖像處理。

1. 數據的疊加

在Landsat的TM影像的7個波段中，第2波段是綠色波段（0.52～0.60μm），第4波段是近紅外波段（0.76～0.90μm），將4、3、2波段分別賦予紅、綠、藍進行標準假彩色合成，將7個波段疊加，得到一張假彩色合成圖像。

2. 不同影像數據的拼接與研究區域數據的提取

本次研究區域包含三幅一期TM的影像。為了有效地進行分析，將三幅不同的影像拼接到一起從而得到研究區域的完整數據。由于本次使用的遙感影像事先已經經過校正處理，所以無需進行更多的處理便可以直接使用。在本次研究中，三幅影像的拼接是在ERDAS軟件中完成的。由于本次所選取的三幅影像的地面范圍遠超出研究區域的范圍，所以需要用研究區域的邊界去切割影像以獲得研究區域內的數據。切割影像也在ERDAS軟件完成，在切割中需要轉換文件格式，將原文件轉換為ERDAS軟件可以處理的AOI文件，然后再使用subset image工具進行影像的切割從而得到黃岡地區相關的研究數據。

（三）數據處理結果

根據植被指數計算公式（主要是歸一化植被指數公式NDVI=（DNIR-DNR）/（DNIR+DNR））分別計算出黃岡市2006、2007、2009年的植被覆蓋圖，得出NDVI值在東部及東偏北部較高的結論。

三、對黃岡市植被覆蓋度的時空變化及其驅動機制分析。

（一）對黃岡市植被時空變化分析

1. 黃岡市植被覆蓋度的變化分析

通過植被覆蓋度（F）公式（F=（NDVI-NDVImin）/（NDVImax-NDVImin））計算并經過偽信息剔除處理后得到黃岡市2006年和2009年的植被覆蓋圈度數據，在Arcmap中分區統計各個不同的研究區。通過分析發現黃岡市植被覆蓋度多年以來變化比較平穩，未出現較大的波動。

2. 黃岡市植被覆蓋度的時間變化分析

利用RS與GIS相結合的手段，對研究區域不同時期植被覆蓋度的估算與對比進行分析，結果表明黃岡市近四年植被覆蓋度變化比較穩定，城市并未使覆蓋度產生大的波動。由于黃岡市對生態保護的重視和大別山旅游文化項目的推進，黃岡市的植被保護比較好。

3. 黃岡市植被覆蓋度空間的變化

由下圖可知，黃岡市的植被覆蓋區域變化明顯，顏色越深表示植被覆蓋度越高。植被覆蓋度的空間分布特征是與經濟建設密切相關的，其分布特征受地形、經濟建設發展與城市化建設的影響。黃岡市植被覆蓋度的空間分布特征差異顯著，值得各方面重視。其原因有：城市化建設大量植被被破壞；部分地區鄉村居民的植被保護意識差，農村建設植被被破壞；政府相關部門還存在一些工作不到位的現象。所以，區域生態建設和生態恢復應該成為區域發展的重要指標。

（二）驅動機制分析

1. 地形對植被覆蓋度的影響

植被的覆蓋度與植被的生長關系密切相關，而溫度對于植被的生長十分重要。由于高度每增加100米溫度下降0.6攝氏度，所以植被覆蓋與地形高程的關系：在一定的海拔高度以下，植被覆蓋度與海拔的高度成正比；當海拔達到一定程度時，植被覆蓋度和海拔的增加成反比，并且這種反比會隨著高度的增加而增大。通過分析發現，麻城、蘄春、羅田等地由于位于大別山一麓，所以植被覆蓋度相對于其他縣（區）而言比較高。

2. 不同坡向植被覆蓋度的變化

把從DEM提取的坡向分為八個級別，即正北、東北、正東、東南、正南、西南、正西和西北八個朝向。從正北方向開始統計計算的分別是0～22.5°和337.5～360°（正北選取兩個坡向）、22.5～67.5°、67.5～112.5°、112.5～157.5°、157.5～202.5°、202.5～247.5°、247.5～292.5°、292.5～337.5°，之后分別計算八個坡向的植被覆蓋度。通過對不同坡向植被覆蓋度的分析發現，在不同時節同一坡向的植被覆蓋度差異是較大的。值得注意的是，在分析中發現同一季節八個不同的坡向的植被覆蓋度大體相當，通過計算其標準差幾乎相同。

3. 對黃岡市不同土地利用類型的植被覆蓋度變化研究

在分析中將獲取的黃岡地區土地利用類型矢量文件轉化為柵格文件。計算并統計黃岡地區不同土地利用類型在各年份和各季節的植被覆蓋度數據。本次研究并未統計水域的被水覆蓋植被覆蓋度，主要原因是水域表面的植被覆蓋度常年穩定，并且水域占黃岡地區的國土面積比重小。通過分析發現，林地的植被覆蓋度最高，而建設用地植被覆蓋度最低，耕地、草地、園地的植被覆蓋度則依次居中。由于各種植物的生長發育期都相似，所以其植被覆蓋度的變化趨勢總體相似。這種變化趨勢是由植被的生長發育期與氣候條件共同決定的。黃岡地區的植被覆蓋度在不同時期的差異表明了黃岡地區的植被覆蓋的動態發展變化，從而間接反映出植被覆蓋度受到了城市化的干擾。

四、結論

通過分析黃岡地區的植被覆蓋發現，黃岡市的植被覆蓋總體上趨于良好，近四年的植被覆蓋變化不是很明顯，這離不開當地政府和群眾的共同努力。但是，在做綠化調查和生態環境評價時，使用植被覆蓋度這一指標還存在缺陷，因此應該引入“三準綠化指數”，即“綠量”，這對改善城市生態建設和管理的理論和實踐都有指導意義。

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*本文系基金項目“基于遙感和GIS的黃岡市植被時空變化及其驅動機制研究”（項目編號：sy201313）的研究成果。

（作者單位：黃岡師范學院旅游文化與地理科學學院。通訊作者黃勇奇）