紅原草地植被覆蓋度遙感信息提取與動態變化

魯 巖，顏 玲，唐川江，張緒校，周 俗

（1．四川省草原工作總站，成都 610041；2．四川省地政地籍事務中心，成都 610041）

紅原草地植被覆蓋度遙感信息提取與動態變化

魯 巖1，顏 玲2，唐川江1，張緒校1，周 俗1

（1．四川省草原工作總站，成都 610041；2．四川省地政地籍事務中心，成都 610041）

在建立紅原縣草地植被覆蓋遙感監測和評價指標體系的基礎上，分析了紅原縣2003、2006、2009、2012年草地植被覆蓋度變化的空間動態演變過程和趨勢。結果表明，紅原縣高覆蓋草地、低覆蓋度草地和極低覆蓋度草地面積分別減少了178 324.06km2、3 652.98 km2、2 816.01km2，中高覆蓋草地和中覆蓋草地面積分別增加了154 385.4km2、30 407.64km2。反映了紅原縣草地植被覆蓋整體上呈現由兩級向中間級演替的趨勢。

草地植被覆蓋；信息提??；動態變化；紅原縣

植被是陸地生態系統的主要成份，是生態系統變化的指示器。世界陸地面積中，林地約占30%，草地占25%，耕地占12%左右。我國是世界上第二大草地國家，草地總面積約占世界草地面積的12.4%，我國國土面積的41%，約是我國耕地面積的2倍。草地多分布在我國邊疆地區，對邊疆民族地區的繁榮昌盛、生態環境保護和畜牧飼養業的發展都發揮著重要作用[1]。

植被覆蓋度是反映植被基本情況的客觀指標，研究中常將其作為基本參數或因子，主要具有以下意義：①科學研究必要的基礎依據，為生態、水保、土壤、水利、植被等領域的定量研究提供基礎依據，確保相關研究成果、模型理論科學可信。②作為生態系統變化的重要標志，為區域或全球性地表覆蓋變化、景觀分析等前沿問題的研究提供指示作用，促進自然環境研究不斷深入發展。監測、測量植被覆蓋度的方法分為地面測量和遙感測量兩種[2]。遙感測量的出現，使得大面積、大尺度、大區域植被指數提取及監測成為可能，得到了廣泛應用[4-5]。

研究以四川省紅原縣草地特征、遙感數據特點等實際問題出發，采用國家標準中有關草地植被蓋度級別、指標等分級方法，選擇草地植被蓋度作為主要遙感監測指標，建立草地植被覆蓋遙感快速監測體系，對紅原縣草地覆蓋動態變化進行了監測，分析和評價了紅原草地植被覆蓋程度及其空間格局。

1 材料與方法

1.1 研究區概括

紅原縣位于四川省西北部和阿壩藏族羌族自治州的中部，地處青藏高原的東南緣，東與松潘、黑水接壤，南與馬爾康毗鄰，西靠阿壩縣，北與若爾蓋相連，縣境南北長約164.5km，東西寬約53km，是四川省十大純牧業縣之一。紅原縣擁有天然草原面積1 164萬畝，占縣國土總面積的92.97%，可利用草原面積1 121萬畝，占草原總面積的96.3%。由于受海拔高度和自然氣候影響，紅原以高寒草甸和亞高山草甸為主，其次是高寒沼澤化草甸、高寒沼澤草地、亞高山林緣草甸、高寒灌木草地。可食牧草種類繁多，據調查達70科、225屬、463種。全縣總人口4.2萬人，其中牧業人口31 577人，牧業戶6 984戶。

1.2 數據來源

遙感數據源使用NASA/MODIS（National Aeronautics and Space Administration/ moderate resolution imaging spectroradiometer，美國國家航空與航天局/中分辨率影像輻射度計）2003、2006、2009、2012年7月～8月（植被生長季）的16天合成的地表反射率產品（MOD13Q1），分辨率為250m×250m。

另有紅原縣行政邊界圖，1∶50萬紅原縣草原類型圖。此外還收集了研究區降水與氣溫等氣象資料。

1.3 數據預處理

利用MRT（MODIS Reprojection TOOL）對MOD13Q1數據進行格式和地圖投影轉換，地理幾何校正與重采樣處理，提取歸一化植被指數（NDVI）數據。為了更加有效的消除云遮蔽、大氣影響、觀測中的幾何關系等不利因素的影響，對NVDI數據進行最大合成法（MVC）處理，如公式（1），獲取NDVI數據最大值進行蓋度分析。

式中：NDVIi為第i月最大NDVI值；NDVIij為第i月第j個16天合成NDVI值。

對遙感影像進行鑲嵌拼接，然后利用矢量行政邊界圖對影像進行裁剪，獲取工程區NDVI數據影像。

1.4 研究方法

1.4.1 植被覆蓋度遙感估算模型

植被指數的建立是基于植被在紅光和近紅外波段反差較大的光譜特征。在多種定義的植被指數中，歸一化植被指數（NDVI）是應用最廣泛的一種。NDVI能夠敏感的反映出植被生物量、覆蓋度，以及葉綠素含量等生物理化性質，是監測地區或生態環境的有效指標，在一定程度上反映了像元所對應區域的土地覆蓋情況[6]，是植物生長狀態以及植物生長空間分布密度的最佳指示因子，與植被覆蓋度呈線性相關。在遙感監測植被蓋度中，通常利用植被覆蓋度與NDVI之間關系估算區域植被蓋度，其計算公式為：

式中：V為草地植被蓋度，NDVIs代表著純土壤覆蓋像元的最小值。NDVIv代表著純植被覆蓋像元的最大值。

植被覆蓋度最大值與最小值與地區、時相、圖像空間分辨率和植被類型等有關系，不同地區植被覆蓋度的取值會有所不同。對于本研究而言，由于紅原縣植被覆蓋主要為連片的草地，且影像選取時間為夏季，因此植被覆蓋度最大值可以達到1?？h境內又存在水體和沙地，所以植被蓋度最小值可以近似為0。

1.4.2 草地植被覆蓋分級

結合紅原縣草地植被覆蓋特征，充分考慮遙感原理和數據特點，參照四川省草地資源等級評價依據和標準[7]，將紅原縣草地植被覆蓋度等級劃分為五級：高覆蓋度草地、中高覆蓋草地、中等覆蓋草地、低覆蓋草地和極低覆蓋草地，并確定監測和評價指標、標準以及等級劃分（表1）[8]。

1.4.3 草地動態變化分析方法

在自然及人為干擾下，不同草地植被蓋度的面積和等級都在不斷變化演替，研究其草地植被覆蓋等級在空間上的動態變化，可使用轉移矩陣-馬爾柯夫鏈來描述。大量研究結果標明，馬爾柯夫鏈能夠得出相當可靠的轉移結果[9]。其數學表達式為：

表1 紅原縣草地植被覆蓋遙感監測與評價指標、標準以及等級劃分方法

2003-2012年紅原縣草地植被覆蓋度分級圖（已去非草地）

式中，p為轉移概率，n為草地植被覆蓋類型的數目，pij為草地植被覆蓋類型i轉化為草地植被覆蓋類型j的概率，pij滿足以下兩個條件：

究以2003、2006、2009和2012年草地植被覆蓋度數據為基礎，采用草地植被覆蓋類型年均轉化率替代其轉移概率，計算這四期草地植被覆蓋等級之間的相互動態變化情況及草地植被覆蓋空間分布狀態。

表2 2003，2006，2009，2012年各級植被蓋度面積及變化

2 結果與分析

2.1 紅原縣草地植被覆蓋度分級圖

通過對草地植被覆蓋等級反演，獲得該縣2003、2006、2009和2012年草地植被覆蓋度分級圖(圖1)。

2.2 紅原縣草地植被覆蓋度變化

根據公式（2）計算，紅原縣2003年、2006年、2009年和2012年四個不同時期草地覆蓋情況，并分別進行統計分析，計算出紅原縣該四個不同時期各級草地植被覆蓋度面積及所在百分比（表2）。

研究結果顯示，紅原縣草地覆蓋整體狀況持續好轉，其整體處于中高覆蓋度。2003年至2006年高覆蓋草地凈減123 037.57 km2，中高覆蓋、中覆蓋、低覆蓋和極低覆蓋草地分別增加了56 193.47km2、54 041.19 km2、10 831.06 km2、1 971.86 km2。2006年至2009年高覆蓋草地增加了31240.97 km2，中高覆蓋、中覆蓋、低覆蓋和極低覆蓋草地分別減少了14 874.16km2、10 390.74 km2、3 481.7 km2、2 494.39 km2。2009年至2012年中高覆蓋草地增加了113 066.09km2，高覆蓋、中覆蓋、低覆蓋和極低覆蓋草地分別減少了86 527.46km2、13 242.81km2、11 002.34km2、2 293.48km2。

從長時間尺度2003至2012年這兩期數據整體來看，高覆蓋、低覆蓋、極低覆蓋草地分別減少了178 324.06km2、3 652.98km2、2816.01km2，中高覆蓋、高覆蓋草地分別增加了154 385.4km2、30 407.64km2。處于中覆蓋等級以上的草地覆蓋狀況在逐漸好轉，低覆蓋以下的草地面積在逐年減少，整體草地呈向好的趨勢發展演替。

2.3 植被覆蓋度等級分布動態變化

2.3.1 2003年到2006年期間草地覆蓋變化

根據2003年和2006年草地覆蓋度情況，計算得到兩個階段的草地覆蓋度轉移矩陣（表3）。

表3 2003年到2006年草地植被覆蓋轉移矩陣

表3顯示：2003年到2006年一級植被覆蓋轉出面積為162 826.04km2，其中145 492.96km2由一級植被演變為二級植被，占總轉出面積的89.4%；一級植被轉入面積為39 788.47km2，一級植被總體轉出面積大于轉入面積，但轉出面積中向二級植被演變比例較大。二級植被覆蓋轉出面積為106 873.39km2，其中，53 417.83km2由二級植被演變為三級植被，占總轉出面積的49.9%，37 139.18km2由二級植被演變為一級植被，占總轉出面積的34.7%。二級植被轉入面積為163 066.85 km2，主要為一級植被轉入，占總轉入面積的89.2%。說明二級植被主要與一級植被發生演替，但二級植被總體轉出面積小于轉入面積。三級植被覆蓋轉出面積為18 410.33km2，其中12 702.99 km2由三級植被演變為二級植被，占總轉出面積的68.9%。三級植被轉入面積為72 451.52km2，主要為二級植被轉入，占總轉入面積的73.7%。四級植被覆蓋轉出面積為11 591.78km2，其中5 706.2km2由四級植被演變為三級植被，占總轉出面積的49.2%。四級植被轉入面積為22 422.83km2，主要為二級植被轉入，占總轉入面積的57.6%。五級植被覆蓋轉出面積為3 857.46km2，主要轉出面積為3 025.33km2，占總轉出面積的78.4%，主要轉入三級和四級植被。五級植被轉入面積為5 829.32km2，主要為二級植被轉入。

2.3.2 2006年到2009年期間草地覆蓋變化

根據2006年和2009年草地覆蓋度情況，計算得到兩個階段的草地覆蓋度轉移矩陣（表4）。

表4 2006年到2009年草地植被覆蓋轉移矩陣

表4顯示：2006年到2009年一級植被覆蓋轉出面積只有5.81km2，分別轉為二級植被覆蓋和三級植被覆蓋；一級植被覆蓋轉入面積為31 246.81 km2，其中31 246.61 km2由二級植被轉入，占轉入面積的99.9%。2006年至2009年一級植被覆蓋轉入面積遠遠大于轉出。二級植被覆蓋轉出面積為31 246.61km2，主要從二級植被轉為一級植被覆蓋；二級植被覆蓋轉入面積為16 372.45km2，其中有16 368.25 km2由三級轉入，占轉入面積的99.9%。三級植被覆蓋轉出面積為16 368.44km2，主要從三級植被轉為二級植被覆蓋；三級植被覆蓋轉入面積為5 977.70km2，其中有5 976.08 km2由四級轉入。四級植被覆蓋轉出面積為5 976.08 km2，全部轉為三級植被覆蓋；四級植被覆蓋轉入面積為2 494.38km2，全部從五級植被覆蓋轉入。五級植被覆蓋轉出面積為2 494.38km2，全部轉為四級植被覆蓋。2006年至2009年，紅原縣草地覆蓋整體植被向好轉變趨勢明顯。

2.3.3 2009年到2012年期間草地覆蓋變化

根據2009年和2012年草地覆蓋度情況，計算得到兩個階段的草地覆蓋度轉移矩陣（表5）。

表5 2009年到2012年草地植被覆蓋轉移矩陣

表5顯示：2009年到2012年一級植被覆蓋轉出面積只有130 198.07km2，其中，125 032.43 km2轉為二級植被覆蓋，占轉出面積的96.0%；一級植被覆蓋轉入面積為43 670.60 km2，其中38 229.64km2由二級植被轉入，占轉入面積的87.5%。2009年至2012年一級植被覆蓋主要與二級植被覆蓋發生轉換，但轉出面積大于轉入。二級植被覆蓋轉出面積為75 200.86km2，主要從二級植被轉為一級植被覆蓋和三級植被覆蓋；二級植被覆蓋轉入面積為188 266.96km2，其中有125 032.43km2由一級轉入，占轉入面積的66.4%。三級植被覆蓋轉出面積為54 600.60km2，主要從三級植被轉為二級植被覆蓋；三級植被覆蓋轉入面積為41 357.80km2，其中31 891.42km2由二級轉入。四級植被覆蓋轉出面積為19 924.47km2，其中13640.22 km2轉為三級植被覆蓋，占轉出面積的68.5%；四級植被覆蓋轉入面積為8 922.138km2，主要從二級植被轉入。五級植被覆蓋轉出面積為3 591.78m2，轉入面積為1 298.30 km2。2009年至2012年，紅原縣二級草地植被覆蓋面積增加明顯，增加部分恰恰源于其他等級覆蓋面積減少的和值。

綜合上述，從2003年至2012年，紅原縣草地植被覆蓋狀況總體上呈現由兩級向中間發展演替的趨勢。高覆蓋草地向中高覆蓋草地轉移明顯，趨勢顯著。中高植被覆蓋向上級和下級都有所轉移，但轉出面積遠小于轉入面積。其余等級向上級或下級都有轉移，但向上級轉移面積明顯大于向下級轉移面積。

近年來，由于高覆蓋草地處于少量保護和未保護的狀況，加上草原超載放牧現象嚴重，導致高覆蓋草地向下一級轉移。隨著“國家實施退牧還草工程”、“無鼠害示范區建設”、“草原生態補助獎勵機制”等項目的實施，中覆蓋以下的草地等到了有效治理和重點保護，草地覆蓋得到明顯提高。這就對紅原縣的生態保護建設和政策提出來新的問題，既要保護、治理、改良以被破壞的草地，同時還要保護、治理現有的、產量高的優良草地。

3 討論與結論

1）本文從紅原縣草地植被覆蓋實際情況出發，依據國家標準和遙感數據特征，選擇草地植被覆蓋作為評價指標，建立紅原縣草地植被覆蓋遙感監測和評價指標體系，得到了2003～2012年植被覆蓋變化的空間動態演變過程和趨勢，證明以此種方法對大面積草地植被覆蓋變化進行研究是可行且準確的。

2）從面積變化及轉移矩陣可以看出，中高覆蓋草地和中覆蓋草地面積整體上呈增加趨勢，中高覆蓋草地增長最快。高覆蓋草地、低覆蓋草地和極低覆蓋草地面積呈減少趨勢。高覆蓋草地主要轉移為中高覆蓋草地，而低覆蓋草地和極低覆蓋草地主要轉移為中覆蓋草地。反映了紅原縣草地演替呈現出由兩級向中間發展演替的趨勢。

3）利用MODIS數據集對紅原縣草地植被覆蓋空間動態變化的研究表明，MODIS數據集可以用于大尺度的草地植被覆蓋變化研究，且效果明顯。在今后的研究中，可以考慮選取更高分辨率的影像合成數據，進一步提高植被蓋度的提取精度，大力探索和發掘遙感數據在草地資源監測中的應用，為草地生態環境保護及生態恢復等研究提供有效的參考。

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Extraction and Dynamic Change of Remote Sensing Information of Vegetation Fraction in the Hongyuan Grass Land

LU Yan1YAN Ling2TANG Chuan-jiang1ZHANG Xu-xiao1ZHOU Su1
(1-Sichuan Grassland General Workstation, Chengdu 610041; 2-land and cadastre servicing center of Sichuan, Chengdu 610041）

On the basis of monitoring and evaluation indices system for vegetation fraction this paper has a discussion on dynamic change and developmental trend of vegetation fraction in the Hongyuan Grass Land during 2003-2012 with decrease in high, low and lower coverage grassland by 178324.06hm2, 3652.98 hm2and 2816.01 hm2and increase in medium-high and medium coverage grassland by 154385.4 hm2and 30407.64 hm2.

vegetation fraction; grass land vegetation coverage; information extraction; dynamic change; Hongyuan

P627

A

1006-0995（2014）04-0615-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2014.04.033

2013-08-22

魯巖（1981-），男，吉林省吉林市人，碩士，主要從事草原生態方面的研究和技術推廣等工作