昆明市植被覆蓋變化特征分析——基于Landsat遙感影像數據

王愛蕓，陸 馳(．云南大學資源環境與地球科學學院，云南昆明 65009;．西南林業大學林學院，云南昆明 6504)

植被是地球生態系統不可或缺的組成部分，植被覆蓋度是定量描述地表植被覆蓋情況的重要參數，是指示植被生長狀況的指示器。目前估算植被覆蓋度的方法也比較多，其中又以通過植被指數反演植被覆蓋度的應用較為廣泛。

植物葉片在可見光的紅光波段具有一個強烈的吸收谷，在近紅外波段具有一個較高的反射峰，利用植被在不同波段反差較大的光譜特征，有效地綜合各有關光譜信號，把多波段反射率做一定的線性或非線性組合，構建對地表植被生長狀況簡單、有效和經驗的度量——植被指數，在增強植被信息的同時減少非植被信息［1－2］。目前，國內外學者已定義了40多種植被指數，被廣泛應用于全球與區域的森林資源管理、植被覆蓋度估算、干旱監測、作物識別與預報、荒漠化、土地利用類型、生態環境等方面。如陳云浩等在對草地與農牧交錯帶的研究中發現Ts(地表溫度)/NDVI所含信息最豐富，利用NDVI－Ts空間能夠揭示不同植被類型的特征空間，易于理解地表植被變化過程［3］。Rastmanesh等采用描述性統計和K－均值聚類分析方法研究空氣污染對植被退化的影響，結果表明NDVI能作為一個有價值的植被監測工具，并且在植被稀疏區也能較好地應用［4］。

筆者以1992年8月、2001年6月、2014年4月3個時相的Landsat遙感影像數據為基礎，以遙感、空間分析技術為手段，在 ENVI 5．1、ArcGIS 10．1 軟件的支持下，通過對影像數據的處理，提取NDVI(歸一化植被指數)以及分析、統計等操作估算植被覆蓋度，從而監測1992～2014年昆明市主城區及呈貢新區的植被覆蓋變化情況，為昆明市生態文明建設、城市規劃等工作提供參考，為該區域的建設和開發中的環境質量綜合考核提供科學、準確、定量化的評價依據。

1 數據來源與研究方法

1．1 研究區概況 昆明市是云南省的省會城市，地處我國西南部的云貴高原中部，城市平均海拔1 891 m，市區三面環山，南面為滇池。地勢大致北高南低，中部隆起，東西兩側較低。屬北亞熱帶低緯高原山地季風氣候，冬無嚴寒、夏無酷暑、干濕分明，多年平均氣溫14．7℃。研究區地理坐標為102°20'～103°3'E、24°42'～25°27'N，面積2 750 km2。

1．2 數據來源 通過遙感手段研究植被覆蓋的變化情況，研究區4～9月為植物主要生長季，因此選擇植物生長旺盛季節的遙感影像進行植被覆蓋變化定量分析。該研究采用1992年8月16日的Landsat 5 TM、2001年6月14日的Landsat 7 ETM+、2014年4月23日的 Landsat 8數據，PATH/ROW為129/43，覆蓋研究區的影像均無云。

1．3 研究方法

1．3．1 數據預處理。主要對研究數據進行輻射定標、大氣校正處理。輻射定標的目的是消除傳感器本身的誤差，從而確定傳感器入口處的準確輻射值。大氣校正的目的是消除大氣散射、吸收、反射引起的誤差。目前，遙感影像的大氣校正方法很多，該研究采用FLAASH大氣校正工具，它是基于MODTRAN4+輻射傳輸模型，該算法支持的傳感器種類多且精度高，不依賴遙感成像時同步測量的大氣參數數據，并且可以有效地去除水蒸氣/氣溶膠散射效應。利用昆明市行政區劃矢量數據對處理后的影像進行裁剪。

1．3．2 歸一化植被指數(NDVI)提取。歸一化植被指數(NDVI)是由Rouse等在對比值植被指數(RVI)非線性歸一化處理后得到的植被指數［5］。由于NDVI可以消除大部分與儀器定標、太陽角、地形、云、陰影和大氣條件有關輻照度的變化，增強了對植被的響應能力［1］，是目前已定義植被指數中應用最廣的一種。

該研究中NDVI的計算式為:

式中，ρNIR為近紅外波段反射值;ρR為紅波段反射值。具體應用到TM/ETM+遙感影像時，ρNIR為影像第三通道的反射值。ρR為影像第四通道的反射值;應用到Landsat 8遙感影像時，ρNIR為影像第四通道的反射值;ρR為影像第五通道的反射值。

1．3．3 DN值二值化。在ENVI軟件中應用下式對提取的NDVI進行DN值二值化處理:

式中，b1為提取的NDVI數據;lt為小于(＜);ge為大于等于(≥);le為小于等于(≤);gt為大于(＞)。

1．3．4 估算植被覆蓋度。運用植被指數法［6］反演植被覆蓋度(VFC)，計算公式為:

式中，NDVIs為裸土或無植被覆蓋區域的NDVI值;NDVIv為純植被像元的NDVI值。

式中，NDVImax和NDVImin分別為區域內最大和最小的NDVI值。由于圖像中存在不可避免的噪聲，故NDVImax和NDVImin取一定置信度范圍內的最大值和最小值。該研究依據前人研究的經驗，在對影像進行統計分析的基礎上，確定NDVImax、NDVImin分別在累積概率95%和5% 處，此時式(3)轉變為:

故在ENVI軟件中估算植被覆蓋度的公式為:

式中，b1為提取的NDVI數據;lt為小于(＜);ge為大于等于(≥);le為小于等于(≤);gt為大于(＞)。

2 結果與分析

2．1 植被覆蓋度提取結果 根據VFC值及前人的研究經驗將昆明市主城區及呈貢新區植被覆蓋度分為6個等級，分別為:無植被覆蓋(VFC=0)、極低植被覆蓋(0＜VFC≤0．1)、低植被覆蓋(0．1＜VFC≤0．3)、中等植被覆蓋(0．3＜VFC≤0．5)、中高植被覆蓋(0．5 ＜VFC≤0．7)和高植被覆蓋(0．7 ＜VFC)。各等級的面積和占所占面積的百分比見表1，植被覆蓋情況如圖1所示。

表1 昆明市主城區及呈貢新區植被覆蓋度分級統計

2．2 植被覆蓋度變化分析 為了分析昆明市主城區及呈貢新區不同植被覆蓋等級之間的轉換特征，在ArcGIS 10．1軟件中進行矢柵轉化，形成不同斑塊的矢量圖，在對3期植被覆蓋等級矢量數據做疊加分析之后，利用Excel透視表得到昆明市主城區及呈貢新區不同階段植被覆蓋等級變化轉移矩陣，得到研究區植被覆蓋度變化統計結果(表2)。

由表1、2可知:

(1)中等植被覆蓋屬于增加型，高植被覆蓋屬于減少型，而無植被覆蓋、極低植被覆蓋、低植被覆蓋和中高植被覆蓋處于一個波動變化的狀態。

(2)中等植被覆蓋面積持續增加，從1992年的242．27 km2增加到2001年的408．51 km2再到2014年的666．91 km2，相應的年變化率為7．62%(第一階段)和4．87%(第二階段)，22年共增加了424．64 km2，為總面積的15．44%。在第一階段，從無、極低、低、中高和高植被覆蓋分別轉入4．95、4．85、10．75、23．46、122．24 和 166．25 km2，在第二階段，從低、中高和高植被覆蓋分別轉入 50．07、134．00、87．09 km2，同時向無植被覆蓋和極低植被覆蓋區分別轉出10．73、2．03 km2，導致了中等植被覆蓋區面積的擴大，可見低、中高和高植被覆蓋區是中等植被覆蓋區轉入的主要渠道。

表2 植被覆蓋度變化統計結果

(3)高植被覆蓋面積持續減少，從1992年的1 671．39 km2減少到2001年的1 267．16 km2再到2014年1 090．01 km2，22 年共損失了 581．38 km2，為總面積的 24．14%。主要從高植被覆蓋轉向低、中等和中高植被覆蓋區，其中在第一階段分別轉出 43．06、122．24 和241．30 km2，在第二階段分別轉出29．75、87．09 和 56．91 km2。城市擴張是造成高植被覆蓋面積減少的重要原因，據陳貴良等利用中國科學院資源環境數據中心提供的1990、2000、2008年昆明市土地利用現狀矢量數據研究結果［7］，該研究的西山區、官渡區、呈貢新區范圍內，耕地、林地、草地的面積基本呈下降趨勢，而建設用地的面積卻大幅度增加，大面積的耕地被征用為建設用地。

(4)無植被覆蓋和極低植被覆蓋處于一個波動變化的狀態，前者先增后減，后者先減后增;且前者在1992～2001年、2001～2014年2個階段的變化面積不大，分別為增加11．26 km2、減少7．89 km2;后者在2個階段的變化面積相差較少，分別為減少 45．93 km2、增加 49．08 km2。

(5)1992～2014年研究區低植被覆蓋和中高植被覆蓋面積先增加后減少，并且總體較1992年都為增加。前者22年共增加61．04 km2，為總面積的2．22%，主要由高、中等、極低植被覆蓋區轉入，22 年來分別轉入 72．81、49．65、2．97 km2，同時向無植被覆蓋和中等植被覆蓋區分別轉出3．56、60．83 km2;后者22年共增加89．17 km2，為總面積的3．24%，主要由高、極低植被覆蓋區轉入，22年來分別轉入298．21、1．22 km2，同時向中等、低、無植被植被覆蓋區分別轉出157．46、49．65、3．15 km2，可見，高植被覆蓋區是中高植被覆蓋區轉入的主要渠道。

2．3 植被覆蓋時空演變分析 由圖1可知，昆明市主城區及呈貢新區植被覆蓋空間變化情況主要如下:

(1)城市中心區由低植被覆蓋向中等植被覆蓋轉變，并且呈爆發式向四周擴增。

(2)高植被覆蓋區變化顯著，1992年該區主要分布在城市中心區的四周的山地地區，隨著時間的推移，城市的發展，研究區的西南和東南部以中等和中高植被覆蓋為主。

(3)研究區的南部為滇池，極低植被覆蓋在該部分變化明顯，1992年極低植被覆蓋主要分布在湖中央及西山與海埂公園的交界處;2001年湖中央無植被覆蓋，但可見靠近如今的環湖東路一側的湖邊為低植被覆蓋及中等植被覆蓋;2014年湖中央為極低植被覆蓋。可見，該區域的植被覆蓋是一個波動變化的過程。

3 結論

(1)昆明市主城區及呈貢新區植被覆蓋等級以高植被覆蓋為主，其次為中高、中等、低、無、極低植被覆蓋。1992～2014年中等和高植被覆蓋區的變化幅度最大，前者為增加型，后者為減少型，其余植被覆蓋等級處于波動變化狀態。

(2)高植被覆蓋區分布最為廣泛，在第一階段主要分布在城市中心區的四周的山地地區，在第二階段西南和東南部以中等和中高植被覆蓋為主。植被覆蓋等級與區域土地利用類型密切相關，即林地比例越多，植被覆蓋等級越高。

(3)從植被覆蓋等級相互轉換特征來看，1992～2001年以中等→中高、高→中等、高→中高為最主要的轉換類型;2001～2014年以低→中等、中等→中高、高→中等、高→中高為最主要的轉換類型;1992～2014年以高→中等、高→中高為最主要的轉換類型。

(4)植被覆蓋等級與環境、農業、城市建設政策息息相關。研究表明，環境保護力度越大，對農業、林業和農村經濟扶持較好，生態環境就越好，植被覆蓋等級呈現較高趨勢;反之，新建城市力度越大，大量耕地、林地被征用，植被覆蓋等級就會從高級別轉向低級別。該研究通過遙感影像監測昆明市主城區及呈貢新區的植被變化，對昆明市的生態文明建設和城市規劃具有一定的參考意義。

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