基于遙感技術的植被覆蓋度演變的動態監測

（新疆大學，a.資源與環境科學學院；b.綠洲生態重點實驗室，烏魯木齊 830046）

摘要：基于新疆維吾爾自治區察布查爾錫伯自治縣2000、2006和2013年的Landsat遙感影像，利用ENVI5.0和ArcGIS9.3軟件對其進行輻射定標、大氣校正、植被覆蓋度提取，對比了察布查爾錫伯自治縣14年來的植被動態變化，分析了其變化趨勢，并探討了植被覆蓋度變化驅動機制。結果表明，2000-2013年，察布查爾錫伯自治縣植被覆蓋度明顯增加，高植被覆蓋度面積也明顯擴張，尤其是人為退耕還林、退耕還草增長比較明顯。

關鍵詞：植被覆蓋度；ENVI5.0；ArcGIS9.3；察布查爾錫伯自治縣

中圖分類號：F323.22 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）21-5492-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.21.014

Dynamic Monitoring of Vegetation Coverage Evolution Based on the Remote Sensing Technology：A Case Study of Qapqal Xibo Autonomous County

LEI Ya-juna，b，ZHANG Yong-fua，b

（a.School of Resources and Environment Science；b.Key Laboratory of Oasis Ecology，Ministry of Education，

Xinjiang University，Urumqi 830046，China）

Abstract： Based on landsat remote sensing image of Qapqal Xibo autonomous country in Xinjiang Uygur autonomous region in 2000，2006 and 2013，using ArcGIS9.3 and ENVI 5.0 software for radiometric calibration，atmospheric correction and vegetation coverage extraction，the study was carried out to contrast the dynamic changes and trend of vegetation coverage， and its driving mechanism were discussed. The results showed that vegetation coverage of Qapqal Xibo autonomous country had significantly increased from 2000 to 2013，and the high vegetation coverage area also had the obvious expansion， especially for returning farmland to forest and grassland.

Key words：vegetation coverage；ENVI5.0；ArcGIS 9.3；Qapqal Xibo autonomous country

植被覆蓋了陸地表面將近3/4的面積[1]，植被在陸地表面的能量交換、生物地球化學循環和水文循環過程中扮演著重要角色。作為全球生態系統和氣候系統的重要組成部分，植被覆蓋變化的研究是全球變化研究的重要內容之一[2，3]，其動態變化對全球能量轉化和物質循環都有重要的影響。歸一化植被指數（NDVI）是反映農作物長勢和營養信息的重要參數之一[4，5]。NDVI以其卓越的植被信息表達能力以及數據提取和處理過程中較強的抗干擾能力，在檢測植被生長狀態、植被覆蓋度和消除部分輻射誤差等方面起到重要作用。動態監測植被覆蓋的時空演變對深入研究植被與氣候變化和人類參與的關系有著重要的意義。

察布查爾錫伯自治縣位于新疆伊犁河谷中西部，屬大陸性北溫帶溫和干旱氣候，年均氣溫7.9 ℃，極端最高氣溫39.5 ℃，極端最低氣溫-43.2 ℃。境內南高北低，相對高差達3 181 m，自然條件隨高度變化明顯，資源條件和開發利用在伊犁地區很有代表性。

目前，已有一些學者對該區域開展了相關的研究。2007年顏亮等[6]利用察布查爾縣綠洲1975年和2005年2個不同時期的遙感影像分析了察布查爾錫伯自治縣綠洲30多年來的動態變化；2009年張宏業等[7]分析了察布查爾縣的自然條件、農林牧業發展現狀，探討了察布查爾錫伯自治縣土地開墾和灌區擴大對生態環境和農林牧業生產的影響。2010年馬鵬等[8]在對察布查爾錫伯自治縣2000-2005年農業土地利用變化分析的基礎上，對其農業生態系統服務價值進行了估算。但現有研究對察布查爾錫伯自治縣植被覆蓋度的演變研究較少，因此本研究基于2000、2006和2013年Landsat遙感影像和GIS空間分析方法研究察布查爾錫伯自治縣植被覆蓋度演變情況。

1 研究區域概況與方法

1.1 研究區域概況

察布查爾錫伯自治縣是新疆維吾爾自治區伊犁哈薩克自治州直屬縣之一（圖1），地處西天山支脈烏孫山北麓，伊犁河以南，與伊犁哈薩克自治州首府伊寧市隔河相望，西與哈薩克斯坦國接壤。地理坐標為東經80°31′-81°43′，北緯43°17′-43°57′。察布查爾錫伯自治縣成立于1954年，是全國惟一以錫伯族為主體的多民族聚居的自治縣。

1.2 數據來源

研究所用數據為察布查爾錫伯自治縣2000、2006和2013年3個時相的遙感影像數據，這3景遙感影像數據都是從網站（http：//glovis.usgs.gov/）下載，遙感影像數據的基本特征如表1所示。

1.3 研究方法

1.3.1 輻射定標 輻射定標是將傳感器記錄的電壓或數字值轉換成絕對輻射亮度的過程[9]，消除傳感器本身產生的誤差，更加真實地反映地物信息。使用ENVI5.0軟件下Radiometric Correction工具對3景遙感影像進行輻射定標。

1.3.2 大氣校正 由于大氣輻射的存在，直接使用未處理的遙感影像計算的NDVI比實際的低，因此要進行校正，利用黑暗像元法對各時相影像的紅外波段與紅波段做大氣輻射校正，以提高植被變化檢測的精度。為了消除可見光和近紅外波段電磁輻射在傳輸的過程中受到大氣分子、水氣、氣溶膠和云粒子等大氣成分的吸收與散射的影響，使用ENVI5.0軟件下FLAASH工具對影像進行大氣校正，獲取地表的真實反射率。根據研究需要，對研究區進行裁剪。利用ENVI5.0軟件下的ROI Tool進行不規則裁剪，得到研究區的遙感影像如圖2所示。

1.4 植被覆蓋度反演

1.4.1 NDVI提取 植被指數又稱光譜植被指數，是指由遙感傳感器獲取的多光譜數據，經線性和非線性組合而構成的對植被有一定指示意義的各種數值[10]。植物葉子的細胞結構在近紅外波段具有高反射率，其葉綠素在紅光波段具有強吸收，因此通常用紅外波段和近紅外波段通過數學運算進行線性或非線性組合，得到的數值用以表現地表植被的數量分配和質量情況。本研究選用NDVI進行植被覆蓋度的提取，定義為

NDVI= （1）

式中，NIR為位于近紅外波段的遙感通道所得到的反射率；R指的是可見光波段的通道得到的反射率。

此計算過程通過ENVI5.0遙感影像處理軟件來完成，利用Band math計算出NDVI，得到不同時相NDVI灰度圖（圖3）。

1.4.2 植被覆蓋度信息提取 NDVI作為獲得植被覆蓋度的中間變量，一般情況下，植被指數與植被覆蓋度具有較強的正相關性，當生態環境條件較好時，水土條件適合，植被生長茂盛，其覆蓋度較高，植被指數相應也較高；當生態環境惡化時，植被生長稀少，覆蓋度較低，其植被指數相應也較低[11]。本研究采用像元二分模型[12]反演植被覆蓋度，即假設遙感影像上每個像元所對應的地表單元上僅存在植被和裸地兩種覆蓋類型，每個像元的NDVI是植被和裸地所對應的NDVI值的加權和，其權值即為這兩種覆蓋類型在像元內的面積百分比。因此，計算植被覆蓋度的公式可表示為：

fc= （2）

式中，fc為植被覆蓋度；NDVIsoil為完全是裸地或無植被覆蓋區域的NDVI；NDVIveg則代表完全由植被所覆蓋的像元的DNVI，即純植被像元的NDVI。對于大多數類型的裸地，NDVIsoil理論上應該接近于0，考慮到遙感影像中存在的不可避免的干擾因素，在取值時結合裸地和全覆蓋植被樣地實際情況選定NDVIsoil為0.03，NDVIveg為0.99。

通過公式計算植被覆蓋度，并且進行分級，將植被覆蓋度分為4級，具體見表2。

2 結果與分析

2.1 植被覆蓋度演變分析

2.1.1 不同時期植被覆蓋度總體變化趨勢 對研究區各植被覆蓋等級的面積及所占比例進行統計，如表3和圖4所示。從表3和圖4可以看出，察布查爾錫伯自治縣整體植被覆蓋度呈現增加趨勢。在4個等級中1級裸地面積在2000-2013年變化不明顯；2級低植被覆蓋面積呈現較大幅度下降，2000-2013年面積減少了833.67 km2，所占比例下降了18.7個百分點；3級植被面積略有上升；4級植被面積明顯增加，從2000年的519.76 km2增加到2013年的1 273.29 km2，所占比例上升了16.9個百分點。

2.1.2 不同時期植被覆蓋度等級變化趨勢 分別對3個時相的植被覆蓋度等級變化進行矩陣分析，生成轉移矩陣（表4、表5、表6）。從表4可以看出，2000-2006年植被覆蓋度為1級、2級、3級的面積都在減少，4級植被面積明顯增加，從2000年的519.76 km2增長到905.51 km2，主要是2級、3級轉移到4級。從表5可以看出，2006-2013年植被覆蓋度為1級、3級的面積略有增加；2級面積由2006年的2 305.18 km2減少到2013年1 807.36 km2，主要原因是2級向3級、4級轉移；4級植被面積明顯增加，由2006年905.50 km2增長到2013年1 273.29 km2。由表4、表5、表6可以得出，2000-2013年4級植被呈上升趨勢，并且增長速度較快，主要是由2級、3級轉移而來；3級植被面積變化不明顯；2級植被在2000-2013年呈現快速下降趨勢。對2000-2006、2006-2013、2000-2013年進行比較得出，2000-2006年植被覆蓋度負增長較多，2006-2013正增長占較大比例，總體來看2000-2013年植被覆蓋度呈現增加趨勢（圖5）。

2.2 植被覆蓋度演變的驅動力分析

2.2.1 氣候因素對植被覆蓋度的影響 植被覆蓋度變化和氣候變化的響應關系研究一直是全球變化研究的主要內容。NDVI的變化和降水相關性極高，植被生長和氣溫關系密切。

伊犁地區2000-2010年氣溫持續緩慢增長，突出表現是持續暖冬，且偏暖趨勢還在繼續[13，14]。2000-2010年伊犁地區年均氣溫在8～10 ℃浮動，變化不明顯[15]。由于察布查爾錫伯自治縣氣溫增長緩慢，所以對植被的長勢影響不明顯。

伊犁地區2000-2006年降水先增加后減少，最高降水量480 mm，最低降水量310 mm；2006-2010年降水先增長再下降然后上升，最高降水量為500 mm，最低降水量為260 mm[14]。察布查爾錫伯自治縣屬溫帶亞干旱氣候區，年均氣溫7.9 ℃，年降水量小于200 mm，冬季寒冷，夏季炎熱，相對伊犁地區降水少，蒸發量大。察布查爾錫伯自治縣降水差異較大，平原地區降水較少，南部山區降水較多，在450 mm以上，植被長勢較好。

2.2.2 人為因素對植被覆蓋度的影響 氣候變化對新疆植被覆蓋的時空變化具有重要影響，但不斷加強的人類活動也是不容忽視的驅動因素之一。察布查爾錫伯自治縣總人口由2003年的16.48萬增長到2013年的19.2萬，人口增長增加了對土地的利用和對糧食的需求。隨著農業生產和經濟水平的提高以及國家對生態環境的重視，植被覆蓋同樣會受到很大的影響。

通過遙感技術與地理信息技術相結合，從圖2可以得出，2級低覆蓋度植被多為荒地，4級高覆蓋度植被多為耕地與林地。荒地減少，耕地與林地增加，這與伊犁地區政府的政策有關。伊犁地區一直以來就是退耕還草和退耕還林等生態建設工程的重點實施區域。據資料顯示，2000-2007年，伊犁河谷共退耕還林696.00 km2，耕地面積也在2000-2008年新增了1 259.00 km2，呈現持續增長狀態[16]。由此可見，人類活動在一定程度上提高了察布查爾錫伯自治縣植被覆蓋度，對生態改善有著積極的意義。

3 小結與討論

本研究基于多期遙感影像，在GIS技術的支持下，得出察布查爾錫伯自治縣歸一化植被指數和植被覆蓋等級圖，并定量分析了察布查爾縣近14年的植被覆蓋變化，由此得到以下3個結論：①利用遙感技術與地理信息技術不僅可以有效地分析不同時期的植被覆蓋變化，而且節約時間、經費和人力。通過植被覆蓋度轉移矩陣可以很好地描述植被覆蓋度變化趨勢。②察布查爾錫伯自治縣在2000-2013年植被覆蓋度在明顯增加，1級（無植被覆蓋）基本無變化；2級（低覆蓋度植被）面積主要正向轉移到3級、4級，逆向轉移較少；3級（中覆蓋度植被）面積主要正向轉移到4級較多，3級植被面積無明顯變化；4級（高覆蓋度植被）面積明顯增加，而且區域位置由南北向中部擴散。③察布查爾錫伯自治縣水資源豐富，為植被良好生長奠定了堅實的基礎。2000-2013年1級（無植被覆蓋）面積變化不明顯，2級（低覆蓋度植被）面積明顯減少，4級（高覆蓋度植被）面積增長的主要原因是人類活動太頻繁。由于退耕還草和退耕還林政策的實施，該區域生態環境有所恢復。

本次研究雖然得到了察布查爾錫伯自治縣植被覆蓋的變化，但是也存在著不足。第一，鑒于遙感數據的可獲取性，本研究遙感影像的獲取月份雖都在植被生長期，但對于山區植被和平原區耕地作物的變化識別有部分掩蓋或放大，這對計算植被覆蓋度的精度有一定的影響。第二，植被覆蓋度演變驅動力分析中自然因素數據（比如氣溫、降水等）不足，對分析結果的論據不夠充分。

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