基于遙感和GIS的陜南地區近20年植被覆蓋時空變化特征

蘇 嫄, 王志杰

(1.貴州大學 林學院, 貴陽 550025; 2.貴州大學 生命科學學院, 貴陽 550025)

植被是地球系統中的活躍成員，陸地生態系統的任何變化必然在植被類型、數量或質量方面有所響應[1]。植被不僅可以為動植物提供必不可少的棲息地，而且通過對陸地表面的保護、氣候的改善、生態過程的維持以及生物多樣性的保護等提供重要的生態系統服務功能[2]。植被覆蓋度(Vegetation coverage)是指單位面積內植被地上部分(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統計區面積的百分比，是植物群落覆蓋地表狀況的一個直觀、綜合的量化指標，是描述植被群落及生態系統的重要參數。因此，植被覆蓋及其變化不僅是區域生態系統環境變化的重要指標，而且對水文、生態、全球變化等都具有重要的意義[3-7]。同時，隨著遙感(RS)技術和的地理信息系統(GIS)的快速發展，利用遙感技術獲取相關植被覆蓋數據[8-9]，運用GIS空間分析方法，為長時間大范圍的動態監測植被覆蓋狀況提供了經濟高效的數據支撐和技術支持。

目前國內外學者基于遙感和GIS對植被覆蓋變化進行了大量的研究，并取得了一定成果，主要包括植被指數變化及其與生態環境因子的關系[4,10-12]、植被覆蓋動態變化研究[5,7,13-15]、植被覆蓋監測研究[8,9,16]以及植被覆蓋度的提取算法及模型研究[17-20]等，但研究主要集中在青藏高原、黃土高原、內蒙古草原以及新疆等干旱半干旱地區。然而，在陜南地區這方面的研究鮮有報道，加之該地區北靠秦嶺，南依巴山，地形起伏大，降雨豐富，是我國中部地區生態安全屏障區和南水北調中線工程水源涵養區，也是環境變化響應的敏感區域[21]，植被覆蓋的優劣直接關系到漢江上游流域的水質和生態環境質量，對南水北調中線工程的運行具有重要影響。基于此，本研究以陜南地區1995年、2000年、2005年、2010年、2014年Landsat TM遙感影像為基本數據源，利用GIS空間分析技術，分析陜南地區近20 a的植被覆蓋時空變化特征及內部轉移特征，并探討其影響因素，以期為陜南地區城市規劃、生態環境的評價、保護和建設提供重要的參考依據。

1 研究區概況

陜西地區位于陜西省南部，北靠秦嶺、南倚巴山，漢江自西向東穿流而過，從西往東依次是漢中(東經105°30′50″—108°16′45″，北緯32°08′54″—33°53′16″)、安康(東經108°00′58″—110°12′，北緯31°42′24″—33°50′34″)和商洛(東經108°34′20″—111°1′25″，北緯33°2′30″—34°24′40″)(圖1)。陜南是國家南水北調工程的重要水源涵養地，西邊與甘肅相鄰，南部與四川、重慶、湖北相接，東與河南毗鄰，北與寶雞、西安、渭南3市接壤，總面積6.99萬km2，約占陜西省總面積的35%；境內氣候類型具有特殊性，西部屬于北亞熱帶季風氣候區，東部為北亞熱帶與暖溫帶過度地域；全區氣候溫和，雨量充沛，四季分明，年平均氣溫12～15℃，年有效積溫3 500～4 500℃，年降水量700～1 300 mm，年日照時數1 395～1 729 h[22-24]。

境內植被覆蓋良好，森林覆蓋率高達55.5%以上，以天然林為主，天然林面積占研究區總面積的45.1%[22-23]。森林覆蓋率及天然林覆蓋率均居全省之冠。同時，研究區水資源極為豐富，約96%的面積屬于長江流域，其中漢江和嘉陵江均為長江的一級支流，丹江為漢江的一級支流，黃河流域主要分布在研究區東部的商洛市洛南縣，其主要河流為洛河[22]。

圖1 陜南地區地理位置概況

2 數據處理及研究方法

2.1 數據來源與處理

(1) 遙感影像數據。本研究所用的遙感影像均通過國際空間數據共享平臺獲取，影像獲取時間分別為1995年7月14日、2000年9月17日、2005年9月20日、2010年8月5日和2014年7月24日，共5期TM遙感影像，空間分辨率為30 m×30 m，坐標系統為WGS_1 984_UTM_Zone_49 N，含云量小于10%，數據質量較好。在進行植被覆蓋度提取之前，首先基于ENVI 5.1軟件對各期遙感影像依據研究區地形圖和矢量邊界進行配準、校正和裁剪等預處理。

(2) DEM數據。采用地理空間數據云網站提供的研究區DEM數據，空間分辨率為30 m×30 m，坐標系統為WGS_1984_UTM_Zone_49 N，對獲取的DEM數據根據研究區矢量邊界進行裁剪。

2.2 研究方法

(1) 歸一化植被指數計算(NDVI)。歸一化植被指數(NDVI)是指植物生長、覆蓋、生物量和植被種類等情況的綜合反映，與植被分布密度呈線性關系，是指示大尺度植被覆蓋的良好指標。NDVI的計算公式為：

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(1)

式中：NIR為近紅外波段亮度值;R為紅光波段亮度值[25]。

(2) 植被覆蓋度估算。植被覆蓋度是指植被冠層的垂直投影面積與土地總面積之比。植被覆蓋度與歸一化植被指數之間存在一定關系，利用歸一化植被指數可以推測出植被覆蓋度f。植被覆蓋度的計算公式如下：

(2)

式中：NDVIsoil是無植被覆蓋區域的裸土像元NDVI值；NDVIveg則代表完全植被覆蓋的像元的NDVI值。影響該模型精度的關鍵在于NDVIveg，NDVIsoil的取值，在沒有實測數據下，取NDVIsoil為影像中NDVImin，NDVIveg取影像中NDVImax[25-26]。

(3) 植被覆蓋度分級。參考前人研究成果[27-29]，本研究將植被覆蓋度分為5級：Ⅰ級，低覆蓋度(0%～30%)，Ⅱ級，中低覆蓋度(30%～45%)，Ⅲ級，中等覆蓋度(45%～60%)，Ⅳ級，中高覆蓋度(60%～75%)，Ⅴ級，高覆蓋度(75%～100%)，并利用ArcGIS 10.1軟件對植被覆蓋度進行分級(圖2)。

圖2 1995-2014年植被覆蓋度分級

(4) 海拔分級。海拔是指地面某個地點高出海平面的垂直距離。本研究參考崔曉臨等[30]對秦嶺地區海拔高程的劃分，結合陜南地區高程特征，將陜南地區海拔高程劃分為4個類型：丘陵(<500 m)、低山(500～1 000 m)、低中山(1 000～2 000 m)和高山(>2 000 m)(圖3)。

3 結果與分析

3.1 不同植被覆蓋等級時間變化特征

統計分析陜南地區5個時期不同植被覆蓋等級面積比例(表1)發現：研究區植被覆蓋整體狀況良好，5個不同植被覆蓋等級所占面積比例總體上表現為Ⅴ級>Ⅲ，Ⅳ級>Ⅰ，Ⅱ級。隨時間變化5個不同等級覆蓋度植被面積差異明顯，Ⅴ級呈增加—降低—再增加趨勢，Ⅳ級呈先降低后增加趨勢，Ⅱ和Ⅲ級呈降低—增加—再降低趨勢，Ⅰ級呈先增加后降低趨勢，但整體上表現為Ⅴ級呈波動性增加趨勢，1995年其面積比例為23.58%，2014年上升到75.52%，其他4級均呈現波動性降低趨勢，1995年其面積比例為1.12%～41.03%，2014年降低到1.11%～12.87%。可見，陜南地區近20 a的植被覆蓋狀況良好，整體上以Ⅴ級高植被覆蓋度為主(75%以上)，且高植被覆蓋度所占面積隨時間變化不斷增加，其他4級植被覆蓋度所占面積隨時間變化波動減少。

圖3 陜南地區海拔分級

植被覆蓋等級1995年面積/km2比例/%2000年面積/km2比例/%2005年面積/km2比例/%2010年面積/km2比例/%2014年面積/km2比例/%Ⅰ783.851.121960.632.792381.933.394846.416.89777.991.11Ⅱ6580.409.364674.866.641114.731.595010.067.122189.613.11Ⅲ17503.1624.919035.4612.8418784.9426.739870.2214.035200.507.39Ⅳ28835.4041.0310048.5514.28828.471.188904.8112.669055.6612.87Ⅴ16570.9223.5844643.4563.4547163.6867.1141731.3859.3153139.1875.52

3.2 不同植被覆蓋等級空間分布特征

(1) 水平分布特征。1995—2014年陜南地區不同植被覆蓋等級在不同行政區域的分布特征差異明顯(表2)。1995年和2000年，漢中市、安康市和商洛市整體上是以Ⅳ級植被覆蓋度為主，其面積比例高達62.71%～64.90%，且在漢中市的分布面積最廣，其面積分別達到17 614.41 km2，17 019.25 km2；2005年、2010年和2014年3市的不同植被覆蓋等級面積均表現為V>Ⅳ>Ⅲ>Ⅱ>I，V級植被覆蓋度所占面積比例最大，約占50%～78%，且在不同行政區域上存在差異，其中商洛市的分布面積最少，面積變化為9 763.81 km2～13 665.43 km2，2005年和2010年在漢中市的分布面積最大，分別為17 666.04 km2，15 960.01 km2，2014年安康市的分布面積最大為18 295.12 km2。可見，研究區植被覆蓋度在2005年之前是以中高植被覆蓋度為主，且主要分布在漢中市，2005之后是以高植被覆蓋度為主，主要分布在安康市和漢中市，商洛市的分布面積最少。

表2 1995-2014年陜南地區不同植被覆蓋等級在不同行政區域分布特征

(2) 垂直分布特征。分析1995—2014年不同海拔區域不同植被覆蓋等級空間分布特征(表3)發現：低中山和高山區域整體上是以Ⅴ級，高植被覆蓋度為主(低中山1995年以Ⅳ級為主)，其面積比例高達59.55%～84.71%；低山區在1995年和2000年以Ⅲ，Ⅳ級為主，二者面積比例之和分別為77.27%和60.24%，2005—2014年3個時期以Ⅴ級為主，所占面積比例變化在35.51%～61.04%之間；丘陵區域在1995年和2000年主要是以Ⅱ級和Ⅲ級植被為主，二者面積比例之和分別為66.41%和53.97%，2005年主要是以Ⅲ級為主，所占面積比例為59.46%，2010年主要是以Ⅰ級和Ⅱ級為主，二者面積比例之和為52.94%，2014年是以Ⅳ級和Ⅴ級為主，二者面積比例之和為57.49%。可見，研究區不同海拔區域不同植被覆蓋等級的分布特征差異明顯，整體上表現為海拔較高的低中山和高山區域是以高植被覆蓋度為主，低山區域是以中等、中高以及高覆蓋度為主，海拔較低的丘陵區域則是以低、中低和中等覆蓋度為主，即隨海拔升高植被覆蓋度等級隨之增大。

3.3 不同植被覆蓋等級內部轉移特征

對5個時期植被覆蓋度等級圖進行空間疊加分析，得出4個時段5個等級植被覆蓋度面積轉移特征(圖4)，結果表明：1995—2000年，Ⅳ級植被覆蓋度向Ⅴ級植被覆蓋度轉移面積較大為7 489.05 km2，其次是Ⅲ級向Ⅳ，Ⅴ級轉移，其面積分別為2 598.29 km2，4 324.51 km2，變化區域主要分布在漢中市西部的略陽縣、寧強縣、留壩縣、勉縣和南鄭縣，安康市的平利縣、鎮平縣以及商洛市的柞水縣和鎮安縣也有零星分布，而中、高覆蓋度向中低和低覆蓋度轉移面積相對較少。可見，該時段研究區植被覆蓋整體呈緩慢恢復狀態。2000—2005年，Ⅳ級向Ⅴ級轉移最大為21 627.89 km2，其次是Ⅲ級向Ⅳ，Ⅴ級轉移，其面積分別為4 851.47 km2，6 531.51 km2，三市均大面積分布，中、高覆蓋度向中低和低覆蓋度轉移面積相對較少，且零散分布。說明該時段植被覆蓋處于快速恢復狀態。2005—2010年，Ⅴ級向其他4級轉移面積均較高，變化在1 241.47～6 994.78 km2，且向Ⅲ，Ⅳ級的轉移面積達到該時期最大，分別為6 994.78 km2，6 824.07 km2，除漢中市漢臺區、城固縣和洋縣的中部以及南鄭縣，安康市漢濱區，商洛市商州區和洛南縣，在其他縣區均呈分散分布。可見，該時段研究區植被覆蓋呈現明顯的退化趨勢。2010—2014年，Ⅳ級向Ⅴ級轉移轉移面積最大，為6 368.51 km2，其次是Ⅲ級向Ⅴ級，轉移面積為6 065.46 km2，集中分布在研究區的中南部和東北部，其他縣區零散分布，中、高覆蓋度向中低、低覆蓋度轉移面積相對較少。說明研究區植被覆蓋再次處于緩慢恢復狀態。

表3 1995-2014年陜南地區不同植被覆蓋等級在不同海拔區域分布特征

圖4 1995-2014年陜南地區不同植被覆蓋等級內部轉移特征

4 結論與討論

植被覆蓋度是植物群落覆蓋地表狀況的一個直觀、綜合的量化指標，也是表征生態環境變化的綜合指示器[3,5-7]，對區域生態系統環境變化有著重要的指示作用。本研究基于陜南地區1995—2014年5期不同的Landsat TM遙感影像數據，并利用GIS空間分析技術，對陜南地區近20 a的植被覆蓋時間變化特征、空間分布特征及內部轉移特征進行了分析，研究表明：陜南地區近20 a的植被覆蓋狀況良好，整體上以Ⅴ級高植被覆蓋度為主，這是因為陜南地區冬無嚴寒、雨量充沛、水熱資源豐富，為該地區的植被生長提供了得天獨厚的條件[31]，另外，與該地區退耕還林等一系列生態建設工程的實施關系密切[5]。崔曉臨等對陜西省植被覆蓋變化的研究也表明：陜南秦巴山區植被覆蓋較高，平均覆蓋率高達84%[32]。同時，高植被覆蓋度所占面積隨時間變化不斷增加，其他4級植被覆蓋度所占面積隨時間變化波動減少。說明20 a間該地區的植被覆蓋結構整體呈現穩步好轉趨勢，與陜西省的植被覆蓋結構基本一致[5,28]。

不同植被覆蓋等級空間分布特征差異明顯。在不同行政區劃上，表現為1995—2005年植被覆蓋是以中高植被覆蓋度為主，主要分布在漢中市，2005年之后是以高植被覆蓋度為主，主要分布在安康市和漢中市，商洛市的分布面積最少。這與雒新萍等[28]的研究結果：漢中市的留壩縣、城固縣、洋縣、南鄭縣、西鄉縣，安康市的寧陜縣、平利縣、鎮坪縣的NDVI指數均達到0.5以上，以高覆蓋植被占絕對優勢基本一致。在不同海拔梯度上，整體上表現為海拔較高的低中山和高山區是以高覆蓋度植被為主，低山區是以中等、中高覆蓋度為主，海拔較低的丘陵區則以低、中低和中等覆蓋度為主，即隨海拔升高植被覆蓋度等級隨之增大。這是因為隨著海拔升高，人類活動強度和植被類型發生均變化。海拔小于500 m的丘陵是以農耕植被為主，500～1 000 m范圍的低山是以灌叢等植被類型為主，均受人類活動影響較大，植被覆蓋較低，而海拔升高到1 000 m以上的低中山和高山，植被是以闊葉林和針葉林為主，人類活動的強度在地形條件的限制下，對植物生長的干預程度逐漸減小，植被覆蓋保持良好，主要是以高覆蓋植被(60%～100%)為主[30]。

本研究還顯示陜南地區近20 a不同植被覆蓋等級之間變化過程頻繁，其中，1995—2005年和2010—2014年，主要為中等和中高覆蓋度植被向Ⅴ級高覆蓋度植被轉移，在三市均分布廣泛；2005—2010年，Ⅴ級植被高覆蓋度向其他4級轉移均較大，各縣區分散分布。說明期間研究區植被覆蓋整體上呈現“恢復—退化—恢復”的變化趨勢。這是由于1999年起陜南地區開始實施退耕還林工程，林地面積顯著增加，至2007年底陜南三市退耕還林870.36萬畝，而漢中、安康、商洛3市逐年累計造林面積與植被覆蓋度之間有極顯著的相關關系，因此，研究區植被得以快速恢復，植被覆蓋度明顯上升[5,33-34]。但值得注意的是，在生態恢復的背景下，2005—2010年植被覆蓋卻有明顯退化趨勢，這與雒新萍等的研究結果：2004年秦巴山區植被NDVI指數達到最大值(0.511)，之后稍有回落[28]基本一致。其原因可能除了氣候條件的變異，城市擴展也是導致城市周邊植被遭到破壞，致使植被覆蓋下降的主要原因之一[35]。同時，與當地人口增加、土地利用方式的改變等因素密切相關。本研究組通過對陜南地區1995—2014年土地利用類型轉移面積的分析也發現，2005—2010年，由于研究區人口快速增加，為滿足人們對土地資源的需求，林地向農用地轉移面積高達2 991.44 km2，導致林地面積大幅度減少，植被覆蓋明顯降低。

本研究對陜南地區近20 a的植被覆蓋時空變化特征和內部轉移變化特征進行了分析，但對其變化的主要影響因素未做深入討論，而陜南地區氣候溫和，雨量充沛(年降雨量700～1 300 mm)，四季分明[22-24]，氣候變化(降水、溫度)對植被變化的影響程度相對緩慢，而人為因素尤其是人類活動強度快速影響著區域植被覆蓋變化[28,30,36]。因此，定量研究人類活動強度對植被覆蓋度動態變化的影響將是今后研究的重要內容。

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