1999-2016年天山西部植被覆蓋的時空變化

朱雅麗, 施英俊, 張繪芳, 地力夏提·包爾漢, 張景路, 梁雪梅, 雷亞君

(1.新疆林業科學院 現代林業研究所, 新疆 烏魯木齊 830000; 2.兵團林業管理總站, 新疆 烏魯木齊 830000)

植被覆蓋度通常是指森林面積占土地總面積的大小，一般用百分數表示；它是反映一個國家或地區森林面積占有情況或森林資源豐富程度及實現綠化程度的指標，又是確定森林經營和開發利用方針的重要依據之一[1]。植被在生態環境中是生態系統的一個重要環節，植被的覆蓋程度響著水循環、生態平衡等方面，是氣候系統變化的重要控制和驅動因子，因而這是人類應該關注的重點問題。并且植被覆蓋是陸地生態系統的主體，對其進行長期動態監測是當前國內外多學科研究的焦點。動態監測新疆植被覆蓋的時空演變，對更好地理解和模擬陸地生態系統的動態變化特征、深入研究植被與氣候變化和人類活動之間的響應關系、揭示區域環境狀況的演化與變遷等有著重要的現實意義[2]。歸一化植被指數NDVI(normalized difference vegetation index)是反映土地覆蓋植被狀況的一種遙感指標，它可以很好地反映出地表植被的生長態勢和生長量，是植被生產能力和植被活動的一個重要指標，廣泛的被應用于植被活動研究[3-6]。近年來，NDVI被廣泛應用于各個方面，例如：估測植被的生產力、描述植被的生長狀況、荒漠化監測、土地覆蓋類型分類、旱情監測分析、城市土地分等定級和城市生態環境質量評估等研究中[7]。目前，植被指數法[8]、混合光譜模型法[9]、亞像元模型法[10]以及像元二分模型法[11]都是在遙感領域中用來進行植被蓋度提取的方法。張先鋒等用實測數據與在干旱半干旱環境下利用像元二分法估算的植被覆蓋度并進行交叉驗證，其R2=0.86，精度較高[12]。李苗苗等[13]在像元二分模型的基礎上，對原有模型的參數進行了改變，最終建立了歸一化植被指數定量估測植被覆蓋度的模型，估測精度為85%，說明此模型是可行的。本研究利用霍城林場1999,2007和2016年的Landsat TM/OLI遙感影像，基于NDVI的像元二分模型分析得到歸一化植被指數，分析得到1999,2007和2016年的植被覆蓋度分布圖，結合地形因子，分析霍城林場植被覆蓋度的時空變化特征，對于掌握研究區生態環境過去和現狀、科學指導今后的生態環境建設具有參考價值，也可為區域生態環境保護與建議提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

霍城林場成立于1954，1978年劃歸天西林業局管理。2005年霍城林場管轄林區納入國家級公益林保護區。2007年11月屬新疆維吾爾自區天山西部國有林管理局管轄。于1996年自治區林業局批復在霍城林場建立新疆霍城果子溝森林公園。2012年10月霍城林場更名為新疆維吾爾自治區天山西部國有林管理霍城分局。霍城分局管護區面積50 200 hm2，其中林地24 788 hm2，占總面積的49.3%，活立木蓄積量2.05×106m3，樹種以云杉為主，還有楊樹、柳樹、山杏、樺樹、灌木等。霍城林場山谷較深、地形復雜、降水較多、溪溝密布、植被枝繁葉茂，是霍城縣的天然草場。

1.2 數據來源與處理

根據本研究內容，考慮到不同季節植被的生長會有所差異，所以選取時相波動不大，影像質量良好，云量最小，植被生長較好，空間分辨率為30 m的1999年9月,2007年8月和2016年8月3個時期的遙感影像。進行影像的預處理：輻射校正和大氣校正[14]。最后利用紅外波段和近紅外波段進行歸一化植被指數的計算。同時還下載了美國TERRA衛星提取的地面分辨率為30 m的ASTER GDEM高程模型，用來研究地表植被覆蓋的坡度、坡向和海拔的變化分異。采用控制點誤差糾正的方法，利用ENVI 5.1軟件分別對3個時期的TM遙感影像以及ASTER GDEM數字高程模型進行影像配準和幾何精校正[15]，最后利用霍城林場行政區劃圖對遙感圖像和數字高程圖進行掩膜處理，得到研究區的遙感影像圖和數字高程圖。

1.3 研究方法

1.3.1 地表植被指數的基本原理 植被指數是指將衛星探測數據按照不同的波段進行組合，用來表示植物的生長狀況的指數[16]。常用的植被指數包括：NDVI,MVI,SAVI,PVI等。其中NDVI(歸一化植被指數)是最常用的，廣泛運用于植被覆蓋的動態監測、荒漠化監測、植被生長狀況監測等方面。

通過對植被遙感監測的物理學習，可知吸收性較強的是可見光波段，而反射性較強的是近紅外波段，將這兩個波段進行組合可得到不同的植被指數。NDVI定義是為近紅外波段與可見光波段的差和這兩個波段的和之比[17]。計算方法為：

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

(1)

式中：NIR——地表近紅外波段；R——地表可見光的紅光波段。

NDVI的值在[-1，1]范圍內，當NDVI時，表示地表是裸地或巖石等，NIR與R近似相等；當-1

1.3.2 植被覆蓋度估算 植被覆蓋是指單位面積上植被的枝、葉等垂直投影到地表所占的百分比，它是用來衡量植被生長好壞的一個綜合指標。現今，在關于植被覆蓋的研究中像元的二分模型法被廣泛應用[19]。像元二分模型法的原理是假設某個像元的信息是分為植被覆蓋和土壤覆蓋兩個部分，因此其所觀測像元的遙感信息S可理解為觀測植被所得到的信息Sv和觀測土壤所得到的信息Ss之和[20]：

S=Sv+Ss

(2)

混合像元是由植被和土壤兩個部分所構成的，fc是像元中由植被覆蓋的面積比例所構成的植被蓋度，而1-fc是非植被覆蓋的土壤面積比例。假設像元的信息全部是土壤覆蓋的為Ssoil，像元全由植被覆蓋而得到的遙感信息為Sveg，則混合像元的植被成分所貢獻的信息Sv可以表示為[20]：

Sv=Sveg·fc

(3)

混合像元的土壤成分所貢獻的信息Ss可以表示為：

Ss=Ssoil(1-fc)

(4)

將公式(3)和公式(4)帶入式(2)，可得：

fc=(S-Ssoil)/(Sveg-Ssoil)

(5)

將NDVI與像元二分模型相結合，獲得基于NDVI像元二分模型的植被覆蓋度提取模型：

(6)

式中：NDVIveg——全植被覆蓋像元的NDVI值； NDVIsoil——裸土或無植被覆蓋區域的NDVI值，理論上該值約等于0，并且不應會隨著時間的轉變而轉變，但由于氣候、地表濕度等因素的干擾，NDVIsoil會跟著時間的遷移而發生改變[21]。另外，因為地表土壤的濕度、類型、顏色和粗糙程度等條件不同，也會使NDVIsoil的值隨著空間的變化而變化。所以，植被覆蓋度所采用的NDVIveg和NDVIsoil的值在不同時期不同地點都是不確定和不同的，不可采用固定的值。因此，本文NDVIveg和NDVIsoil的值是利用近似替代法來確定的。首先，獲取影像中的NDVI值，統計分析NDVI累積概率分布表；其次，確定置信度為1%，根據實際裸土和全覆蓋狀態下植被的NDVI值，選取累積概率為1%左右的值為NDVIsoil，99%左右的值為NDVIveg[22]。若小于NDVIsoil則其NDVI賦值為0，若大于NDVIveg，則其NDVI賦值為1。根據上述的取值方法，統計分析得到1999，2007，2016年霍城林場遙感影像中NDVIveg和NDVIsoil值(表1)。依據《土壤侵蝕分類分級標準》，將霍城林場的地表植被覆蓋度分成5個等級，分別是:Ⅰ級植被覆蓋度(fc≥0.7)、Ⅱ級植被覆蓋度(0.5≤fc<0.7)、Ⅲ級植被覆蓋度(0.3≤fc<0.5)、Ⅳ級植被覆蓋度(0.15≤fc<0.3) 和Ⅴ級植被覆蓋度(fc<0.15)[23-24]。

表1 霍城林場遙感影像中NDVIveg和NDVIsoil值

1.3.3 植被覆蓋度遙感估算的精度驗證 為保證研究結果的精度和準確性，在Google Earth高空間分辨率歷史影像上采集50個30 m×30 m的樣本進行驗證點[16,25]。選取0，0.25，0.50，0.75和1.00這5個等級范圍進行目視估讀，隨機選取具有代表性的點[26]與2007年霍城林場的植被覆蓋值進行比較。根據最優模型，利用交叉驗證的方法對模型的遙感估測值進行精度驗證。結果顯示，植被覆蓋度遙感估算與觀測值之間存在著顯著正相關關系，r=0.898**，擬合曲線方程決定系數R2=0.873，說明遙感估測值與觀測值具有較高的相關性。植被覆蓋度估算平均誤差ME=0.091，均方根誤差RMSE=0.109，兩誤差較小，選取的NDVI閾值滿足精度要求，結果如圖1所示。

圖1 植被覆蓋度估算結果與觀測結果相關性分析

1.4 基于DEM數據的植被覆蓋度變化分析

利用ArcGIS10.3軟件將DEM數據裁剪后進行坡度和坡向的分析，將海拔、坡度和坡向重分類，得到霍城林場海拔、坡度和坡向的分級專題圖(圖2)。海拔分級為<1 500 m，1 500～2 000 m，2 000～2 500 m和>2 500 m；坡度分級為<15°，15°～30°，30°～45°和>45°;坡向分級為：半陽坡(45°～135°)、陽坡(135°～225°)、半陰坡(225°～315°)和陰坡(0°～45°,315°～360°)[27]。將研究區3個時相的坡度、坡向和海拔的分級圖分別與地表植被覆蓋度進行空間疊加分析，統計分析植被覆蓋度在不同坡度、不同海拔和不同坡向的分布及變化特征。

圖2 霍城林場海拔、坡度和坡向的分級

2 結果與分析

2.1 植被覆蓋度時間特征分析

附圖7為霍城林場植被覆蓋度等級圖。由附圖7中可知，1999—2016年霍城林場植被覆蓋度Ⅱ級和Ⅲ級占的比重最大，占總面積的58%以上；其次是Ⅳ和Ⅰ級，占總面積的35%以上；植被覆蓋度面積最小的是Ⅴ級。反映出研究區的植被狀況總體較好。霍城林場Ⅱ級和Ⅲ級植被覆蓋主要分布在人為干擾相對較少、海拔較高的東部和南部。

2.2 植被覆蓋度時間變化分析

1999—2016年霍城林場覆蓋度總體上呈現出上升趨勢，其中，Ⅰ級和Ⅱ級植被覆蓋面積分別增長了10 833.48和4 234.32 hm2，增加的幅度分別為9.82%和1.86%，而Ⅲ，Ⅳ和Ⅴ級的植被覆蓋度分別減少了6 171.93，5 565.33和3 330.54 hm2，變化率分別為2.51%，4.32%，4.37%。這是因為實施天保工程以來天然林禁止采伐，并在管護區實施了一些撫育工程，使得該區植被覆蓋度有所提高。各植被覆蓋等級面積統計結果詳見表2。

表2 霍城林場1999-2016年不同等級植被覆蓋面積統計

2.3 植被覆蓋度空間變化分析

利用ArcGIS 10.3軟件來進一步的分析植被覆蓋度在時間和空間上的變化情況和特征，利用空間疊加分析功能將1999和2016年兩個時期的植被覆蓋度等級圖進行疊加分析，得到各等級植被覆蓋面積的轉移變化圖，將屬性數據進行統計分析得到表3。由表3可知，1999—2016年，霍城林場Ⅲ，Ⅳ和Ⅴ級的植被覆蓋面積都呈現出下降的趨勢，轉出的面積大于轉入的面積，其中，Ⅲ級主要轉變為Ⅱ級，轉出54.44%的面積，Ⅳ級主要轉變為Ⅲ級，轉出61.085%的面積，Ⅴ級主要轉變為Ⅳ級，轉出38.37%的面積。而Ⅰ級和Ⅱ級的植被覆蓋面積轉入比轉出高，分別轉出144.843和11 073.867 hm2，同期分別轉入11 070.853和15 425.253 hm2，面積大幅度的增加，主要是因為Ⅲ和Ⅳ級植被覆蓋區域向Ⅱ和Ⅲ級的轉移，并且Ⅲ級又向Ⅰ級轉移。這說明在1998年以后實施的天然林保護工程、以加強生態環境建設保護為主的政策起到了作用，霍城林場的管理條例越來越完善，林木不再被隨意砍伐，林木得到了保護，植被覆蓋度逐年上升。

表3 霍城林場1999-2016年不同等級植被覆蓋面積轉移

2.4 不同海拔植被覆蓋度分布及變化特征

海拔的不同使得人類的活動和水熱分配受到影響，進而影響到植被覆蓋程度。本文利用海拔與植被覆蓋度進行疊加分析，結果表明，隨著海拔越來越高，研究區植被覆蓋度整體上趨勢是增加后減少。海拔<1 500 m時，植被覆蓋度較高的是Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ級，其面積比重達到70%以上；當海拔為1 500～2 000 m和2 000～2 500 m時，植被覆蓋度較高的是Ⅰ和Ⅱ級，其面積比重達到50%以上；當海拔>2 500 m時，植被覆蓋度較高的是Ⅲ和Ⅳ級，其面積比重達到50%以上。研究區海拔為Ⅴ級的植被覆蓋面積最小，比重均不超過20%，但海拔<1 500 m和>2 500 m時，其Ⅴ級植被覆蓋面積比例高于1 500～2 000 m和2 000～2 500 m。結果表明自然條件和人類社會活動都影響了植被覆蓋度。受人類社會活動影響較大的是海拔<1 500 m的區域，植被覆蓋區相對比較低；>2 500 m的區域溫度較低，熱量不足，部分區域常年有積雪覆蓋，植被覆蓋度也相對較低；海拔1 500～2 000 m和2 000～2 500 m的區域，因其受到人類社會活動干擾相對較少，加上水熱條件較優越，植被的生長比較旺盛，覆蓋度相對較高(圖3)。

2.5 不同坡度植被覆蓋度分布及變化特征

利用空間疊加分析工具將研究區的植被覆蓋度分布圖與坡度分布圖進行疊加分析，根據統計數據顯示，研究區植被覆蓋具有明顯的坡度分異特征，總體上呈現出隨著坡度的增加植被覆蓋度先增加后降低的趨勢。當坡度<15°時，主要的植被覆蓋度等級是Ⅲ和Ⅳ級，其面積比重到達55%以上；坡度在15°～30°之間的Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ級植被覆蓋面積的比例比較高，面積比例達到70%以上；坡度30°～45°和>45°的區域以Ⅰ和Ⅱ級為主，其面積比例達到55%以上。這是因為在<15°區域上，人口和工農業的分布比較集中，人口的活動和工農業的發展影響了植被的生長，從而植被覆蓋度較低；在坡度比較大的區域，受到人類活動的影響較小，因此植被覆蓋度較高(圖4)。

圖3 霍城林場1999-2016年不同海拔植被覆蓋度變化統計

2.6 不同坡向植被覆蓋度分布及變化特征

研究區處于干旱半干旱地區，隨著坡向的變化，植被覆蓋度也有所改變。通過統計分析可得，研究區各坡向植被覆蓋度均有不同程度的降低，主要以Ⅱ和Ⅲ級為主，其面積比重達到60%以上；各坡向Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ級的植被覆蓋面積在逐年的增大，而Ⅳ和Ⅴ級的植被覆蓋度在逐年減小。1999—2007年和2007—2016年兩個時期植被覆蓋度總體均呈現出陰坡>半陰坡>半陽坡>陽坡的特征[16]。研究區主要樹種云杉，其最適宜生長在陰坡和半陰坡，因為在陰坡和半陰坡地區太陽光比較柔和，有濕潤、高肥力的土壤，溫度相對較低，腐殖質含量較多，水分蒸發量較少，保存的水分多，因此植被生長情況較好，品種較多，密度較大(圖5)。

圖4 霍城林場1999-2016年不同坡度植被覆蓋度變化統計

圖5 霍城林場1999-2016年不同坡向植被覆蓋度變化統計

3 結 論

(1) 時間變化上，1999—2016年植被覆蓋度總體呈上升趨勢，植被覆蓋以Ⅱ級和Ⅲ級為主，所占比重達到55%以上。其中Ⅰ級和Ⅱ級植被覆蓋面積分別增加了9.82%和1.86%，而Ⅲ級、Ⅳ級植被覆蓋面積分別減少了4.32%和4.37%，Ⅴ級植被覆蓋度所占的比重始終是最小的。

(2) 空間分布上，霍城林場因海拔、坡度和坡向等地形因子的不同而出現不同的分布和變化特征。當海拔在1 500～2 000 m和2 000～2 500 m或者坡度30°～45°的區域時，植被覆蓋度相對較高；當海拔<1 500 m以及>2 500 m或坡度<30°的區域時，植被覆蓋度相對較低；植被覆蓋度隨著坡向的變化而變化著，呈現出陰坡>半陰坡>半陽坡>陽坡的分布特征。當海拔<1 500 m和坡度<30°的區域時，植被覆蓋度變化較為明顯，而當海拔>2 500 m和坡度>45°的區域時，因受人為社會活動影響小，植被覆蓋變化不明顯。

(3) 不同的海拔、坡向、氣候變化、人類活動和國家相關政策的實施均對植被覆蓋度有著不同程度的影響，本文利用RS和GIS技術，對于霍城林場的植被覆蓋度進行研究，克服了傳統地表和實測的局限性，具有客觀、快速、制圖便捷等優點，可以從時間和空間變化上來反映植被覆蓋度的變化情況，但是由于遙感影像的分辨率不高和時間的限制，導致植被覆蓋度的提取精度和準確定不高，需要進一步的改善。影響研究區生態環境和植被覆蓋度的原因需要進行深入探討從遙感影像處理和信息提取入手，與地面數據結合分析植被覆蓋度時空變化的原因和生態環境效應也有待進一步研究。