基于MODIS數(shù)據(jù)的北京市植被覆蓋度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

蘇慧敏，郭 浩，夏照華，王 紅

(北京地拓科技發(fā)展有限公司，北京 100084)

植被覆蓋度是指植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的百分比[1]。植被覆蓋度作為衡量地表植被覆蓋狀況的一個(gè)重要定量信息，不僅是評(píng)估土地退化、荒漠化程度的有效指數(shù)之一，還是通用土壤流失方程中的重要控制因子[2]。因此，定量評(píng)估區(qū)域植被覆蓋變化，分析地表植被覆蓋狀態(tài)，對(duì)揭示地表植被變化趨勢(shì)，分析與評(píng)價(jià)區(qū)域土地資源管理和生態(tài)環(huán)境保護(hù)決策具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

區(qū)域植被覆蓋度有明顯的時(shí)空分異特性。遙感技術(shù)作為一種綜合性探測(cè)技術(shù)，能迅速有效地提供地表自然過程的宏觀信息，已成為當(dāng)前大尺度甚至全球尺度植被覆蓋監(jiān)測(cè)的主要手段，有助于揭示植被覆蓋的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，并預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)[3]。在當(dāng)前常用的遙感數(shù)據(jù)中，MODIS數(shù)據(jù)因具有空間分辨率適中、光譜覆蓋范圍廣、重訪周期短、數(shù)據(jù)質(zhì)量高且獲取方便的特點(diǎn)而被廣泛用于植被覆蓋度的信息提取。

本研究以北京市為例，對(duì)2014—2016年每年8月上旬的植被覆蓋度進(jìn)行定量分析，利用MODISNDVI的像元二分模型，計(jì)算北京市相同時(shí)期，不同年份、不同分級(jí)的植被覆蓋度，監(jiān)測(cè)其動(dòng)態(tài)變化，分析北京市植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，旨在為區(qū)域土地資源管理、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

北京市位于東經(jīng)115.7°～117.4°、北緯39.4°～41.6°，與天津市相鄰，并與天津市一起被河北省環(huán)繞，地形西北高東南低，總面積16 406.30 km2，其中山區(qū)面積10 076.64 km2，約占總面積的61%，平原區(qū)面積6 329.66 km2，約占總面積的39%。氣候?yàn)榈湫偷谋睖貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促。降水季節(jié)分配很不均勻，全年降水量的80%集中在6、7、8三個(gè)月。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

采用美國國家航空航天局(NASA)免費(fèi)提供的MOD13Q1_Level3 16-Day產(chǎn)品，時(shí)間分辨率為16 d，空間分辨率為250 m。本研究選擇MODIS數(shù)據(jù)的時(shí)間分別為2014年8月上旬(MOD13Q1.A2014225)、2015年8月上旬(MOD13Q1.A2015225)、2016年8月上旬(MOD13Q1.A2016225)。

利用ArcGIS提取NDVI圖層，將覆蓋北京市的幾景NDVI影像進(jìn)行鑲嵌，將原投影轉(zhuǎn)為UTM投影，然后計(jì)算北京范圍內(nèi)的NDVI最大值與最小值，最后按照植被覆蓋度估算公式計(jì)算植被覆蓋度。

2.1.1NDVI數(shù)據(jù)提取

下載的MODIS原始數(shù)據(jù)為*.hdf格式的數(shù)據(jù)集，包含NDVI在內(nèi)的12類數(shù)據(jù)。利用ArcGIS的Extract Subdataset工具，分別提取2014年8月上旬、2015年8月上旬、2016年8月上旬北京范圍的NDVI圖層。

打開ArcGIS軟件，在ArcToolbox中選擇Data Management Tools—Raster—Raster Processing—Extract Subdataset工具。打開Extract Subdataset工具，在Input Raster菜單中選擇需要提取的NDVI原始數(shù)據(jù)；在Subdataset ID菜單中點(diǎn)擊后面的下拉三角，選擇第一個(gè)圖層，然后ID下面會(huì)自動(dòng)彈出0；在Output Raster菜單中選擇輸出數(shù)據(jù)名稱及存放的路徑，然后點(diǎn)擊OK。

2.1.2NDVI影像鑲嵌

分別將提取的2014年8月上旬、2015年8月上旬、2016年8月上旬的NDVI影像進(jìn)行鑲嵌，利用ArcGIS軟件的Mosaic To New Raster工具完成。

打開ArcGIS軟件，在ArcToolbox中選擇Data Management Tools—Raster—Raster Dataset—Mosaic To New Raster工具。打開Mosaic To New Raster工具，在Input Raster菜單中選NDVI數(shù)據(jù)，在Output Location菜單中選定輸出路徑，在Raster dataset name with extension菜單中設(shè)置輸出文件名稱，然后點(diǎn)擊OK。

2.1.3 投影轉(zhuǎn)換

MODIS數(shù)據(jù)默認(rèn)的投影方式是正弦曲線投影，進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成UTM投影。利用ArcGIS軟件的Project Raster工具將鑲嵌好的NDVI影像進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換。

打開ArcGIS軟件，在ArcToolbox中選擇Data Management Tools—Projections and Transformations—Raster—Project Raster工具。在Input Raster菜單中選擇鑲嵌好的NDVI數(shù)據(jù)，在Output Raster Dataset菜單中設(shè)置輸出數(shù)據(jù)文件夾及文件名稱，在Output Coordinate System菜單中設(shè)置目標(biāo)投影，在Output Cell Size菜單中設(shè)置分辨率250 m。

2.1.4 計(jì)算NDVImax和NDVImin

利用ArcGIS軟件的Build Raster Attribute Table工具，計(jì)算植被整個(gè)生長季NDVI的最大值(NDVImax)和最小值(NDVImin)，可定直方圖5%左右的NDVI值為最小值，95%左右的NDVI值為最大值。

2.2 利用NDVI值估算植被覆蓋度

計(jì)算植被覆蓋度就是在影像上計(jì)算每個(gè)像元內(nèi)的植被占像元總面積的比例，通常利用植被的歸一化植被指數(shù)NDVI來計(jì)算。NDVI又稱標(biāo)準(zhǔn)化植被指數(shù)，定義為近紅外波段與可見光紅波段反射率之差和這兩個(gè)波段反射率之和的比值，公式為

NDVI=(ρNIR-ρR)/(ρNIR+ρR)

(1)

式中：ρNIR為近紅外波段反射率；ρR為可見光紅波段反射率。

植被覆蓋度與NDVI有非常好的相關(guān)性，NDVI值分布范圍為-1～1，小于0.1時(shí)表示幾乎沒有植被信息，而接近于1時(shí)表示植被生長旺盛。根據(jù)土壤NDVI值和植被NDVI值計(jì)算植被覆蓋度的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

fcover=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(2)

式中：fcover為植被覆蓋度；NDVIsoil為裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，即無植被像元的NDVI值；NDVIveg為完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值。

NDVI可以從影像上計(jì)算出來，NDVIsoil與NDVIveg可以在影像上確定。NDVIsoil應(yīng)該是不隨時(shí)間改變的，對(duì)于大多數(shù)類型的裸地表面，理論上應(yīng)該接近于0。然而由于大氣影響及地表濕度條件的改變，NDVIsoil會(huì)隨著時(shí)間而變化。此外，由于地表濕度、粗糙度、土壤類型、土壤顏色等條件的不同，NDVIsoil也會(huì)隨著空間變化，變化范圍一般為-0.1～0.2。因此，采用一個(gè)確定的NDVIsoil值是不可取的，即使對(duì)于同一景影像也會(huì)有所變化。調(diào)整時(shí)并不需要知道NDVIsoil的具體值，因?yàn)樗菑挠跋裰杏?jì)算出來的相對(duì)值。裸地NDVI值的空間變化也可能與傳感器的觀測(cè)角度有關(guān)，每個(gè)像元的觀測(cè)角度不同，所選擇的NDVIsoil值也會(huì)不同，這就造成了對(duì)植被覆蓋度fcover估計(jì)的不確定性。NDVIveg代表著全植被覆蓋像元的最大值，由于植被類型的不同、植被覆蓋的季節(jié)變化、葉冠背景的污染，以及潮濕地面、雪、枯葉等因素的影響，NDVIveg值的確定也存在著與NDVIsoil值類似的情況，NDVIveg值也會(huì)隨著時(shí)間和空間而改變，采用一個(gè)確定的NDVIveg值也是不可取的。

由于圖像中不可避免地存在著噪聲，NDVI的極值并不一定是NDVImax與NDVImin，因此對(duì)其取值時(shí)主要由圖像尺度和圖像質(zhì)量等情況來決定，通常是取給定置信度區(qū)間的最大值與最小值，NDVImax取NDVI概率分布的95%下側(cè)分位數(shù)所對(duì)應(yīng)的NDVI值，NDVImin取NDVI概率分布的5%下側(cè)分位數(shù)所對(duì)應(yīng)的NDVI值。

2.3 植被覆蓋度等級(jí)劃分

將植被覆蓋度分級(jí)，能更直觀地體現(xiàn)出植被的覆蓋狀況，便于進(jìn)行對(duì)比與分析。根據(jù)水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)中的植被覆蓋度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將植被覆蓋度劃分為5個(gè)等級(jí)：低植被覆蓋度(<30%)、中低植被覆蓋度(30%～45%)、中等植被覆蓋度(45%～60%)、中高植被覆蓋度(60%～75%)、高植被覆蓋度(≥75%)。

打開ArcGIS軟件，在ArcToolbox中選擇Spatial Analyst Tools—Map Algebra—Raster Calculator工具。打開Raster Calculator工具，將上述計(jì)算的NDVImax和NDVImin值帶入計(jì)算公式。

植被覆蓋度的取值范圍是0～1，小于0和大于1的值都需要處理掉。

3 結(jié)果與分析

3.1 北京市2014—2016年植被覆蓋度的總體特征

基于上述方法，將北京市2014—2016年每年8月上旬的MODISNDVI數(shù)據(jù)反演成植被覆蓋度數(shù)據(jù)，結(jié)果見圖1～3。由圖可看出，北京市連續(xù)3年同一時(shí)期的植被覆蓋度都表現(xiàn)為山區(qū)明顯高于平原區(qū)。

表1為北京市2014—2016年各等級(jí)植被覆蓋度面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果。可以看出，北京市植被覆蓋度整體水平較高，高植被覆蓋度區(qū)域占了很大比例(2014年8月上旬高植被覆蓋度區(qū)域占比59.18%，2015年8月上旬占比68.62%，2016年8月上旬占比72.22%)，且主要集中在北京山區(qū)，這是因?yàn)樯絽^(qū)海拔較高，人類活動(dòng)對(duì)植被干擾較小，適宜植被生長；低植被覆蓋度區(qū)域與中低植被覆蓋度區(qū)域占比較少，主要分布在北京市的城區(qū)，這是因?yàn)槌菂^(qū)地勢(shì)較為平坦，居民點(diǎn)多，建筑物多；中等植被覆蓋度區(qū)域與中高植被覆蓋度區(qū)域占比居中。隨著植被覆蓋度等級(jí)的升高，北京市各等級(jí)植被覆蓋度面積逐漸增加，占比也顯著提高。

表1 2014—2016年北京市各等級(jí)植被覆蓋度面積統(tǒng)計(jì)

3.2 北京市2014—2016年植被覆蓋度變化分析

由表1可知：北京市2014—2016年同時(shí)期(8月上旬)低植被覆蓋度區(qū)域面積占比、中低植被覆蓋度區(qū)域面積占比、中等植被覆蓋度區(qū)域面積占比、中高植被覆蓋度區(qū)域面積占比均呈逐年減少趨勢(shì)，而高植被覆蓋度區(qū)域面積占比呈逐年增加趨勢(shì)。

北京市2014—2016年同時(shí)期(8月上旬)各等級(jí)植被覆蓋度面積變化情況見圖4。分析結(jié)果表明，2014—2016年，北京市植被覆蓋度狀況較為穩(wěn)定，呈現(xiàn)改善趨勢(shì)，低植被覆蓋度、中低植被覆蓋度、中等植被覆蓋度、中高植被覆蓋度面積均出現(xiàn)了連續(xù)2年不同程度減少的現(xiàn)象，其覆蓋度等級(jí)逐漸向高植被覆蓋度演進(jìn)，這與北京市越來越重視環(huán)境保護(hù)有直接關(guān)系。

圖4 北京市2014—2016年各等級(jí)植被覆蓋度面積變化

4 結(jié) 論

(1)歸一化植被指數(shù)NDVI作為植被變化的指示因子，具有很強(qiáng)的敏感性，能較好地反映植被生產(chǎn)狀況，在分析植被覆蓋度變化方面較為成熟。將像元二分模型與NDVI相結(jié)合，進(jìn)行植被覆蓋度估算，具有良好的效果，結(jié)果可信度較高。

(2)2014—2016年北京市植被覆蓋度整體較高，高植被覆蓋度區(qū)域在全市范圍占了很大的比例，山區(qū)植被覆蓋度明顯好于平原區(qū)。

(3)2014—2016年，北京市總體植被覆蓋狀況較為穩(wěn)定，呈現(xiàn)改善趨勢(shì)，低植被覆蓋度、中低植被覆蓋度、中等植被覆蓋度、中高植被覆蓋度面積均出現(xiàn)了連續(xù)2年不同程度減少的現(xiàn)象，其覆蓋度等級(jí)逐漸向高植被覆蓋度演進(jìn)。