基于Landsat TM/OLI影像的窟野河流域植被覆蓋變化研究

摘 要：本文以窟野河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，采用2003、2010及2017年3期landsat TM/OLI影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算歸一化植被指數(shù)法NDVI，并根據(jù)像元二分模型，計(jì)算了窟野河流域內(nèi)植被覆蓋度，生成窟野河流域植被覆蓋分級(jí)圖，通過(guò)對(duì)結(jié)果分析得出，經(jīng)過(guò)多年來(lái)的綜合治理工作及氣候變化等因素共同作用下，窟野河流域內(nèi)植被覆蓋增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯。從時(shí)間上看，窟野河流域植被覆蓋總體上呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)，低覆蓋度類減少，中、高覆蓋度類呈增長(zhǎng)趨勢(shì);從空間上看，受人類活動(dòng)和氣候雙重因素影響下，流域不同區(qū)域植被覆蓋變化差異較顯著，植被總體以改善為主，部分區(qū)域則表現(xiàn)為退化。

關(guān)鍵詞：Landsat;歸一化植被指數(shù);植被覆蓋度;窟野河流域

1 研究區(qū)概況

窟野河發(fā)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)東勝區(qū)的巴定溝，是黃河的一級(jí)支流之一，從伊金霍洛旗和陜西省府谷縣流過(guò)，在陜西省神木縣沙峁頭村流入黃河[1]。流域地理范圍位于東經(jīng)109°25'56"～110°48'49"，北緯38°22'26"～39°51'18"之間，干流全長(zhǎng)242km，平均比降為0.344%，流域總面積為8742 km2。由于窟野河流域處于北溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候地帶和獨(dú)特的地理位置，導(dǎo)致其流域內(nèi)降水分布在時(shí)間和空間上極不均勻。時(shí)間上，6～9月降水量占年降水量的大多數(shù);空間上，降水量大致分布為東多西少、南多北少。窟野河流域地貌類型復(fù)雜多樣，地表主要由黃土，風(fēng)沙土和砒砂巖構(gòu)成，受水蝕、沙蝕、風(fēng)蝕等侵蝕極其嚴(yán)重，水土流失面積占總面積的90%以上，多年平均輸沙量達(dá)到上億噸，是黃河流域水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一。流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)脆弱，屬國(guó)家級(jí)水土流失重點(diǎn)治理區(qū)[1]。本文采用3期不同時(shí)間段的landsat7 TM/OLI遙感影像和植被歸一化指數(shù)研究其流域內(nèi)多年來(lái)的植被變化特征，其研究成果可以為該地區(qū)的生態(tài)恢復(fù)提供基礎(chǔ)信息。

2 遙感數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)預(yù)處理

根據(jù)窟野河流域所處的地理位置特征和有關(guān)植被研究，6～8 月為窟野河流域內(nèi)植被主要生長(zhǎng)季，此時(shí)植被覆蓋度最高。因此本文選擇 2003年、2010年以及 2017年的每年6月下旬共3期Landsat TM/OLI遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，影像的空間分辨率為30m，每期均由2景圖像鑲嵌而成。植被生長(zhǎng)狀況相近，并且云覆蓋量接近于零，能夠降低由于溫度、降雨等自然因素引起的差異對(duì)植被長(zhǎng)勢(shì)的影響，極大地提高了研究的可靠性。

由于受到遙感系統(tǒng)的空間、時(shí)間、光譜和輻射分辨率的限制，復(fù)雜的地球表面信息很難準(zhǔn)確記錄，使得數(shù)據(jù)采集分析過(guò)程中不可避免地出現(xiàn)誤差。正是由于存在這些誤差，遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量將會(huì)有所降低，從而影響圖像分析的準(zhǔn)確性。因此，為了更好地進(jìn)行定量化研究，需要對(duì)遙感原始影像進(jìn)行預(yù)處理。主要是對(duì)影像獲取過(guò)程中產(chǎn)生的模糊、變形和噪音等誤差進(jìn)行糾正，還原圖像最真實(shí)的信息[2]。本文主要采用ENVI軟件實(shí)現(xiàn)影像的輻射定標(biāo)和大氣校正，把原始影像的DN值轉(zhuǎn)化為地面目標(biāo)的反射率。再利用窟野河流域邊界矢量圖對(duì)三期鑲嵌的遙感影像進(jìn)行裁剪，最終得到預(yù)處理后的研究區(qū)遙感影像圖。

3 研究方法

3.1 歸一化植被指數(shù)提取

歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，NDVI）是根據(jù)遙感影像波段抽象出來(lái)的，其值與植物的長(zhǎng)勢(shì)和生產(chǎn)率成正比。在一定程度上可以反映出植被覆蓋度和植被生長(zhǎng)狀況，其計(jì)算公式為：

（1）式中：NIR為近紅外波段;R為紅外波段。

得到NDVI 值取值范圍在-1到1之間，負(fù)值表示地面覆蓋為河流、湖泊等水域;0值表示建筑物、巖石或裸地等無(wú)植被覆蓋區(qū);正值表示地面有植被覆蓋，且NDVI值與植被覆蓋度成正比。

3.2 植被覆蓋度計(jì)算與分級(jí)

植被覆蓋度（Fractional Vegetation Coverage，F(xiàn)VC）是指植被冠層的垂直投影面積與土地總面積之比，能比較直觀地反映出植被的現(xiàn)狀，并能夠清晰地揭示植被覆蓋的變化過(guò)程[3]。本文研究采用像元二分?jǐn)?shù)學(xué)模型對(duì)NDVI結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算，可以使植被指數(shù)定量化地反映植被信息并得到植被覆蓋度，再對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行分等級(jí)劃分，以達(dá)到對(duì)植被覆蓋演變程度量化的目的，使植被面積變化的定量評(píng)價(jià)更為直觀可讀。植被覆蓋度計(jì)算的公式為[2]：

（2）式中：NDVIsoil為全土壤覆蓋像元的NDVI值;NDVIveg 為全植被覆蓋像元的NDVI值。參考文獻(xiàn)[4]提出的關(guān)于NDVIveg和NDVIsoil的估算方法以及NDVI灰度值分布，截取5% 和95% 的NDVI值為上下限閾值分別近似代表 NDVIveg和NDVIsoil，計(jì)算出植被覆蓋度。

通過(guò)植被覆蓋度量化分級(jí)處理，可以直觀地得到窟野河流域植被生長(zhǎng)空間分布情況。本文根據(jù)國(guó)家《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》和相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合研究區(qū)的植被狀況和遙感圖像的可解譯程度，最終采用等間距分級(jí)法，將每期窟野河流域植被覆蓋度計(jì)算結(jié)果劃分為5個(gè)植被覆蓋等級(jí)區(qū)：Ⅰ級(jí)（低植被覆蓋度）：0～0.2，對(duì)應(yīng)于沙漠、撂荒地、居民點(diǎn)及交通用地等;Ⅱ級(jí)（中低植被覆蓋度）：0.2～0.4，對(duì)應(yīng)于低產(chǎn)草地、疏林地等植被;Ⅲ級(jí)（中植被覆蓋度）：0.4～0.6，對(duì)應(yīng)于農(nóng)田、中產(chǎn)草地等植被;Ⅳ級(jí)（中高植被覆蓋度）：0.6～0.8，對(duì)應(yīng)于中高產(chǎn)草地、林地、農(nóng)田等植被;Ⅴ級(jí)（高植被覆蓋度）：0.8～1，對(duì)應(yīng)于保護(hù)良好森林、高產(chǎn)草地、良田等植被。

為了更好地描述窟野河植被覆蓋在空間上的變化程度，利用（3）式計(jì)算植被覆蓋度變化情況[3]。

（3）式中：FVCi為較晚年份（i年）的植被覆蓋度;FVCj為較早年份（j年）的植被覆蓋度。基于（3）式的植被覆蓋度變化計(jì)算結(jié)果，設(shè)置臨界值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化分級(jí)確定植被覆蓋度變化等級(jí)區(qū)域[3]。根據(jù)本研究區(qū)植被覆蓋度變化的實(shí)際情況，將全區(qū)分為5個(gè)植被覆蓋度變化等級(jí)區(qū)：D<-0.5為嚴(yán)重退化區(qū)，-0.5≤D<-0.1為輕微退化區(qū)，-0.1≤D<0.1為穩(wěn)定區(qū)，0.1≤D<0.5 為輕微改善區(qū)，D≥0.5為強(qiáng)烈改善區(qū)。

4 植被覆蓋度提取結(jié)果與分析

4.1植被覆蓋度提取

根據(jù)研究方法，提取2003-2017年間3期影像的NDVI值，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的植被覆蓋度。不同分級(jí)的植被覆蓋情況見(jiàn)表1，如圖2所示為2003年、2010年和2017年3期植被覆蓋度圖。然后根據(jù)式（3）得到不同時(shí)間段內(nèi)窟野河植被覆蓋變化圖。如圖2所示，從圖中可以清晰的看到，近14年來(lái)，窟野河流域植被覆蓋度逐漸增加。

4.2 結(jié)果分析

由表1可以得到，2003年流域植被覆蓋度相對(duì)較低，其中低植被覆蓋度地區(qū)和中低植被覆蓋度地區(qū)占全流域面積的比例最大，總共有64.63%，占了一半以上。2010年植被覆蓋度總體上小幅度上升。各級(jí)別中，低植被覆蓋度地區(qū)明顯減少，由2003年的33.17%減至23.35%，中低植被覆蓋度和中植被覆蓋度地區(qū)面積小幅度增長(zhǎng)，分別達(dá)到36.28%和20.88%，較2003年分別增長(zhǎng)了4.82%和4.06%，中高植被覆蓋度和高植被覆蓋度地區(qū)輕微增長(zhǎng)，分別增長(zhǎng)了0.8%和0.14%，中低植被覆蓋度和中植被覆蓋度地區(qū)占流域面積達(dá)到57.16%。2017年植被覆蓋狀況較2010年有顯著改善。中、中高和高植被覆蓋度的地區(qū)占流域面積明顯增加，分別增加了11.02%，9.08%和4.25%，中植被覆蓋度和中高植被覆蓋度地區(qū)占流域面積達(dá)到50.56%，中低植被覆蓋度、低植被覆蓋度的地區(qū)占流域面積減少量分別為12.83%和11.52%。總體在時(shí)間上來(lái)看，2003年-2017年窟野河流域植被覆蓋度總體呈大幅度增加趨勢(shì)，其中中植被覆蓋度和中高植被覆蓋度地區(qū)面積所占比例增加最為明顯，分別增加了1.89倍和2.12倍。從圖2可以明顯地看出，在空間上研究區(qū)植被覆蓋度改善的區(qū)域主要集中在流域東部，除局部地區(qū)外，流域植被覆蓋度都在增加。

根據(jù)前人研究和相關(guān)資料分析得到，影響窟野河流域多年來(lái)植被變化的因素主要有以下兩方面：一是人類活動(dòng)。自水土保持生態(tài)治理工程以及退耕還林工程等項(xiàng)目開(kāi)展以來(lái)，窟野河流域的植被覆蓋狀況得到了顯著的改善，植被覆蓋呈顯著增加趨勢(shì)。二是氣候因素。氣候的影響主要體現(xiàn)在降雨量和溫度上。但是氣溫主要調(diào)節(jié)一年內(nèi)植被的生長(zhǎng)節(jié)律，與植被覆蓋度的年際間變化關(guān)系不大，對(duì)植被覆蓋度的增長(zhǎng)貢獻(xiàn)不大。但是降雨對(duì)植被有積極的影響，與植被覆蓋度的年際間變化呈正相關(guān)。由文獻(xiàn)[4]可知，多年來(lái)，窟野河流域在不同地區(qū)降雨呈現(xiàn)出一定的差異，流域年平均降雨量變化并不很大，甚至存在輕微下降的趨勢(shì)，植被覆蓋反而總體好轉(zhuǎn)，這種情況表明降雨對(duì)植被覆蓋度的增加也沒(méi)有起到主要作用。雖然在2003-2017年，整體上看植被覆蓋顯著提高，但局部地區(qū)也有減少的情況，主要是由耕地?cái)U(kuò)張、城鎮(zhèn)建設(shè)和礦產(chǎn)開(kāi)采等原因造成的[5]。相關(guān)資料表明，含煤礦地區(qū)絕大部分地表覆蓋植被，煤炭開(kāi)采嚴(yán)重破壞地表植被。人類活動(dòng)頻繁，植被受干擾，部分地區(qū)植被退化比較嚴(yán)重，這表明該地區(qū)人類活動(dòng)對(duì)植被的干擾遠(yuǎn)大于氣候因素的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

本次研究表明，利用Landsat TM/OLI遙感影像計(jì)算歸一化植被指數(shù)的方法，可以快速準(zhǔn)確地獲取到區(qū)域植被覆蓋度，為生態(tài)恢復(fù)以及區(qū)域植被監(jiān)測(cè)提供了可靠的數(shù)據(jù)。由于受遙感數(shù)據(jù)限制，本文中沒(méi)有研究農(nóng)業(yè)用地等植被覆蓋變化在窟野河植被覆蓋變化過(guò)程中所產(chǎn)生的的影響及作用，在這一方面仍需進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

陳健（1995-），男，漢，河南省信陽(yáng)市，研究生，研究方向：遙感地學(xué)應(yīng)用.