安慶市植被覆蓋度時空變化研究

方 剛，金 俊*，陳 麗

(1.宿州學院環境與測繪工程學院，安徽宿州 234000; 2.宿州市第二中學，安徽宿州 234000)

0 引言

植被是陸地生態環境系統的主要構成部分，在陸地生態系統中發揮著重要作用，是衡量生態環境狀況的一種指標[1].植被覆蓋度是植被(枝、莖、葉)的地面垂直投影面積與研究區陸地面積的百分比[2]，是衡量區域地表植被覆蓋狀況的一個重要指標.隨著城市化進程水平的加快和人類環保重視程度的提高，對城市植被覆蓋度的研究也越來越多.研究植被覆蓋度的方法有：傳統地面測量和遙感定量反演.傳統地面測量方法主要包括：目估法、儀器法和采樣法等[3].傳統地面測量具有精度較低且耗時長的特點，如章文波[4]對密云和懷柔植被覆蓋度進行動態監測，目估法絕對誤差最高達40%，不宜用于植被覆蓋度的模擬計算.隨金明[5]提出：當樣本量超過40個時，利用數碼照片提取植被覆蓋度才有更高的精度.

相比傳統地面測量方法而言，利用遙感技術進行植被覆蓋度定量計算更加高效.利用遙感技術定量計算植被覆蓋度的方法有：經驗模型法、像元分解模型法、植被指數法等決策樹分類法等[6].當前國內外研究植被覆蓋度的算法主要是利用像元分解模型法中的像元二分模型[7-8]，以NDVI指數作為參數來定量計算植被覆蓋度，在此基礎上對區域植被覆蓋度時空變化進行分析.如：李鈺溦[9]利用MODIS-NDVI數據和像元二分模型估算了中國北方地區2000-2012年間的植被覆蓋度，結果表明：中國北方地區年最大植被覆蓋度增長較緩慢，三北防護林區域植被覆蓋度明顯增長；路廣[10]利用Landsat衛星影像和像元二分模型方法估算了黃河三角洲1986-2015年的植被覆蓋度，得到黃河三角洲區域植被覆蓋度時空變化明顯；鄭朝菊[11]利用MODIS-NDVI數據和改進的像元二分模型估算了西南地區植被覆蓋度，并探討了植被變化對氣候和人類的影響.

論文以Landsat 5 TM和Landsat 8 OLI影像為數據源，以ENVI 5.3軟件為平臺，利用像元二分模型[12]提取安慶市2004和2017年的植被覆蓋度，在此基礎上分析安慶市植被覆蓋度的時空變化.研究成果可為安慶市生態環境保護和可持續發展提供基礎數據，也可為其他城市研究植被覆蓋度變化提供參考和借鑒.

1 研究區概況

圖1 安慶市遙感影像圖Fig.1 Remote Sensing Image of Anqing

安慶市位于安徽省西南部，位于29°47′N～31°16′N和115°45′N～117°44′E之間，西部與湖北相鄰，南部與江西相鄰，西北倚大別山，東南連黃山余脈.屬于亞熱帶季風性濕潤氣候.全市轄3區(迎江區、大觀區和宜秀區)和7縣(市)：岳西縣、望江縣、太湖縣、宿松縣、潛山市、懷寧縣、桐城市，面積為13 589.99 km2，其中市區面積為821 km2，是國家森林城市.2017年末，安慶市常住人口為464.3萬人，生產總值為1 708.6億元，財政收入為290.9億元[13].論文以安慶市市區為研究區，研究區遙感影像如圖1所示.

2 數據源與數據處理流程

2.1 數據源

研究區兩時相影像為2004年7月24日Landsat 5和2017年7月28日Landsat 8(影像波段參數見表1和表2)，數據來源于中國科學院地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn)，條帶號為121/039.數據為Level 1T級，質量良好.

2.2 數據處理流程

根據研究區實際情況和影像分辨率，以ENVI 5.3軟件為平臺，首先對兩時相遙感影像分別進行輻射定標和大氣校正[14]，然后分別計算研究區NDVI值和植被覆蓋度，最后分別對研究區植被覆蓋度進行密度分割和時空變化分析.具體數據處理流程如圖2所示.

圖2 數據處理流程圖Fig.2 Flow chat of the data processing

3 研究方法

3.1 NDVI指數的計算

歸一化植被指數(NDVI)可反映植物的生長情況，在植被覆蓋度研究中起著重要作用[15]，計算公式[16]如公式(1)所示.

(1)

公式(1)中：R表示遙感影像中地物在紅色波段的反射值；NIR表示遙感影像中地物在近紅外波段的反射值.可通過ENVI5.3軟件計算研究區的NDVI值.由于影像波段運算后存在一定的異常值(即計算后部分區域的NDVI值在[-1,1]之外)，需對異常值進行去除.

3.2 像元二分模型

當前國內外研究植被覆蓋度的算法主要是利用像元分解模型法中的像元二分模型，像元二分模型假設一個像元的地表由有植被覆蓋部分和無植被覆蓋部分組成[17].利用像元二分模型和NDVI指數提取研究區的植被覆蓋度(FVC)，其計算公式[12]如公式(2)所示：

(2)

公式(2)中：NDVI表示歸一化植被指數；NDVIsoil表示無植被覆蓋區域(裸地)的NDVI值；NDVIveg表示完全植被覆蓋區域的NDVI值；FVC表示植被覆蓋度.由公式(2)可見，NDVIsoil和NDVIveg的確定將直接影響到植被覆蓋度的精度.

論文根據研究區的土地利用實際情況，在參考前人研究成果的基礎上[8,18-19]，以5%置信度來設置NDVIsoil值和NDVIveg值，最后分別計算安慶市2004年和2017年植被覆蓋度，并利用ENVI 5.3軟件去除異常值.由于部分水體表面有綠藻等植被，植被覆蓋度估算精度仍受去除異常值后的水體影響.為了去除水體對植被覆蓋度的影響，在實際研究中對水體區域進行掩膜，得到研究區陸地植被覆蓋度影像(如圖3和圖4所示).

圖3 2004年植被覆蓋度影像Fig.3 FVC image in 2004圖4 2017年植被覆蓋度影像Fig.4 FVC image in 2017

3.3 密度分割

依據《土壤侵蝕分類分級標準》和ENVI 5.3軟件將研究區植被覆蓋度密度分割為5類：低植被覆蓋度(0FVC<30%)、中低植被覆蓋度(30%FVC<45%)、中植被覆蓋度(45%FVC<60%)、中高植被覆蓋度(60%FVC<75%)、高植被覆蓋度(75%FVC100%)，安慶市植被覆蓋度分布圖如圖5和圖6所示.在此基礎上將密度分割結果輸出為分類影像，經統計得到各區植被覆蓋面積(如表3所示).由表3知：2004年低植被覆蓋區面積為51.86 km2，占研究區陸地面積的8.70%；中低植被覆蓋區面積為33.79km2，占研究區陸地面積的5.67%；中植被覆蓋區面積為54.65 km2，占研究區陸地面積的9.17%；中高植被覆蓋區面積為109.61km2，占研究區陸地面積的18.39%；高植被覆蓋區面積為346.24km2，占研究區陸地面積的58.08%.2017年低植被覆蓋區面積為86.85km2，占研究區陸地面積的14.68%；中低植被覆蓋區面積為64.74km2，占研究區陸地面積的10.94%；中植被覆蓋區面積為93.18km2，占研究區陸地面積的15.75%；中高植被覆蓋區面積為124.48km2，占研究區陸地面積的21.04%；高植被覆蓋區面積為222.28km2，占研究區陸地面積的37.58%.

圖5 2004年植被覆蓋度分布圖Fig.5 FVC distribution figure in 2004圖6 2017年植被覆蓋度分布圖Fig.6 FVC distribution figure in 2017

表3 2004年和2017年不同植被覆蓋區的面積與百分比Tab.3 The area and percentage of the different vegetation regions in 2004 and 2017

圖7 2004年和2017年不同植被覆蓋區面積變化Fig.7 The area changes of the different vegetation regions in 2004 and 2017

4 結果與分析

4.1 植被覆蓋度的時間變化分析

由表3和圖7可知，2004年自高植被覆蓋區到低植被覆蓋區面積占研究區陸地面積比分別為58.08%、18.39%、9.17%、5.67%和8.70%；2017年從高植被覆蓋區到低植被覆蓋區面積占研究區陸地面積比分別為37.58%、21.04%、15.75%、10.94%和14.68%.2004-2017年研究區內高植被覆蓋區面積顯著減少，減少了123.96 km2.低植被覆蓋區、中低植被覆蓋區、中植被覆蓋區以及中高植被覆蓋區面積是增加的，分別增加了34.99、30.95、38.53和14.87 km2.

4.2 植被覆蓋度的空間變化分析

由圖5和圖6可知，安慶市絕大部分地區植被覆蓋良好，其空間變化分布特征有：

(1)2004年，以高植被覆蓋區和中高植被覆蓋區面積為最大，主要集中分布在地勢較高的宜秀區山區、大觀區江心洲以及迎江區東部區域，呈片狀分布.中等及以下植被覆蓋區主要分布在菱湖風景區周邊商業化較高區域以及部分農業用地.

(2)2017年，高植被覆蓋區和中高植被覆蓋區主要分布在宜秀區山區，中等及中等以下植被覆蓋區主要分布在菱湖周邊區域以及迎江區中部區域，高植被覆蓋區呈片狀分布，中等及以下植被覆蓋區有碎片化趨勢.

(3)2004-2017年，中低植被覆蓋區和低植被覆蓋區由菱湖向四周擴展；東部植被覆蓋下降較多；菱湖周邊植被覆蓋得到明顯改善，由低植被覆蓋度變為中植被覆蓋度和中低植被覆蓋度.

5 結論

(1)2004-2017年，安慶市低植被覆蓋區面積增加了34.99 km2，中低植被覆蓋區面積增加了30.95 km2，中植被覆蓋區面積增加了38.53 km2，中高植被覆蓋區面積增加了14.87 km2，高植被覆蓋區面積減少了123.96 km2.

(2)2004年，高植被覆蓋區和中高植被覆蓋區主要分布在宜秀區山區、大觀區江心洲以及迎江區東部區域，呈片狀分布；中等及中等以下植被覆蓋區主要集中在菱湖風景區周邊商業化較高區域以及部分農業區域.2017年，高植被覆蓋區和中高植被覆蓋區主要分布在宜秀區山區，呈片狀分布；中等及中等以下植被覆蓋區分布在菱湖周邊區域以及迎江區中部區域；植被覆蓋呈碎片化分布.

(3)研究成果可為安慶市生態環境保護和可持續發展提供基礎數據，也可為其他城市研究植被覆蓋度提供參考和借鑒.