1993年～2019年圖木舒克市植被覆蓋度時空變化分析

白 松

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 844000)

0 引言

植被作為城市最重要的景觀之一，不僅對城市生態環境保護做出了貢獻，而且深刻的影響城市未來及可持續發展[1]。但城市建設及城市化的加快，給城市生態環境帶來一系列問題，也對植被覆蓋面積變化帶來一定程度的威脅[2]。因此，區域適時的監測、探討及分析城市植被覆蓋時空格局及其變化，對城市生態環境與規劃具有重要的意義。遙感技術是監測與分析區域植被覆蓋度變化的重要手段，具有成本低、長時序與覆蓋面積廣等優勢。本文基于1993年～2019年Landsat系列衛星遙感影像數據，采用NDVI、像元二分模型與植被平均覆蓋度等模型與方法，探討1993年～2019年27年圖木舒克市植被覆蓋的時空動態變化趨勢。

1 研究區概況

新疆生產建設兵團第三師圖木舒克市(新疆維吾爾自治區直轄縣級市)位于塔里木盆地西北部，葉爾羌河與喀什噶爾河流域下游交匯的沖擊平原區，是喀什地區、阿克蘇地區、克州與和田地區等南疆三地一洲的中心地帶，行政面積1915.56 km2，下轄市區街道、44、49、50、51、53五個農牧團場與小海子水管理處等單位。境內主要河流與水域為葉爾羌河及其分支蓋木里克河、喀什噶爾河分支圖來買提河與克列根河、小海子水庫與永安壩水庫，其中小海子水庫與永安壩水庫庫容分別為5×108m3與2×108m3，該市主要以農業生產為主，總灌溉面積為728.44 km2，氣候具有典型溫帶極干旱荒漠特征，溫暖干燥，多年平均降雨量為<70 mm，海拔高程約為1075.3 m～1499.6 m，其研究區概況圖見圖1。

圖1 研究區概況圖(Landsat OLI RGB-654影像)

2 數據源與研究方法

2.1 數據源及預處理

本文綜合考慮圖木舒克市植被生長季節性差異、云量及沙塵暴等影響，選用1993年8月1日(Landsat TM)、2008年8月21日(Landsat ETM+)、2019年7月24日(Landsat OLI)等不同3期8月1日～8月30日天氣良好、植被茂盛時期，質量良好的美國國家航空航天局NASA的Landsat(TM/ETM+/OLI)系列衛星遙感影像數據(軌道號為：147/32，分辨率：30 m)，云量分別為1.02%、3.54%、0.2%(云量均研究區外)，數據下載網站為美國地質勘探局網站(http：//glovis.usgs.gov)與國家地理空間數據云官網(http：//www.gscloud.cn)。圖木舒克市行政矢量邊界圖從中國科學院地理科學與資源研究所共享官網下載(http：//www.resdc.cn)。利用ENVI 5.3與ArcGIS 10.3軟件對原影像數據進行去條帶(Landsat ETM+)、輻射定標及大氣校正，并以此市行政邊界圖為基礎進行圖像裁剪和掩模統計。

2.2 NDVI計算

NDVI(歸一化植被指數)是由衛星數據不同波段光譜組合而成，業界人士研究證明歸一化植被指數是目前反演植被覆蓋度狀況的最佳植被指數之一，計算公式如下式：

(1)

式中：NIR為Landsat TM/ETM+/OLI數據的近紅外波段值(TM/ETM+為Band4，OLI為Band5)；Red為Landsat TM/ETM+/OLI數據的紅外波段值(TM/ETM+為Band3，OLI為Band4)[3]。

2.3 像元二分模型

NDVI與植被覆蓋度(FVC)之間存在著顯著的線性相關關系，利用兩者關系進行建模估算區域植被覆蓋度。其像元二分模型計算公式如下式：

(2)

式中：NDVIveg為代表純植被像元NDVI值，NDVIsoil為代表裸地或無覆被像元NDVI值[4]。根據植被覆蓋估算理論來分析可知，NDVIsoil與NDVIveg的值應分別為0和1，但是由于外界因素與傳感器差異原因，存在一定的誤差，此為依據，為了求得正確的對應值，選取累計百分比5%作為NDVIsoil、95%作為NDVIveg。

目前為止還沒有統一的植被覆蓋度的分級閾值標準，本文據國家《土地利用現狀調查技術規程》和結合干旱區綠洲植被特有的生態特征，并對植被覆蓋度進行閾值分割處理。其中植被覆蓋度的閾值分割按照傳統的分類方法分為Ⅰ級[0，0.2]、Ⅱ級[0.2，0.3]、Ⅲ級[0.3，0.6]、Ⅳ級[0.6，1]等4個等級，分別代表為裸地或極低(含水域)、低、中、高植被覆蓋。

2.4 植被平均覆蓋度

通過不同等級植被覆蓋度面積加權平均來估算圖木舒克市不同時期植被平均覆蓋度。若高、中、低與極低植被覆蓋度等級面積分別為FVC高、FVC中、FVC低與FVC極低，對應覆蓋等級取值分別為4、3、2與1，其計算公式(3)得到圖木舒克市不同時期的植被平均覆蓋度[5]。

(3)

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋度空間格局分布特征及變化趨勢

基于NDVI像元二分模型，利用軟件ENVI 5.3與ArcGIS 10.3計算得出圖木舒克市不同3期植被覆蓋度，并以此為基礎DN值進行閾值分割，得到1993年、2008年與2019年不同3期植被覆蓋度空間格局等級分布圖。如圖2所示，圖木舒克市植被永安壩水庫東北部總體以突里買提河與克列根河為軸線，從高到低向外展布，永安壩水庫西南部總體以蓋木里克河為主線，高覆蓋為主呈大面積片狀分布。

圖3是利用圖木舒克市行政邊界矢量進行掩膜統計計算得到的不同等級植被覆蓋度與NDVI均值變化線性趨勢。從圖3可知，圖木舒克市近27年植被總覆蓋面積(不包括極低覆蓋面積)、植被平均覆蓋度及NDVI均值都呈增加趨勢，三者擬合優度R2分別為0.9719、0.973與0.9756。在3期統計結果中，圖木舒克市總植被覆蓋面積由1993年的1178.1 km2增加至2019年的1218.4 km2，增加了40.4 km2，增幅為3.43%；植被平均覆蓋度由1993年的2.2122增加至2019年的2.5761，增加了0.3639，增幅為16.45%；NDVI均值由1993年的0.122增加至2019年的0.301，增加了0.179，增幅為146.72%。不同時段分析可知，植被總覆蓋面積、植被平均覆蓋度與NDVI平均值增加量最明顯時段為1993年～2008年，增幅分別為2.22%、10.60%與93.44%。

(a)總覆蓋

(b)植被平均覆蓋度

(c)NDVI平均值

在不同時期、等級植被覆蓋面積變化趨勢中(圖4)，高植被覆蓋線性增加變化趨勢最顯著(R2=0.9937)，由1993年的317.2 km2增加至2019年的759.6 km2，增加了442.4 km2，增長率139.49%。其余中、低、裸地或極低覆蓋面積線性變化都呈減小趨勢，線性擬合優度R2分別為0.9726、0.8690與0.9718，分別由1993年的504.0 km2、356.9 km2、732.8 km2減小至2019年的274.1 km2、184.7 km2、692.5 km2，分別減小229.9 km2、172.18 km2、40.36 km2，降幅分別為45.62%、48.24%、5.51%。對比可知，4個不同植被覆蓋等級結果中，高植被覆蓋面積增加最顯著，且植被總覆蓋面積比重也最大。經計算，高植被覆蓋面積在3期占植被總覆蓋面積比重分別為26.92%、47.24%與62.34%，所占比例逐漸上升。

(a)高覆蓋

(b)中覆蓋

(c)低覆蓋

(d)裸地或極低覆蓋

3.2 植被覆蓋度空間動態變化特征

為了進一步揭示圖木舒克市植被覆蓋度變化狀況，對1993年與2019年植被覆蓋等級之間相互進行狀態轉移矩陣?？v觀分析見表1，1993年～2019年，圖木舒克市植被覆蓋主要以極低和低覆蓋小面積向中覆蓋轉移、低和中覆蓋大面積向高覆蓋轉移為主。具體轉移量為：極低和低覆蓋分別轉中覆蓋53.74 km2和58.32 km2，分別占極低和低覆蓋面積的7.33%和16.34%；低和中覆蓋分別轉高覆蓋143.13 km2和252.01 km2，分別占極低和低覆蓋面積的40.66%和50.00%。從絕對變化量來分析可知，極低、低、中和高植被覆蓋面積變化量分別為-40.36 km2、-172.18 km2、-229.90 km2和442.44 km2，極低、低和中覆蓋都均減小，其中低和中覆蓋均大幅度減小，接近占1993年面積的一半；高覆蓋大幅度增加，接近占1993年1.4倍；極低、低和中覆蓋最終轉為高覆蓋，其中中覆蓋比率最大。

表1 1993年～2019年圖木舒克市植被覆蓋度等級轉移矩陣

4 結論

(1)近27年，圖木舒克市植被覆蓋面積大幅度增加的同時，植被覆蓋度也明顯上升。2019年比1993年植被覆蓋總面積增加40.4 km2，增幅為3.42%。從不同覆蓋等級分析可知，高覆蓋增加最顯著，近27年增加了442.4 km2，增幅為139.49%；極低、低和中覆蓋面積都均減少趨勢，其中低和中覆蓋減少最顯著，減少面積分別為229.9 km2和172.18 km2，降幅分別達45.61%和48.24%；極低覆蓋減小不太明顯，減小面積為40.36 km2，降幅為5.51%。

(2)1993年～2019年，圖木舒克市NDVI與植被平均覆蓋度都呈上升趨勢，上升率分別為146.72%和16.45%。

(3)圖木舒克市植被覆蓋總體以高植被覆蓋為主，極低、低和中覆蓋最終都轉為高覆蓋，其中中覆蓋轉移比重最大，占比達50.00%。