基于長(zhǎng)時(shí)間序列遙感數(shù)據(jù)的渾河上游流域植被變化監(jiān)測(cè)與分析

徐漢超

（沈陽(yáng)市勘察測(cè)繪研究院有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110004）

植被是生長(zhǎng)于地球表層的各種植物類型的總稱，是地球表層內(nèi)重要的再生資源。植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是連接土壤、大氣、水分的自然紐帶，在全球能量傳輸和物質(zhì)循環(huán)中起著“指示器”的作用,是氣候和人文因素對(duì)環(huán)境影響的敏感指標(biāo)[1]。在流域范圍內(nèi)，地表植被具有降低雨滴動(dòng)能、削弱洪峰、延緩徑流、增強(qiáng)水土抗蝕能力、減少水土流失等重要功能[2]。因此，監(jiān)測(cè)流域內(nèi)的植被變化情況，對(duì)流域的水源涵養(yǎng)及防洪安全具有重要意義。

遙感技術(shù)具有廣域覆蓋、重復(fù)觀測(cè)等特點(diǎn)，在植被變化監(jiān)測(cè)中應(yīng)用廣泛。渾河是遼寧省內(nèi)重要的河流，是沈陽(yáng)、撫順等重點(diǎn)城市的母親河。但目前對(duì)渾河流域植被的遙感監(jiān)測(cè)研究較少，對(duì)流域范圍內(nèi)的生態(tài)治理決策支持不足。因此，以渾河上游流域?yàn)槔跁r(shí)間序列的Moderateresolution Imaging Spectroradiometer （MODIS）遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)近20年流域范圍植被變化情況，為流域生態(tài)治理提供決策支持。

一、流域概況

渾河全長(zhǎng)415千米，發(fā)源于撫順市東部，自東向西，依次流經(jīng)清原、新賓、撫順市區(qū)、沈陽(yáng)市區(qū)、遼中、燈塔、遼陽(yáng)縣、臺(tái)安、海城等縣市境內(nèi)。撫順市清原滿族自治縣灣甸子鎮(zhèn)滾馬嶺是渾河的發(fā)源地。渾河為不對(duì)稱水系，年徑流量50億~70億立方米，東側(cè)支流密集，坡陡谷深，水量豐富；西側(cè)支流很少，水量不大。

渾河流域面積2.5萬(wàn)平方千米，其中上游流域面積約7300平方千米。渾河上游河岸帶植被可劃分為香蒲草叢、球子蕨草叢、燈心草草叢、柳屬灌叢、珍珠梅灌叢、核桃楸闊葉混交林、家榆闊葉混交林、長(zhǎng)白落葉松林和油松林共9個(gè)群落類型。總體來看，植被群落物種組成復(fù)雜，表現(xiàn)出高地森林與河流之間過渡帶的典型特征，草本層多為一些耐干擾種和耐水濕種，越遠(yuǎn)離河岸，高地群落中的物種比例越高，并出現(xiàn)由河岸種向山地種逐漸過渡的趨勢(shì)[3]。

二、數(shù)據(jù)與方法

1.遙感數(shù)據(jù)源

MODIS是美國(guó)宇航局研制的大型空間遙感儀器，用來了解全球氣候的變化情況及人類活動(dòng)對(duì)氣候的影響。該傳感器可獲取36個(gè)相互配準(zhǔn)的光譜波段捕捉數(shù)據(jù)，覆蓋從可見光到紅外波段。

遙感圖像上的植被信息主要是通過綠色植物葉子和植被冠層的光譜特性及其差異、變化反映。但是對(duì)于復(fù)雜的植被遙感，僅用個(gè)別波段或多個(gè)單波段數(shù)據(jù)分析對(duì)比來提取植被信息是有明顯局限性，因而往往選用多光譜數(shù)據(jù)經(jīng)分析運(yùn)算，產(chǎn)生某些對(duì)植被長(zhǎng)勢(shì)、生物量等具有一定指示意義的數(shù)值，即所謂的植被指數(shù)[4]。在植被指數(shù)中，通常選用對(duì)綠色植物強(qiáng)吸收的可見光紅波段和對(duì)綠色植物高反射和高透射的近紅外波段[5]。其中，歸一化差值植被指數(shù)（NDVI）可以部分消除地形變化、大氣衰減等的影響，與LAI、植被覆蓋度等參數(shù)相關(guān)性較好，是較為常用的植被指數(shù)[6]。基于該傳感器的紅光（red）波段和近紅外（NIR）波段，可以計(jì)算NDVI：

式中ρNIR和ρred分別為近紅外和紅色波段的反射率。

本文選用的是MOD13Q1 NDVI陸地?cái)?shù)據(jù)產(chǎn)品，空間分辨率為250米，時(shí)間分辨率為16天，時(shí)間跨度為2000年 至2019年 的 每 年5-9月。MOD13Q1產(chǎn)品的數(shù)據(jù)級(jí)別為L(zhǎng)3，已經(jīng)過去云、大氣校正等預(yù)處理操作。后續(xù)需要使用ENVI的二次開發(fā)軟件MCTK進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，將其從原來的投影轉(zhuǎn)換到Geographic Lat/Lon投影中，最后依據(jù)研究區(qū)矢量圖進(jìn)行研究區(qū)域的裁剪。

2.數(shù)據(jù)處理方法

（1）NDVI年度數(shù)據(jù)合成

以年度為時(shí)間單位，探測(cè)20年植被變化情況。因此，需要首先合成年度數(shù)據(jù)。較為常用的合成方法是最大值法（MVC），即將某一時(shí)間段內(nèi)NDVI數(shù)據(jù)的最大值作為代表值，可以進(jìn)一步消除大氣、太陽(yáng)高度角等因素的影響。本研究年度NDVI數(shù)據(jù)取每年5月至9月生長(zhǎng)季NDVI數(shù)據(jù)中的最大值。

（2）變化趨勢(shì)回歸分析

對(duì)于MODISNDVI數(shù)據(jù)，每個(gè)像元都有對(duì)應(yīng)的若干年的NDVI值。逐像元進(jìn)行線性擬合，所得斜率顯示了該像元在若干年內(nèi)的植被變化情況。線性回歸分析可以分析每個(gè)像元的NDVI變化趨勢(shì)，Stow等[7]就用該方法來模擬植被的綠度變化率。本文也使用該方法來模擬研究區(qū)20年間植被的變化趨勢(shì)，計(jì)算公式如下：

式中，slope為植被在m年內(nèi)的變化斜率；j為年份；m為植被變化監(jiān)測(cè)的總年數(shù)，本文為20年；NDVIj為第j年的年度NDVI。若變化斜率大于0，說明NDVI隨時(shí)間逐漸增大，反之則逐漸減小。根據(jù)slope的大小，將植被變化情況分為7類[8]：斜率小于-0.0090為嚴(yán)重退化，-0.0090 ~ -0.0045為中度退化，-0.0045 ~ -0.0010之間為輕微退化，-0.0010 ~0.0010之間為基本不變，0.0010 ~0.0045之間為輕微改善，0.0045 ~0.0090之間為中度改善，大于 0.0090為明顯改善。

三、結(jié)果與分析

1.基于MODIS數(shù)據(jù)的植被變化結(jié)果

渾河上游流域植被變化的遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2000年至2019年間，該區(qū)域植被變化整體上呈改善趨勢(shì)。具體來說，輕微改善的植被面積為5036.12平方千米，占比最大，達(dá)68.66%；中度改善的面積為174.21平方千米，占比2.38%；輕微退化的面積為297.54平方千米，占比4.05%；基本不變的面積為1664.63平方千米，占比22.70%；中度退化的面積為70.25平方千米，占比0.96%；嚴(yán)重退化的面積為50.94平方千米，占比0.69%；明顯改善的面積為40.71平方千米，占比0.56%。

圖1 2000-2019年渾河上游流域植被變化探測(cè)結(jié)果

近年來，渾河源頭生態(tài)功能區(qū)通過實(shí)施天然林保護(hù)工程、退耕還林工程、落實(shí)河長(zhǎng)責(zé)任制、推進(jìn)生態(tài)建設(shè)等措施，使該區(qū)域生態(tài)環(huán)境得到了明顯改善，成為植被整體改善的基本條件[9]。調(diào)查也顯示，近年來遼寧省森林健康度等級(jí)穩(wěn)中有升，生態(tài)公益林逐漸向正向演替方向發(fā)展，保護(hù)效果已取得階段性成效[10]。因此，植被變化改善得益于上述生態(tài)保護(hù)措施。

2.基于Landsat數(shù)據(jù)的驗(yàn)證與分析

通過與Landsat數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)植被明顯退化的區(qū)域多位于城區(qū)附近（圖2a，b，c）。本世紀(jì)初開始，東北地區(qū)主要城市群的城市化過程總體處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)，部分小城鎮(zhèn)逐步發(fā)展為新城市[11]。城市化和城市擴(kuò)張會(huì)對(duì)周邊植被產(chǎn)生負(fù)面影響，可以引起植被一定程度的退化[12]。

圖2 利用Landsat數(shù)據(jù)（右側(cè)）驗(yàn)證MODIS數(shù)據(jù)（左側(cè)）監(jiān)測(cè)結(jié)果

此外，也存在小部分植被明顯改善的區(qū)域，也應(yīng)引起注意并推廣相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。通過Landsat數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，典型的植被明顯改善的區(qū)域位于撫順市西南部的礦區(qū)生態(tài)復(fù)墾區(qū)域（圖2d）。對(duì)廢棄的煤礦區(qū)矸石山和排土場(chǎng)等區(qū)域進(jìn)行大范圍的生態(tài)復(fù)墾，造林樹種包括錦新楊、家榆、刺槐、火炬樹、山杏、紫穗槐、錦雞兒、沙棘等，極大地改善了植被覆蓋條件，為植被改善奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[13]。

四、結(jié)論

基于MODIS時(shí)間序列遙感數(shù)據(jù)，利用變化趨勢(shì)回歸分析方法探測(cè)了渾河上游流域植被變化情況。結(jié)果表明，20年來該區(qū)域內(nèi)植被整體呈現(xiàn)改善態(tài)勢(shì)；輕微改善面積最大，占比達(dá)68.66%。分析了植被改善和退化的原因，區(qū)域的天然林保護(hù)、退耕還林、生態(tài)復(fù)墾等生態(tài)保護(hù)措施是植被改善的根本原因，但城市化等導(dǎo)致植被退化的因素也應(yīng)引起注意。