呼和浩特市和林格爾縣植被覆蓋度變化遙感監測

劉玉茹,衛亞星*

（遼寧師范大學地理科學學院,遼寧 大連 116000）

引言

隨著對生態環境的高度重視, 人們也開始更多的關注植被,植被是生態系統的重要組成部分。植被覆蓋度是指在一定面積內植被的葉、莖、枝在地面的垂直投影面積占統計區總面積的百分比[1-3]。植被覆蓋度反映植被的茂密程度,并且反映地面植被的生長趨勢,它是反映植被的重要數據[3]。

運用遙感數據影像,以及植被的植被指數相結合,利用植被指數可以分析不同植被的生長情況以及分布的地理位置。本研究基于Landsat TM/OLI 影像數據,采用像元二分法反演植被覆蓋度;用趨勢線分析法分析了植被覆蓋度的年際變化特性。

1 研究區概況

和林格爾縣是內蒙古自治區呼和浩特市所轄旗縣之一,是內蒙古自治區中部地區,見圖1。介于39°58'N-40°41'N,111°26'E-112°18'E 之間。和林格爾縣地勢東高西低、南高北低。東部和南部是山區。西部和北部為平原,地勢平坦。和林格爾縣地形多樣,有高山、丘陵、河流,有“五丘三山二分川”之稱。和林格爾縣屬中溫帶大陸性季風氣候,氣候干旱、多風、寒冷,日照充足,溫差大。

圖1 研究區示意圖

2 研究數據與方法

2.1 數據來源與預處理

本研究選用遙感數據是基于地理空間數據云網站（http: //www.gscloud.cn/）所獲得的遙感數據,提取呼和浩特市和林格爾縣分辨率為30 m 的五景數據,分別為1999 年8 月31 日、2004 年8 月28 日、2009 年9月27 日的Landsat5；2014 年8 月24 日、2020 年9 月25 日的Landsat8 OLI,條帶號為126,行編號為32,云量均小于0.3%。數據預處理包括對影像進行按掩膜提取、輻射定標和大氣校正。

2.2 研究方法

本研究采用的方法是像元二分法,該方法將像元分為均一像元和混合像元兩種[4]。

式中,NDVIv 為有植被,NDVIs 為裸土,Ci 為植被覆蓋度。通過公式(1),得到Ci 如下：

計算植被覆蓋度FVC 的公式可表示為[7]：

式中,NDVIsoil為裸土或無植被覆蓋; NDVIveg為完全植被覆蓋,這兩個值都會隨著植被的時空分布變化而變化[8-10]。本研究選擇的是5%和95%的置信度區間上的值。

植被覆蓋度的年際變化分析,好多學者都采用一元線性回歸趨勢分析法模擬植被覆蓋度的變化趨勢[3,9,11]。對研究區1999-2020 年的植被覆蓋度變化規律進行分析,用一元線性回歸趨勢分析得到1999-2020年和林格爾縣植被覆蓋度變化趨勢。

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋度時間變化特征

參考相關文獻[6,8],以及結合和林格爾縣的植被覆蓋度情況,重分類為5 級,包括極低植被覆蓋度（0-0.2）,低植被覆蓋度（0.2-0.4）,中低植被覆蓋度（0.4-0.6）,中植被覆蓋度（0.6-0.8）,高植被覆蓋度（0.8-1.0）。

通過ENVI 軟件,得到和林格爾縣的植被覆蓋度,對年平均植被覆蓋度數據進行一元線性回歸擬合,見圖2。結果表明,1999-2020 年和林格爾縣年平均植被覆蓋度呈上升趨勢,增速為0.022 9/a,R2 為0.181 4。在2004 年出現了較大的浮動,其年平均植被覆蓋度為最高值0.491。在研究的時間范圍內,1999年的年平均植被覆蓋度最低為0.353,2020 年的年平均植被覆蓋度為0.465,增加了0.112。

圖2 1999-2020 年植被覆蓋度變化趨勢

根據年植被覆蓋度,進行重分類,分 別 統 計 了1999 年、2004 年、2009年、2014 年和2020 年這五年的植被覆蓋度等級的面積占比以及面積的總數,對各植被覆蓋度的面積時間變化情況進一步分析。如表1 所示,1999-2020 年和林格爾縣的極低植被覆蓋度面積較大程度的減少,從1 471.68 km2, 占 比42.69% 減 少 到467.34 km2占比13.56%,減少約1 000 km2,占比約30%,其中2009 年出現了增加趨勢,由2004 年的15.56%增加到30.31%。低植被覆蓋度總體面積是增加趨勢,由最早的14.39%增加到28.90%,其中2014年低植被覆蓋度的占比是其全年最多的,為30.69%。中低植被覆蓋度在研究的時間內,面積占比增加約20%,其中2004 年和2020 年的占比增加最多,同時也是其年內植被覆蓋度占比最大值。中植被覆蓋度在1999 年時的面積占比為8.03%,到2020 年為14.44%。與其他等級不同,高植被覆蓋度的面積隨著時間增加而減少。1999 年的23.77%,占全年的50%,到2020 年,占比減少到13.61%。從整個數據中可以看到,2020 年的植被覆蓋度較為均勻,低植被覆蓋度和中低植被覆蓋度占一多半。

表1 1999-2020 年和林格爾縣植被覆蓋度面積統計

3.2 植被覆蓋度空間變化特征

通過對每年的NDVI 進行波段計算,得到了1999-2020 年和林格爾縣的植被覆蓋度。如圖3 所示,由1999 年的植被覆蓋度分布圖可以看出,極低植被覆蓋度占主要部分,東部有一片高植被覆蓋度區域。在2000 年,我國進行西部大開發,重點關注生態退耕,到2004 年,明顯得到了發展,極低植被覆蓋度大面積減少,轉為中低植被覆蓋度占較大部分,同時,北部地區的高植被覆蓋度較為顯著。但是,在2009 年,極低植被覆蓋度再次占較大面積,不變的是北部的地區依然是高植被覆蓋度。2014 年與2009 年相似,但是從極低植被覆蓋度轉向了低植被覆蓋度和中低植被覆蓋度。隨著人們對于生態保護的意識越來越強,到2020 年,整個地區的植被覆蓋度均勻分布,西北部有明顯的高植被覆蓋度,大部分地區為低、中低植被覆蓋度。

圖3 1999-2020 年和林格爾縣植被覆蓋度空間變化

如圖4,1999-2020 年和林格爾縣的植被覆蓋度變化趨勢圖可以看出,植被覆蓋度總體呈現增加的趨勢,但是在東北部地區,有顯著減少。1999-2004 年和2014-2020 年的變化趨勢相近,整體為輕微增加,以及在部分地區有顯著減少。從2004-2009 年變化趨勢圖可見,整體都存在顯著減少和輕微減少,具有較大的變化。相反,2009-2014 年的植被覆蓋度幾乎趨于無顯著變化。

圖4 1999-2020 年和林格爾縣植被覆蓋度變化趨勢空間分布

4 結論與討論

研究了和林格爾縣從1999 年到2020 年各植被覆蓋度的時空變化,以及影響因素地形因子對其的影響變化。

（1） 在時間變化上,1999-2020 年和林格爾縣年平均植被覆蓋度呈上升趨勢,增速為0.022 9/a,2014年的年平均植被覆蓋度達到了最高值,為0.491。并且1999-2020 年的極低植被覆蓋度的面積大幅度減少,低植被覆蓋度的面積呈增加趨勢,中低植被覆蓋度的面積呈增加趨勢,高植被覆蓋度的面積呈現逐年減少趨勢。

（2） 在空間變化上,研究區的植被覆蓋度總體呈顯著增加的趨勢,高植被覆蓋度分布在西北部,大部分地區為低、中低植被覆蓋度,但是在東北部地區,有顯著減少。