基于Landsat 衛星遙感的2000年～2020年天山區植被覆蓋時空變化研究

迪力穆拉提·司馬義，麥麥提吐遜·麥麥提，奧布力亞森·艾力木

（1.新疆喀什市水利局,新疆 喀什 844000；2.新疆英吉沙縣水利局,新疆 英吉沙 844500）

0 引言

植被是大陸生態環境有著關鍵作用,是空氣—水分—土壤的連接紐帶[1],亦然反映區域自然生態系統質量的良好標志。城市綠化率與植被多樣性對區域空氣溫濕度調節和防治水土流失等有至關重要的作用[2]。但城市化速度的加快和經濟發展的提高,城市生態環境系統和植被覆蓋率帶來一系列問題,也對植被生長的長期性帶來一定程度的威脅[3]。本文以天山區為研究區,使用Landsat 系數據,運行相關分析工具及模型、方法,解譯天山區植被覆蓋度的時空動態演變規律,對于區域科學指導今后的城市規劃與生態環境建設有一定的參考價值。

1 研究區概況

天山區,新疆烏魯木齊市下轄區,總行政區域面積為170.786 km2, 南北長、東西寬分別為25 km 和9 km, 下轄18 個街道片區,區內主要河流與水域為從北往南縱穿的烏魯木齊河和水上樂園、紅雁池及烏拉泊水庫,氣候具有中溫帶半干早大陸性氣候特征,寒暑變化較大,多年平均降雨量為≤200 mm,海拔高程約為865.65 m～1282.55 m,其研究區平面圖見圖1。

圖1 研究區概況示意圖

2 數據源與研究方法

2.1 數據源及預處理

本文綜合分析與考慮外界影響因素,8 月～9 月時段選用2000年～2020年三期Landsat 系數據,云量均小于6%（云均研究區外）。運行ENVI 與ArcGIS 進行預處理等解譯前期準備工作。三期2000年～2020年的土地利用數據從中科院地資所官網下載（https://www.resdc.cn/）。其余的數據來源于新疆與烏魯木齊市統計年鑒、水資源公報及政府官網。

2.2 NDVI 計算

NDVI（歸一化植被指數）計算方法見式（1）：

式中：NIR與R 分別為Landsat 系的近紅外波段值與紅外波段值[4]。

2.3 像元二分模型

IFVC（像元二分模型）計算公式見式（2）：

式中：INDVIveg與INDVIsoil分別為完全覆被與裸地或無覆被像元NDVI 值[5]。

其中INDVIveg與INDVIsoil取值分別為NDVI 累計值的95%與5%。取值范圍分別為極低（0～20%）、低（20%～40%）、中（40%～60%）、高（60%～80%）與極高（80%～100%）[6]等5個等級。

2.4 植被平均覆蓋度

利用加權平均法進行計算平均平均植被覆蓋度[7]。對應值分別為極高（IFVCⅤ）、高（IFVCⅣ）、中（IFVCⅢ）、低（IFVCⅡ）與極低（IFVCⅠ）。計算公式見式（3）：

2.5 影像差值法

為了解譯不同時隔之間的動態變化狀況,通過影像差值比較法計算不同時期植被覆蓋變化量Δ FVCg ,若差值等于、大于與小于零分別代表植被覆蓋未變化、增大與減小。計算公式見式（4）：

式中：IFVCg_t2與IFVCg_t1分別表示前與后期植被覆蓋度等級。

對三個時隔進行影像差值比較,差值結果劃分為七個等級,其中閾值負數在[-1,0）分三個等級、閾值等于零一個等級與閾值正數在（0,1] 分三個等級[7]。

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋度空間分布特征及變化趨勢

基于NDVI 建立像元二分模型運行ENVI 計算出2000年～2020年的三期植被覆蓋度,并按照閾值分割標準劃分得到天山區的三期植被覆蓋度空間分布影像圖。如圖2 所示,極高與高植被覆蓋度集中于區中部西側和區西南部,呈小面積分散式分布,中與低植被覆蓋度匯聚于極高與高植被覆蓋度外圍及區東部,呈大面積片狀分布。

圖2 天山區2000年～2020年植被覆蓋空間分布

從不同級別分析圖3（a）可知,天山區近21年期間總覆蓋面積（不包括極低覆蓋面積）、極高覆蓋面積、中覆蓋面積和低覆蓋面積整體都減小趨勢,高覆蓋面積總體上穩定,極低覆蓋面積整體增加趨勢。在2000年～2020年天山區3 個時期覆蓋面積統計結果中,總覆蓋面積由2000年的136.81 km2減小至2020年的78.91 km2,面積減小57.91 km2,降幅為42.33%,接近減小一半面積；極高覆蓋面積變化有波動,先增加后減小,2010年面積達到最大（15.05 km2）,由2000年的12.70 km2減小至2020年的5.39 km2,面積減小7.30 km2,降幅為57.53%,超出一半面積；中覆蓋面積由2000年的23.84 km2減小至2020年的17.84 km2,面積減小6.00 km2,降幅為25.16%；低覆蓋面積由2000年的92.11 km2減小至2020年的46.28 km2,面積減小45.84 km2,降幅為49.76%,減小面積占一半；高覆蓋面積由2000年的8.17 km2增加至2020年的9.40 km2,面積增加1.23 km2,增幅為15.07%；極低覆蓋面積由2000年的34.15 km2增加至2020年的92.05 km2,面積增加57.91 km2,降幅為169.59%,增加面積超過1.5 倍。不同時間段分析,總、極高、高、中、低與極低覆蓋面積分別2000年～2010年與2010年～2020年增幅分別為-23.55%、18.54%、23.39%、-17.25%、-35.15%、94.49%與-24.56%、-64.17%、-6.74%、-9.56%、-22.53%、38.69%。

圖3 天山區各個覆蓋等級面積、植被平均覆蓋度和NDVI均值變化

天山區不同時期植被平均覆蓋度與NDVI 均值變化趨勢圖3（b）中可知,三期植被平均覆蓋度呈增加趨勢的同時,NDVI 均值也上升趨勢,二者擬合有度值R2分別為0.978、0.9436,植被平均覆蓋度值由2000年的2.258 減小至2020年的1.770,兩者成反比關系。不同時間段分析,NDVI 均值由2000年的0.165 增加至2020年的0.193。不同時間段分析,植 被 平 均 覆 蓋 度 與NDVI 均 值2000年～2010年、2010年～2020年與2000年～2020年增幅分別為-6.60%、10.55%,-16.06%、5.61%,-21.59%、16.74%。

3.2 植被覆蓋度空間動態變化特征

為了揭示與分析天山區植被覆蓋度動態變化情況,利用影像差值比較法計算天山區2000年～2020年植被覆蓋絕對變化,差值結果小于0 表示減小、大于0 表示增加與等于0表示未發生變化。

揭示與分析結果可知（圖4 與表1）,天山區植被覆蓋變化呈不同面積的增加、減小與未發生變化。聯合天山區覆蓋空間與絕對變化量空間分布整體分析可知,不變區基本以極低覆蓋等級區為主,覆蓋增加區基本以低、中與極高覆蓋等級區域為主。從三個時期揭示可知,2000年～2010年植被減小區域面積小于增加區域面積,其中輕度改善區（+1）占的面積比例最大,然則增加區與減小區展布狀況分別為分散與集中；延安路街道、團結路街道與黑甲山街道交接處、賽馬場街道中部植被有所極度與中度為主改善,其余區域輕度改善為主；烏拉泊水庫西邊、紅雁街道最西南處與最北處、紅雁池水庫西側與東側植被明顯嚴重與中度退化為主,其余區域輕度退化為主。2010年～2020年,覆蓋面積以增加為主,除了紅雁街道最北處、紅雁街道與燕兒窩街道交接處大面積片狀和小面積破碎式減小以外,其余區都不同程度碎片式增加,尤其是輕微改善為主。縱觀2000年～2020年天山區覆蓋面積總體增加,且以烏拉泊水庫南側、燕兒窩街道西側、延安路街道西側較為突出,其余輕微改善區為主；減小區域除了紅雁池水庫周圍區、烏拉泊水庫西側、紅雁街道最南側與北側顯著外,其余碎片式減小。綜合分析可知,天山區植被覆蓋空間動態變化存在一定的時隔性和地域性差別。

表1 2000年～2020年天山區不同時隔的植被覆蓋度空間等級量化面積變化

圖4 天山區2000年～2020年植被覆蓋度絕對變化量空間分布

3.3 土地利用結構變化

使用中科院地資所官網提供的數據進行裁剪得到2000年～2020年三期的天山區土地利用結構演變與空間分布狀況（圖5 和表2）。

表2 2000年～2020年天山區不同時隔的土地利用類型面積及所占比例

圖5 天山區2005年～2020年4 個時期土地利用類型空間分布

從圖5 的2000年～2020年三期的天山區土地利用空間動態分布狀況可知,2000年天山區林地主要片狀分布在燕兒窩街道南北,到了2010年、2020年林地全部轉化為城市建設地、草地與耕地,其中轉為城市建設地占比最大；2000年天山區未利用土地主要片狀分布在紅雁街道最西側, 在2010年與2020年未利用土地都轉化為城市建設地與水域,其中轉為水域占比最大；未利用土地與林地轉移相比其他土地類型轉化狀況中最突出。

從表2 可以看出各個土地利用類型面積及所占比例,耕地和建設用地面積增加趨勢,此中耕地面積由2000年的1.26 km2增加至2020年的5.30 km2,增加了4.04 km2,增幅為320.6%；建設用地由2000年的51.59 km2增長至2020年的75.77 km2,增長了24.18 km2,降幅為46.9%。林地、草地、水域與未利用土地面積都呈減小趨勢,其中林地面積2000年為12.10 km2,2010年與2020年都等于零；草地由2000年的95.62 km2減小至2020年的81.96 km2,減小了13.66 km2, 降幅為14.3%；水域面積相比其他土地類型相對穩定,2000年面積最大,2010年面積最小,縱觀2000年～2020年期間面積減小了0.43 km2, 降幅為5.2%；未利用土地面積2000年為2.04 km2,2010年與2020年都等于0。

4 結論

（1）近21年,天山區植被覆蓋面積總體上明顯減小的同時,植被覆蓋度顯著下降。2020年相比2000年植被覆蓋總面積減小了57.91 km2,降幅為42.33%。從不同覆蓋等級分析可知, 極高植被覆蓋面積變化有波動, 先增加后減小, 近21年減小了7.30 km2,降幅為57.53%；高植被覆蓋面積整體穩定；中與低植被覆蓋面積總體都均呈減小趨向,增長面積分別為6.00 km2和45.84 km2,降幅分別為25.16%和49.76%；裸地或極低覆蓋面積增加較明顯,增加面積為57.91 km2,增幅為169.59%。

（2）天山區植被覆蓋空間動態變化存在一定的時隔性和地域性差別。從時隔性差別發現,2010年～2020年覆蓋面積主要以輕度改善區為主；從地域性差別發現,烏拉泊水庫南側、燕兒窩街道西側、延安路街道西側增加較為突出,紅雁池水庫周圍區、烏拉泊水庫西側、紅雁街道最南側與北側減小顯著。

（3）近21年,天山區林、草、水域與未利用土地面積都呈減小趨向,耕地和建設用地面積增長趨向。其中未利用土地與林地面積2020年變為0,建設用地面積增長率格外最顯著。