基于遙感的鄭州市黃河濕地植被覆蓋度變化研究

赫曉慧， 牛金星， 鄭東東， 王 璐， 郭恒亮

(鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 河南 鄭州 450001)

植被覆蓋度可定義為單位面積內(nèi)植被的垂直投影面積[1],它是衡量地表植被狀況的一個(gè)最重要的指標(biāo),也是許多學(xué)科的重要參數(shù)[2]，在對(duì)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行評(píng)估的時(shí)候頗具重要性。植被覆蓋度是生態(tài)學(xué)和水文學(xué)方面的重要指標(biāo)，常見于多種氣候、水文模型中。對(duì)于植被覆蓋度的監(jiān)測(cè)也被廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境調(diào)查、水土保持研究等多領(lǐng)域當(dāng)中[3]。隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，采用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)不同時(shí)相的植被覆蓋度也已成為可能。在各種監(jiān)測(cè)方法中，應(yīng)用最廣的當(dāng)屬植被屬性與簡(jiǎn)單光譜指數(shù)的相關(guān)分析法及其回歸模型法[4]。在此，我們采用基于NDVI的等密度模型[5]進(jìn)行植被覆蓋度的反演，并結(jié)合鄭州市氣象局提供的降雨量數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察等與反演得到的植被覆蓋度情況進(jìn)行相關(guān)行分析，明確花園口段濕地的生態(tài)環(huán)境分布情況和變化趨勢(shì)，為以后的濕地治理、保護(hù)、研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

鄭州市黃河濕地自然保護(hù)區(qū)位于鄭州市北部，屬黃河中下游地區(qū)，地理位置約為113°23′—114°02′E，34°51′—35°01′N。保護(hù)區(qū)建立于1999年，是黃河河流濕地中建立較早的保護(hù)區(qū)，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。在季風(fēng)影響下，春季干燥多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季涼爽，冬季干寒，四季分明，光、熱、水資源比較豐富，雨熱同期，有利于多種植物生長(zhǎng)。年平均氣溫14.2 ℃，年平均日照為2 366 h，年平均無霜期227 d，年平均降水天數(shù)82.3 d，年平均自然降雨量656 mm。區(qū)內(nèi)河道年徑流量在3.0×1010～6.0×1010m3。

保護(hù)區(qū)濕地類型主要有河流濕地和沼澤濕地兩大類，其中河流濕地包括永久河流(河床、低河漫灘)、洪泛平原濕地(二灘)；沼澤濕地包括草本沼澤和灌叢沼澤。由于河流反復(fù)沖淤和人類頻繁活動(dòng)，保護(hù)區(qū)天然森林早已蕩然無存，絕大部分自然植被被農(nóng)田、人工林及村落取代，保護(hù)區(qū)內(nèi)大部分農(nóng)田分布在老灘，二灘在非汛季也有較多分布。主要農(nóng)作物有小麥、玉米、大豆、花生、高粱等。

2 數(shù)據(jù)處理

本文采用了鄭州黃河濕地自然保護(hù)區(qū)1999—2011年的Landsat TM(ETM+)遙感數(shù)字圖像13景，成像時(shí)間為每年的9月，2010年10月的校正過的SPOT 5遙感數(shù)字圖像1景。采用改進(jìn)的DOS大氣校正方法對(duì)13景TM(ETM+)影像進(jìn)行大氣校正，圖像增強(qiáng)，并基于SPOT 5影像對(duì)TM(ETM+)影像進(jìn)行幾何精校正。處理后的TM(ETM+)影像質(zhì)量明顯提高。

3 研究方法

植被歸一化指數(shù)(NDVI)能反映出植物冠層的背景影響，其大小取決于植被覆蓋度VFC(水平密度)和葉面積指數(shù)LAI(垂直密度)等要素[6]，我們可以用NDVI反推植被覆蓋度VFC和葉面積指數(shù)LAI[7]。

等密度模型的應(yīng)用前提是假設(shè)影像上的像元是由裸土和植被兩部分構(gòu)成的，同時(shí)植被覆蓋部分的垂直密度要足夠的高(LAI→∞，NDVIVFC→NDVI∞)。得出植被指數(shù)與覆蓋度的關(guān)系式：

NDVI=VFC×NDVI∞+(1-VFC)×NDVI0

(1)

VFC=(NDVI- NDVI0)/(NDVI∞- NDVI0)

(2)

式中：NDVI0——裸土地或者無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值； NDVI∞——完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值，即高垂直密度的NDVI值。在進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，其置信度取5%，在置信區(qū)間(5%～95%)內(nèi)將NDVI的最小值作為NDVI0，將NDVI的最大值作為NDVI∞[7]。植被覆蓋度反演技術(shù)路線見圖1。

圖1 植被覆蓋度反演技術(shù)路線

在ENVI 4.7-band math中輸入式(2)進(jìn)行植被覆蓋度的反演，并將結(jié)果導(dǎo)入ArcGIS，按照0%～20%，20%～40%，40%～60%，60%～80%，80%～100%對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行分級(jí)處理，得到不同年份不同植被覆蓋度級(jí)別面積和分級(jí)圖。

4 植被覆蓋度變化情況分析

通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，黃河小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙實(shí)驗(yàn)從2002年開始，截止到2011年，除了2003年調(diào)水調(diào)沙實(shí)驗(yàn)時(shí)間為9月中旬，其他年份調(diào)水調(diào)沙實(shí)驗(yàn)時(shí)間多是在6月份中下旬進(jìn)行的。鄭州市多年月降雨量的分布圖見圖2。從圖2中可以看出，研究區(qū)的各月降雨量的分配為典型的單峰型曲線，多集中于5—9月，汛期降雨量占全年降雨量的60%以上。

圖2 鄭州站多年平均月降雨量

而我們選擇的遙感影像時(shí)間為9月份，一方面可以減少上游徑流量對(duì)本次研究的影響；另一方面，此時(shí)保護(hù)區(qū)內(nèi)部的農(nóng)田作物正處于灌漿和成熟期，生長(zhǎng)穩(wěn)定。此時(shí)反演的植被覆蓋度通過矩陣運(yùn)算求得的年平均植被覆蓋度具有很強(qiáng)的代表性。

鄭州黃河濕地自然保護(hù)區(qū)1999—2011年植被覆蓋度和降雨量的變化曲線見圖3。圖3表明，2007年之前鄭州黃河濕地自然保護(hù)區(qū)植被覆蓋度受到降雨量的明顯影響：1999—2001年保護(hù)區(qū)植被覆蓋度隨著降雨量的下降而下降；2001—2003年，隨著鄭州市降雨量逐年增加，保護(hù)區(qū)植被覆蓋度相應(yīng)增加。這兩個(gè)年份段的植被覆蓋度變化情況說明保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境很脆弱，對(duì)水分的依存度較高，植被缺水會(huì)對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響。2003—2007年保護(hù)區(qū)植被覆蓋度隨著降雨量的波動(dòng)而相應(yīng)波動(dòng)。

圖3 1999-2011年鄭州黃河濕地自然保護(hù)區(qū)植被覆蓋度與降雨量變化

但是2007—2011年的保護(hù)區(qū)植被覆蓋度并未隨著降雨量的增減而相應(yīng)增減，對(duì)此我們查閱了歷年保護(hù)區(qū)實(shí)地植被情況，并在2009—2011年對(duì)保護(hù)區(qū)進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研。保護(hù)區(qū)位于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)和人口密集區(qū)，距離鞏義、滎陽、鄭州、中牟等城市較近，鞏溫大橋、南水北調(diào)穿黃工程、黃河大橋、黃河二橋縱貫其間，四周為村落和農(nóng)田所包圍，受人為活動(dòng)的影響較大。雖然經(jīng)過多年的保護(hù)，保護(hù)區(qū)濕地植被遭破壞的情況減少；但由于近年土地資源緊缺，尤其是靠近城市郊區(qū)的黃河老灘開發(fā)形式多樣，圍墾淤塞、挖塘造田、開溝排灌、無計(jì)劃用水引起黃河斷流以及無計(jì)劃地盲目開發(fā)等，保護(hù)區(qū)植被覆蓋度明顯衰退，植被覆蓋度由60%以上降到40%以下的地區(qū)多在上述地點(diǎn)附近。

5 結(jié) 論

(1)1999—2011年，鄭州市濕地保護(hù)區(qū)內(nèi)生態(tài)水平整體大幅下降，保護(hù)區(qū)內(nèi)部平均植被覆蓋度由60%下降到40%。從保障生態(tài)安全上講，保護(hù)區(qū)處于河南省中部生態(tài)脆弱地區(qū)，如果保護(hù)區(qū)生態(tài)遭到破壞，會(huì)影響到全省的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活， 從而威脅到鄭州市乃至河南省的生態(tài)安全。

(2)保護(hù)區(qū)植被狀況對(duì)降水的依賴顯著，這可從2007年之前的二者曲線圖明顯地看出來；2007年之后的趨勢(shì)與人類活動(dòng)有很大關(guān)系，說明人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響很大。

(3)人類活動(dòng)對(duì)植被破壞頗大。通過實(shí)地調(diào)查資料表明，人類活動(dòng)使該區(qū)濕地遭受了很大程度的破壞，如不及時(shí)予以保護(hù)，則典型黃河濕地植被將遭到破壞，降低其應(yīng)有的保護(hù)價(jià)值。同時(shí)，也會(huì)加重水土流失，減少水源涵養(yǎng)，威脅黃河中下游用水安全，對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

通過研究鄭州濕地保護(hù)區(qū)植被覆蓋度分布情況與演變規(guī)律，使我們能夠了解該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀和驅(qū)動(dòng)因素，認(rèn)識(shí)保護(hù)區(qū)建設(shè)的必要性和緊迫性，從而制定修復(fù)該區(qū)植被的規(guī)劃以提高黃河濕地的生態(tài)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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