施秉云臺山地區(qū)近40年來植被覆蓋度動態(tài)變化研究

趙衛(wèi)權(quán), 周文龍, 張 凡

(貴州省山地資源研究所, 貴陽 550001)

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施秉云臺山地區(qū)近40年來植被覆蓋度動態(tài)變化研究

趙衛(wèi)權(quán), 周文龍, 張 凡

(貴州省山地資源研究所, 貴陽 550001)

分別采用1973年、1993年和2010年三期遙感影像，基于植被指數(shù)與植被覆蓋度之間的關(guān)系建立植被覆蓋度指數(shù)模型，運(yùn)用遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù)對施秉云臺山地被覆蓋度進(jìn)行等級劃分，并對其近40 a的動態(tài)變化過程進(jìn)行研究。結(jié)果表明：云臺山地區(qū)植被覆蓋度總體呈現(xiàn)退化態(tài)勢，但是局部地區(qū)植被覆蓋情況有改善趨勢；1973—2010年間，云臺山核心區(qū)覆蓋度等級明顯高于周邊地區(qū)，但是這一優(yōu)勢在不斷衰退；核心區(qū)植被覆蓋度變化幅度小于周邊地區(qū)，核心區(qū)植被覆蓋度比周邊地區(qū)較為穩(wěn)定，低等級覆蓋度變化幅度大于高等級覆蓋度；前20 a植被覆蓋度主要以退化趨勢為主，后20 a則呈現(xiàn)逐漸恢復(fù)態(tài)勢；植被覆蓋度變化趨勢受當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展模式和生態(tài)環(huán)境觀念改變影響較大。

施秉云臺山; 遙感與地理信息系統(tǒng); 植被指數(shù); 植被覆蓋度; 動態(tài)變化

施秉云臺山區(qū)域內(nèi)地形崎嶇，氣候濕潤溫和，人為干擾少，水質(zhì)環(huán)境好，生境多樣，森林覆蓋度高，生物種類繁多，是亞熱帶喀斯特地區(qū)珍貴而典型的物種基因庫，具有重要的保護(hù)和科學(xué)研究價值，已被列入世界自然遺產(chǎn)提名地。但隨著區(qū)域氣候條件和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響，植被覆蓋狀況也隨之發(fā)生變化。

早期的植被覆蓋研究主要靠野外調(diào)查估算，量化指標(biāo)有限，而且準(zhǔn)確度較差、成本高、實效性差。隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，人們不但可以對其進(jìn)行較為準(zhǔn)確的估算，而且還可以根據(jù)需要進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。萬恩璞等[1]利用不同時相衛(wèi)星象片資料、DTM信息及野外實地驗證,分析了長白山區(qū)植被覆蓋動態(tài)變化及現(xiàn)狀,為合理利用長白山自然資源提供了科學(xué)依據(jù)；孫紅雨等[2]利用連續(xù)69個月的NOAA時間序列數(shù)據(jù)，進(jìn)行中國植被覆蓋變化的空間，以及時間序列分析，證實了在中國植被覆蓋隨時間的推移規(guī)律，空間分布規(guī)律，以及植被覆蓋變化與氣溫、降水的定量關(guān)系；唐志光等[3]通過多景北京一號衛(wèi)星(BJ-1)多光譜遙感影像和90 m分辨率DEM數(shù)據(jù)對三江源自然保護(hù)區(qū)植被覆蓋度進(jìn)行了估算，并對估算精度進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明使用此方法進(jìn)行大面積植被覆蓋度的遙感估算是有效可行的；王兮之等[4]利用2001—2009年的MODIS遙感數(shù)據(jù)與歸一化植被指數(shù)的像元二分模型,并結(jié)合湟水流域的地形特征數(shù)據(jù),分析流域內(nèi)植被覆蓋度時空變化動態(tài)特征;甘春英等[5]利用TM影像數(shù)據(jù)，基于NDVI的像元二分模型，計算和分析了連江流域1998年和2006年植被演變特點(diǎn)及分布特征；龐吉林等[6]從鹽池縣1999年、2004年和2010年3期TM/ETM 影像圖入手，利用歸一化植被指數(shù)(VDVI)反演了鹽池縣的植被蓋度;穆少杰等[7]基于MODIS-NDVI遙感數(shù)據(jù)反演了內(nèi)蒙古地區(qū)2001—2010年植被覆蓋度的空間格局和變化規(guī)律，并對其氣候相應(yīng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明草原區(qū)月植被覆蓋度對降雨量的響應(yīng)存在時滯效應(yīng);李小亞等[8]基于MODIS-NDVI遙感數(shù)據(jù)，利用像元二分模型估算河?xùn)|地區(qū)2000—2010年的植被覆蓋度，并在像元尺度上分析河?xùn)|地區(qū)植被覆蓋度的時空變化規(guī)律及其驅(qū)動因子。

生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)酷性和脆弱性是喀斯特地區(qū)的基本特征[9]，云臺山自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和保護(hù)已迫在眉睫。地表植被是生態(tài)系統(tǒng)中一個重要組成要素，也是生物圈和生態(tài)系統(tǒng)的核心部分[10]，植被覆蓋度變化是整個生態(tài)環(huán)境變化的最直接反映[11]。本文采用1973年、1993年和2010年三期遙感影響數(shù)據(jù)，利用遙感和GIS技術(shù)對施秉云臺山地區(qū)的植被覆蓋度進(jìn)行監(jiān)測和研究，可以提高對整個地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測效率，也可以為世界自然遺產(chǎn)申報提供科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)域概況

施秉云臺山地區(qū)位于黔中山地向湘西丘陵過度的斜坡上，為黔中中山區(qū)，地勢由西、西北向東、東南部逐漸降低，平均海拔526 m左右，最高海拔1 869 m，最低海拔486 m，山脈走向與構(gòu)造線一致，多呈北—東、北—北—東—走向，是一個受河流切割嚴(yán)重的亞熱帶喀斯特高原。云臺山地處長江流域沅江水系舞陽河中游地區(qū)，主要包括完整的杉木河水系和瓦橋河水系，同時匯入舞陽河，構(gòu)成喀斯特發(fā)育的區(qū)域侵蝕-溶蝕基準(zhǔn)面。研究區(qū)域范圍結(jié)合自然保護(hù)區(qū)和鄉(xiāng)級行政區(qū)劃確定，研究區(qū)域959.46 km2，其中核心區(qū)面積為107.37 km2。

2 數(shù)據(jù)來源及方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

研究數(shù)據(jù)采用1973年12月份的MSS影像、1993年1月份的TM影像以及2010年12月份的ALOS影像數(shù)據(jù)。三期遙感影像數(shù)據(jù)經(jīng)過輻射校正、云體處理、大氣校正等處理。利用ERDAS軟件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和投影變換(Albers/WGS1984)，采用ArcGIS 10.0軟件數(shù)據(jù)管理和計算。

2.2 研究方法

2.2.1 方法介紹 植被指數(shù)是對地表植被覆蓋和生長情況的一種反映,通過植被指數(shù)可以評價植被覆蓋、生長狀況和生物量等，指植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計區(qū)域總面積的百分比,是植物群落覆蓋地表狀況的一個綜合量化指標(biāo)[12-13]。植被覆蓋度和NDVI之間存在極顯著的線性相關(guān)性，通常通過建立二者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，直接提取植被覆蓋度信息[7，14]，本研究采用歸一化植被指數(shù)像元二分法估算植被覆蓋度。

假設(shè)每個像元的NDVI值可以由植被和土壤兩部分合成，則其公式如下[7]：

NDVI=NDVIVCi+NDVIS(1-Ci)

(1)

式中：NDVIV——全部植被覆蓋度部分的NDVI值；NDVIS——全裸土或無植被覆蓋的NDVI值；Ci——植被覆蓋度。根據(jù)公式(1),Ci的算式如下：

Ci=(NDVI-NDVIS)/(NDVIV-NDVIS)

(2)

對于大多數(shù)裸地表面，NDVIS理論上應(yīng)該接近0，并且不易變化；但由于受眾多因素影響，NDVIS會隨著空間而變化。同時，NDVIV值也會隨著植被類型和植被的時空分布而變化。本文選取研究區(qū)內(nèi)NDVImax和NDVImin代表NDVIV和NDVIS，計算公式表示為。

Ci=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(3)

式中：NDVI——?dú)w一化植被指數(shù)；NDVImax——?dú)w一化植被指數(shù)最大值；NDVImin——?dú)w一化植被指數(shù)最小值；Ci——植被覆蓋度。

2.2.2 植被覆蓋度分級 利用ArcGIS 10.0軟件,依據(jù)植被覆蓋度灰度值對其進(jìn)行密度分割，得到不同時期的植被覆蓋度等級圖。利用得到柵格數(shù)據(jù)獲取各植被覆蓋度等級的像元個數(shù)，用于計算不同等級植被覆蓋度所占面積比例。植被分級標(biāo)準(zhǔn)參照楊勝天[15]、蘇偉[16]和張麗[17]等人對區(qū)域植被覆蓋度的分級方法，將施秉云臺山地區(qū)植被覆蓋度分為5類(見表1)。

2.3 植被覆蓋度動態(tài)變化

為了更好地表達(dá)和描述研究區(qū)域植被覆蓋度時空演變規(guī)律，利用ArcGIS的空間分析功能構(gòu)建植被覆蓋度動態(tài)變化模型D，D=Fj-Fi,其中，F(xiàn)j為第j年植被覆蓋度賦值，j取值為1973年,1993年和2010年；Fi為第i年植被覆蓋度賦值,i取值為1973年,1993年和1999年,D取值范圍為-4～4。具體描述見表2。

表1 植被覆蓋度分級表

表2 植被覆蓋度變化描述

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度分析

根據(jù)圖1a，1973年云臺山地區(qū)植被覆蓋度整體較高，中高覆蓋度和高覆蓋度占區(qū)域總面積的91.34%，低覆蓋度面積比例只占0.32%；根據(jù)圖1b，1993年，地表植被覆蓋情況整體較差，中高覆蓋度和高覆蓋度占區(qū)域總面積的49.21%，低覆蓋度面積比例增加到6.77%，中覆蓋度增加到26.82%；根據(jù)圖1c，2010年，中高覆蓋度和高覆蓋度占區(qū)域總面積的62.57%，低覆蓋度面積比例減少到1.11%，中覆蓋度面積增加到28.59%。

圖1 不同年份云臺山地區(qū)植被覆蓋度分級

低覆蓋度和中高覆蓋度變化較大，1993年的低覆蓋度明顯高于1973年和2010年，說明低覆蓋度經(jīng)歷了“低—高—低”，2010年云臺山地區(qū)植被覆蓋度分級圖變化過程，而中高覆蓋度則是經(jīng)歷了“高—低—高”變化過程；中低覆蓋度的變化雖然沒有低覆蓋度和中高覆蓋度變化明顯，但是也經(jīng)歷了“低—高—低”變化過程；中覆蓋度一直呈現(xiàn)增長態(tài)勢，由1973年的5.93%增長到2010年28.59%；高覆蓋度則呈現(xiàn)連續(xù)下降趨勢，由1973年的25.21%下降到2010年12.98%。

云臺山核心區(qū)的地表植被覆蓋度空間分布和變化與周邊區(qū)域略有不同(表3)。1973年，核心區(qū)低覆蓋度面積比例為0.61%，略低于云臺山地區(qū)總體水平；中低覆蓋度為4.33%，高于云臺山地區(qū)總體水平；中覆蓋度面積比例為8.19%，高于云臺山地區(qū)總體水平；中高覆蓋度和高覆蓋度面積比例為86.87%，低于云臺山地區(qū)總體水平。1993年，核心區(qū)低覆蓋度面積比例為0.32%，遠(yuǎn)低于云臺山地區(qū)總體水平；中低覆蓋度為4.90%，遠(yuǎn)低于云臺山地區(qū)總體水平；中覆蓋度面積比例為9.56%，遠(yuǎn)低于云臺山地區(qū)總體水平；中高覆蓋度和高覆蓋度面積比例為85.22%，明顯高于云臺山地區(qū)總體水平。2010年，核心區(qū)低覆蓋度面積比例為0.58%，略低于云臺山地區(qū)總體水平；中低覆蓋度為10.84%，略低于云臺山地區(qū)總體水平；中覆蓋度面積比例為14.10%，相當(dāng)于云臺山地區(qū)總體水平的一半；中高覆蓋度和高覆蓋度面積比例為74.48%，明顯高于云臺山地區(qū)總體水平。

表3 云臺山核心區(qū)植被覆蓋度統(tǒng)計 %

由此可知，云臺山核心區(qū)地表植被覆蓋度在1973—2010年間，低覆蓋度呈現(xiàn)“低—低—高”的變化過程；中低覆蓋度呈現(xiàn)持續(xù)升高的變化態(tài)勢；中覆蓋度亦呈現(xiàn)出持續(xù)遞增變化過程；中高覆高度表現(xiàn)出“低—高—低”的變化規(guī)律；高覆蓋度則呈現(xiàn)持續(xù)下降的變化過程，且變化幅度較大。

總之，云臺山核心區(qū)的地表植被覆蓋度相對于研究區(qū)域整體水平而言，高覆蓋度變化幅度略高，其它等級植被覆蓋度變化幅度較小。核心區(qū)的中高覆蓋度和高覆蓋度面積比例小雨周邊地區(qū)和整體水平，而且變化趨勢較為均勻。

3.2 植被覆蓋度變化趨勢分析

在1973—1993年間，有26.17%區(qū)域植被覆蓋出現(xiàn)明顯退化現(xiàn)象；有29.81%的植被覆蓋發(fā)生一般性退化或退化不是很明顯；有31.05%的區(qū)域植被覆蓋度等級未發(fā)生變化，地表植被覆蓋相對穩(wěn)定；有11.39%的地區(qū)植被覆蓋有所改善；只有1.55%的地區(qū)植被覆蓋情況改善明顯。在1993—2010年間，只有4.72%的地區(qū)植被覆蓋發(fā)生明顯退化；有21.49%的區(qū)域植被覆蓋發(fā)生一般性退化；有33.72%的區(qū)域地表植被相對穩(wěn)定，植被覆蓋度未發(fā)生變化；有25.40%的區(qū)域植被有所改善；14.67%的區(qū)域植被覆蓋度升高，地表植被覆蓋情況改善明顯。整體而言，云臺山地區(qū)的地表覆蓋度變化主要發(fā)生在1993—2010年，且變化幅度較大(圖2)。

云臺山核心區(qū)植被覆蓋變化方向與周邊區(qū)域不盡相同(圖3)。在1973—1993年間，有14.12%區(qū)域植被覆蓋出現(xiàn)明顯退化現(xiàn)象，其面積比例遠(yuǎn)小于云臺山地區(qū)的整體水平；有26.70%的植被覆蓋發(fā)生一般性退化或退化不是很明顯，面積比例略小于云臺山地區(qū)的整體水平；有39.98%的區(qū)域植被覆蓋度等級未發(fā)生變化，地表植被覆蓋相對穩(wěn)定，面積比例大于云臺山地區(qū)的整體水平；有16.29%的地區(qū)植被覆蓋有所改善，面積比例亦大于云臺山地區(qū)的整體水平；有2.91%的地區(qū)植被覆蓋情況改善明顯，面積比例接近云臺山地區(qū)的整體水平的2倍。在1993—2010年間，有7.32%的地區(qū)植被覆蓋發(fā)生明顯退化，面積比例亦大于云臺山地區(qū)的整體水平；有28.51%的區(qū)域植被覆蓋發(fā)生一般性退化，面積比例大于云臺山地區(qū)的整體水平；有36.23%的區(qū)域地表植被相對穩(wěn)定，植被覆蓋度未發(fā)生變化，面積比例亦大于云臺山地區(qū)的整體水平；有19.98%的區(qū)域植被有所改善，面積比例小于云臺山地區(qū)的整體水平；7.95%的區(qū)域植被覆蓋度升高，地表植被覆蓋情況改善明顯，面積比例小于云臺山地區(qū)的整體水平。云臺山核心區(qū)植被覆蓋度變化較為溫和，前20 a間和后20 a間的變化幅度差距較小，基本處于相對平衡狀態(tài)。

圖2 云臺山地區(qū)植被覆蓋度變化趨勢

總體而言，云臺山核心區(qū)的地表植被覆蓋度變化幅度整體相對小于周邊地區(qū)及研究區(qū)域的平均水平；植被覆蓋整體呈現(xiàn)退化態(tài)勢，主要退化幅度發(fā)生在1973—1993年，部分區(qū)域的地表植被覆蓋情況有所改善，主要改善幅度發(fā)生在1993—2010年間；退化和改善幅度大的區(qū)域主要在周邊地區(qū)，核心區(qū)相對變化較小。

4 結(jié)論與討論

通過基于遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行植被覆蓋度提取和分析，對施秉云臺山地區(qū)近40 a來地表植被覆蓋度進(jìn)行研究，主要得出以下結(jié)論：1) 云臺山地區(qū)植被覆蓋度從1973—2010年間植被覆蓋整體呈現(xiàn)退化態(tài)勢，但是部分區(qū)域的植被覆蓋情況有改善趨勢；2) 高覆蓋度面積比例呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢，且下降幅度較為均勻，中覆蓋度面積比例基本呈上升態(tài)勢，而低覆蓋度和中低覆蓋度出現(xiàn)波動性變化，且變化幅度較大；3) 核心區(qū)植被覆蓋度退化幅度小于周邊地區(qū)，且中高覆蓋度和高覆蓋度面積比例明顯高于研究區(qū)域平均水平；4) 地表植被覆蓋度變化主要發(fā)生在近20 a間，人為干擾對地表植被覆蓋影響較大，核心區(qū)受干擾程度明顯低于周邊地區(qū)；5) 地表植被覆蓋狀況是喀斯特生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的直接表現(xiàn)，隨著地表植被覆蓋情況越發(fā)退化，區(qū)域生態(tài)環(huán)境隨之惡化；6) 成立自然保護(hù)區(qū)可以有效地減緩地表植被覆蓋退化速度，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

另外，由于云臺山周邊地區(qū)人類活動較為頻繁，而核心區(qū)域一致處于未開發(fā)或保護(hù)狀態(tài)，兩者之間的區(qū)別較為明顯。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)雙重作用，人類活動對植被覆蓋度影響的動態(tài)定量研究將是該區(qū)域生態(tài)環(huán)境研究的重要方向。

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Study on Dynamics of Vegetation Coverage of Yuntai Mountain Area in Shibing County in Recent 40 Years

ZHAO Weiquan, ZHOU Wenlong, ZHANG Fan

(InstituteofMountainResourcesofGuizhou,Guiyang550001,China)

This paper adopted three periods of remote sensing images in 1973, 1993 and 2010, respectively, to establish the vegetation coverage index model based on the relationship between vegetation index and vegetation coverage, divided the grades of vegetation coverage using the technology of RS and GIS, and studied the process of dynamic change in recent 40 years. The result shows that vegetation coverage generally degraded Yuntai mountain area, but it showed the improving tendency in the local area; the grade of coverage in the core area was much higher than that in the surrounding area in the period from 1973 to 2010, but this advantage was declining; the change in the core area was less than the surrounding area, and the coverage change of the lower grade was more significant than the high grade, the vegetation coverage in core area was more stable than the surrounding area, the change of lower level coverage was greater than the high level coverage; in the first 20 years, the vegetation coverage mainly presented the trend of degradation, but it was restored gradually in the recent 20 years; the economic development models and the concept of ecological environment played important roles in the trend of the vegetation coverage change.

Yuntai Mountain in Shibing; RS & GIS; NDVI; vegetation coverage; dynamic variation

2013-07-18

2014-05-20

貴州省社發(fā)公關(guān)項目“基于地表起伏度的云臺山景區(qū)與自然保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價”(SY字[2012]3164號)

趙衛(wèi)權(quán)(1982—),男,甘肅寧縣人,副研究員,研究方向為資源環(huán)境與3S技術(shù)應(yīng)用。E-mail:zwq82@163.com

Q948；TP79

1005-3409(2015)02-0241-05