基于遙感和GIS的京津風沙源區(qū)地表植被覆蓋變化研究

王 斌

（天津市環(huán)境監(jiān)測中心，天津 300191）

基于遙感和GIS的京津風沙源區(qū)地表植被覆蓋變化研究

王 斌

（天津市環(huán)境監(jiān)測中心，天津 300191）

本文以京津風沙源區(qū)地表植被作為研究對象，利用遙感和GIS分析手段，開展了2005年～2009年風沙源區(qū)地表植被土地利用狀況及變化趨勢、植被指數(shù)變化等方面的分析研究。結(jié)果表明，京津風沙源區(qū)植被面積呈上升趨勢，其中耕地總面積減少2635．59 km2，林地總面積增加13218．43 km2，草地總面積增加13332．62 km2。通過SPOT-VGT NDVI計算發(fā)現(xiàn)，2005年～2008年風沙源區(qū)年最大植被指數(shù)呈波動上升趨勢，各年份月季最大NDVI均在8月達到峰值。區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量正在穩(wěn)步提高。

遙感；GIS；風沙源；植被覆蓋

一、研究區(qū)域

2000年6月經(jīng)國務(wù)院批準，我國政府開展了大規(guī)模的京津風沙源治理工程，在北京、天津、河北、山西、內(nèi)蒙古五省區(qū)市的65個縣旗進行試點，2001年，試點范圍由65個縣旗增加到75個，試點面積進一步擴大。2002年3月，國務(wù)院正式批復(fù)工程規(guī)劃，工程全面啟動。為分析風沙源區(qū)地表植被覆蓋變化，參照林業(yè)部門對京津風沙源治理工程范圍，選取內(nèi)蒙古自治區(qū)、河北省、北京市、天津市4個省市的62個市旗區(qū)縣作為研究區(qū)域。

二、研究方法

采用2005年、2009年兩個年份分辨率為30米的美國陸地資源衛(wèi)星Landsat TM5遙感影像作為數(shù)據(jù)源，經(jīng)人工目視解譯，開展耕地、林地、草地在內(nèi)的植被類型土地利用變化分析。選用2005年～2008年SPOT-VGT NDVI，開展風沙源區(qū)域植被指數(shù)定量化研究，評估區(qū)域植被覆蓋狀況。

三、數(shù)據(jù)來源及處理

3.1 土地利用狀況提取

TM影像數(shù)據(jù)獲取月份為當年6月至9月，單景云量小于10%，受人為干擾影響比較大易發(fā)生態(tài)變化的區(qū)域沒有云覆蓋。影像波段組合為432 RGB類型。幾何糾正投影類型采用Albers Conical Equal Area，橢球體為Krasovsky，中央經(jīng)線為東經(jīng)110°，雙標準緯線為北緯25°和北緯47°，投影起始緯度12°，中央經(jīng)線偏差和起始點偏差都為0。影像再經(jīng)圖像增強、顏色匹配處理，參照原國家環(huán)?？偩帧爸袊袞|部地區(qū)生態(tài)環(huán)境遙感調(diào)查”中土地利用/土地覆蓋類型的分類系統(tǒng)，在地理信息系統(tǒng)軟件支持下進行動態(tài)變化的人工判讀及地面數(shù)據(jù)的對比核查；建立經(jīng)過線狀地物和細小地物扣除、轉(zhuǎn)換的土地利用/土地覆蓋動態(tài)變化數(shù)據(jù)庫。

3.2 植被指數(shù)處理

地表植被對氣候變化反應(yīng)非常明顯，歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）是評估植被狀況的最有效參數(shù)之一，能很好地反映植被生長狀態(tài)和植被覆蓋度，也是衡量區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)變化的重要信息。選用2005年～2008年SPOT-VGT NDVI植被指數(shù)，該數(shù)據(jù)包含每10天合成的四個波段的光譜反射率及10天最大化NDVI，空間分辨率為1km，時間分辨率為逐旬。該數(shù)據(jù)集已被國內(nèi)很多學者用于植被及生態(tài)環(huán)境的研究，都取得了比較好的應(yīng)用效果。

預(yù)處理包括大氣校正，輻射校正，幾何校正，生產(chǎn)10天最大化合成的NDVI數(shù)據(jù)，并將-1到-0.1的值設(shè)置為-0.1，再通過公式轉(zhuǎn)換到0-250的DN值。主要處理流程如下：

（1）圖像裁切利用遙感圖像處理軟件ENVI 4.2掩膜功能及京津風沙源區(qū)域境界，裁剪出SPOT-VGT NDVI植被指數(shù)圖。

（2）植被指數(shù)反算

根據(jù)如下公式：NDVI=DN×0.004-0.1

將遙感影像中每個像元的DN值轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的NDVI值，即可得研究區(qū)的實際NDVI數(shù)據(jù)圖。

（3）植被指數(shù)合成

SPOT-VGT NDVI數(shù)據(jù)的合成因地理位置不同，方法也不同。一般所在區(qū)域的降水量、氣溫、干濕狀況以及作物生長期等條件決定合成方法的選擇。對于自然條件惡劣、生態(tài)環(huán)境脆弱的干旱半干早區(qū)域，為突出植被覆蓋狀況，可取全年NDVI的最大值；對于自然條件一般、植被生長季不到一年的半濕潤地區(qū)，可取植被生長季內(nèi)NDVI的累加值；對于自然條件優(yōu)越、全年都有植被覆蓋的濕潤區(qū)，可取全年NDVI的平均值。針對京津風沙源所在區(qū)域，選擇合成最大化植被指數(shù)，來客觀反映區(qū)域植被生長狀況。

（4）最大化植被指數(shù)（MNDVI）計算

MVC（Maximum Value Composite）是目前國際上通用的最大化合成法，該方法可以進一步消除大氣、云和太陽高度角的部分干擾。每月的NDVI數(shù)據(jù)通過最大值合成法（MVC）獲得，其計算公式為：

NDVI i= Max（NDVIij）

NDVI 是第i個月的NDVI值，NDVIij是第i月第j旬的NDVI的值，以使NDVI更為貼近實際的反映每月地表植被覆蓋的狀況。

由于年最大NDVI可以較好地反映年度植被長勢最好季節(jié)地表植被覆蓋程度，因此將全年12個月的遙感數(shù)據(jù)按最大值合成得到各年最大NDVI，以生成代表當年植被生長最旺盛時期NDVI的最大值，合成之后的NDVI數(shù)據(jù)消除了不同地區(qū)季節(jié)變化對植被覆蓋變化的影響。其公式如下：

NDVIm= Max（NDVImn）

NDVI 是第m年的NDVI值，NDVI 是第m年第n月的NDVI的值。

（5）年均NDVI的計算

研究自2005年以來風沙源區(qū)域植被生長狀況，采用均值法統(tǒng)計全區(qū)的NDVI，即對單位時間內(nèi)區(qū)域年最大NDVI數(shù)據(jù)所有像元的NDVI值進行平均，用該值來反映全區(qū)植被覆蓋狀況。

四、植被土地利用變化

2009年，風沙源區(qū)耕地62998.96 km2，林地87666.27 km2， 草 地265917.71 km2， 水 域13270.60 km2，城鄉(xiāng)工礦居民用地7387.12 km2，未利用地20586.08 km2。在土地利用結(jié)構(gòu)中，草地、林地、耕地等植被類型所占比重較大，分別占國土總面積的58.1%、19.1%和13.8%。植被總面積416582.94 km2，占91.0%。與2005年相比，耕地總面積減少2635.59 km2，林地總面積增加13218.43 km2，草地總面積增加13332.62 km2，植被總面積增加23915.46 km2。

五、SPOT-NDVI變化

2005～2008年間，京津風沙源區(qū)域年最大植植被指數(shù)各像元平均值呈現(xiàn)波動上升趨勢。其中分為兩個階段，2005～2006年間，NDVI值由0.508上升至0.526；2007～2008年間，NDVI值由0.404上升至0.492，這主要是與風沙源區(qū)域重點林業(yè)工程實施后，地區(qū)生態(tài)環(huán)境發(fā)生了極為明顯的變化，地表植被覆蓋面積有較大程度的增長有關(guān)。2006～2007年，NDVI值有所下降，這主要是與年氣候因素對區(qū)域植被生長影響有關(guān)。各年份月季最大NDVI均在8月達到峰值，表明植被生長在8月達到最旺盛季節(jié)，其中在2006年達到最大值。

圖2 京津風沙源區(qū)年均NDVI、月最大NDVI變化趨勢

六、結(jié)論

利用遙感和GIS手段分析京津風沙源區(qū)地表植被覆蓋變化表明，通過風沙源區(qū)域一系列林業(yè)生態(tài)工程、退耕還林、還草工作的實施，區(qū)域地表植被覆狀況有了明顯的提高。2005～2009年風沙源區(qū)林地、草地面積有所增長，耕地面積處于減少態(tài)勢；區(qū)域年最大植被指數(shù)像元平均值呈現(xiàn)波動上升趨勢，各年份月季最大NDVI均在8月達到峰值。區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量正在穩(wěn)步提高。

王斌，1982年生，男，天津市人，工程師，主要從事生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與評價方面的研究工作。