德清縣植被覆蓋時空變化遙感監(jiān)測

佟光臣，張 平，林海翔，任 瓊，林 杰

（ 1.浙江省寧?？h水利局，浙江 寧海 315600；2.江西省林業(yè)科學院，江西 南昌 330032；3.南京林業(yè)大學林學院，江蘇 南京 210037 ）

德清縣植被覆蓋時空變化遙感監(jiān)測

佟光臣1，張 平1，林海翔1，任 瓊2，林 杰3

（ 1.浙江省寧?？h水利局，浙江 寧海 315600；2.江西省林業(yè)科學院，江西 南昌 330032；3.南京林業(yè)大學林學院，江蘇 南京 210037 ）

基于MODIS - NDVI植被指數(shù)數(shù)據(jù)，利用像元二分模型定量估算了德清縣2000 — 2014年植被覆蓋度，輔以線性趨勢分析法分析了近15 a來德清縣植被覆蓋時空變化特征，結果表明：①德清縣平均植被覆蓋度從2000年的71.83%下降到2014年的67.68%，整體呈波動下降趨勢。②德清縣5等級植被覆蓋占絕對優(yōu)勢，均在40.00%左右；1等級植被覆蓋面積比例最小，均在4.00%以下；1、2、3等級植被覆蓋面積逐漸程增大趨勢，4等級下降趨勢明顯，而5等級保持相對平穩(wěn)狀態(tài)。③研究區(qū)植被改善與退化并存，且退化區(qū)域分布明顯，主要分布在德清縣中部及東部；上升區(qū)域主要分布在中西部，保持基本不變區(qū)域主要分布在西部。退化等級的面積比例為57.77%，決定了德清縣植被景觀整體上呈退化趨勢。

植被覆蓋度；MODIS - NDVI；德清縣

1 問題的提出

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，聯(lián)系著土壤、大氣和水分等要素，同時受人為活動的影響，具有明顯的時間變化特征和空間異質性[1-2]。衛(wèi)星遙感獲取的歸一化植被指數(shù)（NDVI）可以指示地表綠度和植被覆蓋特征，被廣泛應用于大尺度地表植被活動的監(jiān)測和評估[3]。研究植被的遙感數(shù)據(jù)多為長時間序列的GIMMS AVHRR NDVI、SPOTVGT NDVI 和MODIS - NDVI產品，國內外眾多學者針對全球及區(qū)域植被覆蓋情況展開了一系列的研究[4-6]。植被覆蓋變化的研究方法主要有一元線性回歸趨勢分析、主成分分析、小波分析和Mann — Kendall 非參數(shù)檢驗時空變化分析等方法[7-9]。已有研究中關于德清縣植被覆蓋變化的文章幾乎沒有，鑒于此本研究基于MODIS - NDVI遙感數(shù)據(jù)，利用像元二分模型和一元線性回歸趨勢模型分析德清縣 2000 — 2014年15 a來植被覆蓋度的時空變化特征，為德清縣協(xié)調經濟發(fā)展和生態(tài)保護提供參考。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)概況

德清縣位于浙江北部，地處北緯 30°26' ～ 30°42'，東徑119°45' ～ 120°21'，東望上海、南接杭州、北連太湖、西枕天目山麓，處長三角腹地?？偯娣e936.00 km2，現(xiàn)轄8個鎮(zhèn)、4個街道，戶籍人口43萬?？h境地勢自西向東傾斜，西部為天目山余脈，縣境山地丘陵面積341.28 km2，占全縣總面積的36.48%；平原面積456.05 km2，占全縣總面積的48.74%；水域面積138.35 km2，占全縣總面積的14.78%。區(qū)域屬北亞熱帶季風氣候，常年氣候特征為四季分明、光照充足、雨量充沛、溫度濕潤。2014年實現(xiàn)地區(qū)生產總值368.1億元，三次產業(yè)之比為5.5∶56.1∶38.4。

2.2 數(shù)據(jù)來源及預處理

本文使用的遙感數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局NASA的MOD13Q1植被指數(shù)產品。時間范圍從2000 — 2014年，時間分辨率為16 d，空間分辨率為250 m × 250 m，數(shù)據(jù)格式為HDF - EOS。首先使用MODIS Reprojection Tool（MRT）將下載的原始影像Sinusoidal投影轉為WGS84/Albers Equal Area Conic、格式轉為Geotiff格式，重采樣分辨率保持不變。使用最大值合成法（MVC）進行2000 — 2014年的逐月數(shù)據(jù)合成，可以有效去除由大氣、云層、太陽高度角等帶來的影響[10]，然后采用均值法合成逐年平均的NDVI數(shù)據(jù)，可以降低或消除特殊年份氣候異常造成的NDVI值年際波動影響，增加研究的可靠性[11-12]。最后，將數(shù)據(jù)縮小10 000倍，范圍變成（- 1，1]，利用研究區(qū)邊界矢量數(shù)據(jù)進行裁剪。

3 研究方法

3.1 植被覆蓋度計算及植被覆蓋度等級劃分

歸一化植被指數(shù)（Normal Difference Vegetation Index，NDVI）是目前最為常用表征植被狀況的指標，它與植被覆蓋度、生長狀況、生物量和光合作用強度密切相關[13]。本文利用像元二分模型估算研究區(qū)的植被覆蓋度，計算公式如下：

式中：NDVImax為完全由植被所覆蓋像元的NDVI值，NDVImin為裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值。

計算植被覆蓋度時，通常根據(jù)圖像大小、圖像清晰度等情況，以置信度截取NDVI 的上下限閾值分別近似代表NDVImax和NDVImin，可以在一定程度上消除遙感影像噪聲所帶來的誤差[14]。本研究通過分析15個時期NDVI 數(shù)據(jù)，考慮空間和時間的差異，最終采用5% 和95%的累計百分比為置信區(qū)間來計算NDVI最大值與最小值。

根據(jù)水利部制定的SL757 — 2014《南方紅壤丘陵山區(qū)水土流失綜合治理標準》，將植被覆蓋度劃分為5個等級：1級（0.00 ～ 0.30）、2級（0.30 ～ 0.45）、3級（0.45 ～ 0.60）、4級（0.60 ～ 0.75）、5級（0.75 ～ 1.00），分別為低植被覆蓋、較低植被覆蓋、中度植被覆蓋、較高植被覆蓋和高植被覆蓋，以上操作在ARCGIS9.3中完成。

3.2 植被覆蓋度年際變化趨勢的計算

一元線性回歸模型是指在一定時間內，采用最小二乘法逐像元擬合年平均植被覆蓋度的斜率，以綜合反映植被覆蓋度的時空變化特征[15]。計算公式為：

式中：Slope為線性回歸方程的斜率；fi為第i年植被覆蓋度的平均值；n為研究時間序列的長度（2000 — 2014共15 a）；i取值為1到n。

Slope＞0時，表明植被覆蓋呈增加趨勢，狀況變好；Slope＜0時，表明植被覆蓋呈下降趨勢，狀況變差。

4 結果與分析

4.1 植被覆蓋度等級計算結果分析

通過ArcGIS軟件對上述植被覆蓋度結果按照前文分類標準進行分類，對應得到15期植被覆蓋等級圖。從空間分布來看，德清縣的整體植被覆蓋狀況較好，近15 a平均植被蓋度均在65.00%以上，高等級植被主要分布在西部山區(qū)，低等級植被與城鎮(zhèn)分布一致，中間等級植被以農用地為主，這與德清縣的土地利用現(xiàn)狀格局密不可分。對三期植被覆蓋等級圖分別進行各級面積統(tǒng)計得到圖1，從圖1中可以看出，2000 — 2014年研究區(qū)內5等級植被覆蓋面積始終最大，占絕對優(yōu)勢，均在40.00%左右；1等級植被覆蓋面積比例始終最小，均在4.00%以下。從時間變化來看，1、2、3等級植被覆蓋面積逐漸程增大趨勢，4等級下降趨勢明顯，而5等級保持相對平穩(wěn)狀態(tài)。

圖1 德清縣2000—2014年逐年植被覆蓋等級面積結構圖

4.2 植被覆蓋變化趨勢分析

從時間變化上來看（見圖2），德清縣平均植被覆蓋度由2000年的71.83%下降到2014年的67.68%，表現(xiàn)出明顯的波動下降趨勢，這說明德清縣植被覆蓋狀況持續(xù)退化，這與該區(qū)近年來經濟社會快速發(fā)展、土地利用變化劇烈密切相關。近15 a德清縣植被蓋度變化分為6個階段，即3個上升階段和3個下降階段，并分別在2000年、2003年和2006年出現(xiàn)波峰，而在2002 年、2004年和2011年出現(xiàn)波谷。

圖2 德清縣2000—2014年平均植被覆蓋年際變化圖

利用一元線性回歸模型分析15期數(shù)據(jù)，得到了德清縣像元尺度上植被變化趨勢分布圖（見圖3）。從圖3中可以看出，研究區(qū)植被改善與退化并存，且退化區(qū)域分布明顯，主要分布在德清縣中部及東部；上升區(qū)域主要分布在中西部，保持基本不變區(qū)域主要分布在西部。對上述趨勢變化圖進行分級面積統(tǒng)計得到表1。由表1可知研究區(qū)內保持基本不變的區(qū)域面積比例為19.36%，而所有退化等級的面積比例為57.77%，由此可見研究區(qū)內植被景觀整體上呈退化趨勢；在退化等級中，嚴重退化的等級比例所占最大，在改善的等級變化中，比例最大的為輕微改善。

圖3 德清縣2000—2014年平均植被覆蓋變化趨勢圖

表1 2000—2014年德清縣植被覆蓋度變化趨勢分級統(tǒng)計結果表

5 結 語

基于MODIS - NDVI數(shù)據(jù)，利用像元二分模型定量估算了德清縣 2000 — 2014年15期植被覆蓋度，并利用一元線性回歸模型分析了近15 a來德清縣植被覆蓋時空變化特征，主要得出以下結論：

（1）從整體空間分布來看，德清縣的整體植被覆蓋狀況較好，近15 a平均植被蓋度均在65.00%以上，高等級植被主要分布在西部山區(qū)，低等級植被與城鎮(zhèn)分布一致，中間等級植被以農用地為主。從植被等級結構比例來看，德清縣5等級植被覆蓋面積始終最大，占絕對優(yōu)勢，均在40.00%左右；1等級植被覆蓋面積比例始終最小，均在4.00%以下； 1、2、3等級植被覆蓋面積逐漸程增大趨勢，4等級下降趨勢明顯，而5等級保持相對平穩(wěn)狀態(tài)。

（2）從整體植被蓋度時間變化上來看，德清縣平均植被覆蓋度由2000年的71.83%下降到2014年的67.68%，表現(xiàn)出明顯的波動下降趨勢：3個上升階段和3個下降階段。從變化趨勢空間分布來看，研究區(qū)植被改善與退化并存，且退化區(qū)域分布明顯，主要分布在德清縣中部及東部；上升區(qū)域主要分布在中西部，保持基本不變區(qū)域主要分布在西部。退化等級的面積比例為57.77%，決定了德清縣植被景觀整體上呈退化趨勢。

[1] 王東.西南地區(qū)植被覆蓋變化及對不同時間尺度氣候特征的響應分析[D].蘭州：西北師范大學，2014.

[2] 陳文業(yè)，趙明，張繼強，等.敦煌西湖荒漠 — 濕地生態(tài)系統(tǒng)植被與土壤水分空間異質性研究[J].冰川凍土，2015，37(6)：1670 - 1679.

[3] 于泉洲，梁春玲，劉煜杰，等.基于MODIS的山東省植被覆蓋時空變化及其原因分析[J].生態(tài)環(huán)境學報，2015(11)：1799 - 1807.

[4] Tsai H，Lin Y H，Yang M D.Exploring Long Term Spatial Vegetation Trends in Taiwan from AVHRR NDVI3g Dataset Using RDA and HCA Analyses[J].Remote Sensing，2016，8(4)：290.

[5] 陳斌，李海東，曹學章，等.基于SPOT — VGT NDVI的雅魯藏布江流域植被動態(tài)變化[J].山地學報，2016(2)：249 - 256.

[6] 馬琳雅，崔霞，馮琦勝，等. 2001 — 2011年甘南草地植被覆蓋度動態(tài)變化分析[J].草業(yè)學報，2014，23(4)：1 - 9.

[7] 安佑志，劉朝順，施潤和，等.基于MODIS時序數(shù)據(jù)的長江三角洲地區(qū)植被覆蓋時空變化分析[J].生態(tài)環(huán)境學報，2012(12)：1923 - 1927.

[8] 邱海軍，曹明明.基于SPOT VEGETATION 數(shù)據(jù)的中國植被覆蓋時空變化分析[J].資源科學.2011，33(2)：335 - 340.

[9] 馬明國，王建，王雪梅.基于遙感的植被年際變化及其與氣候關系研究進展[J].遙感學報.2006，10(3)：421 - 431.

[10] 樸世龍，方精云.最近18 年來中國植被覆蓋的動態(tài)變化[J].第四紀研究，2001(4)：294 - 302.

[11] 張月叢，趙志強，李雙成，等.基于SPOT NDVI 的華北北部地表植被覆蓋變化趨勢[J].地理研究，2008，27(4)：745 - 754.[12] 袁麗華，蔣衛(wèi)國，申文明，等.2000 — 2010年黃河流域植被覆蓋的時空變化[J].生態(tài)學報，2013，33(24)：7798 - 7806.

[13] Carlson T N，Ripley D A.On the relation between NDVI，fractional vegetation cover，and leaf area index[J].Remote Sensing of Environment，1997，62(3)：241 - 252.

[14] 李登科，范建忠，王娟.陜西省植被覆蓋度變化特征及其成因[J].應用生態(tài)報，2010，21(11)：2896 - 2903.

[15] 劉憲鋒，任志遠，林志慧，等.2000 — 2011年三江源區(qū)植被覆蓋時空變化特征[J]. 地理學報，2013，68(7)：897.

（責任編輯 姚小槐）

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1008 - 701X(2017)05 - 0085 - 03

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.05.024

2017-01-11

佟光臣(1987 - )，男，助理工程師，碩士，主要從事水土保持監(jiān)督管理。E - mail：969714589@qq.com

林 杰(1976 - )，女，副教授，博士，主要從事土壤侵蝕遙感監(jiān)測研究。E - mail：jielin@njfu.edu.cn