基于RS和GIS的烏倫古河流域植被覆蓋度時空變化研究

許應達 高凡 何兵 朱秋菊 奎國嫻 王黎黎 高延榮

摘要? [目的]研究烏倫古河流域植被覆蓋時空動態(tài)變化特征。[方法]選取烏倫古河流域為研究區(qū)，以6期（分別為1989、1998、2002、2006、2011和2015年）不同時相的遙感影像成果為數(shù)據(jù)源，采用像元二分法模型計算歸一化指數(shù)（NDVI）來定量分析研究區(qū)1989—2015年植被覆蓋面積的時空變化規(guī)律。[結果]從時間方面看，1989—2015年研究區(qū)的植被覆蓋面積整體呈微弱減少趨勢，減少了32.4? km 年變化率為-0.01%;從空間方面看，研究區(qū)上、中游河段植被覆蓋度波動變化較為頻繁，主要表現(xiàn)在劣蓋度與低蓋度植被覆蓋面積間的相互轉變。[結論]該研究為合理開發(fā)利用烏倫古河流域水資源、保護并逐步恢復流域生態(tài)功能提供依據(jù)。

關鍵詞 植被覆蓋度;時空分布;遙感;地理信息系統(tǒng);烏倫古河流域

中圖分類號 X87文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2018）34-0056-04

植被是構成全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要部分，與地質、地貌、氣候、水文、土壤、動物以及微生物共同構成了自然地理環(huán)境，在地球上土壤圈與大氣圈的物質、能量交換和信息流動過程中承擔著不可或缺的生態(tài)角色[1]。植被覆蓋度指的是植被（包括葉子、莖、枝等）在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計區(qū)域面積的百分比，是衡量地表植被長勢和評價區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康程度的重要指標，也是全球及區(qū)域氣候數(shù)值模型重要的生態(tài)氣候參數(shù)，可以用來表示植被的茂密程度以及植物進行光合作用面積的大小[2-3]。獲取區(qū)域地表植被覆蓋變化信息，對于探討和揭示地表植被空間變化規(guī)律及植被動態(tài)變化趨勢，分析與評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有重要的理論和實踐意義[4]。獲取植被覆蓋度的方法有很多，以往是使用傳統(tǒng)的基于地面實測數(shù)據(jù)的植被覆蓋度估算方法，其缺點在于只能得到小區(qū)域和特定植被類型的植被覆蓋度，且費時、費力、精度低，無法適應和滿足大范圍區(qū)域植被覆蓋度的動態(tài)變化監(jiān)測需要[5-6];隨著遙感技術（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）的不斷發(fā)展與應用，為區(qū)域范圍（尤其是大范圍）內生態(tài)環(huán)境研究提供了一種新的技術支持，利用多時相、多波段遙感影像數(shù)據(jù)進行植被覆蓋監(jiān)測逐漸成為近年來研究熱點[7-10]。

烏倫古河流經阿勒泰地區(qū)的青河、富蘊、福海縣和農十師182 團，是3 縣 1 團場農牧業(yè)生產在烏倫古河河谷帶的唯一用水源[11]，也是新疆第二大淡水湖——烏倫古湖的補給水源。近年來，受氣候變化和人類活動影響，烏倫古河下游河段連年出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，烏倫古湖水位下降及湖水礦化度升高、河谷一帶出現(xiàn)沙漠化，植被退化問題趨于嚴重[12-13]?；诖耍P者選取烏倫古河流域1980—2015年合計6期（1989、1998、2002、2006、2011和2015年）Landsat系列遙感影像數(shù)據(jù)，綜合利用RS、GIS、GPS等技術，采用空間數(shù)據(jù)處理、信息提取解譯、海量數(shù)據(jù)建庫、集成管理分析等方法，監(jiān)測并研究近36年來烏倫古河流域植被覆蓋時空動態(tài)變化特征，為合理開發(fā)利用烏倫古河流域水資源、保護并逐步恢復流域生態(tài)功能，促進經濟社會可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

烏倫古河為新疆阿勒泰地區(qū)第二大河流，發(fā)源于阿爾泰山東段海拔3 550 m的達拉大坂，位于87°05′～90°45′E、46°10′～47°28′N。烏倫古河流域由大、小青格里河、查干河、布爾根河等4條河流由北向南流入二臺水文站以上合流，沿途再無支流匯入，最后流入福?？h的布倫托海。烏倫古河河源至湖口河流總長821 km，流域面積為6.14×104 km 二臺水文站以上集水面積 （國內）為1. 84×104 km2。河水水源完全靠高山季節(jié)性融雪和降水補給，徑流量季節(jié)變化及年際變化極為明顯，多年平均徑流量11.12×108 m3，是新疆年際變化最大的河流。該流域氣候特點主要表現(xiàn)為夏季炎熱、春旱多風、秋季涼爽、冬季嚴寒漫長、降水較少、蒸發(fā)量大等。

1.2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源及處理。該研究選取地理空間數(shù)據(jù)云網址（http：//www.gscloud.cn/）下載的Landsat系列衛(wèi)星影像為基礎影像源，所用傳感器類型為TM/ETM+，空間分辨率為30 m×30 m，影像時相分別為1989、1998、2002、2006、2011和2015年共6個時期。時相選取過程中，由于該流域天然植被一般在5月中旬返青，10月中旬干枯，6—9月為主要生長期，生物量峰值一般在7月，因此，選擇7—8月時相有利于地物識別及植被覆蓋度信息提取，若7—8月不能滿足，則選擇6月或9月。同時，結合烏倫古河流域實際情況，6期烏倫古河流域遙感影像數(shù)據(jù)的專題信息提取范圍為自河道向兩岸延伸20 km，基于此結合1∶100 000地形圖和土地利用專題圖，利用ArcGIS 10.2、ERDAS IMAGINE 2013軟件，進行烏倫古河不同時期的植被覆蓋度的信息提取，其中，遙感影像處理包括幾何精校正與影像配準、影像融合、影像鑲嵌與裁剪、大氣校正等步驟。

1.2.2 研究區(qū)植被覆蓋度分類體系劃分。

植被覆蓋度是全球及區(qū)域性氣候數(shù)值模型中的重要參數(shù)，是描述生態(tài)系統(tǒng)的重要基礎數(shù)據(jù)，可揭示地表植被動態(tài)變化趨勢，對進行區(qū)域生態(tài)環(huán)境評價具有重要意義[14]。該研究的研究區(qū)植被覆蓋度劃分參考相關研究分類成果[14]，結合烏倫古河流域實地勘察，將研究區(qū)植被覆蓋度分為4種類型（表1）。

1.2.3 遙感信息提取。

鑒于烏倫古河流域地貌類型相對單一，植被指數(shù)最大值與最小值較均一且像元值易尋找，歸一化植被指數(shù)（normalized differential vegetation index，NDVI）綜合了EVI、DVI和DDV等算法的優(yōu)點，可間接反映地表植被長勢和生長量，且與植被覆蓋分布密度存在線性關系。該研究采用NDVI進行研究區(qū)植被覆蓋度信息提取。

1.2.3.1 歸一化植被指數(shù)（NDVI）計算。

NDVI也稱生物量指標變化，能消除部分與太陽高度角、衛(wèi)星觀測角、地形、云影等相關參數(shù)與大氣條件有關輻射的變化。NDVI的取值范圍在[- 1]，可避免數(shù)據(jù)太大和太小為使用帶來的不便。計算公式為：

1.2.3.2 基于像元二分法反演植被覆蓋度。

假設一個像元的NDVI值由完全是植被覆蓋的地表和完全沒有植被覆蓋的地表組成，所觀測到的光譜信息則是由這2種地表的面積比例加權的線性組合。其中，各因子權重即為各自面積在像元中所占比率，全植被覆蓋部分地表在像元中所占的面積百分比即為此像元的植被覆蓋度。

計算公式可表示為：

式中，fNDVI為植被覆蓋度;NDVIveg為全植被像元的NDVI值，即完全被植被覆蓋的部分;NDVIsoil為無植被像元的NDVI值，即完全裸地的部分。

計算公式也可表示為：

式中， NDVImax、NDVImin分別為最大、最小NDVI值[8]。有植物像元為NDVI最大值，無植物像元為NDVI最小值，考慮遙感影像中存在不可避免的噪聲，對NDVImax、NDVImin取值時，取置信度區(qū)間的最大值與最小值，其中置信度取值主要由圖像大小、圖像清晰度等情況來決定[15]。

綜合考慮研究區(qū)6個時相遙感影像，決定在NDVI概率累計表上取概率為99.5%的值為NDVImax，取概率為0.5%的為NDVImin，并利用ERDAS IMAGINE 2013 軟件中的Modeler實現(xiàn)植被覆蓋度定量轉換模型，得到1989—2015年6期植被覆蓋度專題圖。

2 結果與分析

2.1 植被覆蓋度提取結果

通過ArcGIS 10.4.1軟件對烏倫古河流域1989—2015年6期（1989、1998、2002、2006、2011、2015年）影像數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到6期植被覆蓋度各類型面積及比例統(tǒng)計結果（表2）。

2.2 植被覆蓋度時間變化特征

從表1可以看出，1989—2015年整體上研究區(qū)的總體植被蓋度呈微弱的減少趨勢，即總植被覆蓋從1989年的8 620.3 km2減少至2015年的8 587.9 km2，減少了32.4 km 年減少率為0.01%。其中在1989—2006年呈明顯減少趨勢，即植被覆蓋面積從1989年的8 620.3 km2減少至2006年的5 953.9 km 減少了2 666.4 km 且在2011—2015年也減少了82.1 km 而1998—2002、2006—2011年總植被覆蓋面積均呈增加趨勢，分別增加了60.7、2 716.1 km2。從各個時期來看，研究區(qū)4種植被覆蓋度類型面積變化情況中，1989—1998年劣蓋度植被覆蓋面積急劇減少，減少了2 747.2 km 低、中蓋度植被覆蓋面積分別增加了507.9、147.5 km 但高植被覆蓋的面積減少了155.6 km2;1998—2002年，劣蓋度和低蓋度面積均呈下降趨勢，分別減少了583.5、578.2 km 中、高蓋度植被覆蓋面積均呈增加趨勢，分別增加了1 035.4、187.0 km2;2002—2006年，除劣蓋度面積有所增加（增加了1 607.5 km2），其他3種類型覆蓋面積均呈下降趨勢，分別下降了561.6、1 142.8、382.7 km2。其下降原因是由于人口的不斷增加，當?shù)厝嗣衽Πl(fā)展生產，在烏倫古河附近不斷地興修水庫、水渠等水利設施，大面積地將草地開辟為農田，部分耕地由于肥力較低而棄耕，造成草地退化加劇，生態(tài)環(huán)境惡劣[16];2006—2011年，劣蓋度下降了361.6 km 而低、中、高蓋度在這一時期都呈上漲趨勢，分別上升了1 068.5、1 202.7、806.4 km 植被覆蓋面積上漲迅速是由于植被經過前一時期的破壞，當?shù)卣腿嗣褚庾R到生態(tài)破壞所帶來的后果，已經采取相應的治理措施[16];2011—2015年，劣蓋度植被覆蓋面積又增加了745.4 km 而低、中蓋度植被覆蓋面積又開始減少，分別減少了146.9、742.9 km 但高蓋度植被覆蓋面積從2011年的1 228.5 km2增加至2015年的1 290.9 km 增加了62.4 km2。

2.3 植被覆蓋度空間變化特征

從圖1可以看出，1989—2015年研究區(qū)6期的植被覆蓋面積在空間上總體呈逐漸減少的趨勢。其中1989年上、中、下游河段植被覆蓋度總體為劣蓋度（紅色部分），植被覆蓋度類型單一。1989—1998年，上游河段（河流方向為東南至西北）劣蓋度植被面積減少最為明顯，中游河段低蓋度植被面積增加最為明顯（黃色部分），下游河段中蓋度（淺黃色）和高蓋度（綠色）植被面積均有所增加，總體而言該流域總植被覆蓋面積呈減少趨勢。1998—2002年，上、中、下游河段4種植被覆蓋類型都有分布，其中上游河段劣蓋度植被面積明顯減少;中游河段低蓋度植被面積減少，中蓋度植被面積增加;下游河段高蓋度植被面積增加較為明顯。2002—2006年，上游河段中蓋度植被面積明顯減少，大部分轉變?yōu)榱由w度植被面積;中下游河段中、高蓋度植被面積也在不同程度地減少，且下游河段大部分為低蓋度植被面積。2006—2011年，上、中游河段低蓋度、中蓋度植被面積均呈上升趨勢，而劣蓋度植被面積明顯減少，特別是在中游地區(qū)劣蓋度植被面積基本沒有，下游大部分以中蓋度和高蓋度植被為主。2011—2015年，上游河段低蓋度植被面積明顯減少，而劣蓋度植被面積明顯增加;中、下游河段植被覆蓋面積變化較小。總體而言，1989—2015年烏倫古河流域植被覆蓋面積變化呈微弱的減少趨勢。

3 結論

該研究基于RS和GIS技術，以烏倫古河流域6期（分別為1989、1998、2002、2006、2011和2015年）不同時相的遙感影像成果為數(shù)據(jù)源，運用像元二分法模型計算歸一化植被指數(shù)（NDVI），以定量分析研究區(qū)1989—2015年植被覆蓋面積時空變化規(guī)律，結果如下：

（1）烏倫古河流域植被覆蓋度在時間分布上總體呈減少趨勢，其中低蓋度植被面積分布最多?？傊脖桓采w面積在1989—1998、2002—2006、2011—2016年呈明顯減少趨勢，即植被覆蓋面積從1989年的8 620.3 km2減少至1998年的6 372.9 km 減少了2 247.4 km 植被覆蓋面積從2002年的6 433.6 km2減少至2006年的5 953.9 km 減少了479.7 km 植被覆蓋面積從2011年的8 670.0 km2減少至2015年的8 587.9 km 減少了82.1 km2;總植被覆蓋面積在1998—2002、2006—2011年分別呈增加趨勢，植被覆蓋面積分別增加了60.7、2 716.1 km2。總體而言，1989—2015年烏倫古河流域植被總面積呈少量減少，減少了32.4 km 年變化率為-0.01%。

（2）烏倫古河流域植被覆蓋度在空間分布上，上游河段劣蓋度植被面積和低蓋度植被面積相互轉化較為明顯。1989—1998年，上中游河段劣蓋度植被面積減少最為明顯，而低蓋度植被面積增加較為明顯;1998—2002年，上、中游河段劣蓋度低蓋度植被面積均有所減少;2002—2006年，上游河段低蓋度植被面積明顯減少，而劣蓋度植被面積明顯增加;2006—2011年，上、中游河段低蓋度、中蓋度植被面積均呈上升趨勢，而劣蓋度植被面積明顯減少;2011—2015年，上游河段低蓋度植被面積明顯減少，而劣蓋度植被面積明顯增加;中、下游河段植被覆蓋面積變化較小。

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