基于Landsat的三江源區(qū)植被覆蓋時空變化分析

趙健赟 張曉華 張波 楊靜

摘要：利用2001年、2010年和2015年的Landsat數(shù)據(jù)，基于像元二分模型反演三江源澤庫縣植被覆蓋度，分析其植被覆蓋和景觀結(jié)構時空變化特征，結(jié)果表明：澤庫縣高植被覆蓋主要分布在東部和南部地區(qū)，低植被覆蓋主要分布在西北部地區(qū)；2001-2015年，研究區(qū)植被覆蓋狀況有顯著改善，并向高植被覆蓋方向變化；中東部植被覆蓋呈上升趨勢，東南部和西北部呈顯著上升趨勢，中北部和西南部呈下降和顯著下降趨勢；高植被覆蓋逐漸成為優(yōu)勢景觀，人類活動、源區(qū)生態(tài)工程對研究區(qū)植被覆蓋的提高有一定影響。

關鍵詞：植被覆蓋度；像元二分模型；景觀結(jié)構；三江源

中圖分類號：Q948

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.015

地球表面平均氣溫在過去100多a升高了約0.85℃，中國區(qū)域地表溫度升高速度略高于全球的。全球氣候變化及其帶來的生態(tài)環(huán)境問題越來越嚴峻，氣候變化與生態(tài)系統(tǒng)變化的相互關系，以及兩者之間的驅(qū)動響應機制是地球科學領域研究的熱點之一。植被通過與土壤、水分和大氣的相互作用實現(xiàn)物質(zhì)循環(huán)和能量交換，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分。植被覆蓋度FVC指包括葉、莖、枝在內(nèi)的植被在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計區(qū)總面積的比例，它是描述植被生長、覆蓋等狀況的重要參數(shù)。植被覆蓋變化在全球變化研究中具有重要地位，可以有效揭示自然環(huán)境和人類活動之間的相關影響和反饋機制。

三江源區(qū)位于青海省南部青藏高原腹地，以高寒草原、高寒草甸和高寒灌叢等植被為主。區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)變化顯著，草地退化嚴重，其植被覆蓋變化及其氣候響應研究對揭示青藏高原高寒生態(tài)系統(tǒng)變化過程、探討植被變化驅(qū)動響應機制具有重要意義。有學者針對三江源區(qū)的植被覆蓋及其氣候響應進行了研究。張鐿鋰等研究發(fā)現(xiàn)，三江源區(qū)植被覆蓋在1981-2000年顯著退化；唐紅玉等研究發(fā)現(xiàn)，1982-2000年三江源區(qū)的植被基本不變或輕微退化。由于不同學者采用的數(shù)據(jù)、方法、尺度等存在差異，因此得到的結(jié)論不完全一致，且大多數(shù)研究利用的數(shù)據(jù)主要是歸一化植被指數(shù)NDVI。本文針對三江源區(qū)植被覆蓋時空變化特征尚不明確的問題，利用2001年、2010年和2015年3期Landsat數(shù)據(jù)，以三江源區(qū)澤庫縣為例，對其植被覆蓋和景觀的時空變化特征進行分析和研究。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海省澤庫縣，三江源腹地西傾山北側(cè)，東經(jīng)100°34'-102°08'，北緯34°45'-35°32'，面積約6500km^2。境內(nèi)地勢從東向西傾斜，大部分地區(qū)海拔超過3500m，植被、氣候、土壤垂直差異顯著。研究區(qū)屬于高原大陸性季風氣候區(qū)，雨熱同季，太陽輻射較強，寒冷期較長且多大風，年平均氣溫約為-1℃，年均降水量460mm，年均日照時數(shù)2600h。境內(nèi)有澤庫河等13條河流匯人黃河，是三江源重要的水源地之一。

2數(shù)據(jù)資料與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源與預處理

研究采用的遙感數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（www.gscloud.cn），包括2001年、2010年和2015年Landsat衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，行列號為132/35、132/36，均采用7-8月植被生長旺盛季節(jié)、云量小于10%的數(shù)據(jù)，合計6景。研究區(qū)行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心，DEM數(shù)據(jù)（ASTER GDEMV230m分辨率）來源于美國航空航天局。

在ENVI5.1軟件平臺下，對以上Landsat數(shù)據(jù)進行輻射定標、大氣校正后，利用Seamless MosaiC工具對2001年、2010年和2015年的遙感影像數(shù)據(jù)進行鑲嵌，利用行政區(qū)劃數(shù)據(jù)裁切獲得30 m分辨率遙感數(shù)據(jù)：在ARCGIS10.1軟件平臺下，利用DEM數(shù)據(jù)獲得研究區(qū)坡度、坡向數(shù)據(jù)。以上數(shù)據(jù)均采用AlbersConical Equal Area投影。

2.2植被覆蓋變化分析方法

（1）歸一化植被指數(shù)計算。植被在可見光與近紅外波段的反射率差異較大，常采用歸一化植被指數(shù)NDVI描述植被的生長狀況，NDVI為式中：ρNIR為近紅外波段的反射率；ρR為可見光紅色波段的反射率。

ND VI取值范圍為（-1，1），超過此范圍為異常值，予以剔除。ND VI值越接近于1，表示植被生長越旺盛，植被覆蓋程度越高。

（2）基于像元二分模型的植被覆蓋度FVC估算。FVC估算方法主要有回歸模型法、混合像元分解法和機器學習法。線性混合像元分解模型假設一個像元僅有植被和非植被，該像元的反射率是植被和非植被的線性組合，各白面積所占的比例即植被和非植被的權重

。式中：廠為混合像元中植被所占比例，即FVC值；NDVI。為植被的NDVI值；NDVIs為非植被的NDVI值。

由此可得：

因此，F(xiàn)VC值的估算關鍵在于NDVIv和NDVls的確定。由于背景土壤、植被類型與生理特征存在差異，因此不易直接確定NDVIv、NDVls，一般選用統(tǒng)計分析獲取的區(qū)域NDVI最大值NDVImax和最小值NDVImin替代NDVIv、NDVIs。FVC估算模型可表示為

（3） FVC分級與變化分析。依據(jù)現(xiàn)有FVC分級標準，結(jié)合研究區(qū)實際植被覆蓋情況，一級為低度植被覆蓋，F(xiàn)VC為0～0.30；二級為中低植被覆蓋，F(xiàn)VC為0.30～0.60；三級為中度植被覆蓋，F(xiàn)VC為0.60～0.75；四級為中高植被覆蓋，F(xiàn)VC為0.75～0.90；五級為高度植被覆蓋，F(xiàn)VC為0.90～1.00。

為掌握研究區(qū)2001-2015年植被覆蓋變化情況，依據(jù)分級標準對FVC進行變化分析：

3結(jié)果與分析

3.1 FVC分布特征分析

依據(jù)式（1）計算獲得研究區(qū)2001年、2010年和2015年的NDVI值，對其進行統(tǒng)計，選擇像元數(shù)量增加（減?。┲燎粫r的NDVI值作為NDVImin（NDVImax），按照式（4）計算研究區(qū)FVC值，并進行分級，結(jié)果見圖1。

由圖1可以看出，研究區(qū)高植被覆蓋區(qū)主要分布在東部和南部地區(qū)，低植被覆蓋區(qū)主要分布在西北部地區(qū)。對不同植被覆蓋等級面積進行統(tǒng)計，結(jié)果見表1。

2010年、2015年各等級所占比例分別減去2001年、2010年各等級所占比例，可得研究區(qū)2001-2010年、2010-2015年各等級植被覆蓋的變化情況。計算可得，2001-2010年，低、高植被覆蓋面積分別增加1.00%、5.96%，中低、中度、中高植被覆蓋面積分別減少0.33%、1.61%和5.02%；2010-2015年，高植被覆蓋面積增加9.00%，中低植被覆蓋面積基本保持不變，而其他等級植被覆蓋面積均有所減小。由此表明，2001-2015年，研究區(qū)植被覆蓋狀況得到改善，2010年后植被覆蓋狀況改善更加顯著，且有向高植被覆蓋方向變化的趨勢。

3.2 FVC變化特征分析

根據(jù)2001年、2010年、2015年FVC計算結(jié)果，計算2001-2010年和2010-2015年各等級植被覆蓋像元數(shù)的轉(zhuǎn)移矩陣，見表2、表3。表2中，列（行）數(shù)據(jù)表示2001年（2010年）各等級保持不變和發(fā)生變化的數(shù)量，如第一列第一行339515表示2001年有339515個像元為一級植被覆蓋，且沒有發(fā)生變化；第一列第二行40605表示2001年到2010年有40605個像元由一級植被覆蓋變?yōu)槎壷脖桓采w；第二列第一行75178表示2001年到2010年有75178個像元由二級植被覆蓋變?yōu)橐患壷脖桓采w。由表2、表3可以看出，2001-2010年，低植被覆蓋向中低植被覆蓋轉(zhuǎn)移像元數(shù)量最多，中低植被覆蓋主要向中等和低等植被覆蓋轉(zhuǎn)移，中等植被覆蓋主要向中高及高等植被覆蓋轉(zhuǎn)移，中高植被覆蓋主要向高等植被覆蓋轉(zhuǎn)移，高等植被覆蓋向中高植被覆蓋轉(zhuǎn)移像元數(shù)量最多；2010-2015年，低植被覆蓋向中低植被覆蓋轉(zhuǎn)移像元數(shù)量最多，中低植被覆蓋主要向中等植被覆蓋轉(zhuǎn)移，中等植被覆蓋主要向中高植被覆蓋轉(zhuǎn)移，中高、高等植被覆蓋變化特征與2001-2010年的相同。由此表明，2001-2015年，各等級植被覆蓋向相鄰一級或二級植被覆蓋方向轉(zhuǎn)移，總體有向高一級植被覆蓋轉(zhuǎn)移的趨勢。

為進一步分析植被覆蓋變化的空間分布特征，利用式（5）計算研究區(qū)植被覆蓋變化顯著性指標，見表4，空間分布見圖2。由表4、圖2可以看出，2001-2015年，研究區(qū)植被覆蓋情況有了明顯改善，植被覆蓋上升的地區(qū)主要分布在中東部，顯著上升的地區(qū)集中分布在東南部和西北部，下降和顯著下降地區(qū)主要分布在中北部和西南部。

3.3景觀結(jié)構變化分析

基于2001年、2015年的FVC分級數(shù)據(jù)（見圖1），利用景觀生態(tài)學在類型尺度上的指標對研究區(qū)景觀變化進行分析。選擇斑塊面積CA（用于度量景觀結(jié)構，其大小可衡量以此類型斑塊為聚居地各類物種的豐度、數(shù)量等）、斑塊面積百分比PLAND（指某斑塊類型面積占總面積的比例，趨于0時表示景觀中此斑塊類型稀少，趨于100時表示整個景觀由一類斑塊組成，是衡量優(yōu)勢景觀的依據(jù)）、斑塊數(shù)量NP（指某斑塊類型的斑塊總個數(shù)，其值越大景觀破碎度越高）、景觀形狀指數(shù)LSI（值越大表示該類斑塊偏離正方形的程度越高）和最大斑塊指數(shù)LPI（指最大斑塊占總景觀面積的比例，其大小決定景觀的優(yōu)勢種豐度等生態(tài)特征）。各指標的計算方法見文獻，計算結(jié)果見表5。

由表5中各等級類型尺度景觀指標值，計算各指標2001-2015年的變化情況。在類型尺度上，CA、PLAND指標除高植被覆蓋增加外，其余各等級均減少，表明研究區(qū)高植被覆蓋數(shù)量和優(yōu)勢度增加：NP、LSI指標除中高植被覆蓋增加外，其余各等級均減少，表明研究區(qū)中高植被覆蓋地區(qū)的破碎度變大；LPI指標低等、中高植被覆蓋減少，其余為增加，且高植被覆蓋的LPI顯著增加，表明高植被覆蓋的豐度增加，逐漸成為研究區(qū)的優(yōu)勢景觀。

4討論

研究區(qū)2001年和2015年FVC均值分別為65.9%和72.2%，2015年比2001年提高6.3%。研究區(qū)平均海拔約3760m，將其劃分為最小至3500、3500～3 800、3800～4100m和4100m至最大4個高程區(qū)域，統(tǒng)計各區(qū)內(nèi)植被覆蓋變化情況，見圖3。由圖3可以看出，3500～3800m高程范圍內(nèi)的植被覆蓋變化最顯著，且覆蓋度以上升趨勢為主。此高程范圍內(nèi)，人類活動強度較大，同時2005年至今是國家實施三江源生態(tài)保護與建設的時期，表明人類活動和政府決策對植被恢復有積極作用。

依據(jù)林業(yè)調(diào)查中對坡角、坡向的劃分標準，將研究區(qū)坡度劃分為平坡（坡角≤5°）、緩坡（坡角為6°～15°）、斜坡（坡角為16°～25°）、陡坡（坡角為26°～35°）、急坡（坡角為36°～45°）和險坡（坡角≥46°）6種類型，將坡向劃分為陽坡（南）、陰坡（北）、半陰坡（東北、西北、東）、半陽坡（西、東南、西南）和無坡向5種類型，分別統(tǒng)計各種坡角、坡向的植被覆蓋變化情況，見圖4、圖5。由圖4、圖5可以看出，研究區(qū)植被覆蓋發(fā)生變化的區(qū)域主要集中在緩坡、斜坡和半陰坡、半陽坡地區(qū)，急坡、險坡及無坡向地區(qū)植被覆蓋變化較小。

5結(jié)論

基于2001年、2010年和2015年3期Landsat遙感數(shù)據(jù)，利用像元二分模型對三江源區(qū)澤庫縣的植被覆蓋時空變化特征進行了研究，得到以下結(jié)論：研究區(qū)高植被覆蓋主要分布在東部和南部地區(qū)，低植被覆蓋主要分布在西北部地區(qū)；2001-2015年，研究區(qū)植被覆蓋狀況得到了改善，在2010年后植被覆蓋改善更加顯著：研究區(qū)植被覆蓋上升的地區(qū)主要分布在中東部，顯著上升的地區(qū)集中分布在東南部和西北部，下降和顯著下降的地區(qū)主要分布在中北部和西南部；植被覆蓋發(fā)生變化的區(qū)域主要集中在緩坡、斜坡和半陰坡、半陽坡地區(qū)；研究區(qū)高植被覆蓋逐漸成為優(yōu)勢景觀，人類活動、源區(qū)生態(tài)工程對研究區(qū)植被覆蓋的提高有一定影響。