西安城區(qū)植被覆蓋度時(shí)空變化特征及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究

張慧子, 趙許寧，陳建軍

(桂林理工大學(xué) 測(cè)繪地理信息學(xué)院，廣西 桂林 541004)

1 引言

植被對(duì)生態(tài)系統(tǒng)具有重要的指示作用，在自然因素中，植被對(duì)其他因素(氣候、地形、地貌、土壤、水文等)的改變最敏感，所以它能很好地指示植被生長(zhǎng)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境變化[1，2]。城市植被是城市生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分和最重要的元素，對(duì)促進(jìn)城市生產(chǎn)的發(fā)展、豐富居民生活和維持生態(tài)平衡有著不可替代的作用，如緩解城市“熱島效應(yīng)”、改善區(qū)域氣候等[3]，對(duì)保護(hù)城市生態(tài)環(huán)境具有不可忽視的作用。在城市化快速發(fā)展的今天，城市植被變化已成為引起城市生態(tài)環(huán)境問題的重要原因之一。

西安市是中國西部地區(qū)具有重要區(qū)域意義的大城市，城鎮(zhèn)化發(fā)展非常迅速，因此對(duì)西安植被變化進(jìn)行研究具有重要意義。目前，對(duì)西安市植被覆蓋狀況的研究已有一些階段性成果，但多數(shù)局限于某年的植被變化情況，很少使用長(zhǎng)時(shí)間序列影像對(duì)西安市較長(zhǎng)時(shí)期植被覆蓋時(shí)空演變和驅(qū)動(dòng)力因素的分析研究[4]。本研究基于LandsatTM/ETM遙感數(shù)據(jù)，分析2002～2009年植被覆蓋的時(shí)空變化特征，并初步探討其變化因素，為環(huán)境治理和建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)域與方法

2.1 研究區(qū)概況

西安(33°39′～34°45′N，107°40′～109°49′E)位于關(guān)中平原的中部，北臨渭河，南依秦嶺，屬于暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，年平均氣溫13.6 ℃。西安市市區(qū)植被種類豐富，其中自然植被主要為森林、灌叢，草甸和水生植被。

2.2 數(shù)據(jù)處理及研究方法

首先利用Erdas遙感圖像處理軟件對(duì)兩期影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正及裁剪等預(yù)處理，以減少大氣等帶來的誤差。

2.2.1 植被指數(shù)計(jì)算

歸一化植被指數(shù)(NDVI)是植被生長(zhǎng)狀態(tài)的重要指示因子，并與植被覆蓋度呈正相關(guān)性。NDVI用公式表示為：

(1)

式(1)中:ρNIR和ρR分別為近紅外波段和紅光波段的反射率或像元值。

西安城區(qū)兩期影像的NDVI值如圖1所示。

圖1 NDVI值

2.2.2 差值植被的指數(shù)計(jì)算

差值圖像可提供不同波段或不同時(shí)相圖像間的差異信息，能夠反映同一地物在兩個(gè)波段、兩個(gè)時(shí)相的差異，差異大的地物信息得到突出，差異小的地物信息被抑制。將2009年的NDVI和2002年的NDVI相減，得到2009年和2002年的差值NDVI圖像(2009NDVI-2002NDVI)，見圖2。若差值NDVI的值小于0，表示植被覆蓋降低，其值越小植被覆蓋降低越多；若差值NDVI的值在0附近，表示植被覆蓋變化不大；若差值NDVI的值大于0，則表示植被覆蓋升高，其值越大植被覆蓋升高越多[5]。

圖2 2009NDVI-2002NDVI

2.2.3 彩色圖像合成

不同時(shí)段所包含的植被信息各不相同，用RGB的彩色合成圖像可同時(shí)反映2個(gè)不同時(shí)相的植被覆蓋情況及其變化趨勢(shì)。對(duì)所得到的假彩色合成圖像進(jìn)行對(duì)比度拉伸和適當(dāng)?shù)牡屯V波去噪處理，以突出變化的信息，更直觀地反映各區(qū)域的植被變化情況[6]。將2002年的NDVI、2009NDVI-2002NDVI、2009年的NDVI，分別作為紅色(R)、綠色(G)、藍(lán)色(B)分量進(jìn)行RGB假彩色合成，得到的多時(shí)序NDVI疊加圖如圖3，可直觀地反應(yīng)出地表植被的變化趨勢(shì)。

(R：2002；G：2009-2002；B：2009)

2.2.4 植被覆蓋度計(jì)算

像元二分法模型是一種簡(jiǎn)單的混合像元分解模型[7]，利用遙感數(shù)據(jù)將地面地物信息分為植被覆蓋區(qū)域和非植被覆蓋區(qū)域，其計(jì)算公式表示如下：

(2)

式(2)中：NDVIsoil代表純土壤像元的NDVI值，NDVIveg代表純植被覆蓋像元的NDVI值。

為了更好的比較和分析不同時(shí)期及不同區(qū)域的植被覆蓋度，將西安城區(qū)的植被覆蓋度fc值劃分為4級(jí):0≤fc≤10%，無植被覆蓋區(qū)(NC);10%

圖4 西安城區(qū)植被覆蓋分級(jí)

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度的空間變化特征

在NDVI圖(圖1)中植被信息都以較淺的顏色反映，由2002年的NDVI圖可看出城墻內(nèi)植被信息較稀疏，僅有較大區(qū)域的植被可被清楚辨識(shí)，如蓮湖公園、興慶公園等，而顏色較深的區(qū)域多為建筑物，如居民地、商業(yè)區(qū)等。道路兩旁的植被信息斑塊面積較小。在距中心城區(qū)較遠(yuǎn)的二環(huán)與三環(huán)之間的地區(qū)植被狀況逐漸好轉(zhuǎn)，呈塊狀連續(xù)分布。位于城市邊緣位置的農(nóng)田面積較大，成為高植被覆蓋區(qū)。

相比2002年的NDVI圖，2009年NDVI圖像發(fā)生了明顯的變化，主要表現(xiàn)在市區(qū)內(nèi)綠地的增加、隔離帶地區(qū)的綠化增多、重要公園(如大明宮遺址公園、興慶公園、唐城墻遺址公園等)的綠化增多等。同時(shí)，在未央?yún)^(qū)及雁塔區(qū)南部出現(xiàn)了較多的黑色斑塊，說明在此時(shí)間段內(nèi)該區(qū)域的植被覆蓋呈明顯減少的趨勢(shì)。

3.2 植被覆蓋度的時(shí)間變化特征

3.2.1 分類圖像的彩色合成

在彩色合成圖像上植被的變化趨勢(shì)被直觀的顯示出來，應(yīng)用彩色合成原理對(duì)圖3進(jìn)行分析，根據(jù)彩色合成原理，當(dāng)三個(gè)NDVI都很大時(shí)，在疊加圖像上應(yīng)呈灰白色:當(dāng)三個(gè)NDVI都很小時(shí)，在圖像上應(yīng)呈黑色，而青色、綠色、紅色則反映相應(yīng)地區(qū)的NDVI變化的不穩(wěn)定狀態(tài)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

在2002～2009年間西安城區(qū)的植被變化較大，城墻內(nèi)的低植被覆蓋上升為中等植被覆蓋，城北的未央?yún)^(qū)因發(fā)展速度快導(dǎo)致植被破壞較嚴(yán)重，三環(huán)沿線的生態(tài)林帶的建立使得此區(qū)域中等植被覆蓋區(qū)上升為高植被覆蓋區(qū)(圖5)。

表1 多時(shí)相植被覆蓋合成圖顏色與變化趨勢(shì)

圖5 區(qū)域變化

由圖5可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)時(shí)段的植被覆蓋狀況發(fā)生了較大的變化，城區(qū)西北位置的部分區(qū)域植被覆蓋有了很大程度的好轉(zhuǎn)，而在東三環(huán)周邊的一些區(qū)域大片的植被遭到破壞。

3.2.2 分類圖像統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)前面的分級(jí)方法，將兩期植被覆蓋度分類圖進(jìn)行分級(jí)：0%～10%，10%～45%，45%～65%，65%～100%，統(tǒng)計(jì)每一分級(jí)的像元數(shù)目(圖6)。

圖6 2002年與2009年植被覆蓋度統(tǒng)計(jì)

圖中X軸表示各不同的分級(jí)級(jí)別，Y軸表示每一分級(jí)的像元數(shù)目

從圖6可以看出兩個(gè)時(shí)段無植被覆蓋區(qū)(0%～10%)像元數(shù)較少，相比2002年，2009年略有增加；低植被覆蓋區(qū)(10%～45%)出現(xiàn)增多的情況，而在中等植被覆蓋區(qū)(45%～65%)出現(xiàn)大幅下降，高植被覆蓋區(qū)(65%～100%)略有升高。研究結(jié)果反映出該時(shí)期內(nèi)各區(qū)域不同強(qiáng)度的城市化活動(dòng)及其對(duì)植被所產(chǎn)生的影響，同時(shí)反映出西安市相關(guān)部門在生態(tài)環(huán)境保護(hù)和建設(shè)方面所作的努力已有可喜的成績(jī)，特別是對(duì)河流和綠水進(jìn)行的生態(tài)保護(hù)與生態(tài)恢復(fù)工作成果顯著[8～10]，表現(xiàn)為部分區(qū)域植被覆蓋的顯著增加。

3.3 植被覆蓋度變化驅(qū)動(dòng)機(jī)制初步分析

氣候是影響植被覆蓋變化的重要因子[11]，同時(shí)經(jīng)濟(jì)建設(shè)活動(dòng)對(duì)植被覆蓋也有重要影響，本研究?jī)H基于人類生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)植被覆蓋產(chǎn)生的影響做初步分析。西安市作為陜西省的省會(huì)，是中國西部地區(qū)重要的中心城市，2002～2009年是西安重要的戰(zhàn)略機(jī)遇期，也是改革開放以來發(fā)展速度最快、城市面貌變化最大的時(shí)期[8]。近10年間，受經(jīng)濟(jì)建設(shè)等政策的影響，城區(qū)和開發(fā)區(qū)發(fā)展速度不斷加快，尤其是開發(fā)區(qū)的快速發(fā)展導(dǎo)致植被呈嚴(yán)重退化趨勢(shì)，例如位于城市北部的未央?yún)^(qū)。與此同時(shí)，得益于人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，相關(guān)部門大力推行生態(tài)環(huán)境保護(hù)和恢復(fù)舉措以打造宜居城市，因此，西安城區(qū)植被覆蓋整體有所改善。

4 結(jié)論

利用Landsat數(shù)據(jù)，基于像元二分模型研究了2002～2009西安城區(qū)植被覆蓋變化特征，并對(duì)其驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行初步分析。

(1)在2002～2009年中，西安城區(qū)植被覆蓋整體發(fā)生了較大變化。城墻內(nèi)植被應(yīng)為城市植被建設(shè)規(guī)劃及植被保護(hù)等原因由低等植被覆蓋上升為中等植被覆蓋區(qū)；城北的未央由于快速城市化，城市擴(kuò)展速度加快，植被理到嚴(yán)重破壞，三環(huán)沿線因?yàn)樯鷳B(tài)林帶的建立由中等植被覆蓋去轉(zhuǎn)化為高植被覆蓋區(qū)，只有位于城市邊緣位置的極少部分農(nóng)用地等高植被覆蓋區(qū)域的植被覆蓋率保持上升。

(2)在2002～2009年中，西安城區(qū)的植被覆蓋情況退化、無植被覆蓋區(qū)(0%～10%)基本無像元,相比2002年，2009年略有增加:低植被覆蓋區(qū)(10%～45%)出現(xiàn)增多的情況，而中等植覆蓋區(qū)(45%～65%)，出現(xiàn)大幅下降，高植被覆蓋區(qū)(65%～100%)略有升高。

(3)西安城區(qū)植被覆蓋的變化受自然因素影響，同時(shí)，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展與城市建設(shè)等人類生產(chǎn)活動(dòng)也是其重要驅(qū)動(dòng)因素。