基于GF-1影像的甘南縣植被覆蓋度提取分析

李恒 龔文峰 曹凱華 劉月陽 徐鋮龍 周瑩 徐宏聚

摘要：基于RS和GIS技術(shù)，以甘南縣2014年 GF-1WFV1影像和2018年GF-1WFV3影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，采用像元二分模型法定量獲取研究區(qū)域的植被覆蓋。研究結(jié)果表明，甘南縣植被覆蓋度整體狀況良好，中高蓋度和高蓋度占據(jù)主要地位，呈現(xiàn)遞增的趨勢，面積比例之和分別為73.39%和87.16%，源于國家推行的退耕還林還草等生態(tài)政策，生態(tài)環(huán)境惡化趨勢得到一定緩解。極低覆蓋度、低蓋度和中蓋度植被面積呈現(xiàn)遞減趨勢，其中中蓋度植被面積減少的最多，為439.88 km2。

關(guān)鍵詞：植被覆蓋度;GF-1;NDVI;甘南縣

Abstract： Based on RS and GIS technology， based on Gannan County's 2014 GF-1WFV1 image and 2018 GF-1WFV3 image data source， the pixel coverage of the study area was quantitatively obtained by the pixel binary model method. The results show that the overall coverage of vegetation coverage in Gannan County is good， and the medium-high coverage and high coverage occupy a dominant position， showing an increasing trend. The sum of the area ratios is 73.39% and 87.16% respectively， which is derived from the national implementation of returning farmland to forests. Ecological policies such as grass and the deterioration of the ecological environment have been alleviated. The vegetation coverage of extremely low coverage， low coverage and mid-coverage showed a decreasing trend， with the most reduced vegetation area in the middle cover， which was 439.88 km2.

Key words： Vegetation coverage;GF-1;NDVI;Gannan County

1引言

農(nóng)牧交錯帶是指農(nóng)業(yè)區(qū)與牧業(yè)區(qū)之間所存在的一個農(nóng)牧過渡地帶，在這個過渡帶內(nèi)種植業(yè)和草地畜牧業(yè)在空間上交錯分布[1]，生態(tài)結(jié)構(gòu)較為簡單，對全球環(huán)境變化極為敏感。近幾十年來，隨著全球環(huán)境的變化，該區(qū)域環(huán)境不斷惡化，已對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生嚴重影響。據(jù)甘南縣水務(wù)局的相關(guān)勘察表明，全縣現(xiàn)有水土流失面積占總面積52.7%[2]。植被覆蓋度不僅是一個重要的生態(tài)學(xué)參數(shù)，也是控制土壤侵蝕的一個關(guān)鍵因素。因此，開展植被覆蓋度的提取研究對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)恢復(fù)和經(jīng)濟發(fā)展都具有積極作用。

植被覆蓋度是指植被包括葉、莖、枝在地面的垂直投影占統(tǒng)計區(qū)總面積的百分比[3]。植被覆蓋度測算方法主要有目測估算法、儀器測量計算法和遙感解譯法[4]。相比常規(guī)的調(diào)查方法，遙感解譯法具有觀測范圍大、獲取速度快、花費成本低、干擾因素少等優(yōu)點[5]，已逐步成為當(dāng)前學(xué)者提取植被覆蓋度估算的主流方法。如趙強等基于Landsat TM數(shù)據(jù)對北京潮白河流域中上游地區(qū)從1991～2002年的植被覆蓋信息提取研究[6]，馬志勇等基于MODIS數(shù)據(jù)應(yīng)用NDVI對杭州地區(qū)植被的變化進行反演，研究表明該地區(qū)植被大幅增加[7]，陳濤等利用 “北京一號”小衛(wèi)星數(shù)據(jù)對以密云水庫流域地面植被覆蓋度估算研究，研究表明估算值與實際值之間相關(guān)性較高（86%）[8]。近年來，隨著國產(chǎn)高分衛(wèi)星的不斷升空，為學(xué)者進行植被覆蓋度研究提供了更多數(shù)據(jù)選擇。楊斌等[9]基于GF-1WFV和Landsat-8 OLI數(shù)據(jù)對提取的植被覆蓋信息比較研究，結(jié)果顯示GF-1數(shù)據(jù)的估算精度要高于Landsat-8數(shù)據(jù)?；诖?，本文選取GF-1影像作為主要數(shù)據(jù)源，借助ENVI5.3遙感處理軟件，開展研究區(qū)植被蓋度遙感定量估算，同時結(jié)合地面部分樣點數(shù)據(jù)，對農(nóng)牧交錯區(qū)齊齊哈爾市甘南縣的植被覆蓋的分布特征進行研究，以期為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境恢復(fù)和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展提供技術(shù)參考。

2研究區(qū)概況

甘南縣位于黑龍江省西北部，地理坐標為：E122°54′～124°58′，N47°35′～48°32′，該區(qū)域隸屬于齊齊哈爾市，地處大興安嶺南麓，嫩江中游沖積平原右岸，是黑龍江省的糧食主產(chǎn)區(qū)之一。地形西北高、東南低，海拔在160～380m之間，屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，其氣候特點為：四季冷暖干濕分明，冬季風(fēng)多嚴寒少雪，氣候干燥;春季風(fēng)大少雨，易發(fā)生春旱;夏季高溫多雨;秋季降溫急劇，大地很快封凍。其多年平均氣溫在2.6℃，平均最高溫度9.2℃，平均最低溫度零下3.4℃，年平均日照為2791.7小時，平均降水量為455mm，無霜期平均為132天?？h內(nèi)土壤肥沃，土質(zhì)以草甸土、黑土、黑鈣土和暗棕壤為主，有機質(zhì)含量在2%～8%之間，適合各種植物和農(nóng)作物生長。

3材料與方法

3.1數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

3.1.1數(shù)據(jù)來源

本文所選數(shù)據(jù)為2014年9月24日獲取的一景GF-1WFV1數(shù)據(jù)和2018年8月18日獲取的兩景GF-1 WFV 3數(shù)據(jù)，所選數(shù)據(jù)云量覆蓋較少，成像效果很好，可以很好的反應(yīng)植被生長狀況。此外，還收集到1：50000的甘南縣行政區(qū)劃圖和部分樣點數(shù)據(jù)。

3.1.2遙感影像預(yù)處理

基于遙感圖像處理軟件ENVI 5.3對所獲取的高分數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括輻射定標、大氣校正、投影轉(zhuǎn)換、圖像鑲嵌、研究區(qū)裁剪等處理，圖像的投影方式為橫軸墨卡托投影UTM（Zone51N）。

3.2植被指數(shù)獲取

植被指數(shù)是兩個或多個波長范圍內(nèi)的地物反射率組合運算，以增強植被某一特性或者細節(jié)[10]。常見用來反映植被信息的植被指數(shù)有歸一化植被指數(shù)（NDVI）、比值植被指數(shù)（SR）、增強植被指數(shù)（EVI）、土壤調(diào)整植被指數(shù)（SAVI）、大氣阻抗植被指數(shù)（ARVI）、綠度綜合指數(shù)（SG）等。其中，NDVI是植物生長狀態(tài)及植被空間分布密度的最佳指示因子。因此，本文選取歸一化植被指數(shù)來計算植被覆蓋度。

歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）是應(yīng)用最廣泛的一種植被指數(shù)，NDVI的變化在一定程度上能反映地表覆蓋度變化，計算公式為：

3.3植被覆蓋度提取

參閱已有文獻可知，像元二分模型可以削弱大氣、土壤背景與植被類型等的影響，是目前植被覆蓋度反演的有效方法，其原理為設(shè)想通過遙感傳感器所觀測到的相元信息S可表示為由植被成分所構(gòu)成的信息Sveg和由土壤成分所組成的信息Ssoil這兩部分組成，計算公式為：

4結(jié)果與分析

4.1植被覆蓋度等級劃分

根據(jù)水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》[11]及當(dāng)?shù)貙嶋H狀況，在ArcGIS10.3軟件的支持下，本文將植被覆蓋度分為5個等級，分別為極低覆蓋度（Vc<0.2），對應(yīng)地類為裸地和建筑土地;低覆蓋度（0.20.8），對應(yīng)地類主要為優(yōu)質(zhì)耕地和林地，分類結(jié)果如圖1所示。

4.2植被覆蓋度統(tǒng)計分析

基于ArcGIS10.3的空間分析功能，首先完成研究區(qū)域植被覆蓋度等級的定量分類，在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)計分析研究區(qū)2014年和2018年植被覆蓋度數(shù)據(jù)，具體分析結(jié)果見表1。由表1可知，研究期間中高覆蓋度的面積比例最大，分別為47. 50%和57.80%，占據(jù)一定的優(yōu)勢地位，且面積比例增加了10.30%，呈現(xiàn)了遞增的趨勢。該植被類型2004年主要分布于研究區(qū)的中東部區(qū)域，且呈現(xiàn)分散狀態(tài)分布，而2018年主要東北部區(qū)域，趨于聚集狀態(tài)分布;高蓋度植被的面積比例次之，分別為25.89%和29.36%，面積增加了165.88km2，2004年主要分布于研究區(qū)的西南部，4年間除了在西南部有大量的分布，在中部和東北的部分區(qū)域也有了一定的分布，該植被類型在空間上呈現(xiàn)擴張趨勢，一方面很大程度源于當(dāng)?shù)卣畬r(nóng)業(yè)用地的合理規(guī)劃和利用，另外國家推行“退耕還林、還草”等這些措施，對區(qū)域植被的恢復(fù)起到了積極的作用。同時中高蓋度和高蓋度的面積比例之和由2014年的73.39%增加到2018年的87.16%，該結(jié)果在一定上表明研究區(qū)域的優(yōu)質(zhì)耕地占據(jù)一定的面積比例，符合區(qū)域的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)特征，反映了甘南縣植被覆蓋度整體狀況良好，另一方面也說明了該時期正是植被的生長旺季，植被覆蓋度高。極低覆蓋度所占的面積比例最小，僅為3.70%和3.20%，面積比例減少了0.50%。研究期間中蓋度植被和低蓋度植被的空間分布趨勢相似，都是由分散的狀態(tài)趨向聚集的狀態(tài)，呈現(xiàn)萎縮的態(tài)勢，逐漸被中高蓋度和高蓋度植被區(qū)域代替，在一定程度上反映了區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在提升，極低植被蓋度的空間分布沒有發(fā)生明顯的改變，

總之，4年間中高覆蓋度和高蓋度植被面積呈現(xiàn)遞增的趨勢，其中中高覆蓋度面積增大的最多，為463.6 km2，而其他類型的植被蓋度呈現(xiàn)遞減的趨勢，中蓋度植被面積減少的最多，其次為低蓋度植被，減少的面積分別為439.88 km2和165.62 km2，該結(jié)果表明了源于國家的退耕還林還草等生態(tài)政策積極推行，區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化趨勢得到一定緩解。

5結(jié)語

本文以國產(chǎn)GF-1影像為主要數(shù)據(jù)源，在RS和GIS支持下，借助歸一化植被指數(shù)（NDVI）、相元二分模型，獲取甘南縣植被覆蓋度等級圖，并對分類結(jié)果簡要分析，結(jié)果表明研究區(qū)植被覆蓋狀況整體較好。

參考文獻

[1]趙哈林，趙學(xué)勇，張銅會，周瑞蓮.北方農(nóng)牧交錯帶的地理界定及其生態(tài)問題[J].地球科學(xué)進展，2002（05）：739-747.

[2]劉曉宇.甘南縣水土保持生態(tài)環(huán)境建設(shè)規(guī)劃[J].黑龍江水利科技，2013，41（2）：211-213.

[3]章文波，符素華，劉寶元.目估法測量植被覆蓋度的精度分析[J].北京師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2001（03）：402-408.

[4]秦偉，朱清科，張學(xué)霞，李文華，方斌.植被覆蓋度及其測算方法研究進展[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006（09）：163-170.

[5]高桂勝，楊斌，等.高分一號提取植被信息方法對比[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2017，37（05）：46-47+79.

[6]趙強，宮輝力，鄧偉，王尚義，安祥生，王玉明，賈萍.基于Landsat TM數(shù)據(jù)的潮白河流域植被覆蓋變化研究[J].遙感信息，2005（03）：21-23+83.

[7]馬志勇，張慧，張軍海.基于MODIS杭州地區(qū)植被變化分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006（18）：4618-4619.

[8]陳濤，李平湘，張良培，劉亞嵐.利用“北京一號”小衛(wèi)星數(shù)據(jù)估算植被覆蓋度的可行性研究[J].遙感信息，2008（05）：37-40+54.

[9]楊斌，高桂勝，王磊，程璐.基于GF-1 WFV和Landsat-8 OLI提取植被信息方法比較研究[J].測繪工程，2018，27（08）：7-12.

[10]鄧書斌. 植被光譜特征與植被指數(shù)綜述[A].中國遙感委員會.第十七屆中國遙感大會摘要集[C].中國遙感委員會：杭州師范大學(xué)遙感與地球科學(xué)研究院，2010：1.

[11]GB/SL190-1996，土壤侵蝕分類分級標準[S].