基于RS的定西市植被覆蓋格局變化研究

王琰麟

摘要：植被是生態(tài)系統(tǒng)中非常重要且不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)，是地球表面覆蓋的重要組成部分， 更是反映地表植被狀況的一個(gè)非常重要的特征。本文以定西市為靶區(qū)，利用2000年、2006年的TM影像和定西市1：10萬地形圖，運(yùn)用RS和ArcGIS技術(shù)，對(duì)定西市植被覆蓋格局變化進(jìn)行研究。結(jié)果表明：2000-2006這六年間，定西市的較低植被覆蓋和低植被覆蓋在地理空間上發(fā)生明顯變化，植被覆蓋度總體呈上升趨勢(shì)，草地等植被覆蓋狀況良好，山地區(qū)域的植被進(jìn)化較為樂觀，森林區(qū)的植被覆蓋穩(wěn)步提升，本地區(qū)植被蓋度基本呈上升趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：RS ?定西市 ?植被覆蓋格局

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科技水平的提高，生態(tài)系統(tǒng)與人類活動(dòng)的關(guān)系變得日益緊密，植被覆蓋是生態(tài)系統(tǒng)中最為敏感的其中一個(gè)因素，植被覆蓋度是表征地表植被的重要指標(biāo)，也是水土流失、土地沙漠化評(píng)價(jià)、分布式水文模型的重要輸入?yún)?shù) [1]。國(guó)外研究開始較早，Purevdorj[2]、SellersPJ[3]、AsrarGE[4]等國(guó)外學(xué)者運(yùn)用植被指數(shù)法、植被覆蓋度與光譜指數(shù)的相關(guān)分析法等方法結(jié)合地理技術(shù)，對(duì)國(guó)外植被覆蓋度的相關(guān)問題進(jìn)行了一系列研究。隨后，國(guó)內(nèi)學(xué)者運(yùn)用綜合技術(shù)，聯(lián)系經(jīng)濟(jì)學(xué)、物理學(xué)等領(lǐng)域的知識(shí)逐漸涉獵植被研究，李苗苗[1]等建立植被覆蓋度的評(píng)價(jià)模型，估算了密云水庫的植被覆蓋狀況;李成范等[5]運(yùn)用ArcGIS軟件，通過提取重慶市的歸一化植被指數(shù)（NDVI），對(duì)該市的植被覆蓋度的變化進(jìn)行了研究。綜合來看，已有研究為植被覆蓋相關(guān)研究建立了較為完善的理論基礎(chǔ)和成熟的研究方法，但是，以往研究都集中于森林面積占比較大的區(qū)域或者沿海發(fā)達(dá)城市，定西市深居內(nèi)陸，海上運(yùn)輸濕氣難以到達(dá)，氣候惡劣，植被覆蓋面積較小。因此，揭示定西市植被覆蓋密度變化，對(duì)進(jìn)一步加強(qiáng)該市的生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

當(dāng)前，隨著地理技術(shù)的廣泛應(yīng)用，利用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)是我國(guó)對(duì)地表植被覆蓋及景觀格局變化研究的主要手段之一。植被指數(shù)法基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和衛(wèi)星傳感器，因此，本文采用植被指數(shù)法建立研究模型，對(duì)定西市植被覆蓋進(jìn)行研究。本研究以2000年、2006年兩個(gè)不同時(shí)期的TM遙感影像圖為數(shù)據(jù)來源，借助已有模型，從而得到地表植被覆蓋度和地表植被覆蓋等級(jí)的變化圖，進(jìn)而對(duì)定西市在2000 -2006年地表植被覆蓋及景觀格局變化進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的分析，企圖研究定西市2000-2006年地表植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化的過程，從植被覆蓋圖中，揭示其變化趨勢(shì)，以期為定西市的環(huán)境評(píng)價(jià)、植被規(guī)劃管理、景觀的設(shè)計(jì)和當(dāng)?shù)卣嚓P(guān)部門研究提供科學(xué)的決策依據(jù)，并為解決定西市生態(tài)環(huán)境治理的困境提供參考。

1研究區(qū)域概況

定西市隸屬于甘肅省，地跨東經(jīng)103°52′-105°13′，北緯34°26′-35°35′，被譽(yù)為“蘭州的東大門”，是我國(guó)東、南部通往西、北部的重要節(jié)點(diǎn)城市之一，擁有得天獨(dú)厚的區(qū)位優(yōu)勢(shì)和豐富的資源。東邊和平?jīng)鍪小⑻焖邢噜?西邊與臨夏州、甘南州相鄰;南邊毗鄰隴南市;北與蘭州市、白銀市接壤。定西市屬于黃土高原丘陵溝壑區(qū)，地勢(shì)呈西南-東北走向，定西市盤踞甘肅南部高原、隴南山地、黃土高原的交匯地帶。定西市的氣候類型屬于半濕潤(rùn)半干旱區(qū)，干旱少雨[6]。圖1為研究區(qū)概況圖。

2數(shù)據(jù)源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源

本文的數(shù)據(jù)主要有2000年7月、2006年7月的 TM 影像數(shù)據(jù)和定西市1/100000地形圖，其它數(shù)據(jù)均來源于定西市2001-2007年統(tǒng)計(jì)年鑒、定西市2000-2006年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)。研究中用到的軟件主要有遙感圖像處理軟件ErdasImagine8.4和ArcGIS10.2等。

2.2數(shù)據(jù)處理

2.2.1波段合成

我們將2000年7月、2006年7月的 TM 影像數(shù)據(jù)利用Erdas軟件圖像處理功能對(duì)定西市6年的TM圖像進(jìn)行波段合成，借助Erdas軟件，把單波段的遙感影像合成多波段的彩色圖像。借鑒已有的研究成果，TM影像的7、4、3波段分別表示紅、綠、藍(lán)色合成假彩色圖像。TM影像的優(yōu)點(diǎn)是兼容中紅外、近紅外和可見光波段信息，此外，圖面色彩也較豐富，具有良好的層次感，具有極為豐富的地表環(huán)境信息，而且清晰度高，干擾信息少[7]。故本次研究融合7、4、3波段來到達(dá)提高準(zhǔn)確度，降低誤差的目的。

2.2.2幾何校正

首先，對(duì)單波段TM遙感影像處理為多波段彩色圖像，然后，對(duì)圖形進(jìn)行幾何校正。幾何校正需要注意準(zhǔn)確的選取圖中的關(guān)鍵點(diǎn)，并且要選取具有十分強(qiáng)烈的代表性質(zhì)的地點(diǎn)作為參照，選點(diǎn)校正時(shí)需要認(rèn)真仔細(xì)，微小的差錯(cuò)就會(huì)導(dǎo)致最后結(jié)果誤差的變大，所以在進(jìn)行稽核校正時(shí)應(yīng)該保持耐心與細(xì)心[8]。

2.2.3圖像的裁剪

在幾何校正完成之后，接下來進(jìn)行圖像的裁剪，由于本人找到了定西市帶有行政邊界線的高清遙感影像圖，所以在該圖進(jìn)行校正后直接利用erdas中的Erdas軟件的圖像處理功能對(duì)TM圖像進(jìn)行波段合成，把單波段遙感影像合成為多波段的彩色圖像AOI功能裁剪出了邊界線，然后將兩張不同年份的定西市TM影像圖導(dǎo)入新建的view中并添加已完成的邊界線進(jìn)行二次裁剪，大大提高了效率以及對(duì)圖像裁剪的精確度（利用ArcGIS裁剪后的圖像易出現(xiàn)分辨率降低等導(dǎo)致誤差變大的影像）[9]。完成遙感影像裁剪之后，建立NDVI計(jì)算模型是通過Erdas軟件中的Modeler工具來完成的，最后，借助模型計(jì)算植被歸一化指數(shù)。

2.3歸一化植被指數(shù)（NDVI）的計(jì)算

歸一化植被指數(shù)（the Normalized Difference Vegetation Index，NDVI），在NDVI= （NIR-R）/（NIR+R）中，影像近紅外波段的反射率通過NIR 值表示，影像紅波段的反射率通過R表示。越是成長(zhǎng)繁茂的植物，它的紅光反射值與紅外反射率成正比，若紅光的反射值越小，紅外反射值則越大，因此其比值就會(huì)越大[10]。長(zhǎng)期以來，NDVI作為RS估算植被覆蓋研究的植被指數(shù)，植被變化情況也采用NDVI來監(jiān)測(cè) [11]。NDVI的計(jì)算結(jié)果，其數(shù)值分布于0-1之間，簡(jiǎn)而言之，NDVI的值越高，說明該地區(qū)植被覆蓋狀況越好。構(gòu)建NDVI計(jì)算模型如下圖：

在下方圖形中確定輸出路徑，分別得出2000年與2006年定西市植被歸一化指數(shù)，NDVI的值在-1～+1變動(dòng)，對(duì)于裸地區(qū)域，NDVI值非常低，趨近于0;而在植被覆蓋分布密度較高的地域，則NDVI的值普遍較高，通常情況下，他的值大于 0.7。 NDVI值對(duì)揭示植被的生長(zhǎng)狀態(tài)，反映植被空間分布密度具有指示作用，因此，NDVI值是以上兩方面相關(guān)研究的重要因子。依據(jù)理論基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)處理可得研究區(qū)域不同時(shí)相的NDVI灰度圖：

2.4植被覆蓋度（Fcover）計(jì)算

我們把植被（包括葉、莖、枝）在地面的垂直投影面積所占研究區(qū)總面積的比例稱為植被覆蓋度。NDVI作為在地域或全球尺度中，測(cè)度植被或生態(tài)環(huán)境變化的重要指標(biāo)，應(yīng)用廣范[12]，本研究基于NDVI的計(jì)算值，得出定西市的植被覆蓋度，其表達(dá)式為：

其中，NDVI soil即使相對(duì)于大多數(shù)類型的裸地表面，至不會(huì)伴隨時(shí)間而發(fā)生任何變化，在理論上，其值幾乎等于零。但是，考慮到該區(qū)域的環(huán)境受大氣的一定影響，地表濕度條件也隨之發(fā)生一定程度的變化，NDVIsoil值不但因時(shí)間而發(fā)生改變，除此之外，NDVIsoil值隨著地表土壤的類型、地表的濕度及該區(qū)域土壤的粗糙度等自然條件的不同，NDVIsoil值也將會(huì)隨空間的變化而發(fā)生相應(yīng)變化，NDVIveg值則代表全地表植被覆蓋像元的最大值。自然界植被覆蓋屬于自然界的不同植被類型，因此，存在季節(jié)性變化，葉冠背景圖通常受到雨雪、葉子的病變及地面的潮濕程度等因素的影響，確定NDVIveg值與NDVIsoil值的計(jì)算情景類似，因此，NDVIveg值也會(huì)隨著時(shí)間和空間的變化而發(fā)生一定程度的改變[13]。

2.5植被景觀格局評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算

植被覆蓋隨著時(shí)間呈動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，因此，地理空間分布格局也隨之變化，為了研究這一變化趨勢(shì)，本文主要借鑒李成范等已有的研究成果，采用景觀區(qū)域優(yōu)勢(shì)度、景觀區(qū)域多樣性指數(shù)和景觀均勻度三個(gè)研究方法來進(jìn)行評(píng)價(jià)計(jì)算[14]。

通常，對(duì)于景觀格局中一種或幾種主導(dǎo)型景觀，運(yùn)用景觀區(qū)域優(yōu)勢(shì)度測(cè)度，如果優(yōu)勢(shì)度指數(shù)大，則說明組成景觀中的各景觀類型所占比例差異較大，也可以說明占優(yōu)勢(shì)的景觀類型是某一種或者少數(shù)景觀 [15]。景觀區(qū)域優(yōu)勢(shì)度的計(jì)算公式為：

3植被覆蓋度景觀格局研究

3.1植被覆蓋度等級(jí)結(jié)構(gòu)

借助Fcover的計(jì)算，多次取具體值進(jìn)行計(jì)算，最后可得到準(zhǔn)確的植被覆蓋度指數(shù)，但是由于缺乏完整的資料，則近似的取NDVI計(jì)算后的最大值與最小值進(jìn)行Fcover的計(jì)算，所以小節(jié)定義為植被覆蓋度的估算[17]。基于整幅圖像中定西市植被指數(shù)的灰度值分布格局，從其選取上下限閾值，其結(jié)果約為：

本文采用ARCGIS軟件的柵格計(jì)算器（Spatial Analyst-Raster Calculator），借鑒植被覆蓋度的估算公式進(jìn)行計(jì)算所有影像的植被覆蓋度分布情況。

將計(jì)算的植被覆蓋度（FC），借鑒已有的研究成果，劃分為5個(gè)等級(jí)：其中，較低植被覆蓋度取值為（FC<10%）、低植被覆蓋度取值為（10%≤FC<30%）、中度植被覆蓋度取值為（30%≤FC<50%）、較高植被覆蓋度取值為（50%≤FC<70%）和高植被覆蓋度為（FC≥70%），并將分級(jí)圖像彩色顯示[18]：

從圖9分析可得，在2000-2006年間，定西市的較低植被覆蓋較其他植被覆蓋度而言，其面積變化幅度最大，由2000年19%下降到2006年的1%，主要原因是由于這部分地區(qū)河流的經(jīng)過，水資源儲(chǔ)量較為豐富，促進(jìn)植被的繁育旺盛，進(jìn)而使得植被高覆蓋度面積呈逐年增加趨勢(shì);圖7、圖8可以明顯看出定西市東南部區(qū)域植被覆蓋度由中度大面積提升為較高度，面積變化比較大，植被覆蓋度較2000年明顯提高，主要原因是定西市東南部與天水市相接，容易受秦嶺山脈過度來的暖濕氣流影響，加之定西市各類植被的生存與生長(zhǎng)環(huán)境優(yōu)渥，因此，植被生長(zhǎng)更加茂盛，隨之，植被覆蓋度變化趨勢(shì)呈良好態(tài)勢(shì);定西市北部地區(qū)以及西北部地區(qū)在2000年至2006年這6年來植被覆蓋度基本無明顯變化，植被也比較稀少，荒漠化比較嚴(yán)重，主要原因是由于該地區(qū)已進(jìn)入黃土高原板塊，氣候較東南部比較干旱，年降水量明顯不充足，且多為山地溝壑地帶，交通極不便利，且地理位置縱深較大，使得定西市東面的暖濕氣流不易到達(dá)該區(qū)域，從而導(dǎo)致該區(qū)域植被覆蓋度變化比較輕微;由圖7、圖8可清晰看到，定西市輕度覆蓋區(qū)域的植被覆蓋度與中度覆蓋區(qū)域的植被覆蓋度較接近，且分布于定西市的西部，但較高度覆蓋區(qū)域與高度覆蓋區(qū)域基本保持并未發(fā)生大的變化，主要原因是由于定西市西部地區(qū)地形多為山地丘陵，自然生長(zhǎng)的植被面積較大，由于受西部地區(qū)地形地貌的局限，導(dǎo)致該區(qū)域畜牧業(yè)發(fā)展較為困難，人為的砍伐林木也較為困難，退耕還林及植樹造林工程亦十分困難，因此，定西市西部區(qū)域形成了既不會(huì)被破壞，又無法進(jìn)行保護(hù)養(yǎng)護(hù)的局面，任由該區(qū)域植被自然生長(zhǎng)，從而在2000年到2006年六年時(shí)間下來，該區(qū)域植被覆蓋度變化不大;從而定西市西部地區(qū)植被覆蓋度變化以輕度變中度為主要變化，而且還可以明顯看出中度覆蓋轉(zhuǎn)較高覆蓋度的趨勢(shì)，主要原因是由于定西市西鄰甘南藏族自治區(qū)卓尼縣，甘南藏族自治區(qū)素以水草豐美著稱，氣候適宜植被的生長(zhǎng)，外加地方出臺(tái)政策的約束，將牲畜等的放養(yǎng)型逐漸轉(zhuǎn)型為圈養(yǎng)型，使得一些牲畜等對(duì)該區(qū)域植被覆蓋度的破壞也在逐步減傷，所以定西市西部地區(qū)植被覆蓋度變化也在向有利的趨勢(shì)發(fā)展。

3.2植被覆蓋變化的空間格局分析

本研究為了準(zhǔn)確深入的分析定西市6年來植被覆蓋變化的空間格局，首先，基于定西市的植被覆蓋等級(jí)結(jié)構(gòu)圖，進(jìn)行矢量轉(zhuǎn)換;其次，對(duì)于不同圖斑的邊界予以勾繪，初步顯示為矢量圖;最后，借助Arc GIS10.2 和Excel表，對(duì)定西市的植被覆蓋面積和相關(guān)指數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 [19]。

由表1可以看出，在2000-2006年間，較低植被覆蓋的變化幅度較大，其變化面積由初期的468793 km2減少至2006年的221201km2;同時(shí)期，低植被覆蓋變化幅度較不顯著，從2000年到2006年，植被覆蓋面積由717657km2遞減為692436km2;相較而言，定西市中等植被和高植被的覆蓋在2000-2006年呈明顯遞增趨勢(shì)，發(fā)展態(tài)勢(shì)較好，原因是定西市政府積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，大力推進(jìn)植樹造林;從2000年到2006年，雖然定西市較高植被覆蓋變化幅度不大，但是植被覆蓋面積從406335km2增加為488940km2，說明定西市在這六年期間的綠地景觀生態(tài)系統(tǒng)狀況發(fā)生了明顯的改善;區(qū)域優(yōu)勢(shì)度方面，定西市在2000-2006年間較低植被覆蓋變化幅度最大，由2000年的1.16增加到2006年的9.90，定西市中等植被覆蓋、較高植被覆蓋、高植被覆蓋雖然有所減少，但減少變化趨勢(shì)微弱，在總體區(qū)域優(yōu)勢(shì)度方面，由2000年的1.34增加到2006年的2.89，增幅明顯增大，說明定西市在這六年間的綠地景觀生態(tài)系統(tǒng)狀況態(tài)勢(shì)向好;從均勻度方面來看，定西市的較低植被覆蓋、低植被覆蓋為減少型，中等植被覆蓋、較高植被覆蓋、高植被覆蓋則呈增加型，但是多年下來，定西市的總體景觀均勻度由2000年的0.202降至2006年的0.20，結(jié)合數(shù)據(jù)分析，雖然下降幅度不大，但在一定程度上表明定西市景觀植被覆蓋有下降的趨勢(shì)，所以定西地方政府應(yīng)積極推行國(guó)家“退耕還林”政策，同時(shí)，結(jié)合甘肅省的林業(yè)相關(guān)政策，對(duì)現(xiàn)有植被的覆蓋面積加以重點(diǎn)保護(hù)與治理，通過宣傳教育，提高轄區(qū)內(nèi)居民的環(huán)保意識(shí)，強(qiáng)化該區(qū)域生態(tài)治理體系和隊(duì)伍，促進(jìn)定西市的生態(tài)文明建設(shè)以及可持續(xù)發(fā)展[20]。