基于NDVI 像元二分模型的汶川縣植被覆蓋度估算

吳艷

（阿壩師范學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，四川 阿壩623002）

植被覆蓋度是衡量區(qū)域上生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的一個(gè)重要參考因子。對(duì)植被覆蓋度的估算有地表實(shí)測(cè)和遙感監(jiān)測(cè)兩種方法。對(duì)小范圍的地表植被覆蓋的估算可以利用實(shí)測(cè)法進(jìn)行，但對(duì)于大范圍的地表植被覆蓋度的估算實(shí)測(cè)法需要的人力、物力和時(shí)間成本就大大增加。對(duì)于大范圍的地表植被覆蓋度的估算利用遙感監(jiān)測(cè)就更顯優(yōu)勢(shì)，而地表實(shí)測(cè)法則作為遙感監(jiān)測(cè)的一種輔助方式，為遙感監(jiān)測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)植被覆蓋度的估算進(jìn)行精度評(píng)價(jià)[1-2]。本研究基于NDVI 的像元二分模型，估算汶川縣的植被覆蓋度，并結(jié)合地形因子，探討汶川縣植被覆蓋度的空間分布特征。

1 研究區(qū)概況

汶川縣位于四川盆地西北部邊緣，地理坐標(biāo)為北緯30°45′～31°43′，東經(jīng)102°51′～103°44′之間，地勢(shì)呈西北向東南傾斜。溫帶季風(fēng)氣候，東南向西北地勢(shì)上升，因此具有完整的垂直氣候帶[3-4]（圖1）。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

本文遙感影像數(shù)據(jù)采用的是LANDSAT8 OLI 數(shù)據(jù)，研究區(qū)涉及軌道號(hào)為P130R038 以及P130R039 兩景數(shù)據(jù),提取地形因子采用的是分辨率為30m 的DEM 數(shù)據(jù)。

為了后續(xù)提取植被覆蓋度，利用ENVI5.2 軟件對(duì)研究區(qū)涉及的兩景遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)與大氣校正預(yù)處理。對(duì)涉及的遙感影像進(jìn)行拼接、裁剪等操作，得到汶川縣域的遙感數(shù)據(jù)。

2.2 NDVI 計(jì)算

NDVI 即歸一化植被指數(shù)[5]，是反映區(qū)域上植被生態(tài)態(tài)勢(shì)的重要參數(shù)因子，在ENVI 中利用Band Math 工具用近紅外波段（NIR）與紅波段(R)進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算出來(lái)的NDVI 值取值區(qū)間是[-1,1]。

2.3 計(jì)算植被覆蓋度

像元二分模型[6-7]對(duì)植被覆蓋度計(jì)算的原理是，假定一個(gè)像元信息是由裸土和植被兩部分信息混合而成，那么一個(gè)像元的信息S 可以看作裸土Ss與植被Sv兩個(gè)部分混合而成，即：

假設(shè)只有裸土覆蓋像元用Ssoil表示，只有植被覆蓋像元用Sveg表示，那么該像元的植被覆蓋度(FVC)可用有植被覆蓋的面積比例表示，裸土覆蓋度則可表達(dá)為（1-FVC）。則計(jì)算Sv、Ss和FVC 的公式表達(dá)為：

圖1 汶川縣遙感影像圖

由于FVC 與NDVI 之間存在顯著的線性相關(guān)性。結(jié)合以上式（1）和式（5），計(jì)算FVC 的公式為：

其中，NDVIsoil是僅有裸土覆蓋的像元NDVI，NDVIveg是僅有植被覆蓋的像元NDVI。

由于遙感影像不可避免存在一定的噪聲，純凈裸土像元值和純凈植被像元值一般取一定的置信度范圍內(nèi)的最大值和最小值，在此處根據(jù)影像的特征取5%-95%的像元累積百分比為置信度區(qū)間。將植被覆蓋度分為0.0～0.1，0.1～0.3，0.3～0.45，0.45～0.6，0.6～1 五個(gè)等級(jí)，見圖2。

圖2 汶川縣植被覆蓋度分級(jí)圖

2.4 地形因子提取

在ArcGis10.1 平臺(tái)上利用3D 分析工具提取地形因子。利用研究區(qū)DEM 數(shù)據(jù)提取地形因子，坡度、坡向和高程數(shù)據(jù)[8]。并將提取出來(lái)的植被覆蓋度和地形因子作空間分析。

坡度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為：小于5°定義為微坡，5°～8°定義為較緩坡，8°～15°定義為緩坡，15°～25°定義為較陡坡，25°～35°定義了陡坡，大小35°定義為急陡坡。坡向定義標(biāo)準(zhǔn)為：0°～22.5°與337.5°～360°定義為北，22.5°～67.5°定義為東北，67.5°～112.5°定義為東，112.5°～157.5°定義為東南，157.5°～202.5°定義為南，202.5°～247.5°定義為西南，247.5°～292.5°定義為西，292.5°～337.5°定義為西北。高程分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為：小于1200m，1200m～1800m，1800m～2400m，2400m～3000m，3000m～3600m，3600m～4200m，4200m 以上。

3 結(jié)果與分析

基于ArcGis 平臺(tái)，將高程按以上劃分標(biāo)準(zhǔn)分為7 個(gè)高程帶，對(duì)每個(gè)高程分區(qū)的平均植被覆蓋度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，各個(gè)高程分區(qū)的平均植被覆蓋度統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如表1 所示。將坡度按以上標(biāo)準(zhǔn)劃分為6 個(gè)坡向帶，對(duì)每個(gè)坡度分區(qū)的平均植被覆蓋度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表2 所示。將坡向按以上標(biāo)準(zhǔn)劃分為9 個(gè)坡向帶，對(duì)各坡向分區(qū)的平均植被覆蓋度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表3所示。

表1 各高程帶平均植被覆蓋度

結(jié)合表1 和圖3 表明，汶川縣平均植被覆蓋度與高程呈現(xiàn)比較好的相關(guān)性，在高程帶[1800,2400]的平均植被覆蓋度最高，在高于4200m 后，由于溫度影響較大，植被覆蓋急劇減少。

圖3 各高程帶平均植被覆蓋度折線圖

結(jié)合表2 和圖4 表明，平均植被覆蓋度和坡度具有較好的相關(guān)性，呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，且在坡度區(qū)間[25°,35°]的平均植被覆蓋度最高，而后呈下降趨勢(shì)。

表2 各坡度帶平均植被覆蓋度

圖4 各坡度帶平均植被覆蓋度折線圖

結(jié)合表3 和圖5 表明，平均植被覆蓋度和坡向無(wú)明顯的相關(guān)性，研究區(qū)坡向?qū)χ脖桓采w的影響較小，平均植被覆蓋最高為東南面。

表3 各坡向帶平均植被覆蓋度

圖5 各坡向帶平均植被覆蓋度折線圖

4 結(jié)論

4.1 汶川縣域2017 年平均植被覆蓋度為73.1726%，整體植被覆蓋狀況較好。

4.2 汶川縣平均植被覆蓋和高程有較好的相關(guān)性，在高程區(qū)間[1800，2400]之前的平均植被覆蓋度與高程帶呈正相關(guān)，之后呈負(fù)相關(guān)。在高程帶[1800,2400]的平均植被覆蓋度最高，為88.3162%。

4.3 汶川縣平均植被覆蓋度和坡度具有較好的相關(guān)性，在坡度區(qū)間[25°,35°]之前的坡度帶呈正相關(guān)，之后呈負(fù)相關(guān)。在坡度區(qū)間[25°,35°]的平均植被覆蓋度最高，為75.3274%。

4.4 汶川縣平均植被覆蓋和坡向無(wú)明顯的相關(guān)性，在東南面平均植被覆蓋度最高，為75.1506%。