榆林市植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)

孟 健 劉天琦 周 寒 張曉倩 高賢君

(長(zhǎng)江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 湖北 武漢 430100)

0 引言

近年來,隨著環(huán)保和生態(tài)意識(shí)的增強(qiáng),我國(guó)對(duì)于沙漠或荒漠地區(qū)的治理也逐漸加強(qiáng)。其中,對(duì)植被的動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)是荒漠化治理過程中十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。在對(duì)沙漠或荒漠進(jìn)行變化檢測(cè)時(shí),通常以植被覆蓋變化作為環(huán)境變化的直接結(jié)果,以植被覆蓋度作為植被動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)的數(shù)值指標(biāo)。植被覆蓋度是指植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的百分比。它可以用來評(píng)價(jià)土地退化和荒漠化程度,即可以根據(jù)不同的植被覆蓋程度來劃分不同程度的退化土地。對(duì)某個(gè)地區(qū)的植被覆蓋度進(jìn)行不同時(shí)間的獲取和計(jì)算,就能達(dá)到對(duì)該地區(qū)植被的簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)的目的。植被覆蓋度對(duì)揭示陸地植被變化規(guī)律、探索植被變化因子和分析評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有重要意義[1]。傳統(tǒng)的植被觀測(cè)以野外目視觀測(cè)為主,觀測(cè)范圍小,耗時(shí)長(zhǎng),難以進(jìn)行大尺度的植被時(shí)間觀測(cè)和分析。相較之下,遙感數(shù)據(jù)具有多時(shí)相、覆蓋范圍廣、空間連續(xù)、時(shí)序較長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),能很好地反映植被生長(zhǎng)發(fā)育過程中的變化特點(diǎn),所以通常作為估測(cè)地面植被變化的依據(jù)[2]。

目前采用遙感技術(shù)獲取植被覆蓋度的方法主要有回歸模型法、植被指數(shù)法與像元分解模型法[1]。銀山利用歸一化植被指數(shù)和像元分解模型建立了毛烏素沙漠植被覆蓋度遙感定量模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)毛烏素沙漠植被覆蓋度的遙感監(jiān)測(cè);郭勇通過解譯遙感數(shù)據(jù),精確劃分沙漠范圍并計(jì)算其面積實(shí)現(xiàn)對(duì)土地沙漠化程度的監(jiān)測(cè)[3];沙文生采用遙感監(jiān)測(cè)的方法對(duì)寧夏草地進(jìn)行了植被覆蓋度的計(jì)算[4]。本文將以榆林市毛烏素沙漠區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象,采用歸一化植被指數(shù),計(jì)算其植被覆蓋度,并對(duì)植被覆蓋度劃分高、中、低三個(gè)等級(jí)。通過獲取多年榆林市毛烏素沙漠區(qū)域的植被覆蓋度,實(shí)現(xiàn)對(duì)該區(qū)域植被的變化監(jiān)測(cè)。

1 方法

1.1 研究區(qū)域概況

本文的研究區(qū)域是位于陜西省榆林市以定邊縣、靖邊縣、橫山區(qū)為代表的毛烏素沙漠地區(qū)。陜西省榆林市位于107°28′～111°15′E,36°57′～934′N之間,總面積4 357 km2。榆林市北部毛烏素沙漠位于37°25′55″～39°27′52″N,107°18′～110°38′E之間,海拔高度在1 200～1 500 m范圍內(nèi)。其總面積18 424.42 km2,占毛烏素沙漠總面積的21.24%,占榆林市總面積的42.73%,榆林市毛烏素沙漠在我國(guó)沙漠中緯度最南,具有典型的生態(tài)環(huán)境多樣性和獨(dú)特的自然地理景觀[5-8]。毛烏素沙漠屬典型大陸性半干旱氣候,年降水量250～ 440 mm,地表水和地下水較為豐富,水熱條件良好[3];荒漠草原面積較小,植被類型以沙生植物為主[1]。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本文中研究選取理2015、2017、2020年的Landsat 8影像為數(shù)據(jù)源(Landsat8僅包含2013年至今的影像數(shù)據(jù)下載),圖像空間分辨率為 30 m×30 m?；谶b感圖像處理平臺(tái)(The Environment for Visualizing Images，ENVI)、ArcGIS軟件對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行影像拼接、輻射定標(biāo)等預(yù)處理,然后用定邊縣、靖邊縣、橫山區(qū)三個(gè)區(qū)域的邊界矢量界限對(duì)不同年份數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪獲取研究區(qū)內(nèi)的影像數(shù)據(jù)。

1.3 植被覆蓋度計(jì)算

歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Ve-getation Index，NDVI)常用來進(jìn)行區(qū)域尺度的植被分類和植被覆蓋度研究,計(jì)算公式為

(1)

式中[4],I代表歸一化植被指數(shù)NDVI;R表示紅外波段;RNI表示近紅外光(Near Infrared，NIR)波段。

目前我國(guó)已經(jīng)發(fā)展了很多利用遙感測(cè)量植被覆蓋度的方法,其中較為實(shí)用的方法是利用植被指數(shù)I近似估算植被覆蓋度(Vegetation Fraction Co-verage，VFC)。本文所探討的植被覆蓋度模型就是在像元二分模型的基礎(chǔ)上利用I來研究的。

(2)

其中,V代表植被覆蓋度VFC;Isoil為完全是裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值;Iveg則代表完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值,即純植被像元的NDVI值。

利用這個(gè)模型計(jì)算植被覆蓋度的關(guān)鍵是計(jì)算Isoil和Iveg。當(dāng)區(qū)域內(nèi)可以近似取Vmax=100%,Vmin=0%。

公式(2)可變?yōu)?/p>

(3)

Imax和Imin分別為區(qū)域內(nèi)最大和最小的I值。由于不可避免存在噪聲,Imax和Imin一般取一定置信度范圍內(nèi)的最大值與最小值,置信度的取值主要根據(jù)圖像實(shí)際情況來定。在本實(shí)驗(yàn)中,研究區(qū)域內(nèi)的Imax和Imin分別取累計(jì)概率為5%和95%左右的NDVI值。

綜上,可以將整個(gè)地區(qū)分為三個(gè)部分:當(dāng)I小于Imin,VFC取值為0;I大于Imax,VFC取值為1;介于兩者之間的像元使用公式(3)計(jì)算。

參照ArcGIS10.4自然間斷點(diǎn)分級(jí)法(Jenks),將植被覆蓋度分為三級(jí),分別為低、中、高植被覆蓋度，如表1所示。

表1 榆林市植被覆蓋度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.4 變化檢測(cè)方法

本實(shí)驗(yàn)變化監(jiān)測(cè)主要通過ArcGIS像元數(shù)值分析及柵格面積統(tǒng)計(jì)來得到。

首先參照ArcGIS10.4自然間斷點(diǎn)分級(jí)法(Jenks),將植被覆蓋度分為三級(jí),再通過重分類后的屬性表查看各等級(jí)所占柵格數(shù)目,由于本實(shí)驗(yàn)選取Landsat8為數(shù)據(jù)源,空間分辨率為30 m×30 m,可計(jì)算得到各等級(jí)植被覆蓋度所占面積及其所占比例。

以此類推,將榆林市地區(qū)2015、2017、2020年三個(gè)年份的不同等級(jí)植被覆蓋度所占柵格面積及其占比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

1.5 數(shù)據(jù)處理流程

首先將遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)等預(yù)處理,然后用榆林市邊界矢量界限對(duì)不同年份數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪獲取研究區(qū)內(nèi)的影像數(shù)據(jù)。在進(jìn)行鑲嵌處理時(shí)設(shè)置一定的參考數(shù)值以達(dá)到較好的鑲嵌效果,盡量弱化鑲嵌邊界。

通過EVNI波段計(jì)算器計(jì)算歸一化植被指數(shù)NDVI值和植被覆蓋度VFC值,結(jié)合ArcGIS軟件對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行重分類,將榆林市植被覆蓋度分為三個(gè)等級(jí)。然后通過ArcGIS像元數(shù)值分析及柵格面積統(tǒng)計(jì)得到不同等級(jí)植被覆蓋度所占榆林市區(qū)域的面積及百分比,最后將2015、2017、2020年三個(gè)年份下不同植被覆蓋度等級(jí)結(jié)果進(jìn)行監(jiān)測(cè),以得到動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果(如圖1所示)。圖1中NDVI指歸一化植被指數(shù)，VFC指植被覆蓋度。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程圖

2 結(jié)果分析

2.1 不同時(shí)期植被覆蓋度情況

將在ENVI中估算所得的結(jié)果在ArcGIS中進(jìn)行再次加工,通過重分類將植被覆蓋度分為三個(gè)等級(jí),將最后所得的結(jié)果繪制為不同年份的專題圖。圖2是植被覆蓋度分類結(jié)果,分別是2015、2017和2020年的植被覆蓋度等級(jí)分布圖。植被覆蓋度等級(jí)根據(jù)實(shí)際調(diào)查分為3個(gè)等級(jí):白色為低植被覆蓋度,灰色為中植被覆蓋度,黑色為高植被覆蓋度。從圖2可以看出,2015年榆林市主要以低植被覆蓋度分布為主,西部較為集中,東部和中部有中植被覆蓋區(qū)分散分布,高植被覆蓋區(qū)零碎分散于北部和南部。2017年榆林市高植被覆蓋區(qū)域主要分布在中部地區(qū)。2020年榆林市東部和西南部地區(qū)基本為中植被覆蓋區(qū),中部地區(qū)主要為高植被覆蓋區(qū)和中植被覆蓋區(qū)。

圖2 不同年份植被覆蓋度等級(jí)分布圖

2.2 榆林市植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化情況

從宏觀上看5a的植被覆蓋度,可以發(fā)現(xiàn),2015年時(shí),榆林市的西部主要以低植被覆蓋度為主,主要原因是該區(qū)域的沙地主要集中在西部。經(jīng)過五年的發(fā)展,榆林市很多植被覆蓋度低的沙地都逐漸轉(zhuǎn)變成了中植被覆蓋區(qū)域,東部地區(qū)基本已完全轉(zhuǎn)變成中植被覆蓋區(qū),證明在該區(qū)域的防沙治沙固沙工作確實(shí)起到了一定的研究成果。

結(jié)合對(duì)圖3的分析情況來看,2015—2017 年該階段主要發(fā)生了低植被覆蓋度轉(zhuǎn)變中植被覆蓋度以及高植被覆蓋度區(qū)域面積急速增長(zhǎng),該階段研究區(qū)的低植被覆蓋區(qū)域分布廣泛的情況得到了改善。2017—2020年該階段東部地區(qū)主要以低植被覆蓋度向中植被覆蓋度轉(zhuǎn)變?yōu)橹?其余地區(qū)的植被覆蓋度也呈不同程度的增加。2015—2020年,總體來說研究區(qū)呈現(xiàn)植被覆蓋度增加的趨勢(shì),大部分低植被覆蓋區(qū)域發(fā)生了逆轉(zhuǎn),已基本轉(zhuǎn)變?yōu)橹兄脖桓采w區(qū)域,少部分區(qū)域發(fā)生了高植被覆蓋區(qū)域增加的趨勢(shì)[9]。

圖3 2015—2020年植被覆蓋度等級(jí)柱狀圖

新中國(guó)成立70年來,榆林人治理沙化面積2.44萬km2,林木覆蓋率提高到33%,率先在全國(guó)實(shí)現(xiàn)由“整體惡化”向“整體好轉(zhuǎn)、局部良性循環(huán)”的歷史性轉(zhuǎn)變,使陜西成為我國(guó)第一個(gè)完全“拴牢”流動(dòng)沙地的省份,創(chuàng)造出屬于中國(guó)乃至世界的綠色奇跡。

2.3 成因分析

由表2得出,2015—2020年植被覆蓋度成上升速度增加,在2015—2020年發(fā)展過程中,榆林市一直在實(shí)行相應(yīng)的治理對(duì)策,例如:施行三北防護(hù)林工程、退耕還林還草工程,天然林保護(hù)工程以及全面治沙造林工程。不僅如此,當(dāng)?shù)卮迕駪{借榆林造林治沙精神不畏艱險(xiǎn)、奮力開拓。這些政策因地制宜、科學(xué)管理,大大地改善了毛烏素榆林市當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)了沙漠到山川綠地的目標(biāo)。從遙感影像圖也可清晰可見,沙漠化在逐年的速度減少,沙漠變綠洲的夢(mèng)想指日可待。

表2 榆林地區(qū)不同年份不同等級(jí)植被面積及比重統(tǒng)計(jì)

沙漠化治理與自然因素和人為因素密切相關(guān),自然因素主要包括降水量、氣溫、當(dāng)?shù)貧夂?、土質(zhì)、地表含水量、地理位置等多方面。毛烏素沙漠年均溫6.0～8.5℃,年降水量20～440 mm,以降水量為例,從降水?dāng)?shù)據(jù)分析,榆林夏季降水存在明顯的年際和年代際變化特征。榆林夏季降水量年際變化與降水日數(shù)相關(guān)最為密切,與降水頻次的相關(guān)性略低[10]。2015—2020年總降水呈波段變化,但降水量充足,總體有利于植被發(fā)展。對(duì)于人為因素而言,國(guó)家和地方政策的實(shí)施在很大程度上影響研究區(qū)荒漠化的過程。例如政府設(shè)定主要發(fā)展方向,以層級(jí)式的管理機(jī)制,以家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制為基礎(chǔ),各個(gè)村莊運(yùn)用自己的理念與模式來治理,放手治理,創(chuàng)新治理,從而使得毛烏素沙漠是西北沙漠治理的成功典范。國(guó)家推行的政策和人民的積極響應(yīng)在保證該地經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí),使環(huán)境發(fā)生翻天覆地的改變?！傲⒉轂闃I(yè)、為養(yǎng)而種、以種促養(yǎng)、靠養(yǎng)增收”的新思想也使當(dāng)?shù)厝嗣袷芤媪级郲11]。以此為鑒,未來一定會(huì)有更多“綠色奇跡”的誕生。

3 結(jié)束語

本實(shí)驗(yàn)利用EVNI像元二分法模型法,針對(duì)榆林市不同植被覆蓋度進(jìn)行分級(jí)計(jì)算,得到2015、2017、2020年植被覆蓋度的動(dòng)態(tài)變化。從2015—2020年的研究區(qū)間來看,2015—2017年區(qū)間高植被覆蓋度顯著增加,2017—2020年區(qū)間中植被覆蓋度明顯增加,從總體趨勢(shì)而言,植被覆蓋度以客觀速度呈上升趨勢(shì)。本研究借助遙感技術(shù)從時(shí)間和空間兩個(gè)維度上對(duì)榆林市植被覆蓋度進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。后結(jié)合當(dāng)?shù)匕l(fā)展政策和氣候條件,分析影響植被覆蓋變化的主要因素,從而對(duì)榆林市毛烏素沙漠地區(qū)植被變化有了一定的了解。