基于MODIS數(shù)據(jù)的赤水河流域植被覆蓋度季節(jié)性動態(tài)監(jiān)測

楊 青

(安順學院 資源與環(huán)境工程學院，貴州 安順 561000)

1 引言

由于植被覆蓋度是指植被(包括葉、莖、枝)在地面垂直投影面積占統(tǒng)計區(qū)總面積的百分比，是反映地表植被覆蓋狀況的一個重要指標，因此，定量評估區(qū)域植被覆蓋變化，分析地表植被覆蓋狀態(tài)，對于揭示地表植被空間變化規(guī)律、分析氣候驅(qū)動作用、評價研究區(qū)整體環(huán)境質(zhì)量具有重要意義[1]。研究表明因退耕還林以來，區(qū)域植被變化很大，退耕還林對于植被恢復有明顯促進作用[2，3]。在研究過程中，有研究者將研究區(qū)植被覆蓋度進行評估并分等級，研究表明覆蓋度與地區(qū)有一定關系[4～6]。管文軻等對塔里木河流域植被的變化規(guī)律進行動態(tài)監(jiān)測及趨勢分析，結果表明塔里木河流域未來生態(tài)環(huán)境有好轉趨勢[7]。蘇慧敏等分析了研究區(qū)植被覆蓋率其變化情況，結果表明覆蓋度以較低覆蓋度向高一等級覆蓋度轉移為主，且正向轉移大于負向轉移[8,9]。韓蘭英等則在研究中利用滑動平均法來去除氣候因素的影響，發(fā)現(xiàn)植被覆蓋狀況總體良好，穩(wěn)定是植被覆蓋的主要演化狀態(tài)，而植被的輕度退化與演變趨勢明顯，植被總體上仍然向退化方向發(fā)展，氣候的暖干化趨勢可能是導致研究區(qū)植被生長退化的主要原因[10～13]。綜上，通過遙感數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)測流域植被覆蓋度技術可行，也具有一定的現(xiàn)實意義，能為研究區(qū)植被演化狀態(tài)，變化趨勢提供數(shù)據(jù)支持。

本文以赤水河流域貴州境內(nèi)的流域邊界為研究區(qū), 利用多源遙感影像數(shù)據(jù)為基礎, 通過ENVI處理得到研究區(qū)植被覆蓋圖和土地利用圖，結合ArcGIS空間分析得出統(tǒng)計數(shù)據(jù)，結合地圖代數(shù)原理, 建立轉移矩陣, 分析赤水河流域季節(jié)性變化特征, 以期動態(tài)監(jiān)測區(qū)域植被變化及成因分析提供科學依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

赤水河流域位于東經(jīng)104°45′～106°51′，北緯27°20′～28°50′。流域流經(jīng)四川、云南、貴州3省，發(fā)源于云南省鎮(zhèn)雄縣，河流自西南向東北方，流經(jīng)畢節(jié)、仁懷、赤水等地，至四川合江縣并入長江，全長444.5 km，河流流量較大，豐水期流量達到9800 m3/s，為長江上游的一級支流，河流流域多在山間峽谷之中。其中赤水河中下游部分位于山區(qū)內(nèi)，河谷較多，且下游段自貴州省赤水縣復興場以下進入四川盆地，兩岸丘陵起伏，沿江河谷平原十分寬闊，東南部有少量山地。

赤水流域流經(jīng)四川、貴州、云南，屬于亞熱帶季風氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨。其次流域內(nèi)的地形有高原、丘陵、盆地等。上游處于高原地帶，平均年降水量950 mm，中下游處于丘陵、盆地地形，平均年降水量1300 mm。因?qū)賮啛釒Ъ撅L氣候，雨季降雨多集中在6～9月份，占全年降水量的80%左右[14]。

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)遙感數(shù)據(jù)采用MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),時間2000年1月份至2020年12月份，分辨率500 m，來源：NASA官方數(shù)據(jù)下載網(wǎng)站，對遙感影像進行幾何校正、大氣校正、鑲嵌、裁剪等處理。MODIS數(shù)據(jù)有著光譜范圍寬、波段多、接收相對簡單、數(shù)據(jù)更新快等優(yōu)勢，現(xiàn)已被廣泛應用于氣候?qū)W、環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)勘查和土地面積變化研究等方面。

土地利用數(shù)據(jù)來源于Landsat衛(wèi)星30 m分辨率的遙感數(shù)據(jù)在ENVI進行監(jiān)督分類，結合2 m分辨率的高分遙感數(shù)據(jù)進行目視解譯和精度驗證，分類標準參照全國生態(tài)遙感監(jiān)測土地利用/覆蓋分類體系，將土地利用分為水田、旱地、林地、草地、水域、建設用地、以及未利用地，最后得出研究區(qū)2020年土地利用現(xiàn)狀圖。

3.2 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)以空間分辨率為30 m×30 m進行重采樣，并且統(tǒng)一坐標系，方便后期處理。運用ENVI中的工具將MODIS數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)文件提取出來并轉化成.dat或.tif格式，即可在ENVI中打開。需要注意的是MODIS13產(chǎn)品在ENVI中提取的NDVI影像閾值在-999～1.0000之間，其中NDVI<0的值主要表現(xiàn)為積雪、裸地、水體等非植被覆蓋類型地物，NDVI>0表現(xiàn)植被信息。本次研究是利用ENVI插件MTCK，將MODIS數(shù)據(jù)中的NDVI波段提取出來。NDVI提取出來之后計算NDVIsoil與NDVIveg的數(shù)值(NDVIsoil是代表無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，NDVIveg代表完全由植被所覆蓋的NDVI值)，接著帶入公式，計算原理如下[15]：

FVC=0，當NDVI

燃氣爐分為餐廳內(nèi)布線和使用一次性爐子兩種形式。有關業(yè)內(nèi)人士介紹，我國消防部門已經(jīng)明令禁止使用可重復充氣的“小煤氣罐”作為火鍋燃具。目前，國家允許的方式只有前期布線至每張桌子的方式，或者封閉的一次性使用的符合國家認證的燃氣爐。

FVC=1，當NDVI>NDVIveg時；

FVC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)，當NDVIsoil<=NDVI<=NDVIveg時。

之后將NDVI柵格添加到ArcGIS中，打開柵格計算器，然后帶入公式，經(jīng)過計算之后再對數(shù)據(jù)進行分級分類即可。

通過GIS與ENVI技術來計算植被覆蓋度并提取歸一化植被指數(shù)。赤水河流域的植被覆蓋與其NDVI值具有很強的正相關性，NDVI值越高的區(qū)域，植被覆蓋狀況也高。

土地利用數(shù)據(jù)主要利用高分辨率影像結合野外調(diào)查對典型區(qū)域進行驗證，對解譯不正確的地方重新進行修正使分類精度提高，最終驗證精度為87.45%。最后通過ArcGIS軟件進行專題圖制作，即生成2020年赤水河流域土地利用圖(圖1)。

圖1 研究區(qū)2020年土地利用現(xiàn)狀空間分布

3 結果與分析

3.1 赤水河流域土地利用

根據(jù)解譯結果得出赤水河流域2020年土地利用空間分布圖(圖1)，從空間分布來看， 林地是赤水河流域的最主要的土地利用類型，分布范圍最廣，其中赤水河流域北部赤水市、習水縣分布最多; 水田集中分布在赤水河流域下游，在赤水河河谷零星分布; 旱地在赤水河上游分布廣泛，上游分布面積多于下游; 草地和城鄉(xiāng)建設用地多沿赤水河河谷分布。

在ArcGIS中統(tǒng)計各地類的面積和占比(表1)，結果顯示，赤水河流域林地面積最多，占比為59.73%，占據(jù)了研究區(qū)面積的大部分。其次是旱地、水田、建設用地分別占27.39%、7.96%、3.75%，未利用地最少，占比為0.03%。

表1 各類土地利用面積統(tǒng)計

結合植被覆蓋度和土地利用數(shù)據(jù)，進行空間疊置分析，將植被覆蓋度分為5個值域階段，不同的值代表植被覆蓋的等級不同，并且所對應的土地利用也有所區(qū)別，如表2所示，建設用地等植被覆蓋度較低，林地、草地等植被覆蓋度較高。

表2 不同植被覆蓋度土地利用類型

4.2 FVC月變化趨勢

如圖2，在各地類中，各月份之間植被覆蓋度的變化趨勢一致，但建設用地、未利用地值相較于其他偏低，在3月份以前建設用地的植被覆蓋度高于未利用地，3月份以后低于未利用地直至11月份。在7種地類中，林地的植被覆蓋度一直居于較高水平，植被覆蓋度從1～12月份均高于其他地類。從圖2中可以得出2～5月份是其生長期，植被覆蓋度呈上升趨勢，說明這段期間經(jīng)過季節(jié)的更替，氣候、水分等條件改善使得植被生長效果明顯。

圖2 1～12月份不同土地利用的植被覆蓋度

4.3 FVC季節(jié)性變化/趨勢分析

為有更加直觀的對比效果，本研究提取一年中不同季度的植被覆蓋度來評價對比，主要對比研究一年中四季的植被覆蓋度變化的特點。研究不同季節(jié)之間的變化規(guī)律和土地利用的關系。本文采用不同時相的數(shù)據(jù)為將各月份的數(shù)據(jù)按照1～3月份為春季，4～6月份為夏季，7～9月份秋季，10～12月份為冬季，然后在ArcGIS中取不同月份出現(xiàn)次數(shù)最多的值作為該柵格的值，最終確定某季節(jié)的植被覆蓋度值域范圍。

4.3.1 春季至夏季變化

通過獲取的各月份的數(shù)據(jù)進行處理后，再對不同季節(jié)的數(shù)據(jù)進行地圖代數(shù)運算，得出不同季節(jié)動態(tài)變化數(shù)據(jù)，在ArcGIS中進行繪制，得到春季至夏季植被覆蓋度變化分布空間圖(圖3)。

圖3 研究區(qū)春季至夏季植被覆蓋度變化分布

由表3可得，不同的土地類型在季節(jié)的交替的過程中雖有所增減，但是總體上春季到夏季各種地類的植被覆蓋度呈增加趨勢，增加的面積遠大于減少的面積。赤水河流域處于季風氣候，夏季多雨，因此在夏季時期，總體植被覆蓋度較高。

表3 春季至夏季不同土地利用植被覆蓋度變化面積 km2

4.3.2 夏季至秋季變化

從空間分布圖4來看，較上一個季度而言，夏季至秋季的植被覆蓋度減少的范圍和面積都在擴大和增加，減少的面積新增加了1483.50 km2。增幅較大主要體現(xiàn)在林地、旱地、建設用地，分析其原因主要是該季節(jié)農(nóng)作物基本已經(jīng)收割，會造成植被覆蓋度的減少；也體現(xiàn)了隨著季節(jié)的更替植被的變化特征。

圖4 研究區(qū)夏季至秋季植被覆蓋度變化分布

由表4可得，夏季至秋季植被覆蓋度總體上依然處于增加的狀態(tài)，但是增幅有所減弱，其中林地和耕地的變化幅度最大。林地是該流域范圍內(nèi)最主要的土地利用類型，所以林地在其中起主導作用，面積占比也最大。

表4 夏季至秋季不同土地利用植被覆蓋度變化面積 km2

4.3.3 秋季至冬季變化

從空間分布可直觀得出，赤水河流域在該時間段，植被覆蓋度整體上呈減少趨勢，而在該時間段植被呈增加的區(qū)域大多是林地，其他地類均呈現(xiàn)大幅度減少的情況(圖5)。

圖5 研究區(qū)秋季至冬季植被覆蓋度變化分布

由表5可得，秋季至冬季植被覆蓋度呈減少的狀態(tài)，其中未利用地的植被覆蓋度均在減少，沒有增加。赤水河流域處于季風氣候，冬季寒冷少雨，冬季時期，植被覆蓋度普遍處于較低值，特別是在流域以東和西南方向更為明顯，其次是流域的北部植被覆蓋相比其他區(qū)域的植被覆蓋減少得較少。

表5 秋季至冬季不同土地利用植被覆蓋度變化面積 km2

除了季節(jié)的影響，人類活動對植被覆蓋同樣存在著影響，人類對自然環(huán)境的破壞，主要是通過擴大基礎設施的建設，占用林地，過度捕撈以及亂排亂放廢水廢氣等，破壞著生態(tài)環(huán)境進而影響植被覆蓋度的變化。相關政策與人類活動影響著流域內(nèi)的植被覆蓋，分析近年來關于赤水河流域的相關政策以及人類活動，得出政策對植被覆蓋變化起到了很大的推動作用，特別是設立一些國家公園、保護區(qū)以及對周圍可能會造成污染的企業(yè)進行實時監(jiān)管等，在一定程度上可保護當?shù)丨h(huán)境。隨著社會的發(fā)展人類的思維發(fā)生轉變，要堅持可持續(xù)發(fā)展，保護生態(tài)、對生態(tài)環(huán)境進行動態(tài)監(jiān)測顯得越重要，因此可靠的數(shù)據(jù)可提供更有利的支持。

5 結論

本文通過多源遙感數(shù)據(jù)借助GIS和ENVI數(shù)據(jù)處理平臺，得出2000～2020年多年月平均數(shù)據(jù)，從而分析不同月份、不同季節(jié)、在不同土地利用下植被覆蓋度的動態(tài)變化規(guī)律，得出赤水河流域植被覆蓋度具有較鮮明的季節(jié)性特征，得出主要結論如下。

(1)赤水河流域主要以較高植被覆蓋為主；在靠近河流邊界的植被覆蓋較低。不同季節(jié)，植被覆蓋度隨著季節(jié)的變化有所增減，增減幅度符合當?shù)貧夂蚝蛯嶋H特征，各月份之間植被覆蓋度的變化趨于一致。

(2)氣候變化對植被覆蓋的影響較為直接和明顯；氣候濕潤時期，降水量適中，土壤和大氣環(huán)境適宜，植被覆蓋度高。氣候寒冷干燥時，降水量小，蒸發(fā)量大，土壤干燥，缺少植物正常生長需要的水分，影響植物的成活率，導致植被覆蓋降低或者是無植被覆蓋。

(3)人類活動以及政策對植被覆蓋變化起到很大的推動作用，改變著人們的活動與生產(chǎn)，人類活動一定程度上影響環(huán)境的變化，從而影響著植被覆蓋。人類活動可以改善環(huán)境，如植樹種草，綠化荒山，防治水土流失和石漠化等措施可以增加區(qū)域的植被覆蓋。但也有為了擴大生產(chǎn)等活動，進行基礎設施建設，就會破壞周邊環(huán)境，導致植被覆蓋度降低。