基于Landsat8遙感影像的河套灌區(qū)植被覆蓋度時(shí)空變化分析

馬斌暢 蘇日古格 常君瑞

摘?要：本文以臨河區(qū)2013年、2017年和2021年8月份的Landsat8?OLI遙感影像為數(shù)據(jù)，利用ENVI和ArcGIS軟件，提取了植被歸一化指數(shù)（NDVI），并利用像元二分模型估算了從2013～2021年間臨河區(qū)植被覆蓋度并按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分級(jí)，結(jié)果表明2013—2021年九年間，密等級(jí)的植被增加18.7%，中等級(jí)的植被減少3.02%，疏等級(jí)的植被減少5.68%，灌叢等級(jí)的植被減少9.65%，稀疏灌叢等級(jí)的植被減少0.35%。整體來(lái)看植被覆蓋度等級(jí)為密的比例不斷增加，生態(tài)質(zhì)量穩(wěn)步提升。

關(guān)鍵詞：遙感；植被覆蓋度；ENVI；變化檢測(cè)

植被是防沙治沙的關(guān)鍵，植被覆蓋度是從整體角度分析一個(gè)地區(qū)植被生長(zhǎng)覆蓋情況，對(duì)地區(qū)生態(tài)保護(hù)具有重大意義。

本文以河套灌區(qū)中臨河區(qū)作為研究對(duì)象，利用ENVI?5.6作為遙感圖像處理平臺(tái)，結(jié)合ArcGIS利用像元二分模型估算了2013—2021年間臨河區(qū)植被覆蓋度并進(jìn)行等級(jí)劃分，利用圖像差值法得到2013—2021年間臨河區(qū)植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化情況，從整體上了解本區(qū)域植被的分布和生長(zhǎng)情況，為評(píng)價(jià)本區(qū)域的生態(tài)環(huán)境建設(shè)效果提供一定的參考和依據(jù)。

1?研究區(qū)概況

臨河區(qū)是筆者所在河套學(xué)院的區(qū)級(jí)行政區(qū)，位于內(nèi)蒙古西部，是巴彥淖爾市政所在地。南臨黃河，北靠陰山，地理坐標(biāo)為東經(jīng)107°6′—107°44′，北緯40°34′—44°17′。區(qū)域全境為黃河沖積平原，地面開(kāi)闊平坦，地勢(shì)從西南向東北微度傾斜，海拔為1209～1045米。本地區(qū)屬于三北防護(hù)林建設(shè)區(qū)域，近些年在國(guó)家和地方政策的大力支持下，地區(qū)生態(tài)環(huán)境得到了明顯改善。

2?研究數(shù)據(jù)與研究方法

2.1?數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

本研究數(shù)據(jù)采用的是2013年、2017年和2021年8月份的Landsat8?OLI影像，軌道編號(hào)為130/031，數(shù)據(jù)已經(jīng)過(guò)幾何校正，云量低于5%，精度滿足要求，影像選取時(shí)間均處于植被生長(zhǎng)較好的夏季，能真實(shí)地反應(yīng)地區(qū)植被的生長(zhǎng)和分布情況。遙感影像要經(jīng)過(guò)輻射定標(biāo)、大氣校正消除由于大氣吸收或折射引起的輻射亮度誤差，利用臨河區(qū)行政區(qū)域矢量文件經(jīng)過(guò)裁剪得到臨河區(qū)遙感影像，然后對(duì)圖像進(jìn)行處理分析。

2.2?研究方法

本文利用李苗苗等在像元二分模型［1］基礎(chǔ)上研究的模型，利用NDVI近似估算植被覆蓋度（FVC）。利用遙感影像計(jì)算歸一化植被指數(shù)（NDVI）［2］，計(jì)算公式為：

NDVI=NIR-REDNIR+RED（1）

式中NIR是遙感影像中近紅外波段，RED是紅外波段。

根據(jù)像元二分模型，假定一個(gè)地表的像元是由植被和土壤兩部分組成，其中純植被覆蓋區(qū)域的NDVI值為NDVImax，完全是裸土無(wú)植被覆蓋的區(qū)域的NDVI值為NDVImin［3］，兩個(gè)值采用累計(jì)頻率法確定，本文置信度為5%［4］，在置信度區(qū)間內(nèi)得到2013、2017和2021年的NDVI最大值和最小值分別見(jiàn)表1。

根據(jù)NDVI計(jì)算植被覆蓋度，計(jì)算公式為［5］：

FVC=NDVI-NDVIminNDVImax-NDVImin（2）

將表1中的值代入公式2中，計(jì)算得到不同年份的植被覆蓋度。

按照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查技術(shù)規(guī)程》，將監(jiān)測(cè)區(qū)域的植被覆蓋度分為密、中、疏、灌叢和稀疏灌叢5種類(lèi)型，見(jiàn)表2。

3?過(guò)程與分析

3.1?植被覆蓋度空間分布

根據(jù)FVC計(jì)算公式，利用ENVI5.6計(jì)算2013、2017和2021年的植被覆蓋度并用ArcGIS處理得到三年的植被覆蓋度如圖2。

從圖2中明顯可看出隨著時(shí)間的增加植被覆蓋度是越來(lái)越密的，統(tǒng)計(jì)2013年、2017年和2021年各級(jí)植被覆蓋度的像元數(shù)和所占比例，見(jiàn)表3—表5和圖3。

根據(jù)圖2、圖3和表3、表4、表5，臨河區(qū)2013年主要以灌叢和密等級(jí)的植被覆蓋度為主，分別占比28.57%和28.25%，2017年主要以密和灌叢等級(jí)的植被覆蓋度為主，分別占比33.24%和27.38%，2021年主要以密等級(jí)的植被覆蓋度為主，占比46.95%。不同年份中密和中等級(jí)的植被主要分布于耕地農(nóng)田地區(qū)和森林地區(qū)，疏、灌叢和稀疏灌叢等級(jí)的植被主要分布于主城區(qū)、開(kāi)發(fā)區(qū)。

對(duì)比不同年份的各等級(jí)植被覆蓋度，從2013年到2017年，密等級(jí)的植被增加4.99%，中等級(jí)的植被減少1.8%，疏等級(jí)的植被減少2.33%，灌叢等級(jí)的植被減少1.19%，稀疏灌叢等級(jí)的植被增加0.33%。2017年到2021年，密等級(jí)的植被增加13.71%，中等級(jí)的植被減少1.22%，疏等級(jí)的植被減少3.35%，灌叢等級(jí)的植被減少8.46%，稀疏灌叢等級(jí)的植被減少0.68%。2013年至2021年九年間，密等級(jí)的植被增加18.7%，中等級(jí)的植被減少3.02%，疏等級(jí)的植被減少5.68%，灌叢等級(jí)的植被減少9.65%，稀疏灌叢等級(jí)的植被減少0.35%。

從各級(jí)植被覆蓋度比例的變化中能看到從2013年至2021年密級(jí)植被覆蓋度大大增加，其他等級(jí)的植被覆蓋度都有相應(yīng)的減少，這和圖2中植被覆蓋度顏色的變化情況是相符的。

3.2?植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化

在ENVI5.6中通過(guò)變化檢測(cè)工具運(yùn)用圖像插值法提取2013年至2021年植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化情況，見(jiàn)圖4。

圖4?臨河區(qū)2013年至2017年、2017年至2021年植被覆蓋度變化圖

如圖4上圖所示，圖中綠色為植被覆蓋度增加的區(qū)域，紅色為植被覆蓋度減少的區(qū)域，根據(jù)變化檢測(cè)結(jié)果，增加的像元數(shù)量是139346，按照30m的圖像分辨率計(jì)算，植被覆蓋度增加的面積約為125.4km2，減少的像元數(shù)量是81992，植被覆蓋度減少的面積約為73.8km2。增加的區(qū)域主要位于西南方黃河邊緣、雙河鎮(zhèn)東南和北方烏加河沿岸，減少的區(qū)域主要位于東南黃河沿岸和鏡湖周邊。

如圖4下圖，根據(jù)變化檢測(cè)結(jié)果，綠色區(qū)域增加的像元數(shù)量是129019，增加的面積約為116.1km2，紅色區(qū)域減少的像元數(shù)量是95451，減少的面積約為85.9km2。增加的區(qū)域主要位于農(nóng)村地區(qū)、西南沿黃公路周邊和北面烏加河沿岸，減少的區(qū)域主要位于臨河城區(qū)、黃河沿岸和雙河鎮(zhèn)。

根據(jù)上述分析的情況，查閱相關(guān)資料，植被覆蓋度增加的原因主要有：（1）實(shí)施三北防護(hù)林人工造林、天然林保護(hù)人工造林、退耕還林工程荒地造林和烏梁素海流域生態(tài)修復(fù)工程。（2）實(shí)施重點(diǎn)通道綠化，打造環(huán)城精品通道林帶，實(shí)施包括京藏高速拓寬綠化、黃河大橋引線拓寬綠化、八斗溝綠化、繞城公路綠化、物流大道拓寬綠化等重點(diǎn)通道綠化工程，同時(shí)結(jié)合十個(gè)全覆蓋工程，全力推進(jìn)城鄉(xiāng)一體化林業(yè)生態(tài)體系建設(shè)。（3）實(shí)現(xiàn)城市園林綠化提檔升級(jí)，繼續(xù)加大擴(kuò)量增綠的力度和廣度。

植被覆蓋度退化的主要原因有：（1）2013年以來(lái)，臨河區(qū)大力開(kāi)展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，在老城區(qū)以西展開(kāi)了新區(qū)建設(shè)，同時(shí)在南部雙河鎮(zhèn)建設(shè)了河套學(xué)院新校區(qū)、市委黨校新校區(qū)等一系列建筑工程，同時(shí)大力新改擴(kuò)建高速公路。（2）2017年開(kāi)始在鏡湖修建綜合濕地公園，新建了較多市民工程，硬化了道路。

綜上分析，建議臨河區(qū)在之后的生態(tài)工程建設(shè)中加強(qiáng)對(duì)黃河沿岸、主城區(qū)和其他建筑用地地區(qū)的植被保護(hù)，在合理開(kāi)發(fā)建設(shè)的同時(shí)加強(qiáng)當(dāng)?shù)氐闹脖恍迯?fù)和保護(hù)，多爭(zhēng)取國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)保護(hù)修復(fù)項(xiàng)目，不斷將稀疏灌叢和灌叢等級(jí)的植被覆蓋度轉(zhuǎn)變?yōu)楦叩燃?jí)的植被覆蓋度，堅(jiān)持綠水青山就是金山銀山的生態(tài)發(fā)展理念。

結(jié)語(yǔ)

本文基于ENVI和ArcGIS平臺(tái)，利用Landsat8?OLI遙感影像，對(duì)河套灌區(qū)中典型的臨河地區(qū)2013年至2021年的植被覆蓋度及其變化情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，能夠整體了解地區(qū)植被覆蓋度及變化情況，對(duì)評(píng)估本地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)和修復(fù)具有重要意義，能夠?yàn)檎嚓P(guān)部門(mén)提供一定的借鑒參考。

參考文獻(xiàn)：

［1］李苗苗，吳炳方，顏長(zhǎng)珍，等.密云水庫(kù)上游植被覆蓋度的遙感估算［J］.資源科學(xué)，2004，26（4）：153159.

［2］孫家柄.遙感原理與應(yīng)用［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2009.

［3］宮照，栗敏光，閻鳳霞.青藏高原生態(tài)屏障區(qū)植被覆蓋度監(jiān)測(cè)［J］.地理空間信息，2020（05）：111114.

［4］滕玲.基于時(shí)序Landsat解析合肥市植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化研究［D］.合肥：安徽大學(xué)，2016.

［5］陳愛(ài)京，傅瑋東，肖繼東，等.基于像元二分模型的布克賽爾縣植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化分析［J］.草業(yè)科學(xué)，2012，29（6）：857862.

課題項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自治區(qū)教育廳高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（編號(hào)：NJZY22261）

作者簡(jiǎn)介：馬斌暢（1993—?），男，蒙古族，內(nèi)蒙古人，碩士，講師，研究方向：環(huán)境遙感、電氣控制。