基于RS的北京門頭溝植被覆蓋時空演變研究

喻錚錚,吳國璽,劉良云

(1.許昌學院城市與環(huán)境學院,河南許昌461000;2.中國科學院對地觀測與數(shù)字地球科學中心,北京100190)

1 研究區(qū)概況

門頭溝區(qū)位于北京市西南,東經(jīng) 115°25′00″-116°10′07″,北緯 39°48′34″-40°10′37″。東西長約 62 km,南北寬約34 km,總面積1 455 km2。東部與海淀、石景山區(qū)為鄰,南部與房山、豐臺區(qū)相連,西部與河北琢鹿縣、淶水縣交界,北部與昌平、河北懷來接壤。門頭溝地處華北平原向蒙古高原過渡地帶,地勢西北高,東南低,地形骨架形成于中生代燕山運動。其重要的地理位置、地形結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀對生態(tài)修復(fù)工作提出了新的要求,利用遙感技術(shù)對區(qū)域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀進行定量分析不失為一種好的選擇[7-9],也為在其他區(qū)域的應(yīng)用推廣提供科學參考。

根據(jù)北京市政府把首都建設(shè)成宜居型生態(tài)城市的構(gòu)想,門頭溝區(qū)要從“京西礦區(qū)”轉(zhuǎn)變成為“京西生態(tài)屏障”,植被是整個生態(tài)環(huán)境改變中的重要內(nèi)容之一。門頭溝區(qū)內(nèi)山地面積占98.5%,平原占1.5%,所以植被覆蓋變化很大程度上決定著生態(tài)環(huán)境的變化。本文以近30 a來的遙感影像為基礎(chǔ),通過植被覆蓋變化和區(qū)域景觀格局分析,因地制宜地為該區(qū)生態(tài)修復(fù)工作提供決策支持。

2 數(shù)據(jù)源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

2.1.1 影像數(shù)據(jù) 根據(jù)植被覆蓋的季節(jié)性特征,影像選在植被生長穩(wěn)定的季節(jié)為宜,北京地區(qū)一般7月、8月植被生長較穩(wěn)定,據(jù)此選擇1979年7月14日和2005年 7月25日的 Landsat TM 影像,軌道號為TM 123/32,均來源于中科院遙感衛(wèi)星地面站。由于2005年影像在西部有少量不能覆蓋,且影像中有少量云層,故另選擇幾景時相接近的影像來進行邊界修補和去云處理。表1是所用到的影像信息。

表1 選取的遙感影像及其用途

2.1.2 其他數(shù)據(jù) 研究中用到的其他數(shù)據(jù)還包括門頭溝區(qū)1∶10萬數(shù)字柵格地形圖、門頭溝區(qū)行政邊界以及交通、水系等矢量文件和近年來的社會和經(jīng)濟發(fā)展數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

為了精確提取植被覆蓋度,需對影像進行以下處理。

2.2.1 幾何糾正 幾何訂正是構(gòu)建幾何畸變數(shù)學模型來建立原始影像與基準影像的某種對應(yīng)關(guān)系,把原始影像的像素全部轉(zhuǎn)換到標準影像空間中的對應(yīng)位置上,使影像處于適當?shù)耐队跋到y(tǒng)中,并具有地理坐標。

以門頭溝區(qū)1∶10萬數(shù)字地形圖為基準,通過挑選同名控制點,對2005年影像進行配準,控制點一般選在橋梁、水庫大壩、道路交叉口、建筑等不變地物處,且盡量分布均勻;針對研究區(qū)多為山地,地形變化復(fù)雜的特點,在山區(qū)多選控制點,并采用雙線性重采樣及德洛內(nèi)三角網(wǎng)格糾正方法進行幾何校正,精度優(yōu)于1個像素。以校正后的2005年影像為基準,采用同樣的方法對1979年、1986年、1991年的影像進行配準,精度均優(yōu)于0.5個像元。

2.2.2 大氣輻射訂正 為探測真正的地物變化,需進行大氣輻射校正,以消除大氣吸收與散射、傳感器標定、太陽高度角、方位角的影響造成的多時相遙感圖像之間的差異。文章采用未變化輻射歸一法:首先用經(jīng)驗線性法對幾何校正后的2005年影像進行相對輻射校正,然后以校正好的影像為基準,分別對1979年、1986年和1991年的影像進行校正。采用不變地物匹配法,通過目視解譯,在基準影像和待糾影像上選取輻射不變地物,一般選取水體、裸土、水壩、植被等作為樣本,然后通過對兩景影像相同波段的樣本進行最小二乘回歸,得到待糾影像各個波段的校正系數(shù),對待糾正影像各波段進行校正。

化學實驗作為一種能動的實踐活動方式，不僅是一種感性的活動過程，更重要的是一種理性思維過程，本質(zhì)是理性思維的物化。本研究基于思維心理學，將思維品質(zhì)與化學實驗進程相整合，將實驗認知、實驗操作、實驗觀察相融合，對化學實驗?zāi)芰w系進行水平建構(gòu)，突出思維在學科能力建構(gòu)中的重要地位。能力體系的建構(gòu)是為了服務(wù)教學并促進教學，所以在日后的深入研究中應(yīng)以教學為載體，以定性和定量相結(jié)合的化學思維，對化學實驗?zāi)芰w系進行行動研究和評價研究，為實驗?zāi)芰w系的建構(gòu)提供科學保障。

2.2.3 地形輻射訂正 由于研究區(qū)多為山地,遙感影像除受到大氣等因素的影響外,還受地形起伏的影響,地形起伏差異使傳感器的測量值與地物實際光譜輻射值不一致,即使地表覆蓋和生物結(jié)構(gòu)特征相似,其記錄信號也有很大差異,嚴重阻礙了遙感影像的進一步分析應(yīng)用。雖說基于植被指數(shù)的像元二分法模型對輻射校正不敏感,但為了保證結(jié)果的精度,地形輻射校正十分必要。

本文采用統(tǒng)計模型中矩匹配校正方法,算法如下:

式中:DN — —待校正影像的 DN 值;usample,σsample——待校正影像子集的均值和標準差;ureference,σreference——為參考影像子集的均值和標準差[10]。

在云處理和邊界修補時均需進行輻射校正,以減小因修補的影響。本文以2005年影像為參考影像,對1986年和1991年影像進行校正。根據(jù)研究區(qū)的光照及坡度、坡向等地形信息,在參考影像和待校影像上分別選擇子集,并統(tǒng)計其均值和標準差,若云處理或邊界修補處為植被覆蓋區(qū)域,則影像子集也應(yīng)為植被覆蓋區(qū);若為裸土,則選取裸土區(qū),然后利用矩匹配算法對待校正影像各個波段的灰度值進行調(diào)整,并通過對比校正后二者的均值和方差來檢驗結(jié)果。

2.2.4 云處理 對將地物信息完全遮擋的厚云層,目前還沒有很好的辦法去除[11]。因此研究中采用不同時期時相接近的影像對云區(qū)進行替換的方法來消除厚云層的影響,利用1981年影像對1979年影像進行云區(qū)替換;利用1991年影像對2005影像進行云區(qū)替換。替換前需要對影像進行精確配準,并對需要替換的區(qū)域進行矩匹配輻射校正,把替換前后的差異降到最低。

2.3 植被覆蓋度計算

把經(jīng)過邊界修補、去云處理、地形校正、大氣輻射訂正的1979年和2005年反射率數(shù)據(jù)分別計算其歸一化植被指數(shù)NDVI值[12],算法如下:

式中:NIR,RED——影像中近紅外和紅光波段的反射率數(shù)據(jù)[13-14]。

然后對影像進行分類和掩膜處理,剔除水體等無效區(qū)域。利用像元二分模型計算植被覆蓋度[15-16],并對計算后圖像進行歸一化處理,使 DN值在 0～1之間。

最后利用門頭溝區(qū)行政矢量邊界進行剪裁,得到門頭溝區(qū)1979年7月14日和2005年7月25日的植被覆蓋度圖像(圖1-2)。

圖1 1979年7月14日植被覆蓋度圖像

圖2 2005年7月25日植被覆蓋度圖像

3 植被覆蓋時空格局分析

對覆蓋度圖像以覆蓋度在0.0～0.2,0.2～0.4,0.4～0.6,0.6～0.8,0.8～1.0為標準分級[17],并對各鄉(xiāng)鎮(zhèn)覆蓋情況進行統(tǒng)計,植被覆蓋的時間和空間特征如表2-3所示。

表2 不同覆蓋等級的面積變化 km2

表3 門頭溝區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)植被覆蓋變化

由表2-3可知:(1)門頭溝區(qū)植被覆蓋整體呈下降趨勢,覆蓋度從1979年的76.4%減少為2005年的72.7%;(2)覆蓋度在60%以上的區(qū)域,在兩個時期均較大,說明這個水平比較穩(wěn)定,是植被覆蓋的主體。植被覆蓋度為60%～80%的面積增加的原因有二:一是由植被退化造成的;另外,由植被覆蓋大于80%的區(qū)域退化也是原因之一。(3)覆蓋度在80%以上的大面積減少,說明該區(qū)植被破壞嚴重,這與城市化進程的加快、對土地大規(guī)模利用、經(jīng)濟增長有很大關(guān)系;(4)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)植被退化程度不一,由于居民地建設(shè)和采沙、采石及采煤需大量占用綠地,永定、龍泉、譚柘寺植被退化最嚴重;軍莊是唯一植被覆蓋增加的鄉(xiāng)鎮(zhèn),這應(yīng)歸功于該鄉(xiāng)退耕還林和果林綠化。其它鄉(xiāng)鎮(zhèn)植被退化平均在5%以內(nèi),其中妙峰山、王平、大臺、齋堂四個中部鄉(xiāng)鎮(zhèn)植被退化主要包括自然退化和采礦、采石等人為活動因素,特別是京西礦業(yè)集團的煤礦基本集中在這4個鄉(xiāng)鎮(zhèn),并已形成采空區(qū)和塌陷區(qū);雁翅、清水兩個西部鄉(xiāng)鎮(zhèn)植被退化主要以自然退化為主,退化幅度相對較小。

為定量分析植被退化和修復(fù)的詳細情況,對2005年和1979年的植被覆蓋度圖像作差值運算,并對其結(jié)果按照給定的變化幅度進行密度分割[18],以直觀了解該區(qū)植被覆蓋動態(tài)變化的詳細情況,詳見表4。

表4 門頭溝區(qū)生態(tài)退化分級標準

4 結(jié)論

(1)門頭溝區(qū)植被覆蓋變化以穩(wěn)定為主,植被覆蓋變化小于15%的區(qū)域占總面積的82%,但植被覆蓋整體呈下降趨勢,覆蓋度從1979年的76.4%減少為2005年的72.7%。

(2)植被退化和嚴重退化區(qū)域以人為活動對生態(tài)的破壞為主,集中分布于東南部的永定、龍泉、譚柘寺三個鄉(xiāng)鎮(zhèn),然后依次是妙峰山鎮(zhèn)和王平鎮(zhèn)的采石礦場破壞區(qū)域、農(nóng)業(yè)開發(fā)和居民地建設(shè)區(qū)域以及雁翅、齋堂、清水三個西部鄉(xiāng)鎮(zhèn)的109國道兩側(cè)。

(3)植被修復(fù)區(qū)域的空間特點顯著,且以人工生態(tài)修復(fù)為主,首先是108國道、109國道兩側(cè)的生態(tài)恢復(fù)帶,這表明公路、河道綠化帶建設(shè)的生態(tài)修復(fù)成效顯著,其次是軍莊鎮(zhèn)的生態(tài)保護和果林綠化帶來成效顯著,最后清水鎮(zhèn)、清水河上游的生態(tài)移民和封山育林成效顯著,已有成片生態(tài)修復(fù)區(qū)域,這應(yīng)該歸功于自然的生態(tài)修復(fù)。

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