基于RS和GIS的木蘭縣植被蓋度定量研究

張云

（國家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院 北京 100714）

基于RS和GIS的木蘭縣植被蓋度定量研究

張云

（國家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院 北京 100714）

以木蘭縣1989年和2011年兩景Landsat TM遙感影像為主要數(shù)據(jù)，基于RS和GIS技術(shù)，在定量反演歸一化植被指數(shù)（NDVI）的基礎(chǔ)上，獲取植被蓋度等級圖并進行動態(tài)分析。研究結(jié)果表明：近22年來NDVI在 0.2～0.3面積增加的最多，為141.41 km2，在0.4～0.5減少的最多，為340.29 km2，低蓋度植被區(qū)域面積增加的最多，高蓋度植被區(qū)域面積減少的最多。該研究成果對深入了解該區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化具有重要的意義。

NDVI；植被蓋度；遙感監(jiān)測

植被蓋度 ( Vegetation coverage)通常是指植被冠層垂直投影面積占基準地表單位面積的比例或百分數(shù)[1]，是刻畫陸地表面植被數(shù)量的一個重要參數(shù)[2]，而且也是指示生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及其變化的一個重要指標，對地形、 地貌、土壤、 水文條件、 氣候以及人為活動等的影響最為敏感[3-4]。因此，借助于RS和GIS技術(shù)獲取植被蓋度及其變化信息，對于評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境等具有重要現(xiàn)實意義[5-6]。基于此，本文借助遙感監(jiān)測方法，以木蘭縣1989和2011年兩期Landsat TM遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，通過波段運算獲取歸一化植被指數(shù)（NDVI），在此基礎(chǔ)上定量研究木蘭縣的植被蓋度及其變化特征，為松花江流域生態(tài)環(huán)境的維持、資源合理利用、生態(tài)保護的優(yōu)化調(diào)配以及可持續(xù)利用提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域概括

1.1 研究區(qū)域概況

木蘭縣位于黑龍江省中南部，松花江中游北岸，地處127°31’-128°18’E，45°54’-46°36’N，幅員面積3600平方公里，北部為山區(qū)，東南部為丘陵，西南部為平原，大體呈北高南低的地勢走向。均屬松花江水系，主要河流有木蘭達河白楊木河，氣候?qū)僦袦貛Т箨懶约撅L氣候。年平均溫度為1--3℃，極端最高溫度35.5℃，極端最低溫度-42℃。年平均降雨量為596.2毫米，無霜期127天，自然資源十分豐富。林地面積252萬畝，主要有松、柞、椴、槐、楊、榆、樺等樹種。

2 數(shù)據(jù)處理與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

對于研究區(qū)域而言，8-9月份植被長勢好，這個時期的遙感數(shù)據(jù)能夠較好地體現(xiàn)植被的生長狀況，同時又考慮到遙感數(shù)據(jù)的成像質(zhì)量和云量的多少，本次研究采用1989年9月和2010年8月份的Landsat TM5 數(shù)據(jù)作為主要數(shù)據(jù)源，這兩景影像能夠很好地反映出當?shù)氐闹脖桓采w和土地利用情況[7]。此外，還收集了研究區(qū)域土地利用現(xiàn)狀圖、地形圖（1:50000）和部分GPS實測的野外調(diào)查的樣點數(shù)據(jù)。

2.2 遙感圖像處理

在ERDAS IMAGE9.2 中，把經(jīng)過校正后的地形圖作為地理參照數(shù)據(jù)，根據(jù)地形圖選取地面控制點，利用二次多項式和雙線性內(nèi)插法完成兩期遙感圖像Landsat TM的幾何校正，將影像的坐標系轉(zhuǎn)換為西安80坐標系，誤差控制在半個像元之內(nèi)，用遙感軟件 ENVI中的FLAASH模塊完成遙感影像的大氣校正。根據(jù)研究區(qū)域的邊界，通過掩膜（mask）完成研究區(qū)遙感圖像的裁剪處理。

2.3 植被蓋度的估算

本次研究對于植被蓋度的計算，主要是通過歸一化植被指數(shù)來測算，歸一化植被指數(shù)NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）又稱標準化植被指數(shù)，其中NDVI的計算公式如下[8-9]：式中CH3代表Landsat TM影像第三通道的反射值，為近紅外波段； CH4代表Landsat TM影像第四通道的反射值，為紅外波段。

利用ERDAS IMAGE9.2 的Model模塊，對NDVI進行計算，進而獲得植被蓋度，其計算公式為[10]：

式中：NDVI為所求像元的歸一化植被指數(shù)；NDVImin、NDVImax分別為歸一化植被指數(shù)值的最小值和最大值，NDVImin對應(yīng)的區(qū)域為非植被覆蓋區(qū)，多為裸地和未利用地等，NDVImax對應(yīng)的區(qū)域多為植被覆蓋的區(qū)域，多為林地和農(nóng)作物生長茂盛的耕地。

2.4 植被覆蓋度分類

根據(jù)水利部1996年頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》[11]，結(jié)合地面野外調(diào)查資料和水土流失強度，并參考已有的文獻，將植被蓋度分為四級[12]，分別為：Ⅰ級（水域）：植被覆蓋度0；Ⅱ級（低蓋度植被區(qū)域）：植被覆蓋度0-0.62，主要是裸土、低產(chǎn)草地、灌木林地、撂荒地和居民用地等； Ⅲ級（中蓋度植被區(qū)域）：植被覆蓋度0.62-0.82，主要是中高產(chǎn)草地、林地和部分農(nóng)田等，一般呈片狀或塊狀分布；Ⅳ級（高蓋度植被區(qū)域）：植被覆蓋度0.82-1，主要是密林地和優(yōu)良耕地等，呈現(xiàn)片狀或塊狀分布。在ArcGIS 9.2 中完成植被蓋度的分類。

3 結(jié)果與分析

3.1 NDVI的統(tǒng)計分析

表1 1989年和2011及其變化統(tǒng)計表

根據(jù)研究的需要，在ArcGIS的支持下，本文將NDVI分為7個類別，分別為1級（NDVI= -1）、2級（-1～0.1）、3級（0.1～0.2）、4級（0.2～0.3）、5級（0.3～0.4）、6級（0.4～0.5）、7級（NDVI＞0.5）。從表1的統(tǒng)計可知：7級在兩期數(shù)據(jù)所占的面積比例都是最大，分別為49.94%和54.04%，其次是6級，而2級的面積比例最小，前后期分別為0.58%和0.48%。1級的面積，1989年比2011年減少了61.19 km2，減少的區(qū)域主要集中在松花江水域區(qū)域；6級的面積減少了340.29 km2，為各級面積減少的最大者；2級為各級面積減少的最小。3、4、5、7級面積處于增加的狀態(tài)，其中4級面積增加的最大；1級、6級的面積處于減少狀態(tài)，其中6級面積減少最多。

3.2 植被蓋度精度評價

為了檢驗利用植被指數(shù)（NDVI）定量反演植被覆蓋度的準確性，本文采用隨機抽樣的方法，在四個不同級別的植被覆蓋區(qū)域采樣，然后借助手持GPS對采樣點進行野外實測調(diào)查，通過誤差矩陣分析完成植被蓋度定量精度評價，經(jīng)過分析得知各植被蓋度等級的分類精度都在 90%以上，該結(jié)果表明基于NDVI定量反演出的植被蓋度能夠反映該研究區(qū)域的植被覆蓋的實際情況。

3.3 植被蓋度面積變化趨勢

表2 1989年和2011年植被蓋度及其變化統(tǒng)計表

基于對研究區(qū)域相隔22年影像的處理與定量反演，提取植被類型為：水域、低植被蓋度、 中植被蓋度和高植被蓋度4類。由表2的統(tǒng)計可知：高植被蓋度所占的面積比例最大，其土地類型主要是高密林地和優(yōu)良耕地，分別為65.10%和45.78%，呈現(xiàn)片狀或塊狀分布，該植被蓋度類型具有較高的面積比例；1989年高蓋度植被構(gòu)成研究區(qū)域的基本景觀，在2011年面積減少了614.13 km2，沒有構(gòu)成基本景觀，面積比例為19.32%。水域的面積最小，分別為159.75和103km2，低蓋度植被和中蓋度植被面積呈現(xiàn)增加的趨勢，其中低蓋度植被面積增加最多，從1989年的123.17 km2增加到2011年的610km2，面積增加了486.83 km2，而中植被蓋度的面積增加了184.05 km2，增加的比例為5.59%。

3.4 松花江流域植被空間變化特征

基于GIS定量分析植被蓋度面積動態(tài)變化的基礎(chǔ)上，進一步分析其變化規(guī)律和動態(tài)變化趨勢，并揭示其空間演變模式，有助于掌握研究區(qū)域植被蓋度的總體發(fā)展狀態(tài)。對于水域而言，面積減少主要集中在松花江沿岸的灘涂地帶，減少的原因主要源于受天氣等自然狀況的影響，但是人類對松花江流域沿岸的干擾也不容小視，灘涂地（濕地）轉(zhuǎn)成耕地是其主要的變化軌跡，在土地利用過程中，由于人類的不合理利用，致使松花江沿岸部分濕地的消失，從而導(dǎo)致水面的消失而河道發(fā)生變形，致使某些河段的河道變窄，水域面積變小。高蓋度植被減少的區(qū)域人口數(shù)量相對比較密集的區(qū)域，在野外的調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)部分存在有毀林開荒的現(xiàn)象，主要是集中分布于距離居民點較近的一些片林地帶，受經(jīng)濟利益的趨勢，不合理的人類活動致使植被覆蓋度高的林地轉(zhuǎn)化為農(nóng)田，此外部分覆蓋度高的林地因人為影響而退化為灌木林地也是其中的一個原因。低高度植被增加的區(qū)域主要集中在城區(qū)周邊的農(nóng)田地帶和海拔較高的山地區(qū)域，對于高海拔的山地區(qū)域而言，其面積增加的多為一些棄耕地和撂荒地，棄耕地（撂荒地）轉(zhuǎn)成林地主要該區(qū)域的土地利用演變模式，由于該區(qū)域受到地形等自然條件的影響，人類的開發(fā)活動受到了一定限制，使“退耕還林”和“退耕還草”等生態(tài)工程得以實施，這也表明“退耕還林”等工程在研究區(qū)域取得了一定成效。中植被蓋度增加區(qū)域集中在木蘭縣的部分林區(qū)和城市近郊的原高蓋度植被覆蓋區(qū)域，主要源于“退耕還林”和“退耕還草”等生態(tài)政策的推行，原高蓋度植被受到人為不合理的干擾，特別是高密的林地被破壞，高密植被類型呈現(xiàn)一定的程度的稀疏化，且破碎程度增加，并有部分林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦?，隨著天保工程和“退耕還林”等生態(tài)政策的推行，稀疏植被區(qū)域向中蓋度植被區(qū)域轉(zhuǎn)變，也一定程度上也表明該區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化的趨勢得到了一定程度的緩解。

從整體上看，2011年植被蓋度在低蓋度植被區(qū)域（Ⅱ級）和中蓋度植被區(qū)域（Ⅲ級）的面積都比1989年有所增加，分別為增加了15.32%和5.79%。并且低蓋度植被區(qū)域（Ⅱ級）面積增加最大；高蓋度植被區(qū)域和水域面積比1989年有所減少，其中高植被蓋度區(qū)域（Ⅳ級）減少最多，為19.41%。

4 結(jié)論

（1）NDVI在0.1～0.4和NDVI＞0.5的面積處于增加狀態(tài)，其中0.2～0.3面積增加的最大；NDVI在-1～0.1和0.4～0.5的面積處于減少狀態(tài)，其中0.4～0.5面積減少最多。

（2）2011年在低蓋度植被區(qū)域和中蓋度植被區(qū)域的面積都比1989年的有所增加，且在低蓋度植被區(qū)域增加的最大；高蓋度植被區(qū)域和水域面積比1989年有所減少，其中高植被蓋度區(qū)域減少的最多。

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Quantitatively analyzed vegetation coverage of Mulan country based on RS and GIS

Zhang yun
Academy of Forest Inventory and Planning, State Forestry Administration, Beijing 100714

The Landsat TM images of 1989 and 2011 in study region were as major data resource, the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) was quantitatively retrived based on RS and GIS , on this basis, the classification of vegetation coverage was obtained and studied its dynamics changes, the study results shown: the increasing area of NDVI (0.2～0.3) was greatest during 12 years, which was 141.41 km2, on the contrary, the reduced area of NDVI (0.4～0.5) was 340.29 km2, the lower vegetation coverage region covered the greatest increasing area, while the reduced area of higher vegetation coverage was maximum. Then the results has the very important significance for deeply understanding the ecological environment quality change of study region.

NDVI, vegetation coverage, RS monitoring

TP753

：B

：1004-7743（2013）02-0072-04

2013-03-02