基于遙感和GIS的黃岡市植被時空變化及其驅(qū)動機制研究

摘要：本文以黃岡市2006、2007、2009年三個時期的TM遙感影像為數(shù)據(jù)源，運用GIS技術(shù)，從研究背景、技術(shù)與數(shù)據(jù)支持入手，分析了黃岡市的植被覆蓋度的時空變化情況及其驅(qū)動機制。對黃岡地區(qū)的植被覆蓋度變化的研究不僅具有重要的科學意義和現(xiàn)實典型性，也為區(qū)域水土流失治理、生態(tài)環(huán)境建設(shè)及當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展提供決策支持。

關(guān)鍵詞：TM影像；植被覆蓋度；歸一化植被指數(shù)；黃岡

一、研究背景

植被變化驅(qū)動力的分析可為農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)境監(jiān)測和生物多樣性保護等工作提供信息服務(wù)。此次研究選擇黃岡市作為研究區(qū)域，以GIS和遙感現(xiàn)代空間信息技術(shù)為手段，從區(qū)域尺度上研究1989～2012年黃岡的植被覆蓋動態(tài)變化情況，在分析中考慮到了地形、氣候的影響。本課題的研究一方面為本市的生態(tài)環(huán)境改善提供理論參考，另一方面也為黃岡地區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展提供決策服務(wù)，同時該研究也具有一定的科學價值。

二、技術(shù)準備、數(shù)據(jù)預(yù)處理及數(shù)據(jù)處理結(jié)果

（一）技術(shù)準備

此研究選擇的是遙感測量。對于獲得的遙感影像采用計算機自動識別解譯，其技術(shù)路線如下：⑴衛(wèi)星圖像識別機理分析→知識獲取與知識形式化表示→建立專家知識庫和背景知識庫→遙感圖像解譯專家系統(tǒng)構(gòu)建；⑵數(shù)字遙感圖像→幾何糾正和輻射糾正→目標地物光譜特點抽取→目標地物形狀特征和空間位置抽取與描述→地理專題信息復(fù)合→運用遙感圖像解譯專家系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字圖像智能化識別→產(chǎn)生專題圖→實現(xiàn)地理數(shù)據(jù)庫更新。

此次研究數(shù)據(jù)來源選用完全覆蓋研究區(qū)域的Landsat TM 遙感數(shù)據(jù)，研究時相分別為1989年2月4日、1998年5月28日、2009年11月2日，其軌道號為122/38，數(shù)據(jù)的空間分辨率為30m。這三幅影像在成像時間上具有大致相當?shù)臅r間間隔，從而使得在進行變化分析時更具有科學性。本次研究中選取的數(shù)字高程數(shù)據(jù)是從中科院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站中獲得。黃岡市行政區(qū)劃邊界圖來源于國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)網(wǎng)站。

（二）數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于光學處理成本高，技術(shù)復(fù)雜，在此次研究中主要以簡單、高效、價格相對低的計算機圖像處理。

1. 數(shù)據(jù)的疊加

在Landsat的TM影像的7個波段中，第2波段是綠色波段（0.52～0.60μm），第4波段是近紅外波段（0.76～0.90μm），將4、3、2波段分別賦予紅、綠、藍進行標準假彩色合成，將7個波段疊加，得到一張假彩色合成圖像。

2. 不同影像數(shù)據(jù)的拼接與研究區(qū)域數(shù)據(jù)的提取

本次研究區(qū)域包含三幅一期TM的影像。為了有效地進行分析，將三幅不同的影像拼接到一起從而得到研究區(qū)域的完整數(shù)據(jù)。由于本次使用的遙感影像事先已經(jīng)經(jīng)過校正處理，所以無需進行更多的處理便可以直接使用。在本次研究中，三幅影像的拼接是在ERDAS軟件中完成的。由于本次所選取的三幅影像的地面范圍遠超出研究區(qū)域的范圍，所以需要用研究區(qū)域的邊界去切割影像以獲得研究區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)。切割影像也在ERDAS軟件完成，在切割中需要轉(zhuǎn)換文件格式，將原文件轉(zhuǎn)換為ERDAS軟件可以處理的AOI文件，然后再使用subset image工具進行影像的切割從而得到黃岡地區(qū)相關(guān)的研究數(shù)據(jù)。

（三）數(shù)據(jù)處理結(jié)果

根據(jù)植被指數(shù)計算公式（主要是歸一化植被指數(shù)公式NDVI=（DNIR-DNR）/（DNIR+DNR））分別計算出黃岡市2006、2007、2009年的植被覆蓋圖，得出NDVI值在東部及東偏北部較高的結(jié)論。

三、對黃岡市植被覆蓋度的時空變化及其驅(qū)動機制分析。

（一）對黃岡市植被時空變化分析

1. 黃岡市植被覆蓋度的變化分析

通過植被覆蓋度（F）公式（F=（NDVI-NDVImin）/（NDVImax-NDVImin））計算并經(jīng)過偽信息剔除處理后得到黃岡市2006年和2009年的植被覆蓋圈度數(shù)據(jù)，在Arcmap中分區(qū)統(tǒng)計各個不同的研究區(qū)。通過分析發(fā)現(xiàn)黃岡市植被覆蓋度多年以來變化比較平穩(wěn)，未出現(xiàn)較大的波動。

2. 黃岡市植被覆蓋度的時間變化分析

利用RS與GIS相結(jié)合的手段，對研究區(qū)域不同時期植被覆蓋度的估算與對比進行分析，結(jié)果表明黃岡市近四年植被覆蓋度變化比較穩(wěn)定，城市并未使覆蓋度產(chǎn)生大的波動。由于黃岡市對生態(tài)保護的重視和大別山旅游文化項目的推進，黃岡市的植被保護比較好。

3. 黃岡市植被覆蓋度空間的變化

由下圖可知，黃岡市的植被覆蓋區(qū)域變化明顯，顏色越深表示植被覆蓋度越高。植被覆蓋度的空間分布特征是與經(jīng)濟建設(shè)密切相關(guān)的，其分布特征受地形、經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展與城市化建設(shè)的影響。黃岡市植被覆蓋度的空間分布特征差異顯著，值得各方面重視。其原因有：城市化建設(shè)大量植被被破壞；部分地區(qū)鄉(xiāng)村居民的植被保護意識差，農(nóng)村建設(shè)植被被破壞；政府相關(guān)部門還存在一些工作不到位的現(xiàn)象。所以，區(qū)域生態(tài)建設(shè)和生態(tài)恢復(fù)應(yīng)該成為區(qū)域發(fā)展的重要指標。

（二）驅(qū)動機制分析

1. 地形對植被覆蓋度的影響

植被的覆蓋度與植被的生長關(guān)系密切相關(guān)，而溫度對于植被的生長十分重要。由于高度每增加100米溫度下降0.6攝氏度，所以植被覆蓋與地形高程的關(guān)系：在一定的海拔高度以下，植被覆蓋度與海拔的高度成正比；當海拔達到一定程度時，植被覆蓋度和海拔的增加成反比，并且這種反比會隨著高度的增加而增大。通過分析發(fā)現(xiàn)，麻城、蘄春、羅田等地由于位于大別山一麓，所以植被覆蓋度相對于其他縣（區(qū)）而言比較高。

2. 不同坡向植被覆蓋度的變化

把從DEM提取的坡向分為八個級別，即正北、東北、正東、東南、正南、西南、正西和西北八個朝向。從正北方向開始統(tǒng)計計算的分別是0～22.5°和337.5～360°（正北選取兩個坡向）、22.5～67.5°、67.5～112.5°、112.5～157.5°、157.5～202.5°、202.5～247.5°、247.5～292.5°、292.5～337.5°，之后分別計算八個坡向的植被覆蓋度。通過對不同坡向植被覆蓋度的分析發(fā)現(xiàn)，在不同時節(jié)同一坡向的植被覆蓋度差異是較大的。值得注意的是，在分析中發(fā)現(xiàn)同一季節(jié)八個不同的坡向的植被覆蓋度大體相當，通過計算其標準差幾乎相同。

3. 對黃岡市不同土地利用類型的植被覆蓋度變化研究

在分析中將獲取的黃岡地區(qū)土地利用類型矢量文件轉(zhuǎn)化為柵格文件。計算并統(tǒng)計黃岡地區(qū)不同土地利用類型在各年份和各季節(jié)的植被覆蓋度數(shù)據(jù)。本次研究并未統(tǒng)計水域的被水覆蓋植被覆蓋度，主要原因是水域表面的植被覆蓋度常年穩(wěn)定，并且水域占黃岡地區(qū)的國土面積比重小。通過分析發(fā)現(xiàn)，林地的植被覆蓋度最高，而建設(shè)用地植被覆蓋度最低，耕地、草地、園地的植被覆蓋度則依次居中。由于各種植物的生長發(fā)育期都相似，所以其植被覆蓋度的變化趨勢總體相似。這種變化趨勢是由植被的生長發(fā)育期與氣候條件共同決定的。黃岡地區(qū)的植被覆蓋度在不同時期的差異表明了黃岡地區(qū)的植被覆蓋的動態(tài)發(fā)展變化，從而間接反映出植被覆蓋度受到了城市化的干擾。

四、結(jié)論

通過分析黃岡地區(qū)的植被覆蓋發(fā)現(xiàn)，黃岡市的植被覆蓋總體上趨于良好，近四年的植被覆蓋變化不是很明顯，這離不開當?shù)卣腿罕姷墓餐Α５?，在做綠化調(diào)查和生態(tài)環(huán)境評價時，使用植被覆蓋度這一指標還存在缺陷，因此應(yīng)該引入“三準綠化指數(shù)”，即“綠量”，這對改善城市生態(tài)建設(shè)和管理的理論和實踐都有指導意義。

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*本文系基金項目“基于遙感和GIS的黃岡市植被時空變化及其驅(qū)動機制研究”（項目編號：sy201313）的研究成果。

（作者單位：黃岡師范學院旅游文化與地理科學學院。通訊作者黃勇奇）