紅原草地植被覆蓋度遙感信息提取與動(dòng)態(tài)變化

魯 巖，顏 玲，唐川江，張緒校，周 俗

（1．四川省草原工作總站，成都 610041；2．四川省地政地籍事務(wù)中心，成都 610041）

紅原草地植被覆蓋度遙感信息提取與動(dòng)態(tài)變化

魯 巖1，顏 玲2，唐川江1，張緒校1，周 俗1

（1．四川省草原工作總站，成都 610041；2．四川省地政地籍事務(wù)中心，成都 610041）

在建立紅原縣草地植被覆蓋遙感監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，分析了紅原縣2003、2006、2009、2012年草地植被覆蓋度變化的空間動(dòng)態(tài)演變過程和趨勢(shì)。結(jié)果表明，紅原縣高覆蓋草地、低覆蓋度草地和極低覆蓋度草地面積分別減少了178 324.06km2、3 652.98 km2、2 816.01km2，中高覆蓋草地和中覆蓋草地面積分別增加了154 385.4km2、30 407.64km2。反映了紅原縣草地植被覆蓋整體上呈現(xiàn)由兩級(jí)向中間級(jí)演替的趨勢(shì)。

草地植被覆蓋；信息提?。粍?dòng)態(tài)變化；紅原縣

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要成份，是生態(tài)系統(tǒng)變化的指示器。世界陸地面積中，林地約占30%，草地占25%，耕地占12%左右。我國(guó)是世界上第二大草地國(guó)家，草地總面積約占世界草地面積的12.4%，我國(guó)國(guó)土面積的41%，約是我國(guó)耕地面積的2倍。草地多分布在我國(guó)邊疆地區(qū)，對(duì)邊疆民族地區(qū)的繁榮昌盛、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和畜牧飼養(yǎng)業(yè)的發(fā)展都發(fā)揮著重要作用[1]。

植被覆蓋度是反映植被基本情況的客觀指標(biāo)，研究中常將其作為基本參數(shù)或因子，主要具有以下意義：①科學(xué)研究必要的基礎(chǔ)依據(jù)，為生態(tài)、水保、土壤、水利、植被等領(lǐng)域的定量研究提供基礎(chǔ)依據(jù)，確保相關(guān)研究成果、模型理論科學(xué)可信。②作為生態(tài)系統(tǒng)變化的重要標(biāo)志，為區(qū)域或全球性地表覆蓋變化、景觀分析等前沿問題的研究提供指示作用，促進(jìn)自然環(huán)境研究不斷深入發(fā)展。監(jiān)測(cè)、測(cè)量植被覆蓋度的方法分為地面測(cè)量和遙感測(cè)量?jī)煞N[2]。遙感測(cè)量的出現(xiàn)，使得大面積、大尺度、大區(qū)域植被指數(shù)提取及監(jiān)測(cè)成為可能，得到了廣泛應(yīng)用[4-5]。

研究以四川省紅原縣草地特征、遙感數(shù)據(jù)特點(diǎn)等實(shí)際問題出發(fā)，采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)草地植被蓋度級(jí)別、指標(biāo)等分級(jí)方法，選擇草地植被蓋度作為主要遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)，建立草地植被覆蓋遙感快速監(jiān)測(cè)體系，對(duì)紅原縣草地覆蓋動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，分析和評(píng)價(jià)了紅原草地植被覆蓋程度及其空間格局。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概括

紅原縣位于四川省西北部和阿壩藏族羌族自治州的中部，地處青藏高原的東南緣，東與松潘、黑水接壤，南與馬爾康毗鄰，西靠阿壩縣，北與若爾蓋相連，縣境南北長(zhǎng)約164.5km，東西寬約53km，是四川省十大純牧業(yè)縣之一。紅原縣擁有天然草原面積1 164萬畝，占縣國(guó)土總面積的92.97%，可利用草原面積1 121萬畝，占草原總面積的96.3%。由于受海拔高度和自然氣候影響，紅原以高寒草甸和亞高山草甸為主，其次是高寒沼澤化草甸、高寒沼澤草地、亞高山林緣草甸、高寒灌木草地。可食牧草種類繁多，據(jù)調(diào)查達(dá)70科、225屬、463種。全縣總?cè)丝?.2萬人，其中牧業(yè)人口31 577人，牧業(yè)戶6 984戶。

1.2 數(shù)據(jù)來源

遙感數(shù)據(jù)源使用NASA/MODIS（National Aeronautics and Space Administration/ moderate resolution imaging spectroradiometer，美國(guó)國(guó)家航空與航天局/中分辨率影像輻射度計(jì)）2003、2006、2009、2012年7月～8月（植被生長(zhǎng)季）的16天合成的地表反射率產(chǎn)品（MOD13Q1），分辨率為250m×250m。

另有紅原縣行政邊界圖，1∶50萬紅原縣草原類型圖。此外還收集了研究區(qū)降水與氣溫等氣象資料。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用MRT（MODIS Reprojection TOOL）對(duì)MOD13Q1數(shù)據(jù)進(jìn)行格式和地圖投影轉(zhuǎn)換，地理幾何校正與重采樣處理，提取歸一化植被指數(shù)（NDVI）數(shù)據(jù)。為了更加有效的消除云遮蔽、大氣影響、觀測(cè)中的幾何關(guān)系等不利因素的影響，對(duì)NVDI數(shù)據(jù)進(jìn)行最大合成法（MVC）處理，如公式（1），獲取NDVI數(shù)據(jù)最大值進(jìn)行蓋度分析。

式中：NDVIi為第i月最大NDVI值；NDVIij為第i月第j個(gè)16天合成NDVI值。

對(duì)遙感影像進(jìn)行鑲嵌拼接，然后利用矢量行政邊界圖對(duì)影像進(jìn)行裁剪，獲取工程區(qū)NDVI數(shù)據(jù)影像。

1.4 研究方法

1.4.1 植被覆蓋度遙感估算模型

植被指數(shù)的建立是基于植被在紅光和近紅外波段反差較大的光譜特征。在多種定義的植被指數(shù)中，歸一化植被指數(shù)（NDVI）是應(yīng)用最廣泛的一種。NDVI能夠敏感的反映出植被生物量、覆蓋度，以及葉綠素含量等生物理化性質(zhì)，是監(jiān)測(cè)地區(qū)或生態(tài)環(huán)境的有效指標(biāo)，在一定程度上反映了像元所對(duì)應(yīng)區(qū)域的土地覆蓋情況[6]，是植物生長(zhǎng)狀態(tài)以及植物生長(zhǎng)空間分布密度的最佳指示因子，與植被覆蓋度呈線性相關(guān)。在遙感監(jiān)測(cè)植被蓋度中，通常利用植被覆蓋度與NDVI之間關(guān)系估算區(qū)域植被蓋度，其計(jì)算公式為：

式中：V為草地植被蓋度，NDVIs代表著純土壤覆蓋像元的最小值。NDVIv代表著純植被覆蓋像元的最大值。

植被覆蓋度最大值與最小值與地區(qū)、時(shí)相、圖像空間分辨率和植被類型等有關(guān)系，不同地區(qū)植被覆蓋度的取值會(huì)有所不同。對(duì)于本研究而言，由于紅原縣植被覆蓋主要為連片的草地，且影像選取時(shí)間為夏季，因此植被覆蓋度最大值可以達(dá)到1?？h境內(nèi)又存在水體和沙地，所以植被蓋度最小值可以近似為0。

1.4.2 草地植被覆蓋分級(jí)

結(jié)合紅原縣草地植被覆蓋特征，充分考慮遙感原理和數(shù)據(jù)特點(diǎn)，參照四川省草地資源等級(jí)評(píng)價(jià)依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)[7]，將紅原縣草地植被覆蓋度等級(jí)劃分為五級(jí)：高覆蓋度草地、中高覆蓋草地、中等覆蓋草地、低覆蓋草地和極低覆蓋草地，并確定監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)以及等級(jí)劃分（表1）[8]。

1.4.3 草地動(dòng)態(tài)變化分析方法

在自然及人為干擾下，不同草地植被蓋度的面積和等級(jí)都在不斷變化演替，研究其草地植被覆蓋等級(jí)在空間上的動(dòng)態(tài)變化，可使用轉(zhuǎn)移矩陣-馬爾柯夫鏈來描述。大量研究結(jié)果標(biāo)明，馬爾柯夫鏈能夠得出相當(dāng)可靠的轉(zhuǎn)移結(jié)果[9]。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

表1 紅原縣草地植被覆蓋遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)以及等級(jí)劃分方法

2003-2012年紅原縣草地植被覆蓋度分級(jí)圖（已去非草地）

式中，p為轉(zhuǎn)移概率，n為草地植被覆蓋類型的數(shù)目，pij為草地植被覆蓋類型i轉(zhuǎn)化為草地植被覆蓋類型j的概率，pij滿足以下兩個(gè)條件：

究以2003、2006、2009和2012年草地植被覆蓋度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用草地植被覆蓋類型年均轉(zhuǎn)化率替代其轉(zhuǎn)移概率，計(jì)算這四期草地植被覆蓋等級(jí)之間的相互動(dòng)態(tài)變化情況及草地植被覆蓋空間分布狀態(tài)。

表2 2003，2006，2009，2012年各級(jí)植被蓋度面積及變化

2 結(jié)果與分析

2.1 紅原縣草地植被覆蓋度分級(jí)圖

通過對(duì)草地植被覆蓋等級(jí)反演，獲得該縣2003、2006、2009和2012年草地植被覆蓋度分級(jí)圖(圖1)。

2.2 紅原縣草地植被覆蓋度變化

根據(jù)公式（2）計(jì)算，紅原縣2003年、2006年、2009年和2012年四個(gè)不同時(shí)期草地覆蓋情況，并分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算出紅原縣該四個(gè)不同時(shí)期各級(jí)草地植被覆蓋度面積及所在百分比（表2）。

研究結(jié)果顯示，紅原縣草地覆蓋整體狀況持續(xù)好轉(zhuǎn)，其整體處于中高覆蓋度。2003年至2006年高覆蓋草地凈減123 037.57 km2，中高覆蓋、中覆蓋、低覆蓋和極低覆蓋草地分別增加了56 193.47km2、54 041.19 km2、10 831.06 km2、1 971.86 km2。2006年至2009年高覆蓋草地增加了31240.97 km2，中高覆蓋、中覆蓋、低覆蓋和極低覆蓋草地分別減少了14 874.16km2、10 390.74 km2、3 481.7 km2、2 494.39 km2。2009年至2012年中高覆蓋草地增加了113 066.09km2，高覆蓋、中覆蓋、低覆蓋和極低覆蓋草地分別減少了86 527.46km2、13 242.81km2、11 002.34km2、2 293.48km2。

從長(zhǎng)時(shí)間尺度2003至2012年這兩期數(shù)據(jù)整體來看，高覆蓋、低覆蓋、極低覆蓋草地分別減少了178 324.06km2、3 652.98km2、2816.01km2，中高覆蓋、高覆蓋草地分別增加了154 385.4km2、30 407.64km2。處于中覆蓋等級(jí)以上的草地覆蓋狀況在逐漸好轉(zhuǎn)，低覆蓋以下的草地面積在逐年減少，整體草地呈向好的趨勢(shì)發(fā)展演替。

2.3 植被覆蓋度等級(jí)分布動(dòng)態(tài)變化

2.3.1 2003年到2006年期間草地覆蓋變化

根據(jù)2003年和2006年草地覆蓋度情況，計(jì)算得到兩個(gè)階段的草地覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣（表3）。

表3 2003年到2006年草地植被覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣

表3顯示：2003年到2006年一級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)出面積為162 826.04km2，其中145 492.96km2由一級(jí)植被演變?yōu)槎?jí)植被，占總轉(zhuǎn)出面積的89.4%；一級(jí)植被轉(zhuǎn)入面積為39 788.47km2，一級(jí)植被總體轉(zhuǎn)出面積大于轉(zhuǎn)入面積，但轉(zhuǎn)出面積中向二級(jí)植被演變比例較大。二級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)出面積為106 873.39km2，其中，53 417.83km2由二級(jí)植被演變?yōu)槿?jí)植被，占總轉(zhuǎn)出面積的49.9%，37 139.18km2由二級(jí)植被演變?yōu)橐患?jí)植被，占總轉(zhuǎn)出面積的34.7%。二級(jí)植被轉(zhuǎn)入面積為163 066.85 km2，主要為一級(jí)植被轉(zhuǎn)入，占總轉(zhuǎn)入面積的89.2%。說明二級(jí)植被主要與一級(jí)植被發(fā)生演替，但二級(jí)植被總體轉(zhuǎn)出面積小于轉(zhuǎn)入面積。三級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)出面積為18 410.33km2，其中12 702.99 km2由三級(jí)植被演變?yōu)槎?jí)植被，占總轉(zhuǎn)出面積的68.9%。三級(jí)植被轉(zhuǎn)入面積為72 451.52km2，主要為二級(jí)植被轉(zhuǎn)入，占總轉(zhuǎn)入面積的73.7%。四級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)出面積為11 591.78km2，其中5 706.2km2由四級(jí)植被演變?yōu)槿?jí)植被，占總轉(zhuǎn)出面積的49.2%。四級(jí)植被轉(zhuǎn)入面積為22 422.83km2，主要為二級(jí)植被轉(zhuǎn)入，占總轉(zhuǎn)入面積的57.6%。五級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)出面積為3 857.46km2，主要轉(zhuǎn)出面積為3 025.33km2，占總轉(zhuǎn)出面積的78.4%，主要轉(zhuǎn)入三級(jí)和四級(jí)植被。五級(jí)植被轉(zhuǎn)入面積為5 829.32km2，主要為二級(jí)植被轉(zhuǎn)入。

2.3.2 2006年到2009年期間草地覆蓋變化

根據(jù)2006年和2009年草地覆蓋度情況，計(jì)算得到兩個(gè)階段的草地覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣（表4）。

表4 2006年到2009年草地植被覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣

表4顯示：2006年到2009年一級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)出面積只有5.81km2，分別轉(zhuǎn)為二級(jí)植被覆蓋和三級(jí)植被覆蓋；一級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)入面積為31 246.81 km2，其中31 246.61 km2由二級(jí)植被轉(zhuǎn)入，占轉(zhuǎn)入面積的99.9%。2006年至2009年一級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)入面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)出。二級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)出面積為31 246.61km2，主要從二級(jí)植被轉(zhuǎn)為一級(jí)植被覆蓋；二級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)入面積為16 372.45km2，其中有16 368.25 km2由三級(jí)轉(zhuǎn)入，占轉(zhuǎn)入面積的99.9%。三級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)出面積為16 368.44km2，主要從三級(jí)植被轉(zhuǎn)為二級(jí)植被覆蓋；三級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)入面積為5 977.70km2，其中有5 976.08 km2由四級(jí)轉(zhuǎn)入。四級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)出面積為5 976.08 km2，全部轉(zhuǎn)為三級(jí)植被覆蓋；四級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)入面積為2 494.38km2，全部從五級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)入。五級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)出面積為2 494.38km2，全部轉(zhuǎn)為四級(jí)植被覆蓋。2006年至2009年，紅原縣草地覆蓋整體植被向好轉(zhuǎn)變趨勢(shì)明顯。

2.3.3 2009年到2012年期間草地覆蓋變化

根據(jù)2009年和2012年草地覆蓋度情況，計(jì)算得到兩個(gè)階段的草地覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣（表5）。

表5 2009年到2012年草地植被覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣

表5顯示：2009年到2012年一級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)出面積只有130 198.07km2，其中，125 032.43 km2轉(zhuǎn)為二級(jí)植被覆蓋，占轉(zhuǎn)出面積的96.0%；一級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)入面積為43 670.60 km2，其中38 229.64km2由二級(jí)植被轉(zhuǎn)入，占轉(zhuǎn)入面積的87.5%。2009年至2012年一級(jí)植被覆蓋主要與二級(jí)植被覆蓋發(fā)生轉(zhuǎn)換，但轉(zhuǎn)出面積大于轉(zhuǎn)入。二級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)出面積為75 200.86km2，主要從二級(jí)植被轉(zhuǎn)為一級(jí)植被覆蓋和三級(jí)植被覆蓋；二級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)入面積為188 266.96km2，其中有125 032.43km2由一級(jí)轉(zhuǎn)入，占轉(zhuǎn)入面積的66.4%。三級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)出面積為54 600.60km2，主要從三級(jí)植被轉(zhuǎn)為二級(jí)植被覆蓋；三級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)入面積為41 357.80km2，其中31 891.42km2由二級(jí)轉(zhuǎn)入。四級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)出面積為19 924.47km2，其中13640.22 km2轉(zhuǎn)為三級(jí)植被覆蓋，占轉(zhuǎn)出面積的68.5%；四級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)入面積為8 922.138km2，主要從二級(jí)植被轉(zhuǎn)入。五級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)出面積為3 591.78m2，轉(zhuǎn)入面積為1 298.30 km2。2009年至2012年，紅原縣二級(jí)草地植被覆蓋面積增加明顯，增加部分恰恰源于其他等級(jí)覆蓋面積減少的和值。

綜合上述，從2003年至2012年，紅原縣草地植被覆蓋狀況總體上呈現(xiàn)由兩級(jí)向中間發(fā)展演替的趨勢(shì)。高覆蓋草地向中高覆蓋草地轉(zhuǎn)移明顯，趨勢(shì)顯著。中高植被覆蓋向上級(jí)和下級(jí)都有所轉(zhuǎn)移，但轉(zhuǎn)出面積遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)入面積。其余等級(jí)向上級(jí)或下級(jí)都有轉(zhuǎn)移，但向上級(jí)轉(zhuǎn)移面積明顯大于向下級(jí)轉(zhuǎn)移面積。

近年來，由于高覆蓋草地處于少量保護(hù)和未保護(hù)的狀況，加上草原超載放牧現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致高覆蓋草地向下一級(jí)轉(zhuǎn)移。隨著“國(guó)家實(shí)施退牧還草工程”、“無鼠害示范區(qū)建設(shè)”、“草原生態(tài)補(bǔ)助獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制”等項(xiàng)目的實(shí)施，中覆蓋以下的草地等到了有效治理和重點(diǎn)保護(hù)，草地覆蓋得到明顯提高。這就對(duì)紅原縣的生態(tài)保護(hù)建設(shè)和政策提出來新的問題，既要保護(hù)、治理、改良以被破壞的草地，同時(shí)還要保護(hù)、治理現(xiàn)有的、產(chǎn)量高的優(yōu)良草地。

3 討論與結(jié)論

1）本文從紅原縣草地植被覆蓋實(shí)際情況出發(fā)，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和遙感數(shù)據(jù)特征，選擇草地植被覆蓋作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立紅原縣草地植被覆蓋遙感監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，得到了2003～2012年植被覆蓋變化的空間動(dòng)態(tài)演變過程和趨勢(shì)，證明以此種方法對(duì)大面積草地植被覆蓋變化進(jìn)行研究是可行且準(zhǔn)確的。

2）從面積變化及轉(zhuǎn)移矩陣可以看出，中高覆蓋草地和中覆蓋草地面積整體上呈增加趨勢(shì)，中高覆蓋草地增長(zhǎng)最快。高覆蓋草地、低覆蓋草地和極低覆蓋草地面積呈減少趨勢(shì)。高覆蓋草地主要轉(zhuǎn)移為中高覆蓋草地，而低覆蓋草地和極低覆蓋草地主要轉(zhuǎn)移為中覆蓋草地。反映了紅原縣草地演替呈現(xiàn)出由兩級(jí)向中間發(fā)展演替的趨勢(shì)。

3）利用MODIS數(shù)據(jù)集對(duì)紅原縣草地植被覆蓋空間動(dòng)態(tài)變化的研究表明，MODIS數(shù)據(jù)集可以用于大尺度的草地植被覆蓋變化研究，且效果明顯。在今后的研究中，可以考慮選取更高分辨率的影像合成數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高植被蓋度的提取精度，大力探索和發(fā)掘遙感數(shù)據(jù)在草地資源監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，為草地生態(tài)環(huán)境保護(hù)及生態(tài)恢復(fù)等研究提供有效的參考。

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Extraction and Dynamic Change of Remote Sensing Information of Vegetation Fraction in the Hongyuan Grass Land

LU Yan1YAN Ling2TANG Chuan-jiang1ZHANG Xu-xiao1ZHOU Su1
(1-Sichuan Grassland General Workstation, Chengdu 610041; 2-land and cadastre servicing center of Sichuan, Chengdu 610041）

On the basis of monitoring and evaluation indices system for vegetation fraction this paper has a discussion on dynamic change and developmental trend of vegetation fraction in the Hongyuan Grass Land during 2003-2012 with decrease in high, low and lower coverage grassland by 178324.06hm2, 3652.98 hm2and 2816.01 hm2and increase in medium-high and medium coverage grassland by 154385.4 hm2and 30407.64 hm2.

vegetation fraction; grass land vegetation coverage; information extraction; dynamic change; Hongyuan

P627

A

1006-0995（2014）04-0615-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2014.04.033

2013-08-22

魯巖（1981-），男，吉林省吉林市人，碩士，主要從事草原生態(tài)方面的研究和技術(shù)推廣等工作