基于遙感與GIS的黃岡市植被覆蓋時(shí)空特征研究

張盛霖+項(xiàng)俊+吳博文+黃勇奇

摘要：利用遙感和GIS技術(shù)處理黃岡市2000-2013年共14年的同時(shí)相的MODIS影像，獲得其植被覆蓋度，并對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行分級(jí)。同時(shí)對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行地形統(tǒng)計(jì)和分區(qū)統(tǒng)計(jì)，較清晰地反映了黃岡市植被覆蓋度的時(shí)間變化和空間三維分布狀況。研究結(jié)果表明，從2000年到2008年黃岡市植被覆蓋度處于上升趨勢，從2008年到2013年黃岡市植被覆蓋度則處于下降趨勢，但總體而言黃岡市的植被覆蓋度良好；從2000年到2013年黃岡市植被覆蓋度年際變化中變化不明顯、上升所占比例較大，下降、急劇下降和快速上升的比例很低；植被覆蓋度較高的縣市主要有英山縣、羅田縣、麻城市，植被覆蓋較低的縣市主要有黃州區(qū)、武穴市、黃梅縣。

關(guān)鍵詞：植被覆蓋度；MODIS影像；歸一化植被指數(shù)；時(shí)空變化；黃岡市

中圖分類號(hào)：X87 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）10-2358-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.10.013

植被覆蓋時(shí)空變化與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略有著密切的聯(lián)系，植被生物量在全球碳循環(huán)研究中起著重要作用，是陸地地表生態(tài)系統(tǒng)中能量和物質(zhì)運(yùn)輸?shù)闹饕h(huán)節(jié)，相關(guān)領(lǐng)域的研究為區(qū)域資源管理開發(fā)、環(huán)境保護(hù)和糧食生產(chǎn)提供直接有效的技術(shù)支持[1]。當(dāng)前人類社會(huì)發(fā)展面臨著土地荒漠化、生物多樣性減弱、水資源減少和臭氧層損耗等諸多環(huán)境問題，而這些問題的產(chǎn)生與變化和地表植被覆蓋時(shí)空變化緊密相關(guān)[2]。因此，對(duì)陸地地表植被覆蓋時(shí)空變化的機(jī)制與過程的研究是保證人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的重要因素之一。在20世紀(jì)末，植被覆蓋時(shí)空變化研究受到重視，在2004年之后出現(xiàn)了大量的研究成果。植被覆蓋的研究者主要分為2個(gè)層次，一是政府相關(guān)部門管理者，他們是社會(huì)資源，經(jīng)濟(jì)資源，生態(tài)資源的總協(xié)調(diào)者，指引著植被覆蓋時(shí)空變化研究的方向；二是學(xué)術(shù)界，通常能夠綜合各方信息，運(yùn)用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹⒖茖W(xué)的研究方法，結(jié)合相關(guān)理論對(duì)植被覆蓋狀況做出判斷[3-5]。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，中國土地利用覆蓋變化的深度、廣度和速度都呈現(xiàn)出急劇增加的趨勢[6-9]，在此種大背景下陸地地表植被覆蓋時(shí)空變化的研究也引起了中國有關(guān)領(lǐng)域研究者的密切關(guān)注。植被覆蓋時(shí)空變化研究的空間尺度可以分為全球、國家、區(qū)域3個(gè)層面。黃岡市作為局部區(qū)域，其植被覆蓋時(shí)空變化的研究還很少，亟待人們加以深入的研究。

本研究利用遙感和GIS技術(shù)處理黃岡市2000-2013年同時(shí)相的MODIS遙感影像，獲得其植被覆蓋度，并對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行分級(jí)。同時(shí)對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行地形統(tǒng)計(jì)和分區(qū)統(tǒng)計(jì)，較清晰地反映了黃岡市植被覆蓋度的時(shí)空分布特征。通過對(duì)黃岡市的植被覆蓋在時(shí)空方面的變化研究，可以對(duì)黃岡市植被覆蓋狀況有一個(gè)直觀清晰的了解，并為政府與相關(guān)部門的決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

黃岡市地處湖北省東部，大別山南麓，長江中游北岸，位于東經(jīng)114°25′-116°8′，北緯29°45′-31°35′?，F(xiàn)轄黃州區(qū)和紅安、羅田、英山、浠水、蘄春、黃梅、團(tuán)風(fēng)7個(gè)縣以及一個(gè)縣級(jí)龍感湖農(nóng)場，代管武穴、麻城兩個(gè)縣級(jí)市，屬亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候，江淮小氣候區(qū)，四季光熱界線分明，光照豐富，雨量充足，年平均降雨量1 223～1 493 mm。研究區(qū)自北向南逐漸傾斜，東北部與豫皖交界為大別山脈，主脊呈西北向東南走向；中部為丘陵區(qū)，海拔高度多在300 m以下，高低起伏；南部為狹長的平原湖區(qū)，海拔高度在10～30 m之間，河港、湖泊交織。

1.2 數(shù)據(jù)來源

遙感數(shù)據(jù)利用2000-2013年7月28日的Mod13q1 NDVI，Mod13q1數(shù)據(jù)為16 d合成的250 m植被指數(shù)產(chǎn)品，包含NDVI與EVI兩種數(shù)據(jù)，地圖投影為正弦曲線投影，空間分辨率250 m×250 m。Mod13q1是為表現(xiàn)植被狀況的時(shí)空綜合特征而生產(chǎn)的。覆蓋黃岡市的Mod13q1數(shù)據(jù)有h27v05、h27v06、h28v05、h28v06共4幅影像。高程數(shù)據(jù)采用SRTM-DEM 90 m分辨率數(shù)據(jù)，黃岡市行政區(qū)劃邊界從全國縣界1：400萬的矢量數(shù)據(jù)提取（影像數(shù)據(jù)與DEM數(shù)據(jù)下載于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站，全國縣界1∶400萬的矢量數(shù)據(jù)下載于國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)網(wǎng)站）。

2 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

2.1 遙感圖像的預(yù)處理

下載黃岡市Mod13q1遙感數(shù)據(jù)后，利用MODIS數(shù)據(jù)處理工具M(jìn)odis Reprojection Tool （MRT）對(duì)每期的4幅影像進(jìn)行拼接、投影轉(zhuǎn)換，并轉(zhuǎn)換成ERDAS、ArcGIS軟件兼容的影像格式*.img。地形數(shù)據(jù)采用SRTM-DEM 90 m分辨率數(shù)據(jù)。利用全國1∶400萬縣界的矢量圖，提取出黃岡市行政邊界，在ArcGIS中生成.shp文件，然后在ERDAS 9.2中讀取該文件，并重新生成.aoi文件，然后利用ERDAS軟件的Subset Imagine功能進(jìn)行遙感圖像裁剪，得到覆蓋研究區(qū)域的Mod13q1遙感圖像。

2.2 植被覆蓋度信息的提取

由像元二分模型可知，每一個(gè)像元點(diǎn)上的NDVI值可表示為有植被部分所提供的信息NDVIveg和無植被覆蓋部分所提供的信息NDVIsoil組成。因此計(jì)算植被覆蓋度公式如下：

Fc=（NDVI-NDVIsoil）/（NDVIveg-NDVIsoil）

式中，NDVIsoil是無植被覆蓋區(qū)域或完全裸土的NDVI值；NDVIveg則代表完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值。在沒有實(shí)測數(shù)據(jù)的情況下，取NDVImax與NDVImin值為圖像中給定置信度的置信區(qū)間內(nèi)最大值與最小值，NDVIsoil值取影像中NDVImin值；NDVIveg值取影像中NDVImax值。endprint

由植被覆蓋度計(jì)算公式可知，植被覆蓋度與植被指數(shù)NDVI成正比，即NDVI大的區(qū)域，植被覆蓋度也大；反之，亦然。

2.3 植被覆蓋度分級(jí)

植被覆蓋度等級(jí)的劃分主要根據(jù)研究區(qū)內(nèi)植被的基本特征，充分考慮遙感圖像的可解譯程度以及當(dāng)?shù)氐闹脖粻顩r等因素，制定研究區(qū)域植被蓋度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為0～0.2，0.2～0.4，0.4～0.6，0.6～0.8，0.8～1，目的在于為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)和管理服務(wù)，為當(dāng)?shù)氐闹黝}功能區(qū)規(guī)劃與實(shí)施提供科學(xué)數(shù)據(jù)。各覆蓋度等級(jí)所對(duì)應(yīng)的地物如下：1級(jí)為低植被覆蓋，植被覆蓋度0～0.2，對(duì)應(yīng)于撂荒地、居民點(diǎn)及交通用地等；2級(jí)為較低植被覆蓋，植被覆蓋度0.2～0.4，對(duì)應(yīng)于低產(chǎn)草地、林地、農(nóng)田等植被；3級(jí)為平均植被覆蓋，植被覆蓋度0.4～0.6，對(duì)應(yīng)于農(nóng)田、林地、中高產(chǎn)草地等植被，屬中覆蓋度植被；4級(jí)為較高植被覆蓋，植被覆蓋度0.6～0.8，對(duì)應(yīng)于高產(chǎn)草地、林地；農(nóng)田等植被；5級(jí)為高植被覆蓋，植被覆蓋度0.8～1.0，對(duì)應(yīng)于保護(hù)良好森林，良田等植被。通過ArcGIS軟件中的Spatial Analyst Tool，依據(jù)植被覆蓋度灰度值對(duì)其進(jìn)行密度計(jì)算，并賦予相應(yīng)的顏色，得到不同時(shí)期的植被覆蓋度等級(jí)圖，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

從圖1中可以得知，對(duì)多年平均植被覆蓋度而言，黃岡市低植被覆蓋、較低植被覆蓋和中等植被覆蓋所占面積比例較小，這三項(xiàng)所占的面積比例分別為1.42%、1.36%和5.11%，合計(jì)7.89%；黃岡市植被覆蓋等級(jí)主要分布在較高植被覆蓋和高植被覆蓋中，這兩項(xiàng)所占的面積比例分別為54.49%和37.62%，合計(jì)92.11%，這說明黃岡市總體上植被覆蓋是非常良好的。

2.3.1 黃岡市植被覆蓋度空間分布特征 黃岡市低植被覆蓋、較低植被覆蓋主要分布在海拔9～30 m處，即平原湖區(qū)；該區(qū)域分布了很多湖泊河流，并受人類活動(dòng)干擾很大，有很多城鎮(zhèn)建設(shè)用地、交通用地，其中湖泊河流占了很大面積比例。黃岡市中等植被覆蓋主要分布在海拔9～95 m處，主要位于平原湖區(qū)和崗地；該區(qū)域受人類活動(dòng)干擾比較嚴(yán)重，分布有很多城鎮(zhèn)建設(shè)用地、交通用地、草地、耕地、林地，其中城鎮(zhèn)建設(shè)用地、耕地占了很大面積比例。黃岡市較高植被覆蓋主要分布在海拔9～200 m處，主要位于崗地和丘陵處；該區(qū)域受人類活動(dòng)干擾不嚴(yán)重，分布有很多草地、耕地、林地，其中耕地、林地占了較大面積比例。黃岡市高植被覆蓋主要分布在海拔9～700 m處，主要位于崗地、丘陵、低山和中低山處；該區(qū)域受人類活動(dòng)干擾較小，分布有大量的草地、耕地、林地，特別保護(hù)良好的森林占很大面積。

2.3.2 黃岡市植被蓋度時(shí)間變化分析 從圖2中可以得知，從2000年到2008年黃岡市平均植被覆蓋基本呈上升趨勢，上升趨勢明顯；從2009年到2013年則基本呈下降趨勢，下降趨勢也很明顯，甚至超過了上升趨勢。所以黃岡市平均植被覆蓋從2000年到2013年總體呈下降趨勢，但趨勢不明顯，這表明黃岡市平均植被狀況處于輕微退化狀態(tài)。黃岡市植被覆蓋度標(biāo)準(zhǔn)差也是以2008年為分界點(diǎn)，2000-2008年標(biāo)準(zhǔn)差基本呈下降趨勢，下降趨勢不明顯，2009-2013年則呈上升趨勢，并且上升趨勢很明顯，所以黃岡市植被覆蓋度標(biāo)準(zhǔn)差從2000年到2013年總體呈上升趨勢，但趨勢不明顯。這表明黃岡市植被覆蓋度差異處于擴(kuò)大狀態(tài)。

由表1可知，黃岡市低植被覆蓋所占面積比例2000-2009年基本呈輕微下降趨勢，2010-2013年則基本呈明顯上升趨勢，所以總體上呈上升趨勢，但趨勢不明顯，這說明黃岡市低植被覆蓋呈輕微退化。黃岡市較低植被覆蓋所占面積比例2000-2008年基本呈輕微下降趨勢，2009-2013年則基本呈明顯上升趨勢，所以總體上呈上升趨勢，且趨勢比較明顯，這說明黃岡市較低植被覆蓋擴(kuò)大化比較明顯。黃岡市中等植被覆蓋所占面積比例2000-2008年基本呈明顯下降趨勢，2009-2013年則基本呈明顯上升趨勢，所以總體上呈下降趨勢，但趨勢都不明顯，這說明黃岡市中等植被覆蓋雖然變化明顯，但總體上只呈輕微退化狀態(tài)。黃岡市較高等植被覆蓋所占面積比例2000-2007年基本呈輕微下降趨勢，2008-2013年則基本呈輕微上升趨勢，總體上呈輕微上升趨勢，這說明黃岡市較高植被覆蓋雖然變化明顯，但總體上只呈輕微改善狀態(tài)。黃岡市高等植被覆蓋所占面積比例2000-2007年基本呈明顯上升趨勢，2008-2013年則基本呈明顯下降趨勢，總體上呈輕微下降趨勢，這說明黃岡市高植被覆蓋雖然變化明顯，但總體上只呈輕微退化狀態(tài)。

2.3.3 黃岡市植被覆蓋年際變化程度分析 利用ArcGIS中的柵格計(jì)算器將黃岡市2007年植被覆蓋柵格數(shù)據(jù)減去黃岡市2000年植被覆蓋圖柵格數(shù)據(jù)，黃岡市2013年植被覆蓋柵格數(shù)據(jù)減去黃岡市2007年植被覆蓋圖柵格數(shù)據(jù)，得到兩個(gè)對(duì)比時(shí)相植被覆蓋差值。在此基礎(chǔ)上對(duì)這兩個(gè)對(duì)比圖進(jìn)行分類，其分類標(biāo)準(zhǔn)和級(jí)別為：-1.00～-0.60，急劇下降；-0.60～-0.05，下降；-0.05～0.05，變化不明顯；0.05～0.60，上升；0.60～1.00，快速上升。基于以上數(shù)據(jù)處理得2000-2007年和2007-2013年2個(gè)時(shí)相的黃岡市植被變化等級(jí)圖，然后進(jìn)行植被覆蓋變化分級(jí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

從表2可以看出，2007年對(duì)比2000年急劇下降的面積比例為0.05%，下降的面積比例為5.21%，變化不明顯的面積比例為32.43%，上升的面積比例為62.08%，快速上升的面積比例為0.24%。從中可以看出2007年對(duì)比2000年黃岡市覆蓋度變化主要以上升和變化不明顯為主，急劇下降和快速上升所占的比例都很小，因此這時(shí)期黃岡市植被覆蓋處于改善狀態(tài)。

2013年對(duì)比2007年急劇下降的面積比例為0.20%，下降的面積比例為41.94%，變化不明顯的面積比例為49.43%，上升的面積比例為8.34%，快速上升的面積比例為0.09%。從中可以看出2013年對(duì)比2007年黃岡市覆蓋度變化主要以變化不明顯和下降為主，急劇下降和快速上升所占的比例都很小，因此這時(shí)期黃岡市植被覆蓋處于退化狀態(tài)。endprint

2013年對(duì)比2000年急劇下降的面積比例為0.04%，下降的面積比例為11.25%，變化不明顯的面積比例為51.26%，上升的面積比例為37.35%，快速上升的面積比例為0.10%。從中可以看出，2013年對(duì)比2007年黃岡市覆蓋度變化主要以變化不明顯和上升為主，急劇下降和快速上升所占的比例都很小，因此2013年對(duì)比2000年黃岡市植被覆蓋處于改善狀態(tài)。

2.4 黃岡市植被覆蓋的分區(qū)統(tǒng)計(jì)分析

利用ArcGIS中的分區(qū)統(tǒng)計(jì)功能對(duì)2000-2013年黃岡市植被覆蓋度分別進(jìn)行各縣市的分區(qū)統(tǒng)計(jì)，得到各縣市的植被覆蓋度分區(qū)統(tǒng)計(jì)圖和統(tǒng)計(jì)表。

從表3可知，各縣市植被覆蓋度從低到高依次為黃州、武穴、浠水、團(tuán)風(fēng)、黃梅、紅安、蘄春、麻城、羅田、英山。由此看出，高植被覆蓋度主要分布在黃岡市東北部的丘陵和中低山處，而黃岡市西部與南部的平原湖區(qū)和崗地植被覆蓋則相對(duì)而言要差些。從黃岡市多年平均植被覆蓋度標(biāo)準(zhǔn)差分區(qū)統(tǒng)計(jì)圖可知，各縣市植被覆蓋度分布均勻性從高到低依次為紅安、英山、羅田、麻城、團(tuán)風(fēng)、蘄春、浠水、黃梅、武穴、黃州。由此看出，高植被覆蓋度分布比較均勻的區(qū)域主要集中在諸如紅安、英山、羅田等受人類活動(dòng)干擾較小的縣市。

英山縣多年植被覆蓋排名基本穩(wěn)定在第一名，羅田縣多年植被覆蓋排名基本在第二、三名，黃州區(qū)多年植被覆蓋排名則穩(wěn)定在第十名，其他縣排名變化較大。排名比較穩(wěn)定的縣市處于受人類活動(dòng)干擾較少的區(qū)域，或處于受人類嚴(yán)重改造的城建區(qū)和多湖泊河流的區(qū)域。英山縣、羅田縣全境以丘陵、中低山為主，森林覆蓋率均高達(dá)70%；黃州區(qū)以平原為主，兼有丘陵崗地，境內(nèi)多湖泊，水面與城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積達(dá)69.12%，而森林覆蓋率只有11.30%。而在耕地、草地、林地較多的崗地、丘陵地區(qū)的縣市則排名變化較大，主要原因是由于氣候、地形、土壤等自然因素和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等人為因素，使得土地利用/覆蓋在頻繁地發(fā)生變化和轉(zhuǎn)換，從而導(dǎo)致植被覆蓋發(fā)生變化。

根據(jù)表3分析可知，2000-2013年黃岡市植被覆蓋呈上升趨勢的有武穴市、英山縣、蘄春縣、浠水縣、團(tuán)風(fēng)縣，黃州區(qū)、黃梅縣、羅田縣、紅安縣、麻城市則呈下降趨勢，并且趨勢都越來越明顯。除了武穴市、黃州區(qū)植被覆蓋變化基本平穩(wěn)，其余縣市的植被覆蓋變化起伏較大，并且?guī)缀蹙?008年為界，前期植被覆蓋基本處于上升趨勢，后期基本處于下降趨勢，只不過是上升或下降的程度不同而已。根據(jù)黃岡市氣象資料，2008年全市平均氣溫為16.3～17.7 ℃，比常年偏高0.1～0.9 ℃，年極端最高氣溫為麻城的38.5 ℃，出現(xiàn)在7月28日；日照時(shí)數(shù)為1 681～2 173 h，英山、蘄春偏多1～2成，羅田偏少1成，其他縣接近常年；年降水量1 111～1 710 mm，北多南少。該氣象條件有利于植被的生長，特別是對(duì)農(nóng)業(yè)來說是風(fēng)調(diào)雨順。另一方面，2005年以來，黃岡市經(jīng)濟(jì)連年邁大步，年年上臺(tái)階，城鎮(zhèn)化程度大大加強(qiáng)，對(duì)植被覆蓋破壞日益嚴(yán)重。因此2008年黃岡市植被覆蓋基本達(dá)到最佳狀態(tài)。

3 結(jié)論

通過分析可得出以下結(jié)論。

1）黃岡市植被覆蓋等級(jí)主要分布在較高植被覆蓋和高植被覆蓋中，這2項(xiàng)所占的面積比例達(dá)92.11%，這說明黃岡市總體上植被覆蓋是非常良好的。

2）黃岡市低植被覆蓋、較低植被覆蓋主要分布在平原湖區(qū)；黃岡市中等植被覆蓋主要分布在平原湖區(qū)和崗地；黃岡市較高植被覆蓋主要分布在崗地和丘陵處；高植被覆蓋主要分布在崗地、丘陵、低山和中低山。

3）從2000年到2008年黃岡市平均植被覆蓋基本呈上升趨勢，上升趨勢明顯；從2009年到2013年則基本呈下降趨勢，下降趨勢也很明顯，甚至超過了上升趨勢。所以黃岡市平均植被覆蓋從2000年到2013年總體呈下降趨勢，但趨勢不明顯。

4）2013年對(duì)比2000年黃岡市覆蓋度變化主要以變化不明顯和上升為主，急劇下降和快速上升所占的比例都很小，因此2013年對(duì)比2000年黃岡市植被覆蓋處于改善狀態(tài)。

5）各縣市植被覆蓋度從低到高依次為黃州、武穴、浠水、團(tuán)風(fēng)、黃梅、紅安、蘄春、麻城、羅田、英山。高植被覆蓋度主要分布在黃岡市東北部的丘陵和中低山處，而黃岡市西部與南部的平原湖區(qū)和崗地植被覆蓋則相對(duì)而言要差些。

總而言之，植被覆蓋度的時(shí)空分布特征是受氣象、地形等自然因素和經(jīng)濟(jì)與城鎮(zhèn)化建設(shè)等人為活動(dòng)的影響。黃岡市植被覆蓋度的時(shí)空分布規(guī)律可以為政府相關(guān)部門的決策提供科學(xué)依據(jù)。

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