河南省植被覆蓋度的時(shí)空變化特征

李京忠等

摘要：利用1990年和2000年兩期河南省TM遙感影像數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正、輻射校正、圖像鑲嵌、圖像分割等數(shù)據(jù)預(yù)處理工作，然后計(jì)算出每期影像的NDVI（歸一化植被指數(shù)），利用像元二分模型把植被指數(shù)轉(zhuǎn)換為植被覆蓋度，并對這兩個(gè)時(shí)期的植被覆蓋度進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明，從植被覆蓋度的時(shí)間變化上看，10年間極低與低植被覆蓋度類型的面積減少，但是中、中高和高植被覆蓋度類型的面積明顯增加，這說明河南省的植被覆蓋總體上是好轉(zhuǎn)的；從植被覆蓋度的空間變化上看，豫北濮陽、鶴壁，豫東商丘，豫南駐馬店等區(qū)域植被覆蓋度增長明顯，而豫西平頂山、三門峽及商丘南部植被覆蓋度減少變化明顯。

關(guān)鍵詞：TM影像；河南??；植被覆蓋度；NDVI

中圖分類號：X826 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）16-3908-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.16.019

Temporal and Spatial Variation of Vegetation Coverage in Henan Province

LI Jing-zhong1，2，LIU Yong-mei1，F(xiàn)ENG Fei-fan3，GAO Yuan1，CHANG Wei1，HAN Ya-lei2

（1.College of Urban and Environmental Science， Northwest University， Xian 710127， China；

2. College of Urban and Rural Planning and Landscape， Xuchang University， Xuchang 461000，Henan， China；

3.Institute of Geophysics and Geomatics， China University of Geosciences， Wuhan 430074， China）

Abstract：Based on two TM remote sensing image data of Henan Province in 1990 and 2000， by performing data preprocessing of atmospheric correction， radiometric correction， image mosaic and image segmentation， NDVI （Normalized Difference Vegetation Index） in each image were calculated. The vegetation index was converted to vegetation coverage through dimidiate pixel model， and the two images of vegetation coverage were compared and analyzed. The results showed that， in terms of time variation in vegetation coverage， very low and low vegetation coverage degree type area decreased during the past 10 years， while middle， upper-middle and high vegetation coverage degree type area were significantly increased， indicating that the vegetation coverage in Henan province was generally improved. In terms of time variation in vegetation coverage， Puyang， Hebi， Shangqiu， Zhumadian visibly increased， while Pingdingshan， Sanmenxia and southern Shangqiu obviously reduced.

Key words：TM images； Henan province； vegetation coverage； NDVI

植被覆蓋度是指示地表植物生長態(tài)勢和變化的重要參數(shù)，可以通過該參數(shù)研究特定區(qū)域內(nèi)的植被變化情況，對于了解該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-3]。植被覆蓋度的傳統(tǒng)量算方法主要就是地面測量，限制較大而且精度不高，難以實(shí)現(xiàn)大面積的信息提取[4]?；谶b感影像的提取方法具有同步獲取大區(qū)域范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)信息并且受主觀影響因素較小、精度較高等特點(diǎn)，成為當(dāng)今地面植被覆蓋度信息提取和植被監(jiān)測的主要手段[5]。

河南省是中國重要的農(nóng)業(yè)糧食基地、農(nóng)副產(chǎn)品加工基地，同時(shí)也是國家東西部地區(qū)的連接樞紐和中原經(jīng)濟(jì)區(qū)的主要承載地。因此河南省的糧食產(chǎn)量和農(nóng)副產(chǎn)品的加工量對于國家的糧食安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著不可忽視的重要作用[6]。而植被覆蓋度的優(yōu)劣會引起生態(tài)環(huán)境的變化，這對糧食的產(chǎn)量和農(nóng)副產(chǎn)品的加工量有著決定性的影響[7]。本研究以多時(shí)相的遙感影像為數(shù)據(jù)源，利用像元二分模型估算區(qū)域植被覆蓋度，對比不同時(shí)期的植被覆蓋狀況從而得到研究區(qū)植被覆蓋度的空間和時(shí)間變化特征，并分析其與相應(yīng)區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市化進(jìn)程的關(guān)系，為河南省經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中的生態(tài)環(huán)境評價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

河南省位于中國中部，北緯31°23′-36°22′，東經(jīng)110°21′-116°39′之間。國土面積16.7萬km2，居全國?。▍^(qū)、市）第十七位，約占全國總面積的1.73%。河南省地處沿海與中西部結(jié)合部，地勢西高東低，北、西、南三面依次由太行山脈、伏牛山脈、桐柏山脈和大別山脈沿省界呈半環(huán)形分布；中、東部屬華北平原南部區(qū)域；西南部為南陽盆地，跨越黃河、淮河、海河、長江四大水系，山水相連。在全省面積中，山地丘陵面積7.4萬km2，占全省總面積的44.3%；平原和盆地面積9.3萬km2，占總面積的55.7%。復(fù)雜多樣的土地類型為農(nóng)、林、牧、漁業(yè)的綜合發(fā)展提供了有利的條件。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)源與預(yù)處理

數(shù)據(jù)主要來自國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺、美國地質(zhì)調(diào)查局下屬的地球資源觀測和科學(xué)中心（EROS）、馬里蘭大學(xué)地球數(shù)據(jù)中心的Landsat TM影像數(shù)據(jù)及河南省的行政區(qū)域矢量圖。

本研究中收集河南省在1990年和2000年共28景的TM數(shù)據(jù)，要求該數(shù)據(jù)盡量在植被覆蓋較好的夏季7、8月份，并對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校正、地形校正、幾何精校正等預(yù)處理工作。然后對所有的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行勻色鑲嵌處理，并根據(jù)河南省的行政區(qū)劃圖進(jìn)行裁剪得到研究區(qū)遙感影像集。

2.2 植被覆蓋度的提取

植被指數(shù)是利用紅光和紅外波段的不同組合進(jìn)行植被信息指示的參數(shù)，可以定量地表明植被的活力，相對于單個(gè)波段來說該參數(shù)對植被生物量的探測具有更好的靈敏性[8]。目前，全球關(guān)于植被指數(shù)的模型超過150種，但是這些植被指數(shù)模型中只有極少數(shù)經(jīng)過系統(tǒng)驗(yàn)證并應(yīng)用到實(shí)踐中[9]。其中歸一化植被指數(shù)（NDVI）由于檢測靈敏度高、檢測范圍較寬，可消除地形和群落結(jié)構(gòu)的陰影和輻射干擾，削弱太陽高度角和大氣所帶來的噪音等優(yōu)點(diǎn)，取得了廣泛的應(yīng)用。NDVI對植被狀況的評估非常有效，已被廣泛應(yīng)用到地表植被生產(chǎn)力評估、植被覆蓋估算及變化趨勢分析的研究中[10，11]。本研究采用常見的歸一化植被指數(shù)，其計(jì)算公式為：

NDVI=（NIR-R）/（NIR+R） （1）

其中NIR為近紅外波段，R為紅波段[12]。

本研究以NDVI作為主要參數(shù)應(yīng)用于像元二分模型計(jì)算河南省植被覆蓋度，其基本原理是一個(gè)像元的NDVI值可以表達(dá)為由綠色植被部分所貢獻(xiàn)的信息與由無植被覆蓋（裸土）部分所貢獻(xiàn)的信息兩部分組成，像元二分模型植被覆蓋度（VFC）的計(jì)算公式為：

VFC=（NDVI-NDVImin）÷（NDVImax-NDVImin） （2）

NDVImax和NDVImin分別為區(qū)域內(nèi)最大和最小的NDVI值。由于不可避免存在噪聲，NDVImax和NDVImin一般取一定置信度范圍內(nèi)的最大值與最小值，也就是植被純像元和土壤純像元。由于植被分布、近鄰地物輻射等因素影響，置信度的取值主要根據(jù)研究區(qū)影像的實(shí)際情況來定，在沒有大量實(shí)測數(shù)據(jù)作為參考的情況下，通常采用累積百分?jǐn)?shù)5%和95%作為置信區(qū)間[13]。本研究中采用累積百分?jǐn)?shù)5%作為裸土的純像元，累積百分?jǐn)?shù)95%作為植被純像元，根據(jù)式（2）計(jì)算出1990年和2000年的植被覆蓋度圖像。

2.3 植被覆蓋度分級

在植被覆蓋度結(jié)果圖的基礎(chǔ)上，參考馬志勇等[14]對植被覆蓋度等級分類范圍的分類標(biāo)準(zhǔn)，將植被覆蓋度圖像分為5級（表1）。按照分級標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行密度分割，相同植被級別賦予同一顏色，利用專家系統(tǒng)決策樹方法生成植被覆蓋度分級圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度的時(shí)間變化

依據(jù)河南省1990、2000年的植被覆蓋度等級圖，可以計(jì)算1990-2000年不同植被覆蓋等級的面積及10年間變化。河南省10年間植被覆蓋面積有所增加，由1990年的157 483.95 km2增加到2000年的157 627.34 km2，10年間的植被覆蓋的增加面積為143.39 km2，其年增長率為14.3 km2/年。并統(tǒng)計(jì)各個(gè)植被覆蓋等級的面積及10年間面積變化情況見表2。

對表2進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，1990年低覆蓋度類型所占面積最大，為37 834.74 km2；其次是高覆蓋度類型，為37 433.29 km2；第三是中覆蓋度的類型，面積為33 314.44 km2；極低覆蓋度類型的最少，面積為23 367.66 km2。2000年時(shí)植被覆蓋度面積最大的是高覆蓋度類型，面積為39 018.47 km2；其次是中覆蓋度類型，面積為36 010.38 km2；排在第三位的是低覆蓋度類型，面積為32 571.27 km2；面積最少的是極低覆蓋度類型，面積僅為20 614.27 km2。從植被覆蓋分等級的變化角度上分析，10年間極低與低植被覆蓋度類型的面積減少，這和城市發(fā)展的擴(kuò)展和人類活動的影響密不可分，造成土地利用屬性的改變，使得極低與低覆蓋度的面積減少，其中低覆蓋度類型減少得最多，為5 263.47 km2。但是中、中高和高植被覆蓋度類型的面積都明顯增加，這說明河南省的植被覆蓋總體上是好轉(zhuǎn)的。特別是森林植被的覆蓋上，中、高植被覆蓋度的增加量明顯，其中中高覆蓋度類型增加的面積最多，為3 879.13 km2。

3.2 植被覆蓋度的空間變化

由圖1可以看出，河南省1990年植被覆蓋度大于40%的區(qū)域主要分布在中部的漯河、周口、許昌地區(qū)，南部的駐馬店、大別山信陽境內(nèi)及西部的伏牛山、熊耳山、崤山等地區(qū)；2000年植被覆蓋度大于40%的區(qū)域主要分布在北部濮陽、新鄉(xiāng)、鶴壁地區(qū)，東部的商丘、開封及周口部分區(qū)域，南部的大別山信陽境內(nèi)及西部的三門峽、洛陽、南陽部分地區(qū)。

為了分析植被覆蓋度的空間變化情況，在ENVI（完整的遙感圖像處理平臺）中，對研究區(qū)域內(nèi)兩期植被覆蓋圖像進(jìn)行變化檢測分析，以1990年的植被覆蓋度圖像作為變化前的圖像，2000年的植被覆蓋度圖像作為變化后的圖像，通過變化檢測，得到河南省1990-2000年植被覆蓋動態(tài)變化圖（圖2）。從圖2可以看出豫北濮陽、鶴壁，豫東商丘，豫南駐馬店等區(qū)域植被覆蓋度增長明顯，而豫西平頂山、三門峽及商丘南部植被覆蓋度減少明顯。

4 小結(jié)與討論

利用遙感影像和GIS相結(jié)合的手段，可以快速、準(zhǔn)確地反映研究區(qū)域內(nèi)地表植被覆蓋的動態(tài)變化。將提取的植被覆蓋度分級圖以及動態(tài)變化圖與研究河南省行政區(qū)劃圖以及河南省經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展變化的特征相結(jié)合，可以看出河南省在1990-2000年間植被覆蓋面積有所增加，植被覆蓋變化的主要地物類型包括林地、草地和人工園林等，在植被覆蓋減少區(qū)域主要是由于地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)用地的占用、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、水土流失、森林濫砍濫伐等因素。隨著城市化進(jìn)程的日益發(fā)展，土地利用類型發(fā)生了很大變化，最重要的原因是農(nóng)業(yè)用地向非農(nóng)業(yè)用地的轉(zhuǎn)變。同時(shí)，植被覆蓋度的空間分布特點(diǎn)也與經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著密切聯(lián)系，其分布特點(diǎn)受到經(jīng)濟(jì)建設(shè)與城市化發(fā)展的影響。河南省植被覆蓋度變化的空間特征明顯，即植被覆蓋增加的區(qū)域多是加大了生態(tài)環(huán)境的保護(hù)力度，并增加了植樹造林的面積，使區(qū)域保持生態(tài)平衡；而植被覆蓋減少的區(qū)域，一方面是由于城市化發(fā)展過程不可避免的對林地、草地等植被覆蓋區(qū)域的占用，以進(jìn)行城市建筑、道路、公共設(shè)施的建設(shè)，另一方面則是人們不重視保護(hù)環(huán)境，大量砍伐森林，加之對山區(qū)的開發(fā)，使具有高植被覆蓋度的林區(qū)減少，部分區(qū)域甚至消失。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王冬梅，孟興民，邢 釗，等.基于RS的武都區(qū)植被覆蓋度動態(tài)變化及其驅(qū)動力分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2012，26（11）：92-97.

[2] LEPRIEUR C， KERR Y H， MASTORCHIO S， et al. Monitoring vegetation cover across semi-arid regions comparison of remote observations from various scales[J]. International Journal of Remote Sensing， 2000， 21（2）：281-300.

[3] PUREVDORJ T， TATEISHI R， ISHIYAMA T. Relationships between percent vegetation cover and vegetation indices[J]. International Journal of Remote Sensing，1998，19（18）：3519-3535.

[4] 李苗苗，吳炳方，顏長珍，等.密云水庫上游植被覆蓋度的遙感估算[J].資源科學(xué)，2004，26（4）：157-164.

[5] 王曉江，胡爾查，李愛平，等.基于MODIS NDVI的內(nèi)蒙古大青山自然保護(hù)區(qū)植被覆蓋度的動態(tài)變化特征[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2014，28（8）：61-65.

[6] 李 峰.我國中部農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2013.

[7] 楊 強(qiáng).基于遙感的榆林地區(qū)生態(tài)脆弱性研究[D].南京：南京大學(xué)，2012.

[8] 田慶久，閔祥軍.植被指數(shù)研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展，1998，13（4）：327-333

[9] 鄧書斌，陳秋錦.植被光譜特征與植被指數(shù)綜述[A].杭州師范大學(xué)遙感與地球科學(xué)研究院.第十七屆中國遙感大會摘要集[C].杭州：杭州師范大學(xué)，2010.

[10] PARUELO J M， EPSTEIN H E， LAUENROTH W K， et al. A NPP estimates from NDVI for the central grassland region of the United States[J]. Ecology， 1997， 78（3）：953-958.

[11] 左麗君，張?jiān)鱿?，董婷婷，?MODIS/NDVI和MODIS/EVI在耕地信息提取中的應(yīng)用及對比分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（3）：167-172.

[12] LYON J G， YUAN D， LUNETTA R S， et al. A change detection experiment using vegetation indices[J]. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing， 1998， 64（2）：143-150.

[13] 劉 靜，銀 山，張國盛，等.毛烏素沙地17年間植被覆蓋度變化的遙感監(jiān)測[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2009，23（7）：162-167.

[14] 馬志勇，沈 濤，張軍海，等.基于植被覆蓋度的植被變化分析[J].測繪通報(bào)，2007（3）：45-48.