基于遙感的北方生態(tài)脆弱區(qū)植被覆蓋時空演變研究

付琴

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基于遙感的北方生態(tài)脆弱區(qū)植被覆蓋時空演變研究

付琴

重慶市環(huán)境科學研究院，重慶 401147

利用1989年和2012年兩期Landsat TM/ETM獲取歸一化植被指數(shù)，在GIS空間分析支持下，對北方生態(tài)脆弱區(qū)榆林市植被覆蓋時空動態(tài)演變特征進行了綜合研究。結(jié)果表明：受氣候條件、地貌特征和人類活動影響，榆林市植被覆蓋狀況主要以低植被覆蓋為主，且空間分異明顯。1989-2012年間，榆林市植被覆蓋狀況有所轉(zhuǎn)好，NDVI指數(shù)在時段內(nèi)增加了0.4，轉(zhuǎn)好區(qū)域主要集中在西部和中部，說明近年開展的退耕還林（草）、植樹造林等生態(tài)工程對改善區(qū)域植被覆蓋起到了積極作用。

歸一化植被指數(shù)；時空演變；榆林市

引言

植被是陸地生物圈的主體，也是對氣候變化響應最直接、最重要的生態(tài)指示器[1-2]，它不僅在全球物質(zhì)循環(huán)與能量流動中起著重要作用，而且在調(diào)節(jié)全球碳平衡、減緩溫室效應以及維護全球氣候穩(wěn)定等方面具有不可替代的功能[3-4]。氣候變化、人類活動以及大氣中CO2的施肥效應均會對植被覆蓋變化產(chǎn)生重要影響[5-6]，目前已有許多學者在全球和區(qū)域尺度研究了植被對環(huán)境變化的響應特征[7-9]。隨著“3S”技術(shù)的發(fā)展，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)對自然植被覆蓋進行調(diào)查和評估已成為區(qū)域性或全球性生態(tài)信息獲取的有效手段[10]。20多年來，由NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)得到的NDVI（歸一化差值植被指數(shù)）被廣泛用于全球與區(qū)域尺度植被覆蓋研究，在過去很長一段時間內(nèi)成為最常用的植被活動遙感監(jiān)測指標[11-14]。Nicholsn等人于1989年對植被NDVI對降水量變化的時間響應，得出NDVI與降水量在季節(jié)性間和年際間尺度具有較好的相關(guān)性[15]；Kawabata等分析了1982～1990年間全球性的植被活動變化趨勢，發(fā)現(xiàn)全球尺度上北半球中高緯度地區(qū)植被覆蓋狀況與溫度變化具有較好的相關(guān)性[16]；張宏斌等人利用MODIS NDVI數(shù)據(jù)研究了內(nèi)蒙古7類主要植被類型在2000～2008年間的年度最大植被指數(shù)的變化趨勢[17]；李月臣等對中國北方13個省份在1982～1999年間氣候變化對植被覆蓋的影響在年和季節(jié)間做了綜合分析，表明溫度升高是植被活動增強的主要驅(qū)動因子[18]。

榆林市位于毛烏素沙漠向陜北黃土高原丘陵溝壑區(qū)的過渡地帶，是中國北方農(nóng)牧交錯帶上典型的生態(tài)脆弱區(qū)，是我國重要的防風固沙和土壤保持功能區(qū)。榆林市是一個比較特殊的陸地生態(tài)系統(tǒng)，氣候類型由干旱逐漸演變?yōu)榘敫珊?，大部分地區(qū)降雨量在300～400mm之間[19]。受氣候條件影響，地貌特征呈風沙草灘向黃土溝壑過渡，原生自然植被為溫帶干草原為主，逐步過渡到森林草原。受松散地表物質(zhì)基礎(chǔ)、脆弱土體構(gòu)型（主要是黃土）、降雨時空分布不均、干旱多風和侵蝕強烈等自然因素影響，生態(tài)系統(tǒng)脆弱性表現(xiàn)極為典型。植被覆蓋變化是生態(tài)環(huán)境的直接結(jié)果，在很大程度上代表了區(qū)域生態(tài)環(huán)境的總體狀況，植被覆蓋時空演變研究有利于揭示陸地生態(tài)系統(tǒng)對于氣候變化的響應，為加強區(qū)域生態(tài)建設(shè)提供了有用的空間信息和理論支持[36]。

1 研究區(qū)概況

榆林市位于陜西省最北部，地處毛烏素沙漠南緣，黃河中游和黃土高原北麓，為北方典型的農(nóng)牧交錯區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū)，也是黃土高原和內(nèi)蒙古高原的過渡地帶。全市轄1區(qū)11個縣，幅員面積42713.94km2，地理坐標介于北緯36°57’～39°35’，東經(jīng)107°28’～111°15’之間。以古長城為界，以北是風沙草灘區(qū)，地勢較緩；以南是黃土丘陵溝壑區(qū)，地形起伏較大。區(qū)內(nèi)地勢由西部向東南傾斜，西南部平均海拔1600～1800m，其他各地平均海拔800～1200m。氣候上，屬典型大陸性季風氣候，具有低溫、寒冷、降水稀少的氣候特點，年平均降水量約400mm，多集中于6～9月份，年平均氣溫約10℃。榆林市境內(nèi)有53條河匯入黃河，其中八里河是陜西省最大的內(nèi)陸河，紅堿淖是區(qū)內(nèi)最大的內(nèi)陸湖泊，總面積54km2，總儲水量10億平方米。榆林市居于晉陜寧蒙能源礦產(chǎn)金三角中心腹地，是中國煤氣油鹽富集地區(qū)，近年來作為國家一個重要的能源與礦產(chǎn)基地，在全國能源工業(yè)發(fā)展和能源基地建設(shè)布局中具有特殊重要的戰(zhàn)略地位。由于強烈的土地利用與干旱、風沙、嚴重的水土流失等脆弱生態(tài)環(huán)境并存，使得榆林生態(tài)環(huán)境更加多樣、復雜和脆弱。

2 研究方法與數(shù)據(jù)

2.1 數(shù)據(jù)來源

榆林市植被覆蓋變化主要利用1989年和2012年的Landsat TM/ETM遙感數(shù)據(jù)計算歸一化植被指數(shù)（Normalized different vegetation，NDVI），在GIS空間分析技術(shù)的支持下進行植被覆蓋的動態(tài)演變特征。其中Landsat TM/ETM衛(wèi)星影像主要為1989年8月和2012年8月的Landsat5 和Lansat 7衛(wèi)星，空間分辨率為30m，榆林市所處軌道號為P126R34、P127R33、P127R34和P128R34四景圖像。衛(wèi)星影像來源為美國地質(zhì)勘探局（United States Geological Survey，簡稱USGS，http：//earthexplorer.usgs.gov/）和國際科學數(shù)據(jù)服務(wù)平臺（International Scientific Data Service Platform，http：//datamirror.csdb.cn/）。

在ERDAS9.2支持下，以榆林市30m GEDM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用二次多項式對遙感影像進行幾何精校正。同時，為了保證研究區(qū)幾何校正的精度，選取控制點多集中在地形條件較好的地區(qū)，并使控制點分布盡可能均勻，在整體RMS<0.5的前提下，研究區(qū)的幾何畸變得到了有效控制。幾何校正完成后，分別對四景圖像第3波段和第4波段的分別拼接裁剪，得到研究范圍的第3波段和第4波段兩幅圖像。

2.2 植被指數(shù)獲取

植被指數(shù)是衛(wèi)星遙感中通過紅外與近紅外波段的組合實現(xiàn)對植被信息狀態(tài)的表達[20]。不同光譜波段反射率的比值是區(qū)分地表特征的一個較好指標，植被可吸收大部分紅光或藍光進行光合作用，而反射較多的近紅外波段的能量，因此，對植被來說，近紅外波段與紅波段的比值比裸地要大得多。在研究植被時，常采用各種植被指數(shù)，最常用的植被指數(shù)是歸一化植被指數(shù)，即：

NDVI=（CHIR-CHR）/（CHIR+CHR） （1）

式中，CHIR為近紅外波段，對應LandsatTM/ETM影像第4波段，CHR為紅光波段，對應landsat TM/ETM影像第3波段（圖2）。

NDVI指數(shù)值范圍為-1～1之間。通常情況下，NDVI<0為無植被覆蓋區(qū)，NDVI>0地方有植被覆蓋。

a）

b）

c）

d）

注：a）1989年band3；b）1989年band4；c）2012年band3；d）2012年band4

圖2 榆林市Landsat衛(wèi)星圖像

2.3 分級標準

根據(jù)前人研究成果[21]以及NDVI指數(shù)本身特征，將研究區(qū)NDVI值分為四級（表1），分別為無植被覆蓋區(qū)（NDVI≤0）、低植被覆蓋區(qū)（0

表1 榆林市植被覆蓋程度分級標準

3 結(jié)果與分析

由表2、表3和圖3可知，1989年，榆林市平均NDVI指數(shù)為0.13。全市主要以低植被覆蓋為主，面積為25490.56km2，占全市總面積的59.68%；其次是中度植被覆蓋區(qū)，面積為7438.35km2，占全市總面積的17.41%；高植被覆蓋區(qū)面積僅占全市總面積8.30%。各區(qū)縣中，植被NDVI指數(shù)較高的是府谷、吳堡、清澗和綏德，NDVI平均值分別為0.23、0.23、0.22和0.25；四個區(qū)縣高植被覆蓋區(qū)的面積比分別達到了21.03%，22.68%，22.93%和30.29%。2012年，榆林市平均NDVI指數(shù)為0.17，較1989年上升了0.04。全市仍以低植被覆蓋區(qū)為主，面積28513.04km2，占全市總面積的66.75%；中度植被覆蓋區(qū)和高度植被覆蓋區(qū)的面積分別為9034.62 km2和4853.78 km2。各區(qū)縣中，植被NDVI指數(shù)較高的是清澗、綏德、子洲和米脂，平均NDVI指數(shù)分別為0.21、0.23、0.23和0.26。

1989～2012年間，榆林市植被覆蓋總體呈增加趨勢，首先，平均NDVI指數(shù)增加了0.4；其次，高度植被覆蓋區(qū)和中度植被覆蓋區(qū)面積比例分別增加了3.06%和3.07%，雖然低植被覆蓋區(qū)面積比也增加了7.07%，但是無植被覆蓋區(qū)的面積比例大大減少了13.88%。各區(qū)縣中，植被NDVI指數(shù)發(fā)生明顯增加的是定邊、子洲、米脂、橫山和靖邊，時段內(nèi)平均NDVI指數(shù)分別增加了0.15、0.07、0.09、0.07和0.10，其中米脂、子洲和靖邊高度植被覆蓋區(qū)面積比增幅分別達到了17.84%、11.01%和9.92%。

榆林市植被覆蓋較高（NDVI>0.2）的區(qū)域主要分布在西部定邊、靖邊縣境內(nèi)（主要集中在白玉山），東南大部以及東北部零星地區(qū)。1989～2012年間，植被覆蓋發(fā)生顯著變化的地區(qū)為榆林市西部和中部地區(qū)，其中西部定邊和靖邊境內(nèi)為顯著增加，北部風沙草灘區(qū)植被覆蓋也略有增加；而東北部神木和府谷境內(nèi)東部黃河沿岸植被覆蓋顯著減少，東南部地區(qū)也有零星減少（圖4、5、6）。

表2 榆林市1989年植被覆蓋分級特征，單位：km2

表3 榆林市2012年植被覆蓋分級特征，單位：km2

圖3 榆林市植被覆蓋指數(shù)變化

圖4 榆林市1989年

圖5 榆林市2012年植被NDVI分布

圖6 榆林市1989-2012年NDVI空間變化分布

4 結(jié)論與討論

受氣候條件、地貌特征和人類活動影響，榆林市植被覆蓋狀況主要以低植被覆蓋為主，且空間差異較大，植被覆蓋較好的區(qū)域主要分布在西部和東南部，而北部風沙草灘區(qū)植被覆蓋總體較低。1989～2012年間，榆林市植被覆蓋狀況有所轉(zhuǎn)好，NDVI指數(shù)在時段內(nèi)增加了0.4，植被覆蓋轉(zhuǎn)好主要集中在西部和中部，說明近年來開展的退耕還林（草）、植樹造林等生態(tài)功能有效的提高了該地區(qū)植被覆蓋率；而東北部黃河沿岸和東南部局部地區(qū)植被覆蓋有下降趨勢，這些區(qū)域均是水土流失嚴重區(qū)，應加強水土流失治理以及植被恢復。

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X171；P237

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1009-6434（2016）04-0084-05