毛烏素沙地植被覆蓋度遙感動態(tài)監(jiān)測——以內(nèi)蒙古烏審旗為例

薛　倩,牟鳳云,涂植鳳

(重慶交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，重慶 400074)

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毛烏素沙地植被覆蓋度遙感動態(tài)監(jiān)測
——以內(nèi)蒙古烏審旗為例

薛倩,牟鳳云,涂植鳳

(重慶交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，重慶 400074)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加快，干旱區(qū)荒漠化等土地退化問題日益嚴(yán)重。本文以毛烏素沙漠腹地烏審旗為研究對象，基于2000年、2007年和2014年的Landsat遙感影像，采用植被指數(shù)和像元二分模型研究烏審旗的植被覆蓋度及動態(tài)變化，并對其變化的驅(qū)動力進行初步分析。結(jié)果表明，烏審旗地區(qū)在2000年植被覆蓋度極低，86.54%區(qū)域植被覆蓋度僅為20%以內(nèi)；2007年開始，該地區(qū)整體植被覆蓋度有所增加，18.82%區(qū)域植被覆蓋度達到20%～40%；2014年，植被覆蓋度有了顯著提高，72.37%區(qū)域已達到植被覆蓋度20%～40%；根據(jù)研究烏審旗植被覆蓋度明顯增加的主要影響因素是政策推動作用。

毛烏素；遙感影像；植被覆蓋度；像元二分模型；驅(qū)動力

荒漠化是當(dāng)前人類所面臨的主要生態(tài)挑戰(zhàn)。毛烏素沙地是中國沙漠化研究的熱點地區(qū)之一，已被列為嚴(yán)重沙漠化地區(qū)。隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，原本生長在毛烏素沙地上的各種植被遭到不同程度的破壞。植被覆蓋度在很多研究中用以評估一個地區(qū)生態(tài)環(huán)境變化。

本文利用多時相的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，基于植被指數(shù)和像元二分模型提取毛烏素沙地長時序的植被覆蓋度，進而研究植被覆蓋度的時空動態(tài)變化，并分析其變化驅(qū)動因子。

一、研究區(qū)概況及研究方法

(一)研究區(qū)概況

本文以烏審旗為研究區(qū)域。烏審旗隸屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，地理空間上在內(nèi)蒙古自治區(qū)最南端，地處毛烏素沙漠的腹地[1]。整個烏審旗東西相距104km，南北間相距194km，該地區(qū)經(jīng)緯度范圍為108°17′36″E -109°40′22″E，37°38′54″N-39°23′50″N，轄區(qū)總面積11645km2[2]。

(二)研究方法

1.遙感圖像選擇與預(yù)處理

本文選取烏審旗2000年、2007年和2014年三期Landsat影像，每一期影像包含條帶號分別為127～33，128～33和128～34三期影像，三年影像總共9景，獲取時間為每年的6～8月，因為此時植被覆蓋度最大，且獲取影像的研究區(qū)無云覆蓋。分辨率為30米，利用 ENVI軟件對三期影像分別進行影像預(yù)處理，包含輻射校正、幾何校正、鑲嵌、剪裁等基本影像處理工作。

2.植被指數(shù)選取

植被指數(shù)的研究通常是選用對綠色植物強吸收的可見光紅波段和對綠色植物高反射的近紅外波段來進行分析，通過紅和近紅外波段的比值或線性組合來實現(xiàn)對植被信息狀態(tài)的表達[3]。按照它的發(fā)展歷史，有學(xué)者將其分為三種[4]：第一種植被指數(shù)，是按照元數(shù)據(jù)的波段的線性組合，也可以是原始波段之間的商，比值植被指數(shù)RVI就屬于該類型。但這種植被指數(shù)缺點明顯，沒有考慮外界如大氣、土壤等因素對其結(jié)果的影響。第二種植被指數(shù)有NDVI、PVI等，這種植被指數(shù)克服了第一種植被指數(shù)的缺點，考慮了外界因素的影響，且在物理、數(shù)學(xué)和邏輯學(xué)基礎(chǔ)上不斷演化完善。相較于前兩種，第三種植被指數(shù)有特殊的用途，專門應(yīng)用于熱紅外遙感和高光譜遙感，如DVI。

因為外界環(huán)境的影響往往不可忽略，所以歸一化植被指數(shù)在應(yīng)用上更為廣泛。

歸一化植被指數(shù)(NDVI)是指利用近紅外波段與紅光波段之差與他們之和相比，也可由比值植被指數(shù)非線性歸一化處理得來[5]。公式為:

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(1)

其中，NIR為近紅外波段，R為紅波段。

3.像元分解模型

像元分解模型是假設(shè)圖像中每個像元是由多種遙感傳感器所觀測到的地物信息綜合組成，通過這些遙感信息，建立像元分解模型,植被覆蓋度便可由此計算[4]。目前主要應(yīng)用于植被覆蓋度研究的模型多種多樣，包括隨機幾何模型、模糊分析模型以及概率模型等[6]。

fc=( NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(2)

二、結(jié)果與分析

(一)歸一化植被指數(shù)計算及分析

利用公式(1)在ENVI中進行烏審旗2000年、2007年、2014年三年NDVI值的計算。計算結(jié)果顯示，NDVI的取值范圍在[-1,1]，當(dāng)NDVI=0時，表示該地區(qū)沒有植被覆蓋；而當(dāng)NDVI﹤0時，表示該地區(qū)地表為水或云區(qū)域；而NDVI>0時，表示該區(qū)域地表有植被存在，且地表植被覆蓋度和NDVI值呈現(xiàn)正相關(guān)。

表1　三年影像特殊NDVI值

根據(jù)表1，依據(jù)最大NDVI值，可以看出植被覆蓋度的最大值在減少，但是通過這三年的平均NDVI值反映，隨著時間的推移，烏審旗的植被覆蓋度一直在增加，2014年較2000年NDVI平均值增加了2倍多。從表1中可以看出2014年的NDVI值標(biāo)準(zhǔn)差只有2000年和2007年的一半，結(jié)合平均NDVI值，表明，2000—2014年期間，烏審旗的植被覆蓋度有所增加。

(二)像元二分模型計算植被覆蓋度

1.NDVIsoil與 NDVIveg參數(shù)的取值

根據(jù)像元二分模型計算植被覆蓋度，最關(guān)鍵的問題是處理NDVIsoil和NDVIveg選取問題。對大部分裸地表面，在理論上NDVIsoil應(yīng)近似于零，然而因為地表濕度、土壤類型、顏色及粗糙程度等多種因素影響，NDVIsoil取值一般在[-0.1,0.2][8]。NDVIveg的取值也會因情況不同而不同。NDVI值可直接利用軟件計算得到。

通過公式的轉(zhuǎn)換，將NDVIsoil與 NDVIveg的確定可以換成fcmax、fcmin、NDVImax和NDVImin參數(shù)的確定。公式中fcmax與fcmin為研究區(qū)域所有像元中植被覆蓋度的最大和最小值，環(huán)境不同其取值會有所不同。根據(jù)具體情況，fcmax與fcmin的不同取值可以分為：

(1)fcmax≈100%，fcmin≈0%時，NDVIsoil=NDVImin，NDVIveg=NDVImax。

(2)當(dāng)fcmax與fcmin不能近似取100%與 0%時，若此時有外業(yè)的實測值，則采用實測值。若沒有實測數(shù)據(jù)，則需要根據(jù)經(jīng)驗和查閱參考文獻，確定fcmax和fcmin，但對精度會產(chǎn)生影響。

2.具體NDVIsoil和NDVIveg的取值

因為本文實驗區(qū)選擇為烏審旗，地處毛烏素沙漠腹地，處于較為干旱地區(qū)，fcmax與fcmin不能近似得取100%與 0%，且無法實地考察烏審旗地區(qū)的植被覆蓋度，所以采取參考文獻與經(jīng)驗相結(jié)合的方法來確定參數(shù)。在ENVI軟件中利用密度分割和圖像顏色紋理等特征來確定參數(shù)取值(見表2)。

表2　三年NDVIsoil和NDVIveg取值

根據(jù)公式(2)進行植被覆蓋度計算。

(三)植被覆蓋度結(jié)果分析

將得到的植被覆蓋度分為5個級別：1級，稀少植被覆蓋度，為0%～20%；2級，較低植被覆蓋度，為20%～40%；3級，中等植被覆蓋度，為40%～60%；4級，較高植被覆蓋度，為 60%～80%；5級，高植被覆蓋度，為80%～100%。利用GIS軟件計算出各級植被覆蓋度面積及所占比例(見表3)。

表3　植被覆蓋度分級面積及比例

由表3可知，2000年烏審旗有86.54%的面積的植被覆蓋度在1級，即0%～20%，只有2.54%的面積達到了中等植被覆蓋度，即40%以上；2007年這種現(xiàn)象有所好轉(zhuǎn)，稀少植被覆蓋度的面積所占比例下降到77.4%，而中等及以上植被覆蓋度所占面積達到3.78%；2014年，1級植被覆蓋度面積明顯的減少，只占24.02%，而2級植被覆蓋度面積，即植被覆蓋度在20%～40%之間的面積達到72.37%，但是，中等植被覆蓋度面積并未有明顯提高，為3.62%。從整體上看，烏審旗植被覆蓋度在第二個階段有了明顯的提高，即 在2007—2014年期間，大部分區(qū)域植被覆蓋度從1級(稀少植被覆蓋度)提高到2級(較低植被覆蓋度)，說明在2007—2014年間，烏審旗在植被覆蓋方面做出了大量的努力，整體提高了全旗的植被種植率，特別是對于植被稀少的地方，加大了植被的種植量，但是中等以上植被覆蓋度的面積增幅還是較低。

根據(jù)植被覆蓋度等級劃分，利用Arcgis軟件做出2000年、2007年、2014年三期的植被覆蓋分級專題圖。

由圖得出，2000年烏審旗植被覆蓋度整體很低，以1級稀少植被覆蓋度(0%～20%)為主，只有少量區(qū)域植被覆蓋度在2級及以上(20%以上)。可見，烏審旗在2000年整體環(huán)境較為惡劣，植被覆蓋程度低，且高植被覆蓋區(qū)在空間上呈現(xiàn)分散性。在2007年，植被覆蓋度有了小幅度提高，2級較低植被覆蓋度(20%～40%)區(qū)域有了顯著增加，但整體上，增加區(qū)域還是較少。從空間上看，相比2000年，在烏審旗的東北部、東南方向植被覆蓋度在2007年都有顯著提高。在2014年，整體顏色加深，即表示整體植被覆蓋度顯著提高?？梢姡瑸鯇徠?014年主要植被覆蓋度等級為3級(中等植被覆蓋度)。從空間上看，在烏審旗大部分區(qū)域植被覆蓋度呈現(xiàn)較為均勻的狀態(tài)，但是西北部部分區(qū)域植被覆蓋度較低，同樣從側(cè)面反映出在2007—2014年間，烏審旗在植被覆蓋度保護和提升方面做出了很大的努力，且效果較為顯著。但從總體上看，烏審旗地區(qū)這三年基本都沒有較高及高植被覆蓋度區(qū)域，證明烏審旗地區(qū)的環(huán)境雖然在逐漸變好，但是離高度植被覆蓋還有一定的距離。

三、影響因素分析

(一)自然因素

烏審旗屬于典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候，該地區(qū)年平均溫度只有6.8℃，據(jù)統(tǒng)計全年日照時長2800～3000小時，年降水總量僅為350～400毫米，但年蒸發(fā)量卻高達2200～2800毫米。該地區(qū)風(fēng)沙大，風(fēng)力資源豐富，年平均風(fēng)速為3.4米/秒，無霜期達到113～156天[10]。根據(jù)烏審旗的年降水量與年蒸發(fā)量可以看出，其年蒸發(fā)量是年降水量的6～7倍之多，很明顯這種降水條件對于烏審旗的植被的生長存在很大的限制作用。且烏審旗的日照時間較長，全年可達2800～3000小時，同樣導(dǎo)致地處毛烏素沙漠腹地的烏審旗荒漠化治理的難度加大，荒漠化加劇，植被在此處生長，對于自身耐旱性要求較高，導(dǎo)致植被覆蓋度增長緩慢。

(二)社會經(jīng)濟因素

對于烏審旗來說，惡劣的自然環(huán)境是其植被覆蓋度變化的外部原因，而人為因素則是其內(nèi)因，也是對其變化造成影響的主要原因。

1.人口因素

人口對于一個地區(qū)的影響不容小覷。人口因子對植被覆蓋度變化的作用主要表現(xiàn)在由于人口的增加或減少對土地和自然資源需求的變化上。人口不斷增加，是當(dāng)前難以提高植被覆蓋度的主要癥結(jié)所在，人口壓力與自然條件的惡劣導(dǎo)致的人地矛盾尤為突出。

根據(jù)烏審旗歷年國民經(jīng)濟與社會發(fā)展統(tǒng)計公報，在2000年，總?cè)丝?6,873人；在2007年，總?cè)丝?03,066人，比2006年增長2,075人；在2014年，按戶籍人口劃分，年末總?cè)丝跒?10,523人，比上年增長817人。可見，烏審旗人口在不斷增長，這就意味著，人口的增長對于城鎮(zhèn)建設(shè)用地的需求量在不斷增長，導(dǎo)致人均所需的耕地面積不斷擴大，導(dǎo)致烏審旗的土地利用結(jié)構(gòu)逐年發(fā)生變化。

2.國民經(jīng)濟發(fā)展

經(jīng)濟因素是自然資源、政策和科技等因素綜合作用的結(jié)果，它通過供求關(guān)系形成目前土地利用格局[11]。

根據(jù)烏審旗各年國民經(jīng)濟與社會發(fā)展統(tǒng)計公報(http:∥www.wsq.gov.cn/)，統(tǒng)計烏審旗地區(qū)2003—2014年地區(qū)生產(chǎn)總值(見圖1)。

圖1　2003—2014年烏審旗地區(qū)生產(chǎn)總值

根據(jù)圖1，可以看出烏審旗地區(qū)在2007年后生產(chǎn)總值增長速度有所加快，這與該地區(qū)在2007年后重視生態(tài)保護，且全區(qū)經(jīng)濟不再單純依靠農(nóng)業(yè)而發(fā)展沙漠旅游相關(guān)。從整體來看，2003—2014年，烏審旗地區(qū)生產(chǎn)總值從13.64億元增長到403.52億元，發(fā)展態(tài)勢很好，說明其發(fā)展前景可觀。因此，生產(chǎn)總值與一個地區(qū)對于生態(tài)環(huán)境的態(tài)度是息息相關(guān)的，不能一味的向大自然索取資源，而要好好保護我們棲息的環(huán)境。

3.政策因素

1978年國家開展了三北防護林工程建設(shè)，該項目預(yù)計2050年完成。73年的建設(shè)期分為三個階段，共計八期工程，共534萬公頃造林綠化面積[12]。在保持該區(qū)域原有的綠化面積的基礎(chǔ)上，采取多種措施，使系統(tǒng)處于穩(wěn)定的大型防護林體系，森林覆蓋率在三北地區(qū)由5.05%增加到14.95%，降低荒漠化對土壤侵蝕帶來的危害，使生態(tài)環(huán)境與生活條件有所提高[13]。烏審旗根據(jù)自己的環(huán)境條件及經(jīng)濟狀況，具體問題具體分析，結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況實施“三北”五期工程，先后出臺了一系列提高其植被覆蓋度的政策措施，實施了多個工程。

2000—2007年間影響烏審旗最大的政策因素就是加快經(jīng)濟建設(shè)，導(dǎo)致大量的土地轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾统擎?zhèn)建設(shè)用地。因為科技文化限制，人們的經(jīng)濟來源主要依靠耕地，所以2007年之前，烏審旗生產(chǎn)總值較低，且增長緩慢；2007年之后，三北防護林工程的建設(shè)和當(dāng)?shù)卣畬τ谏鷳B(tài)環(huán)境的重視，一些環(huán)保企業(yè)進駐烏審旗地區(qū)，使得當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境開始有所改善，經(jīng)濟發(fā)展也不再單純依靠農(nóng)業(yè)，而是向第二和第三產(chǎn)業(yè)方向轉(zhuǎn)變。由此可見，政策對于烏審旗地區(qū)的植被覆蓋度的變化影響很大。

四、結(jié)語

本文以烏審旗地區(qū)為研究區(qū)域，基于2000年、2007年和2014年這三期的遙感數(shù)據(jù)，利用植被指數(shù)法和像元分解模型對研究區(qū)域這三年的植被覆蓋度變化進行研究，進而分析影響烏審旗植被覆蓋度變化的驅(qū)動因子。

(1)烏審旗植被覆蓋度的時空變化特征為：整體植被覆蓋度不高，基本沒有較高和高植被覆蓋度區(qū)域，中等植被覆蓋度區(qū)域也很少，說明烏審旗的生態(tài)條件相對較為惡劣；2007年以后，烏審旗植被覆蓋度有了顯著提升，至2014年，已有72.37%的研究區(qū)域植被覆蓋度達到20%～40%。

(2)從驅(qū)動因子分析，對烏審旗植被覆蓋度影響較大的是其政策因素。烏審旗地區(qū)在2007年后對生態(tài)環(huán)境的保護意識加強以及對經(jīng)濟發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致其生產(chǎn)總值快速增長，植被覆蓋度也隨之升高。自然因素對烏審旗植被覆蓋度變化的影響是內(nèi)因，社會環(huán)境因素是外因且為主要原因。

[1]王博,丁國棟.毛烏素沙地腹地植被恢復(fù)效果初步研究——以內(nèi)蒙古烏審旗為例[J].水土保持研究,2007,14(3):237-242.

[2]鐘霞,鐘懷軍.基于循環(huán)經(jīng)濟的農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)業(yè)化研究——以內(nèi)蒙古烏審旗為例[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版)，2009,11(4):75-77.

[3]蔡薇.基于NDVI時間序列的菏澤市東明縣植被動態(tài)變化研究[J].經(jīng)濟研究導(dǎo)刊,2009,56(18):136-137

[4]顧祝軍,曾志遠.遙感植被覆蓋度研究[J].水土保持研究,2005,12(2):18-21.

[5]袁士聰,安裕倫,劉海章，等.QuickBird(快鳥)高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)、GIS與RS技術(shù)在城市綠地系統(tǒng)調(diào)查與測試中的應(yīng)用——以六盤水市中心城為例[J].貴州師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008,26(1):30-33.

[6]吳云.基于RS和GIS的植被覆蓋度估算及動態(tài)變化分析[D].阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.

[7]劉乾,李霞,尹業(yè)彪.基于CEBERS數(shù)據(jù)的植被覆蓋度估算――以古爾邦通古特沙漠南緣為例[J].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報.2009,32(5):30-35.

[8]劉丹丹.科爾沁沙地植被因子遙感信息模型的研究[D].哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2005.

[9]曹冉.基于遙感方法的松花湖流域植被覆蓋度估算[D].長春:吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文,2010.

[10]王楚成.內(nèi)蒙古自治區(qū)烏審旗嘎魯圖鎮(zhèn)城市道路綠地景觀研究[D].包頭:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012.

[11]邵景安,李陽兵,魏朝富,等.區(qū)域土地利用變化驅(qū)動力研究前景展望[J].地球科學(xué)進展,2007,22(8):798-809.

[12]楊振威.筑綠色生態(tài)屏障保首都碧水藍天[J].中國林業(yè),2008,10(4):24-29.

[13]白?；?內(nèi)蒙古烏審旗近20年的植被景觀動態(tài)及預(yù)測[D].包頭:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012.

[責(zé)任編輯劉江南]

2016-03-16

重慶市前沿與應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃項目“基于氣候變化情景影響的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)風(fēng)險評估研究”(cstc2014jcyjA00043)；重慶市南岸區(qū)科技公關(guān)項目“基于遙感數(shù)據(jù)耦合DEA方法的長江經(jīng)濟帶縣域耕地利用效率研究”；重慶交通大學(xué)研究生教育創(chuàng)新項目“基于面向?qū)ο蟮亩喑叨壬絽^(qū)農(nóng)村土地覆蓋信息提取研究”(20160104)

薛倩(1993-)，女，新疆烏魯木齊人，碩士研究生，研究方向：國土資源與3S技術(shù)。

K909

A

1008-6390(2016)04-0169-05