近20年瑪納斯河流域南山山區(qū)植被覆蓋的遙感動態(tài)變化監(jiān)測

賈青芝 郭鵬 馬秀秀 孫曉清 劉雅清

摘要：利用1990、2000和2005年的TM影像和2012年的ETM+影像提取了瑪納斯河流域南山山區(qū)植被的覆蓋區(qū)域，并對植被的退化情況進(jìn)行了分析和探討。結(jié)果表明，從1990 — 2012年植被覆蓋度指數(shù)絕對值來看，研究區(qū)植被穩(wěn)定性有降低的趨勢；1990 — 2000年中度以上退化區(qū)域在總面積中所占比例為16.41%，2000 — 2005年為13.38%，2005 — 2012年為28.06%，表明近10年研究區(qū)植被的分布面積在逐年減??；研究區(qū)植被與非植被類型互有轉(zhuǎn)化，差異最大的時間段為2005 — 2012年，植被轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)入間的差額為638.25 km2；研究區(qū)植被年平均面積變化速率逐漸減小，空間變化度先減小后增大，整體規(guī)模趨于減小。

關(guān)鍵詞：植被；覆蓋度；退化；動態(tài)變化；遙感；瑪納斯河流域南山山區(qū)

中圖分類號：Q948.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）05-1121-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.05.009

Dynamic Monitoring of Vegetation Change in South Mountain of Manas River Basin in Recent 20 Years Relying on Remote Sensing

JIA Qing-zhi， GUO Peng， MA Xiu-xiu， SUN Xiao-qing， LIU Ya-qing

（College of Science， Shihezi University， Shihezi 832003， Xinjiang， China）

Abstract： The coverage area of vegetation was extracted with TM images in 1990， 2000， 2005 and ETM+ images in 2012， and the process of degradation in this region was analyzed and discussed. The results showed that the vegetation stability in this area had decreased in 1990 to 2012 according to the absolute value of the coverage index. The area of moderate and severe degradation of the region accounted for 16.41% of the total area in 1990 to 2000， and was 13.38% and 28.06% for the period of 2000 to 2005 and 2005 to 2012 respectively， which indicated that the distribution area of vegetation was reducing year by year in recent 10 years. The type of vegetation and non-vegetation in the study area transformed with each other， the largest gap happened in 2005 to 2012， and was 638.25 km2. Average annual change rate of vegetation area decreased gradually， and spatial variation decreased first and then increased， in the whole， the region of vegetation tended to reduce in general.

Key words：vegetation；coverage degree；degradation；dynamical change；remote sensing；South Mountain of Manas River Basin

瑪納斯河流域位于天山北坡，是新疆重要的綠洲，其南部山區(qū)則是該流域植被種類以及碳儲量最大的區(qū)域。但是由于該地區(qū)生態(tài)環(huán)境相對比較脆弱，以及人類對植被生態(tài)系統(tǒng)不合理的利用或破壞，使得流域植被呈現(xiàn)一種逐步退化的現(xiàn)象[1]。楊萍等[2]利用多年歸一化植被指數(shù)（Normalized difference vegetation index，NDVI）數(shù)據(jù)研究了瑪納斯縣植被覆蓋的變化，通過分析長時間序列的NDVI來反映區(qū)域植被覆蓋的時空動態(tài)變化特征。劉艷等[3]對瑪納斯河流域荒漠化進(jìn)行長期監(jiān)測，結(jié)果表明植被覆蓋具有顯著的空間差異性，與地形因素、水分、熱量、地貌形態(tài)和土壤理化性質(zhì)等氣候環(huán)境因子存在聯(lián)系。同時，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，瑪納斯河流域森林資源正在逐步縮小，遭到日益嚴(yán)重的人為砍伐破壞[4]。因此監(jiān)測流域植被的時空分布及變化特征對流域的可持續(xù)發(fā)展將起到至關(guān)重要的作用，但目前通過遙感影像監(jiān)測該流域山區(qū)植被動態(tài)變化情況的相關(guān)研究較少。本試驗(yàn)從研究區(qū)植被的空間分布特征等問題出發(fā)，利用植被退化指標(biāo)和分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行植被退化監(jiān)測，并分析植被退化時空變化特征和發(fā)展趨勢，以期為瑪納斯河流域植被退化的綜合治理和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

瑪納斯河流域位于新疆天山北麓中段、準(zhǔn)噶爾盆地南緣，是典型的干旱區(qū)人工綠洲，也是北疆規(guī)模最大的人工綠洲，主要包括石河子市、沙灣縣和瑪納斯縣，分布位置為43°27′ — 45°21′N和85°01′ — 86°32′E。該流域地勢由東南向西北傾斜，最高海拔5 242.15 m，最低256 m，晝夜溫差大，夏季炎熱干燥，冬季寒冷多風(fēng)，年均氣溫6.8 ℃，年降水量為100～200 mm，蒸發(fā)量大，地形由南向北依次分布有山地、山前平原和沙漠三大地貌類型區(qū)[5]，見圖1。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

選用1990、2000、2005年8月的 Landsat TM 影像和2012年8月20日的Landsat ETM+影像。該數(shù)據(jù)來自 GLCF（Global land coverfacility）和 USGS（US geological survey）數(shù)據(jù)共享平臺[5]。選取的遙感影像均無云影干擾，影像分辨率為30 m，影像大小為185 km×185 km。在ENVI4.8中對影像進(jìn)行幾何校正、輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理并鑲嵌后在ArcGIS10.0軟件中由瑪納斯河流域的邊界圖進(jìn)行裁切后得到，并經(jīng)假彩色合成后（R：band 6；G：band 4；B：band 3），經(jīng)直方圖拉伸顯示后得到了研究區(qū)遙感影像圖[6-8]（圖1）。

1.3 研究方法

1.3.1 NDVI NDVI是指近紅外波段與紅光波段地表反射率數(shù)值之差和這兩個波段數(shù)值之和的比值，計(jì)算方法見式（1）。

NDVI=■ （1）

式中，？籽red為紅光波段反射率（對應(yīng)于TM影像的第三波段），？籽nir為近紅外波段反射率（對應(yīng)于TM影像的第四波段）。

1.3.2 植被覆蓋度 相關(guān)研究表明，植被覆蓋度與歸一化植被指數(shù)NDVI呈極顯著的相關(guān)關(guān)系[9]。基于在遙感監(jiān)測植被覆蓋度中NDVI“混合像元”的特點(diǎn)，采用了NDVI的亞像元模型[10]計(jì)算植被覆蓋度，見式（2）。

VC=■×100% （2）

式中，VC為植被覆蓋度，NDVImin為裸土區(qū)域的NDVI最小值，NDVImax為研究區(qū)域的NDVI最大值。通過實(shí)地采樣與目視解譯經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法，最終確定了4個年度植被覆蓋度指數(shù)中的NDVImax和NDVImin，具體見表1。

在提取VC指數(shù)前，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)先將NDVI小于0的區(qū)域作為非植被區(qū)進(jìn)行掩膜剔除，減少非植被因素的干擾，并使用不同年份的植被覆蓋度分級影像相減得到植被覆蓋分級的變化圖。參考國家標(biāo)準(zhǔn)（GB 19377）中關(guān)于植被退化程度的分級標(biāo)準(zhǔn)，以植被覆蓋度減少的比例對退化的等級進(jìn)行劃分，分為未退化、輕微退化、中度退化和重度退化[9]，具體的評價標(biāo)準(zhǔn)和劃分等級參數(shù)見表2，最終得到瑪納斯河流域植被退化的分級變化圖。

1.3.3 變異系數(shù) 變異系數(shù)是反映觀測值變異程度的一個統(tǒng)計(jì)量，即標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值[11]。利用變異系數(shù)能夠消除單位與平均值的不同所造成兩個或多個變量變異程度比較的影響。

CV=■ （3）

式中，CV為變異系數(shù)；SDVC為各年度VC指數(shù)影像的標(biāo)準(zhǔn)差；■VC為各年度VC指數(shù)影像的平均值。

1.3.4 植被變化趨勢 利用動態(tài)變化指數(shù)來研究1990—2012年植被的變化劇烈程度及趨勢。定義ΔUout為研究時間段T內(nèi)植被轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌妙愋偷拿娣e之和，ΔUin為同一時段內(nèi)其他土地類型轉(zhuǎn)換為植被的面積之和，Ua為植被在研究初期的面積；定義Rs為面積變化速率，Rss為空間動態(tài)變化度，Ps為變化趨勢度[12]。

Rs=■×■×100% （4）

式中，Rs越大，表明面積變化速率越大，反之則越小。

Rss=■×■×100% （5）

式中，Rss越大，表明空間動態(tài)變化度越大，反之則越小。

Ps=■ -1≤Ps≤1 （6）

當(dāng)0

2 結(jié)果與分析

2.1 植被覆蓋度指數(shù)變化特征分析

研究區(qū)近20年植被覆蓋度年際變異程度在不同的年度區(qū)間里有所差異，其中2000年表現(xiàn)最為穩(wěn)定，植被覆蓋變化不明顯，CV為1.323 2，變異程度最小。近20年植被覆蓋度的平均CV為2.781 3，年度間差異較明顯，1990年CV為2.560 9，2005年CV為2.713 8，整體上CV有先減小后增加的趨勢（圖2）。用后一年份CV減去前一年份CV，得到各年度的CV之差（表3）。從表3可以看出，1990—2000年CV差值的絕對值為1.237 7，2000—2005年為1.390 6，2005—2012年增加至1.813 6，呈現(xiàn)出逐級遞增的趨勢，說明近20年植被覆蓋的穩(wěn)定性在降低[11]。

2.2 瑪納斯河流域植被退化的時空特征分析

通過對4期影像的對比分析以及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，1990—2012年研究區(qū)植被一直處在退化的狀態(tài)，只是不同時期由于氣候、水熱條件的差異，其退化的強(qiáng)度有所不同（表4）。其中單從中度以上退化程度在總面積的比例上來看，1990—2000年中度退化與重度退化在總面積中所占比例為16.41%，2000—2005年為13.38%，2005—2012年為28.06%。2000—2005年研究區(qū)植被退化現(xiàn)象最輕，1990—2000年表現(xiàn)次之，2005年以后中度退化的比例迅速增加，從6.82%增加至20.60%，重度退化面積增加了73.93 km2，可見在近10年里研究區(qū)植被的退化程度處于增加的趨勢。

雖然2005-2012年總的退化面積和比例較之前有所減小，但從每年的退化速率上來看，近20年中度退化和重度退化的面積持續(xù)在增加，也就是說研究區(qū)植被的分布面積在逐年減小，具體數(shù)據(jù)見表5。

從1990年與2012年的數(shù)據(jù)對比來看，中度退化的區(qū)域主要分布在研究區(qū)的西南面和東南面，這部分區(qū)域主要處在山區(qū)高海拔地區(qū)，分布有較多的冰川，氣溫相對較低，由于季節(jié)的變化和氣溫的差異導(dǎo)致該區(qū)域部分植被呈現(xiàn)退化的趨勢（圖3）。

2.3 植被與非植被類型間相互轉(zhuǎn)換的時空特征

通過對比分析研究區(qū)1990—2012年植被與非植被的轉(zhuǎn)移矩陣（表6）可以看出，20年間研究區(qū)植被與其他各類土地類型均有轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出，且具有一定規(guī)模，1990—2000年植被轉(zhuǎn)出與轉(zhuǎn)入面積相差相對較小，僅為42.56 km2；在2000—2005年表現(xiàn)出了較大的差異特征，轉(zhuǎn)出面積為645.28 km2，轉(zhuǎn)入面積只有143.37 km2，二者相差了501.91 km2，表明在這個時期植被退化程度在增加；而到了2005年后，植被轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)入間的差距達(dá)到了638.25 km2，比上一個5年相差的面積還要多136.34 km2?？梢钥闯鼋?0年研究區(qū)植被類型相互轉(zhuǎn)移互有發(fā)生，但主要還是以植被轉(zhuǎn)出為主。

2.4 植被退化趨勢分析

根據(jù)公式（6）計(jì)算得到了研究區(qū)植被覆蓋類型的變化劇烈程度及趨勢指數(shù)（表7）。從表7可以看出，研究區(qū)植被覆蓋類型的變化狀態(tài)及趨勢的相關(guān)指數(shù)絕對值均呈先增加后減小的趨勢。其中，Rs從0.18%下降到-2.04%，說明植被覆蓋的年平均面積變化速率逐漸減小，而Rss從4.10%下降到1.70%后又在2005—2012年有輕微反彈，增加至2.26%，表明植被的空間變化度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。Ps則圍繞在0左右浮動，且其值先增加后減小，表明研究區(qū)植被規(guī)模先增加后減小，與其他土地覆蓋類型相互轉(zhuǎn)換頻繁?？傮w而言，植被覆蓋規(guī)模趨于減小的態(tài)勢。

3 結(jié)論

瑪納斯河流域南山山區(qū)的植被空間分布呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的態(tài)勢，面積在逐年縮小，但不同的退化程度間的差異也比較大，未退化和輕度退化的區(qū)域仍然占主導(dǎo)地位且分布較廣。中度退化和重度退化的區(qū)域近10年來增加較快，雖然從面積和百分比上來看并未在區(qū)域內(nèi)形成主導(dǎo)，但問題依然不容忽視。

通過對研究區(qū)植被覆蓋類型變化情況的研究發(fā)現(xiàn)，1990—2012年草地覆蓋與其他土地覆蓋類型轉(zhuǎn)換頻繁，植被分布屬于不穩(wěn)定狀態(tài)，且年平均面積變化速度逐漸減小，空間變化度先減小后增大，整體規(guī)模趨于減小，這些都說明隨著時間的推移，研究區(qū)植被的退化程度在增加。

研究過程由于退化程度和面積分級并未將植被的轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出因素考慮進(jìn)去，因此在統(tǒng)計(jì)的過程中，僅對植被轉(zhuǎn)出部分進(jìn)行了退化程度的統(tǒng)計(jì)分級，就相差面積方面進(jìn)行了探討，其不足之處將在今后的研究中進(jìn)一步補(bǔ)充完善。

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