基于RS的長株潭綠心區(qū)植被覆蓋動態(tài)變化研究

楊 英， 喻喜良， 文 敏, 任煜堃

(1.桃源縣林業(yè)局， 湖南 桃源 415700； 2.長沙市森林公安局， 湖南 長沙 410205；3.中南林業(yè)科技大學林學院 ， 湖南 長沙 410004)

基于RS的長株潭綠心區(qū)植被覆蓋動態(tài)變化研究

楊 英1， 喻喜良2， 文 敏3, 任煜堃3

(1.桃源縣林業(yè)局， 湖南 桃源 415700； 2.長沙市森林公安局， 湖南 長沙 410205；3.中南林業(yè)科技大學林學院 ， 湖南 長沙 410004)

以2000年、2005年、2011年3個時期的landsat5TM遙感影像為數據源，利用像元二分法模型反演三個時期的植被覆蓋度，并研究3期植被覆蓋度變化特征、植被覆蓋度轉移矩陣。結果表明:研究區(qū)植被覆蓋狀況良好，3期Ⅳ級和Ⅴ級植被覆蓋度(fc>0.5)區(qū)域的面積和占總面積百分比均為79%以上。2000—2011年，研究區(qū)植被覆蓋度總體呈下降趨勢，2000年平均植被覆蓋度為0.78，2005年平均植被覆蓋度為0.72，2011年平均植被覆蓋度為0.70。

RS； 像元二分法模型； 植被覆蓋度

土壤侵蝕是當今世界關注的重大環(huán)境問題，而植被覆蓋度的大小直接影響到水土流失程度，同時植被覆蓋度具有地域差異性，因此準確估算植被覆蓋度對土壤侵蝕程度評價具有重要意義[1-3]。植被覆蓋度的定義為植被在地面的垂直投影面積占一定統計面積的百分比[4-5]。目前，國內外估算植被覆蓋度的方法,主要是基于遙感源數據,運用基于歸一化植被指數(NDVI)的像元二分模型來估算,該方法不需要大量地面實測數據,模型簡單、可操作性強，應用廣泛[6-10]。近年來，已有較多的國內外學者對植被覆蓋的時間變化規(guī)律、空間分布特征進行了一些研究。本文以長株潭城市群生態(tài)綠心地區(qū)為例，基于2000年、2005年、2011年3個時期的landsat5TM遙感影像，運用像元二分模型，定量計算綠心地區(qū)植被覆蓋度的變化情況，以期為長株潭城市群生態(tài)綠心地區(qū)水土流失監(jiān)測提供參考。

1 研究區(qū)概況

長株潭城市群生態(tài)綠心地區(qū)位于湘中東北部，北至長沙繞城線及瀏陽河，西至長潭高速西線，東至瀏陽柏加鎮(zhèn)，南至湘潭縣梅林橋鎮(zhèn)。地理坐標為東經111°58′—113°05′，北緯27°21′—28°06′，地貌以低山丘陵為主。區(qū)域水資源豐富，共有大小河川36條，總長603 km。屬亞熱帶季風性濕潤氣候，酷暑期長，嚴冬期短，平均氣溫為16～17.3°，平均降水量1389.8 mm。植被種類繁多，資源豐富，土壤類型以紅壤為主。

2 數據來源與研究方法

2.1數據來源

本文以Landset5TM遙感影像作為數據源，圖像獲取時間分別為 2000 年9 月、2005年5月和2011年7月，軌道號為 123/041，空間分辨率為30 m。首先使用ENVI5.1對3幅圖像作輻射定標和大氣校正，并以綠心地區(qū)矢量邊界對遙感圖進行裁剪，提取綠心地區(qū)遙感圖像。

2.2研究方法

2.2.1 歸一化植被指數(NDVI)的提取 植被指數能反映植物生長狀況，與植被覆蓋度有較好的關系，這成為運用植被指數估算植被覆蓋度的理論基礎。在遙感影像上植被指數可通過不同波段的線性組合和非線性組合計算得到，而歸一化植被指數(NDVI)作為較早研究的植被指數之一，已有專家學者表明歸一化植被指數與植被覆蓋度的有較大的關聯，是指示植被生長狀況和植被覆蓋度的最佳因子。歸一化植被指數(NDVI)的數學表達式為近紅外波段反射率值與紅光反射率值之差除以兩者之和[11-12]。見表達式(1):

(1)

式中: NDVI——歸一化植被指數；

NIR——近紅外波段反射率值；

R——紅光波段反射率值。

NDVI取值范圍為-1～1，對于有植被覆蓋的區(qū)域，NDVI為正值，且NDVI值越大，表明植被覆蓋狀況越好[13]。

2.2.2 基于像元二分模型的植被覆蓋度計算 由于遙感影像的空間分辨率和實際地物比較復雜等問題，通常遙感影像上一個像元是混合像元。像元二分模型基于此問題假設一個像元是由植被和土壤(非植被覆蓋部分)組成的混合像元，其像元信息S為植被部分的信息SV和土壤部分的信息SS的加和。見表達式(2)：

S=SV+SS

(2)

對于某一混合像元，植被覆蓋面積占該像元面積的比例為植被覆蓋度fc，則土壤部分面積所占比例為1-fc。設純凈植被像元遙感信息為Sveg，純凈土壤像元信息為Ssoil，則混合像元的植被部分信息SV的表達式為：

SV=Sveg·fc

(3)

土壤部分信息Ss的表達式為：

Ss=Ssoil·(1-fc)

(4)

將表達式(2)、(3)、(4)聯立，可得表達式(5)：

(5)

基于表達式(1)和(5)，可構建基于像元二分模型和歸一化植被指數NDVI的植被覆蓋度計算模型，見表達式(6)：

(6)

式中: NDVIveg——純凈植被像元的 NDVI 值；

NDVIsoil——純凈土壤像元的 NDVI 值。

本模型的關鍵在于NDVIveg和NDVIsoil值確定，NDVIsoil值理論上應接近于0，由于受土壤類型等影響，其值會產生一定的變化，但對于特定的土壤類型NDVIsoil值是確定的。而NDVIveg由于受植被生長季節(jié)與類型的影響，在不同的時間和空間上不同。因此，該模型在不同年份對NDVIveg和NDVIsoil的取值不同[14]。本文采用國內的一般方法置信度與置信區(qū)間處理，即選取每年累計頻率為5%的NDVI值作為NDVIsoil，選取累計頻率為95%的NDVI值作為NDVIveg。李娟等[15]研究表明該方法可提高植被覆蓋度測算的準確度和精度。

2.3研究區(qū)植被覆蓋度等級劃分

為更方便研究長株潭綠心地區(qū)植被覆蓋動態(tài)變化，依據《土壤侵蝕分類分級標準》，將研究區(qū)植被覆蓋度分為五級：Ⅰ級植被覆蓋度(fc<0.15)、Ⅱ級植被覆蓋度(0.15≤fc<0.3)、Ⅲ級植被覆蓋度(0.3≤fc<0.5)、Ⅳ級植被覆蓋度(0.5≤fc<0.7)和Ⅴ級植被覆蓋度(fc≥0.7)。

3 結果與分析

3.1研究區(qū)植被覆蓋度總體特征

基于像元二分模型和NDVI，本文計算出3個時期的植被覆蓋度，2000年平均植被覆蓋度為0.78，2005年平均植被覆蓋度為0.72，2011年平均植被覆蓋度為0.70，3個時期的植被覆蓋度較高的Ⅳ級和Ⅴ級區(qū)域(fc>0.5)的面積占總面積百分比均為79%以上，表明長株潭綠心區(qū)具有較好的植被覆蓋狀況。其中2000年植被覆蓋度為0.5以上的面積為46890.81 hm2，占總面積的百分比為88.87%；2005年植被覆蓋度為0.5以上的面積為43815.24 hm2，占總面積的百分比為83.04%；2011年植被覆蓋度為0.5以上的面積為42014.88 hm2，占總面積的百分比為79.63%。

3.2研究區(qū)植被覆蓋度變化特征

2000—2011年，研究區(qū)植被覆蓋度總體呈下降趨勢，總體上看，只有V級覆蓋度面積在減少，其他等級覆蓋度面積均增加。Ⅴ級覆蓋度面積減少了9435.42 hm2，降幅為22.85%。Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級覆蓋度面積分別增加了911.43 hm2、1142.64 hm2、2821.86 hm2、4559.49 hm2，增幅分別為28.43%、141.82%、151.5%、81.44%。

其中2000—2005年，Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級覆蓋度面積分別增加了121.23 hm2、415.44 hm2、2538.90 hm2、5947.56 hm2，增幅分別為3.78%、51.56%、136.31%、106.23%。Ⅴ級覆蓋度面積減少了9023.13 hm2，降幅為21.85%。2005—2011年，Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級覆蓋度面積分別增加了790.20 hm2、727.20 hm2、282.96 hm2，增幅分別為23.75%、59.55%、6.43%。Ⅳ級、Ⅴ級覆蓋度面積分別減少了1388.07、412.29 hm2，降幅為12.02%、1.28%。2000—2005年間，Ⅲ級、Ⅳ級植被覆蓋度面積增幅較大，而2005—2011年Ⅰ級、Ⅱ級植被覆蓋度面積增幅較大。說明2005—2011年比2000—2005年間植被破壞更嚴重，低植被覆蓋度區(qū)域更多。

研究區(qū)3個時期植被覆蓋等級見圖1，3個時期植被覆蓋等級分級統計結果見表1，3期植被變化統計結果見表2。

2000年

2005年

2011年

3.3研究區(qū)植被覆蓋度類型變化轉移矩陣

由表3和表4可知，2000—2005年和2005—2011年，研究區(qū)不同植被覆蓋等級區(qū)域之間的轉化較明顯，研究區(qū)植被覆蓋度等級沒有發(fā)生變化的面積分別為35471.34 hm2、32374.71 hm2，占總面積的67.23%、61.36%。

表1 長株潭綠心地區(qū)2000—2011年3個時期植被覆蓋度的分級統計結果Tab.1 Hierarchicalstatisticalresultofvegetationcoverdur-ingthethreeperiods年份植被覆蓋度等級面積(hm2)比例(%)平均植被覆蓋度Ⅰ3205.536.08Ⅱ805.681.53Ⅲ1862.643.5320000.78Ⅳ5598.9010.61Ⅴ41291.9178.26合計52764.66100.00Ⅰ3326.766.30Ⅱ1221.122.31Ⅲ4401.548.3420050.72Ⅳ11546.4621.88Ⅴ32268.7861.16合計52764.66100.00Ⅰ4116.967.80Ⅱ1948.323.69Ⅲ4684.508.8820110.70Ⅳ10158.3919.25Ⅴ31856.4960.37合計52764.66100.00

2000—2005年，研究區(qū)植被覆蓋度等級沒有發(fā)生變化的面積為35471.34 hm2，占總面積的67.23%。其中Ⅰ級覆蓋度區(qū)域和Ⅴ級覆蓋度區(qū)域總體變化不大，未變化的面積分別占2005年Ⅰ級、Ⅴ級區(qū)域面積的81.94%、92.16%。但Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級區(qū)域未變化的面積僅占2005年相應植被覆蓋度等級區(qū)域面積12.37%、13.69%、19.51%，變化較大。Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級區(qū)域其主要來源均為Ⅴ級區(qū)域，分別占2005年相應植被覆蓋度等級區(qū)域面積33.45%、57.98%、72.95%(見表3)。

表2長株潭綠心地區(qū)3個時期植被覆蓋度變化統計結果Tab.2 Variationalstatisticalresultofvegetationcoverduringthethreeperiods年份植被覆蓋度等級變化量(hm2)變化率(%)Ⅰ121.233.78Ⅱ415.4451.562000—2005Ⅲ2538.90136.31Ⅳ5947.56106.23Ⅴ-9023.13-21.85合計0.00Ⅰ790.2023.75Ⅱ727.2059.552005—2011Ⅲ282.966.43Ⅳ-1388.07-12.02Ⅴ-412.29-1.28合計0.00Ⅰ911.4328.43Ⅱ1142.64141.822000—2011Ⅲ2821.86151.50Ⅳ4559.4981.44Ⅴ-9435.42-22.85合計0.00

2005—2011年，研究區(qū)植被覆蓋度等級沒有發(fā)生變化的面積為32374.71 hm2，占總面積的61.36%。其中Ⅰ級覆蓋度區(qū)域和Ⅴ級覆蓋度區(qū)域總體變化不大，但相對2000—2005年變動更大，未變化的面積分別占2011年Ⅰ級、Ⅴ級區(qū)域面積的62.71%、77.78%。Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級區(qū)域未變化的面積僅占2011年相應植被覆蓋度等級區(qū)域面積11.84%、20.26%、37.74%，變化較大。Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級區(qū)域其主要來源均為Ⅴ級區(qū)域，分別占2005年相應植被覆蓋度等級區(qū)域面積31.45%、32.13%、46.68%(見表4)。

表3 2000—2005年各等級植被覆蓋區(qū)域面積轉移矩陣Tab.3 Thevegetationcoverchangetransitionmatrixfrom2000to2005等級ⅠⅡⅢⅣⅤ面積(hm2)比例(%)面積(hm2)比例(%)面積(hm2)比例(%)面積(hm2)比例(%)面積(hm2)比例(%)2000年合計面積(hm2)Ⅰ2725.9281.94262.5321.50170.823.8839.960.356.300.023205.53Ⅱ165.064.96151.0212.37312.577.10145.081.2631.950.10805.68Ⅲ161.824.86197.7316.19602.7313.69686.075.94214.290.661862.64Ⅳ105.393.17201.4216.49763.5617.352252.2519.512276.287.055598.90Ⅴ168.575.07408.4233.452551.8657.988423.0172.9529739.4292.1641291.912005年合計3326.76100.001221.12100.004401.54100.0011546.46100.0032268.78100.0052764.66

表4 2005—2011年各等級植被覆蓋區(qū)域面積轉移矩陣Tab.4 Thevegetationcoverchangetransitionmatrixfrom2005to2011等級ⅠⅡⅢⅣⅤ面積(hm2)比例(%)面積(hm2)比例(%)面積(hm2)比例(%)面積(hm2)比例(%)面積(hm2)比例(%)2005年合計面積(hm2)Ⅰ2581.7462.71229.7711.79240.935.14162.181.60112.140.353326.76Ⅱ283.326.88230.6711.84305.106.51236.072.32165.960.521221.12Ⅲ268.476.52434.8822.32949.1420.261183.8611.651565.194.914401.54Ⅳ353.798.59440.2822.601684.3535.963834.0937.745233.8616.4311546.46Ⅴ629.6415.29612.7231.451504.9832.134741.8346.6824779.0777.7832268.782011年合計4116.96100.001948.32100.004684.50100.0010158.39100.0031856.49100.0052764.66

4 結論與討論

4.1結論

(1) 研究區(qū)植被覆蓋狀況良好，3個時期植被覆蓋度較高的Ⅳ級和Ⅴ級區(qū)域(fc>0.5)的面積均占總面積的79%以上，平均覆蓋度均在0.7以上。2000年平均植被覆蓋度為0.78，2005年平均植被覆蓋度為0.72，2011年平均植被覆蓋度為0.70。

(2) 2000—2011年，研究區(qū)植被覆蓋度總體呈下降趨勢。其中Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級覆蓋度面積分別增加了911.43 hm2、1142.64 hm2、2821.86 hm2、4559.49 hm2，增幅分別為28.43%、141.82%、151.5%、81.44%，但Ⅴ級覆蓋度面積減少了9435.42 hm2，降幅為22.85%，且2005—2011年比2000—2005年間植被破壞更嚴重，低植被覆蓋度(Ⅰ級、Ⅱ級)區(qū)域增幅更大。

(3) 由轉移矩陣可知，各研究區(qū)不同植被覆蓋等級區(qū)域之間的轉化較明顯。而其主要來源為Ⅴ級區(qū)域,這說明由于人類活動的干擾，植被覆蓋度等級高的區(qū)域在減少，這可能是在城市建設過程中，人類活動增加，對植被有部分破壞，導致植被覆蓋度下降。

4.2討論

(1) 像元二分模型能夠反演植被覆蓋度的關鍵在于純凈植被像元NDVI和純凈土壤像元NDVI的確定，本文選用的landsatTM數據空間分辨率為30 m，無法獲取純凈像元，在確定NDVIveg和NDVIsoil時采用的是國內一般處理方法，并沒有實地調查數據，也沒有探討非密度和混合密度亞像元的情況[16]。在后續(xù)的研究中，應結合地面調查數據深入探討植被覆蓋度與環(huán)境之間的相關關系[17-18]。

(2) 植被覆蓋度帶有方向性[19]，隨觀測角度的變化而變化。而本文選用的像元二分模型并未考慮角度性問題，Peter[20]基于ATSR-2衛(wèi)星數據在考慮角度問題的基礎上對植被覆蓋度進行了估算，但并未構建出合適的模型來估算植被覆蓋度。因此也可對考慮角度問題的植被覆蓋度進行更深入的研究。

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DynamicanalysisofvegetationcoverageinChangsha-Zhuzhou-Xiangtancoreregionbasedonremotesensing

YANG Ying1, YU Xiliang2, WEN Min3， REN Yukun3

(1.Forestry Bereau of Taoyuan County,Taoyuan 415700，China；2.Forest Public Security Bureau of Changsha City,Changsha 410004 ，China; 3.College of Forestry， Central South University of Forestry & Technology， Changsha 410004 ，China)

Based on three periods of remote sensing images of landsat5 TM (2000,2005,2011),we got the three periods of vegetation cover by conducting the pixel dichotomy model. And we analyzed the temporal changes of vegetation cover and transfer matrixes. The results showed that, vegetation coverage in study area was in good condition , three periods of the area of level Ⅳand Ⅴ vegetation coverage were above 79% of total area. From 2000 to 2011,vegetation coverage in the study area was on the decline. The average vegetation coverage was 0.78 in 2000, the average vegetation coverage was 0.72 in 2005, and it was 0.70 in 2011.

remote sensing; the pixel dichotomy model; vegetation coverage

2016-07-03

國家林業(yè)科學數據平臺建設與運行服務(2016DKA32200)。

楊 英(1978-)，女，湖南省桃源縣人，工程師，主要從事森林培育及森林資源調查規(guī)劃設計。

X 835

A

1003-5710(2016)05-0071-06

10. 3969/j. issn. 1003-5710. 2016. 05. 014

(文字編校：龔玉子)