鹽城海岸帶植被覆蓋度時空變化及其與土地利用變遷響應(yīng)研究

賀肖芳，陳 燕，朱 敏，宋新山，王宇暉

（東華大學(xué)，上海 201620）

鹽城海岸帶植被覆蓋度時空變化及其與土地利用變遷響應(yīng)研究

賀肖芳，陳 燕，朱 敏，宋新山，王宇暉

（東華大學(xué)，上海 201620）

以2001年、2009年TM遙感影像為基本數(shù)據(jù)源，在RS和GIS技術(shù)支持下，運(yùn)用歸一化植被指數(shù)（NDVI）和像元二分模型法獲取植被覆蓋度變化信息，采用人工目視解譯和監(jiān)督分類相結(jié)合提取土地利用信息，在分析了植被覆蓋度和土地利用變化特征的基礎(chǔ)上，將兩者結(jié)合起來對其驅(qū)動力及其響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：近10年，鹽城海岸帶植被覆蓋度整體有所提升，2001年研究區(qū)植被覆蓋度呈現(xiàn)西南高東北低之勢，中、高覆蓋度占總面積的55.2%；2009年植被覆蓋度相較2001年有明顯變化，東北片區(qū)的植被覆蓋度明顯升高，西南部分地區(qū)有所下降。其中林地以中覆蓋為主，占比30.72%，其他用地類型均以高植被覆蓋度為主。分析發(fā)現(xiàn)，以濕地為主的土地利用變遷及人為干擾用地功能變化是其植被覆蓋度變化的主要影響原因。

植被覆蓋度；遙感；歸一化植被指數(shù)；海岸帶

植被覆蓋度是衡量地表植被狀況的直觀指標(biāo)，也是評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境優(yōu)劣的重要因子，對區(qū)域水土保持、水源涵養(yǎng)、森林氣候等生態(tài)功能調(diào)節(jié)具有重要意義[1-3]。海岸帶作為陸地與海洋的交匯地帶，是生物多樣性最豐富、生產(chǎn)力最高和最具價值的生態(tài)系統(tǒng)之一，但也是全球環(huán)境變化最為敏感的地區(qū)之一[4]。植被資源是海岸帶自然資源的重要組成部分，進(jìn)行植被覆蓋度的變化研究對海岸帶綜合資源開發(fā)和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)具有非常重要的意義。

江蘇鹽城海岸帶位于中國海岸帶的中部，全長582 km，占全省海岸線總長度56%，其濱海濕地是全球平均生物生產(chǎn)量最高的生態(tài)系統(tǒng)之一。人口稠密、資源豐富、具有極高的資源開發(fā)價值和環(huán)境調(diào)節(jié)功能，富有“東方濕地之都”與“江蘇黃金海岸”稱號。近年來隨著鹽城市人口的不斷增加，海岸帶土地利用類型不斷變化，植被蓋度也隨之遭受不同程度的破壞。因此，從時空尺度上對鹽城海岸帶植被覆蓋度進(jìn)行定量分析，并探究其在不同土地利用類型下的空間分異現(xiàn)象及兩者相互影響驅(qū)動關(guān)系，對于評價鹽城海岸帶生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境質(zhì)量有重要的理論和實(shí)際意義，也能為維持研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性提供給科學(xué)依據(jù)，為同類型的海岸帶可持續(xù)發(fā)展決策提供參考。

1 研究數(shù)據(jù)及方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究以鹽城海岸帶為研究區(qū)域，以2001年和2009年Landsat TM 衛(wèi)星影像為主要數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)預(yù)處理包括數(shù)據(jù)讀取、輻射定標(biāo)、大氣校正（FLAASH模型）、波段合成、影像鑲嵌、研究區(qū)裁剪等。其它數(shù)據(jù)包括鹽城市行政邊界、鹽城市1∶50000基礎(chǔ)地圖（2006）等。圖像處理及數(shù)據(jù)分析軟件分采用ENVI5.0、ArcGIS9.3等。

1.2 研究方法

1.2.1 植被指數(shù)選取及計(jì)算

植被指數(shù)（Vegetation Index）是遙感數(shù)據(jù)光譜信息（某種特定波段）的線性或非線性組合，攜帶了豐富的地表植被結(jié)構(gòu)、功能信息，與植被的蓋度、生物量等有較好的相關(guān)性[5]。目前常用于植被覆蓋度遙感監(jiān)測的植被指數(shù)主要有：NDVI、PVI、MVI、GEMI、SAVI、MSAVI、TSAVI 等，其 中 NDVI （Normalized Difference Vegetation Index，歸一化植被指數(shù)）因其對土壤背景的變化靈敏度高、檢測范圍寬、能減少太陽光照差異和地形差異的影響等多方優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于植被覆蓋度的動態(tài)監(jiān)測[6]，是單位像元內(nèi)的植被類型、覆蓋形態(tài)、生長狀況等的綜合反映。其定義為公式（1）：

其中，NIR代表近紅外波段（0.7～1.1 μm），R代表紅波段（0.4～0.7 μm）。

1.2.2 植被覆蓋度計(jì)算與分級

遙感影像常包含不同覆蓋類型的混合像元，分解混合像元可以提高遙感信息的解譯精度。其中像元二分模型法[7]是混合像元分解中最簡單的模型，它將一個像元的信息簡化為植被覆蓋與由非植被（裸土）覆蓋2部分所貢獻(xiàn)的信息。通過2部分信息線性加權(quán)合成，可將大氣、土壤背景與植被類型等對遙感信息的影響降至最低，較好地保留了植被覆蓋的信息。本研究選擇基于歸一化植被指數(shù)（NDVI）的像元二分模型法，采用如下轉(zhuǎn)換公式（2）：

其中，NDVIsoil 為無植被覆蓋區(qū)(裸土)NDVI值，NDVIveg 為完全植被覆蓋的純植被像元NDVI值。

但NDVIsoil與NDVIveg值常因地表濕度等影響隨時間變化而變化，并不能直接取由NDVI灰度圖統(tǒng)計(jì)出來的最大和最小值。因此采用近似替代法，統(tǒng)計(jì)NDVI值并選取累計(jì)概率為5%和95%的NDVI值作為相應(yīng)的NDVIveg和NDVIsoil值。

參考《水土保持技術(shù)規(guī)范》等研究中植被覆蓋度分級要求及鹽城濱海濕地的植被覆蓋特征，本研究將研究區(qū)的植被覆蓋度劃分為5個等級（如表1）：

表1 植被覆蓋度分級Table 1 Classification of vegetation coverage

通過單波段密度分割（Density Slice）處理，生成鹽城海岸帶植被覆蓋度分級圖。

2 結(jié)果分析

2.1 鹽城海岸帶不同年際植被覆蓋度變化提取

基于歸一化植被指數(shù)（NDVI），選取累計(jì)概率為5%和95%的NDVI最大最小值，根據(jù)像元二分模型得到單波段植被覆蓋度圖像文件，密度分割后得到鹽城海岸帶01年至09年的植被覆蓋度（圖1）。

從地理分布可以看出，2001年研究區(qū)植被覆蓋度呈現(xiàn)西南高東北低之勢，2009年較2001年有明顯變化，東北片區(qū)的植被覆蓋度明顯升高，而西南部分地區(qū)有所下降。研究區(qū)東北部由于灘涂自然演化及人為對灘涂的開發(fā)利用，而使得由舊黃河改道而產(chǎn)生的河灘轉(zhuǎn)化為農(nóng)田草地等可用土地，植被覆蓋度相應(yīng)明顯增加；西南部是開發(fā)相對成熟的城市片區(qū)，隨著人口劇增和經(jīng)濟(jì)區(qū)開發(fā)等，聚居地面積要求越來越高，部分森林、草地甚至是農(nóng)田被開發(fā)居住及商用，植被覆蓋度也受到較大影響。經(jīng)定量統(tǒng)計(jì)分析得到表2：

圖1 2001年、2009年鹽城海岸帶植被覆蓋度Fig.1 Vegetation coverage of Yancheng coastal in 2001 and 2009

表2 2001年及2009年植被覆蓋度Table 2 Vegetation coverage of Yancheng coastal in 2001 and 2009

通過表2可以看出，低植被覆蓋度面積從2001年的15.16%下降到2009年的7.61%，中低覆蓋度也由2001年的29.62%下降到2009年16.10%。與此同時，中覆蓋度、中高覆蓋度、高覆蓋度都有所上升，中覆蓋度由2001年的7.78%上升到2009年17.86%，中高覆蓋從2001年的8.80%上升到2009年的18.35%，高覆蓋度略微上升，從2001年的38.63%上升到2009年的40.08%。

2.2 鹽城海岸帶不同土地利用類型的植被覆蓋度變化

2.2.1 鹽城海岸帶土地利用動態(tài)變化

土地利用程度表反映土地利用的廣度和深度，它不僅反映土地利用中土地本身的自然屬性，同時也反映人類因素與自然環(huán)境因素的綜合效應(yīng)[8]。本研究利用ArcGIS 9.3對鹽城海岸帶2001年與2009年遙感影像進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，采用人工目視解譯和監(jiān)督分類相結(jié)合，根據(jù)IPCC等依據(jù)綜合劃分為農(nóng)田、草地、濕地、林地、聚居地及其它土地六大類。通過統(tǒng)計(jì)分析獲得了2001年到2009年土地利用類型的時空變化動態(tài)（圖2）。

圖2 鹽城海岸帶2001年、2009年土地利用情況及變化動態(tài)Fig.2 Land-use dynamic change of Yancheng coastal in 2001 and 2009

通過轉(zhuǎn)移矩陣和轉(zhuǎn)移概率矩陣分析，更好地掌握了研究區(qū)2001年至2009年土地利用類型的流失去向與來源構(gòu)成（如表3）。

通過表3轉(zhuǎn)移矩陣可以看出，2009年農(nóng)田增加的面積中，有1.156%來自林地，22.295%來自草地，72.429%來自濕地，3.049%來自聚居地，還有1.071%是通過淤漲增加的面積。同樣了解到林地、草地、濕地、聚居地等土地類型的轉(zhuǎn)變及其構(gòu)成。而由于海水侵蝕而減少的面積中，主要損失的土地利用類型為濕地，占總損失的98.747%，剩余的1.253%是農(nóng)田損失。

2.2.2 研究區(qū)不同Land-use下植被覆蓋度

通過Overlay分析工具獲取到研究區(qū)不同土地利用類型的植被覆蓋度分布及NDVI平均值。

表3 鹽城海岸帶2001～2009年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 3 Transfer matrix of Yancheng land use from 2001 to 2009

圖3 鹽城海岸帶不同土地類型的植被覆蓋度分布Fig.3 Distribution of vegetation coverage in different land types of Yancheng coastal

從圖3可以看出，2001年各土地利用類型的植被覆蓋度有明顯差異，其中農(nóng)田及林地以高覆蓋度為主，草地以中覆蓋度為主，占草地總面積27.85%；濕地以中低覆蓋為主，占濕地總面積的44.27%；而聚居地以低覆蓋為主，占比43.95%；2009年各土地利用類型的植被覆蓋度與2001年有明顯變化，其中林地以中低覆蓋為主，占到林地總面積的30.72%，其他用地類型均以高植被覆蓋度為主，其中草地的高植被覆蓋度占到草地總面積的53.53%，濕地的高植被覆蓋度占到濕地總面積的42.59%，農(nóng)田的高植被覆蓋度占到農(nóng)田總面積的33.35%，聚居地的高植被覆蓋度占到聚居地總面積的30.29%。

2.3 研究區(qū)植被覆蓋度變化

通過鹽城海岸帶不同年際及不同土地利用類型的植被覆蓋度變化分析可知，本研究區(qū)植被覆蓋度的變化與其土地利用變化存在響應(yīng)聯(lián)系，土地利用變化是其植被覆蓋度變化的主要影響來源及驅(qū)動力。2001年至2009年研究區(qū)農(nóng)田總量雖然有所增加，但是其覆蓋度卻有所下降，是因其農(nóng)業(yè)用地內(nèi)部結(jié)構(gòu)和布局不斷調(diào)整，處于退耕還林的轉(zhuǎn)型期；林地面積增加79.28 km2；草地逐漸從中低覆蓋、中覆蓋度向高覆蓋度轉(zhuǎn)型，與NDVI的均值變化相對應(yīng)；研究區(qū)東北部植被覆蓋變化區(qū)域主要為黃河的淤漲而生的光灘濕地，由于近年來人類對于灘涂的圍墾開發(fā)，使其土地利用類型逐步轉(zhuǎn)化為濱海草地、蘆葦?shù)?、米草地、耕地等，植被覆蓋度明顯增加；而研究區(qū)西側(cè)因交通、工業(yè)、經(jīng)濟(jì)等發(fā)展開發(fā)大面積的土地，部分草地和林地遷移為工業(yè)用地，植被覆蓋度相應(yīng)降低。

3 結(jié)論與討論

本研究以鹽城海岸帶2001年、2009年兩景TM影像為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，采用歸一化植被指數(shù)（NDVI）和像元二分模型法，從不同時間和空間尺度上對其近10年的植被覆蓋度進(jìn)行定量分析，并探究了其在不同土地利用類型下的空間分異現(xiàn)象。通過分析發(fā)現(xiàn)：（1）2001年至2009年，鹽城海岸帶NDVI（歸一化植被指數(shù)）和植被覆蓋度均有所提升，表明過去十年內(nèi)鹽城市合理利用土地資源，退耕還林等政策對研究區(qū)植被覆蓋恢復(fù)、生態(tài)環(huán)境改善有一定成效。（2）結(jié)合土地利用遷移變化分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)植被覆蓋度的變化與其土地利用變化存在響應(yīng)聯(lián)系，用地功能的改變和土地轉(zhuǎn)移過程中的干擾是植被覆被變化的主要原因。因此在未來鹽城濱海海岸帶的規(guī)劃發(fā)展中，應(yīng)合理開發(fā)利用土地，重點(diǎn)保護(hù)林地，堅(jiān)持實(shí)施退耕還草、退耕還林政策，不斷改善海岸帶生態(tài)環(huán)境。

以遙感影像為數(shù)據(jù)源，相較于實(shí)地采樣的傳統(tǒng)植被監(jiān)測方法，技術(shù)上具有信息源豐富、經(jīng)濟(jì)高效及客觀科學(xué)等優(yōu)勢；基于歸一化植被指數(shù)（NDVI）及像元二分模型法提取研究區(qū)植被覆蓋信息，相較于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头?、混合光譜模型法等，方法上操作簡單、精度較高、適合大尺度范圍測量[8-11]。本研究中，植被覆蓋度演變的驅(qū)動力研究主要側(cè)重于土地利用變化的影響，相關(guān)氣候、生物量等因素的影響及響應(yīng)還需進(jìn)一步探究。

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Study on spatial and temporal vegetation coverage change of Yancheng coastal and response to its land-use dynamic change

HE Xiao-fang, CHEN Yan, ZHU Min, SONG Xin-shan, WANG Yu-hui
(DongHua University, Shanghai 201620, China )

Based on TM remote sensing images of Yancheng coastal in 2001 and 2009, with technical support of RS and GIS, the model of dimidiate pixel based on normalized difference vegetation index (NDVI) was applied in extracting the Spatial and Temporal Vegetation Coverage Change of study area in recent 10 years, as while, the land use information was extracted by using arti fi cial visual interpretation and supervised classi fi cation. In conjunction with the result of regional land cover and vegetation coverage change, the driving forces and response relationship between them were analyzed. The results show that: in recent 10 years, vegetation coverage of Yancheng coastal has been improved overall. In 2001, the vegetation coverage trend to be high in the southwest and low in the northeast,the area of edium and high coverage have accounted for 55.2%; In 2009, there are signi fi cant changes in vegetation cover compared to 2001, the vegetation coverage of the northeast area significantly increased, while the southwest part of the region declined. The forestland is covered by middle coverage, accounting for 30.72%, other land-use types are given priority to high vegetation coverage.The analysis found that the change of wetland dominated land use types and functions and human disturbance is the main in fl uence of the vegetation coverage changes.

vegetation coverage; remote sensing; normalized difference vegetation index; coastal

S728.6

A

1673-923X(2016)02-0101-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.02.019

http: //qks.csuft.edu.cn

2014-09-13

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（2232013D3-11）；國家自然科學(xué)青年基金(40801210)

賀肖芳，碩士研究生

陳 燕，博士，副教授；E-mail：chenyanhjxy@dhu.edu.cn

賀肖芳，陳 燕，朱 敏，等. 鹽城海岸帶植被覆蓋度時空變化及其與土地利用變遷響應(yīng)研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016, 36(2): 101-105.

[本文編校：吳 彬]