基于NDVI的烏拉特后旗植被覆蓋度時空變化分析

莎日娜

(北京林業(yè)大學(xué),北京 100083)

植被是生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分,也是生態(tài)系統(tǒng)存在的基礎(chǔ),而植被覆蓋度是植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計區(qū)總面積的百分比。植被覆蓋度是衡量地表植被狀況的一個最重要的指標(biāo),也是影響土壤侵蝕與水土流失的主要因子,對于區(qū)域環(huán)境變化和監(jiān)測研究具有重要意義[1]。植被的減少往往會出現(xiàn)很多問題,通過對植被覆蓋度的研究,可以了解當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境狀況,及時掌握其研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境的動態(tài)變化。隨著人們對環(huán)境的重視程度不斷增加,對于一個城市來說,植被則是其生態(tài)系統(tǒng)中必不可少的重要元素,對于保護該地區(qū)生態(tài)環(huán)境有著不可忽視的重要作用,因此,通過運用遙感影像及GIS技術(shù)對植被覆蓋度的計算,可以更好地了解當(dāng)?shù)丨h(huán)境狀況及存在的問題。

植被覆蓋是體現(xiàn)一個地區(qū)植物群落覆蓋地層表面情況的一個重要指標(biāo),遙感技術(shù)為監(jiān)測大面積區(qū)域的植被覆蓋度提供了可能。植被覆蓋圖的測量可分為2種,即地面測量和遙感估算方法,地面測量適合像田間尺度這樣的小區(qū)域使用,而對于大區(qū)域尺度的測量,可利用已發(fā)展較好的遙感技術(shù)進行,目前,比較實用的方法有像元二分模型,用此方法計算出的植被覆蓋度估值的精準(zhǔn)度一次次被證明可高達80%左右[2]。因此本文采用像元二分法來計算。

1 研究區(qū)概況

烏拉特后旗是內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市其中的一個旗縣地區(qū),地處北緯40°40′～42°22′,東經(jīng)105°14′～107°36′,北部與蒙古國相接,是草原和荒漠化的過渡帶。烏拉特后旗全旗東西總長210km,南北寬130km,總面積約為250億m2,總?cè)丝?65 000人,是巴彥淖爾市國土面積中最大的旗縣。烏拉特后旗的地形地貌較為復(fù)雜,陰山山脈貫穿旗境的南部,使河套平原與北部高原形成了一道分水嶺。全旗地勢南部高北部較低,平均海拔在 1 500m以上,最高海拔 2 365m。

烏拉特后旗地處中溫帶,近年來年平均氣溫在38℃左右,年平均降水量約為96～105.9mm,年均無霜期約為130d,而年均凍土深約為2.3m。屬于典型性大陸性季風(fēng)氣候。該區(qū)受高空西風(fēng)環(huán)流控制,天氣系統(tǒng)多數(shù)自西向東移動。受地型地貌,太陽的輻射,大氣環(huán)流等因素的影響,氣候主要特點為冬季較為寒冷且干燥、風(fēng)沙大,夏季日照強烈,較炎熱,且降雨量相對少,蒸發(fā)量卻大。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用2006年7—8月Landsat7 ETM SLC-off,2010年7—10月Landsat7 ETM SLC-off、2015年7—9月Landsat 8三個時期的遙感影像,空間分辨率為30m×30m,其圖像條的代號分別為130-31,129-31,130-32。選用DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù),其精度為30m。并通過網(wǎng)絡(luò)下載巴彥淖爾市烏拉特后旗邊界線和研究區(qū)域的行政地圖,經(jīng)過TIFF的格式轉(zhuǎn)換后,為合成NDVI提供基礎(chǔ)依據(jù)[3]。

2.2 數(shù)據(jù)處理

使用地理空間數(shù)據(jù)云和GIS圖像處理軟件對研究地域的遙感圖作進一步預(yù)處理,即矯正、拼接、裁剪及大氣校正和輻射定標(biāo),并運用相關(guān)公式計算出歸一化植被指數(shù)[4],最終得出本研究地的植被覆蓋圖。

2.2.1NDVI值計算

基于GIS及NDVI,應(yīng)用向元二分模型方法,得出了內(nèi)蒙古烏拉特后旗的植被覆蓋度具體變化情況。該方法的技術(shù)路線簡單易行,可操作性較強,可準(zhǔn)確表達出該研究地近些年內(nèi)的植被生長情況,從而幫助分析地域的植被覆蓋趨勢及監(jiān)測該區(qū)域植被覆蓋的變化情況[5]。

NDVI歸一化植被指數(shù),也稱生物量指標(biāo)變化,NDVI 是植被覆蓋度和植被生長狀態(tài)的最有效的指示因子,被定義為近紅外,即波段與可見光紅波段數(shù)值的差和這兩個波段數(shù)值之和的比值,計算公式[6]為:

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

式中:NIR為近紅外波段的反射率,R為紅光波段的反射率。

運用ENVI軟件計算,最終得出烏拉特后旗3個年度的年均NDVI值。

2.2.2估算植被覆蓋度

選擇像元二分模型分別估算烏拉特后旗3個時期的植被覆蓋度,將一個像元的NDVI值由全植被覆蓋地面和無植被覆蓋地面的形式組成,2種形式所占的比率,在像元中即為各因子的權(quán)重,其中,全植被覆蓋的地面在像元中所占的百分比就是此像元的植被覆蓋度,因此,利用下面的公式來估算出該研究區(qū)域的植被覆蓋度。

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

式中:NDVIsoil表示無植物像元的NDVI值,即為完全的裸地。NDVIveg表示純植被像元的NDVI值,即為完全被植物覆蓋的區(qū)域。根據(jù)彭飛等[7]提出的估算方法,無植物像元為NDVI最小值,有植物像元為NDVI最大值,但考慮到圖像中有不可避免的噪音存在,其取值不能直接取最大值與最小值。因此,本文根據(jù)研究地區(qū)的土地現(xiàn)狀情況,將NDVI值確定在置信度區(qū)間5%左右的值為最小值,將置信度區(qū)間95%左右的值確定為最大值。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度

運用GIS軟件的柵格計算器,應(yīng)用植被覆蓋度公式可計算得出fc的值,將得到的植被覆蓋度圖利用自然間斷點分級法分為以下4個等級[8]:微蓋度植被覆蓋(0≤fc<55%)、低蓋度植被覆蓋(55%≤fc<70%)、中蓋度植被覆蓋(70%≤fc<90%)、高蓋度植被覆蓋(90%≤fc<100%)。分類情況如下表1所示。

表1 烏拉特后旗各等級植被覆蓋度所占面積比 %Tab.1 Area ratio of vegetation coverage grades in Wulatehouqi

3.1.1植被覆蓋度時間變化

從整體上可以看出,烏拉特后旗的植被覆蓋度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。從自然斷點分級法分出的微覆蓋度、低覆蓋度、中覆蓋度、高覆蓋度4個類型的變化來看(圖1),烏拉特后旗2006—2015年的植被覆蓋情況除微植被覆蓋度變化較明顯外,低覆蓋度、中覆蓋度及高覆蓋度變化以較小的比例保持基本不變的趨勢[9]。2006—2015年整體微植被覆蓋度從176.8億m2增加到181.2億m2,可見烏拉特后旗近10年的草場植被在不斷增加,裸地面積逐步減少,說明該區(qū)域的植被覆蓋度得到了顯著的起色。2006—2015年間東南部河套平原地帶的低植被覆蓋度在均勻持續(xù)增加。而在2006—2010年河套平原地帶的中植被覆蓋度則呈緩慢增加的趨勢,2010—2015年間則以較快的速度增加。烏拉特后旗的高植被覆蓋度的比例一直以來都比較少,但是從2006—2015年陰山以南的平原地區(qū)還是有緩慢增加的趨勢。

圖1 烏拉特后旗等級植被覆蓋度面積

3.1.2植被覆蓋度空間變化

從2006年、2010年和2015年3個時期的植被覆蓋度空間變化來看(圖2)。在烏拉特后旗整個旗縣的植被多數(shù)居中于東南部,即陰山以南的河套平原地帶,呈東南部高而西北部的狀態(tài),2006年的黃色部分的微植被覆蓋度占大多數(shù),而綠色部分的高植被覆蓋度明顯較少,中間的陰山山脈地帶的覆蓋度在55%以下,以微植被覆蓋度和低植被覆蓋度為主；2006—2010年烏后旗的植被逐漸增加,陰山以南的平原地帶的低植被覆蓋度和中植被覆蓋度出現(xiàn)明顯增多的趨勢,到2010年出現(xiàn)淺綠色部分增加較顯著,高植被覆蓋度也逐漸增加,整個旗縣的植被覆蓋度相比2006年有所好轉(zhuǎn)；2015年烏拉特后旗全旗的植被覆蓋度明顯好轉(zhuǎn),陰山以北的荒漠及半荒漠化草原的覆蓋度增加,淺綠色的中植被覆蓋度顯著增多,并出現(xiàn)零星高植被覆蓋度,中間的陰山山脈出現(xiàn)大量中植被覆蓋度增加的趨勢,微植被覆蓋度的面積明顯減少[10]。植被覆蓋度統(tǒng)計結(jié)果說明,烏拉特后旗植被覆蓋度的情況有所改善,逐漸好轉(zhuǎn),尤其之前較大面積的低植被覆蓋度也隨之減少,而中植被覆蓋度和高植被覆蓋度逐漸增加。

圖2 烏拉特后旗植被覆蓋度

3.2 植被覆蓋度變化因素

多年來,烏拉特后旗通過在牧區(qū)實施退牧還草、生態(tài)移民、林業(yè)生態(tài)建設(shè)等一系列項目,雖然局部生態(tài)惡化得到了有效的控制,但整體上生態(tài)惡化的勢頭仍然沒有從根本上得到解決。其原因：一是植被退化嚴重,草原植被覆蓋率從20世紀60年代的30%下降到目前的13%,天然梭梭林面積有16.7億m2,減少到6.13億m2,密度由原來降低了一半以上,草本植物種類由240種減少到80余種,畜牧可食性牧草由180余種減少到70余種,草場畝產(chǎn)草量由24.8kg降到9kg①烏拉特后旗政府.烏拉特后旗人民政府工作報告.2008.；二是超載放牧嚴重,1970年建旗是全旗牲畜不到10萬頭,后來發(fā)展到高峰期75萬頭,現(xiàn)在62萬頭,而全旗天然草場適宜載畜量為30萬頭單位,已超載1倍多①；三是降雨量不斷減少,2006年不足75mm,加之本旗蒸發(fā)量高達3 000mm左右,是年降雨量的30倍之多①。降雨量少導(dǎo)致地下水位下降,沙漠化程度加劇,沙塵暴頻繁發(fā)生。

3.2.1降水量對植被覆蓋度的影響

從圖3可看出:2006—2015年烏拉特后旗的年平均降水量逐漸增多,2015年相對2006年及2010年的降水量最多,NDVI值最大,植被覆蓋度最好[11]。

圖3 烏拉特后旗3個時期年平均降水量

20世紀70年代年平均降水量為188.5mm,80年代為153.5mm,90年代為138.5mm。而后在政府及時的管控和大力支持下,自2006年起,烏拉特后旗的生態(tài)環(huán)境保護措施的實施逐漸加大,實施生態(tài)移民,減人減畜,還在旗內(nèi)建立大型人工河,河流總長2.7km,河寬50m,總面積約達118 200m2,也正是此湖的建設(shè),大大提升了烏拉特后旗的局部小氣候,逐漸使得該地域的濕度有所提高[12]。

3.2.2溫度對植被覆蓋度的影響

烏拉特后旗2006年、2010年、2015年3個年份的平均氣溫如圖4所示。

圖4 烏拉特后旗3個時期的年平均氣溫

2006—2015年10年間的年平均氣溫逐漸升高,2006年的年均氣溫最低,而2015年的年均氣溫相對較高,2010年及2015年中6—9月份的月平均溫度相對2006年也逐漸升高,而上述所計算烏拉特后旗的NDVI值中植被覆蓋度在2006—2015年同樣在逐漸增高,這表明氣候的不斷變化是造成植被覆蓋度變化的重要因素之一[13]。

3.2.3外部因素的影響

烏拉特后旗草牧場面積累計243.3億m2,現(xiàn)草場基本全部退化,重度退化的占70%以上。對于畜牧業(yè)發(fā)達的烏拉特后旗,植被覆蓋度多少的關(guān)鍵在于牧區(qū)中牧戶放牧的情況,退牧還草政策對植被覆蓋度的變化起到重要作用[14],因此,面對該旗植被大量退化的情況,旗政府積極響應(yīng)國家退耕還林、退牧還草政策,采取大量措施戰(zhàn)略,對烏拉特后旗的生態(tài)牧場進行了有效管控。

自2006年開始,烏拉特后旗政府便確立了“生態(tài)立旗”的戰(zhàn)略,并堅持著“保護與建設(shè)并重、保護為主”的方針,采取生物工程措施和科學(xué)管理等手段相結(jié)合,突出重點,因地制宜,綜合治理,進一步加強生態(tài)建設(shè),制定了四項基本生態(tài)對策:全面實施生態(tài)移民工程；認真實施退牧休牧還林還草戰(zhàn)略；依靠科技提高生態(tài)環(huán)境綜合治理水平；轉(zhuǎn)變生態(tài)建設(shè)和資源保護方式方法。采取四項重要措施建設(shè)生態(tài)強旗,即:以退為進,著力保護草原生態(tài)環(huán)境；以轉(zhuǎn)為變,著力改善轉(zhuǎn)移戶生產(chǎn)生活水平；以治為重,著力構(gòu)建北方生態(tài)屏障；以護為基,著力改善生態(tài)環(huán)境[15]。通過這四項措施,逐步改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和農(nóng)牧民的生態(tài)條件,促進區(qū)域生態(tài)、經(jīng)濟、社會環(huán)境的共同發(fā)展,致力構(gòu)建烏拉特后期良好的生態(tài)狀況。

4 結(jié)論

1) 本文利用提取該地區(qū)的遙感影像計算了2006年、2010年、2015年的植被覆蓋度,并分析了其動態(tài)變化情況。從時間上看,烏拉特后旗植被覆蓋度整體呈上升趨勢,微植被覆蓋度由176.8億m2減少到18.12億m2,而低植被覆蓋度、中植被覆蓋度和高植被覆蓋度的比例逐漸增加,中植被覆蓋度增長了近3.5倍之多,最為明顯。從空間上看,烏拉特后旗整個旗縣由原先居中在東南部較少面積的植被逐漸增多,中植被覆蓋度大面積呈現(xiàn),高植被覆蓋度也零星分布在全旗。

2) 本文運用NDVI初步的分析了烏拉特后旗植被覆蓋度變化趨勢,從而得出2006—2015年10年間的植被覆蓋度的變化情況,根據(jù)這項趨勢變化分析可對烏拉特后旗近年來生態(tài)環(huán)境的變化作出相應(yīng)的判斷,為將來環(huán)境的改善提供依據(jù)。并結(jié)合政府對生態(tài)環(huán)境整治的戰(zhàn)略,可以更有效地使烏拉特后旗區(qū)域性生態(tài)狀況向更好的方向發(fā)展。

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