基于像元二分模型的開都河流域下游綠洲植被動態(tài)變化

陳 楠,李新國,劉 彬

1.新疆師范大學 地理科學與旅游學院,新疆 烏魯木齊 830054

2.新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室,新疆 烏魯木齊 830054

3.新疆師范大學 生命科學學院,新疆 烏魯木齊 830054

基于像元二分模型的開都河流域下游綠洲植被動態(tài)變化

陳 楠1.2,李新國1,2*,劉 彬3

1.新疆師范大學 地理科學與旅游學院,新疆 烏魯木齊 830054

2.新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室,新疆 烏魯木齊 830054

3.新疆師范大學 生命科學學院,新疆 烏魯木齊 830054

本文以三個不同時期Landsat TM遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，采用像元二分模型和重心遷移模型對1990～2010年間開都河流域下游綠洲的植被覆蓋情況進行分析。結(jié)果表明：（1）1990～2010年間開都河流域下游綠洲四種植被覆蓋類型中，極地植被覆蓋和高植被覆蓋區(qū)面積先增加后減少，而低植被覆蓋區(qū)和中植被覆蓋區(qū)面積呈現(xiàn)先減少后增加的發(fā)展趨；（2）1990～2010年間開都河流域下游綠洲植被覆蓋度總體上呈恢復趨勢，其中西北部以及南部植被改善較為明顯，而北部和西南部以及開都河下游中部植被有所退化；（3）1990～2010年間高植被覆蓋類型和低植被覆蓋類型重心遷移最為明顯。

像元二分模型;重心遷移模型;植被;動態(tài)變化

植被覆蓋度主要是指植物的根部、枝干、葉子等投影到地上的面子占區(qū)域內(nèi)植被總面積的百分比[1]。通常反映植被變化、生態(tài)環(huán)境研究等方面。測量植被覆蓋度一般有遙感測量法和地面測量法，地面測量法主要用在小范圍測量，遙感測量法則可以用于大范圍測量，是一種主要的測量手段[2-3]。在植被覆蓋動態(tài)變化模型方面，像元二分模型使用得較多，由于模型比較簡單，所使用到的參數(shù)也比較容易獲得，所以應用很廣[4]。大量學者通過遙感手段對植被覆蓋變化已經(jīng)有了大量研究，例如劉玉安在研究淮河上游綠化工程時，就采用了像元二分模型估算植被覆蓋度，其運算結(jié)果證明該模型有較高的精度[5]。Barbosaa等人采用遙感技術(shù)對巴西東北部進行植被覆蓋度預測，形成了較為準確的動態(tài)預測數(shù)據(jù)[6]。本文主要是通過三個不同時間段的遙感數(shù)據(jù)，利用像元二分模型分別計算植被覆蓋度，定性定量地分析開都河流域下游綠州植被覆蓋近20年變化，揭示開都河流域下游綠洲20年植被面積的變化特點，支出應改善的方向，為開都河流域下游綠洲的可持續(xù)發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境保護發(fā)揮科學指導作用。

1 研究區(qū)概況

開都河流域下游綠洲的地理位置處于新疆自治區(qū)焉耆盆地，在行政上隸屬于焉耆縣、和靜縣、博湖縣、碩縣。該綠洲為人工綠洲，有著典型的干旱區(qū)特征[8]。在氣候方面屬于大陸荒漠性，常年氣溫較低，但最高氣溫和最低氣溫差距很大，而每年的降水量也很低，一般雨季為6至8月，其它月份很少降雨。該地區(qū)的風沙型地貌較為突出，自然植被多為以檉柳為主的灌木從、多汁木本鹽柴類植物、梭梭、芨芨草叢、沙拐棗和蘆葦。人工植被主要有小麥、玉米、棉花、辣椒、番茄等。植被覆蓋總面積為3624 km2。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

采用的遙感影像數(shù)據(jù)為三個不同的時間段：第一個時間段為1990年7月，第二個時間段為2000年8月，第三個時間段為2010年9月。均選取研究區(qū)6～9月夏季期間，植被長勢較好，云量均小于10%的遙感影像。能夠充分反映出該區(qū)域的植被情況，所以相互之間的對比有很強的代表性。通過遙感影像處理軟件對其三幅影像進行圖像配準、幾何校正等圖像預處理操作。

2.2 研究方法

2.2.1 像元二分模型 該模型比較簡單、實用，一般假設(shè)其像元構(gòu)成僅是裸土和植被[10,11]。Sveg為像元都是植被純覆蓋信息，而混合像元的植被覆蓋信息SV是Sveg與其植被覆蓋度Fc的乘積；同樣道理，Ssoil為像元都是裸土純覆蓋信息，而混合像元的裸土覆蓋信息Sg是Ssoil與其裸土覆蓋比度1-Fc的乘積。利用公式換算，得出植被覆蓋度Fc公式如下：

2.2.2 計算植被覆蓋度 在計算過程中采用了歸一化植被指數(shù)（NDVI），該指數(shù)主要用于植被生長情況的檢驗。有學者在研究中發(fā)現(xiàn)NDVI跟植被覆蓋度的擬合度比較高[12]。所以結(jié)合像元二分模型和NDVI對植被覆蓋度進行計算，其公式如下：

在式（2）中，NDVIveg是植被全覆蓋區(qū)域的NDVI值，NDVIsoil是裸土全覆蓋區(qū)域的NDVI值。結(jié)合影像的NDVI統(tǒng)計值，主要選擇NDVIveg和NDVIsoil作為遙感影像之間的最大值跟最小值。NDVImin值取NDVI頻率累計表上取頻率為5%的值，NDVImax值取NDVI頻率累計表上取頻率為95%的值。公式（2）可轉(zhuǎn)化為：

2.2.3 植被覆蓋等級劃分 結(jié)合前人分級標準以及野外實地調(diào)研。制定開都河流域下游綠洲植被覆蓋等級。如表1所示。

表1 植被覆蓋等級劃分表Table 1 The classification for vegetation coverage

2.2.4 植被覆蓋動態(tài)變化分析 利用差值法對每個年份產(chǎn)生的植被覆蓋度變化進行量化，其中△Fy為變化值，公式如下：

式中，F(xiàn)1和F2分別為前一時期和后一時期的植被覆蓋度等級，△Fy為后一時期相對于前一時期的植被覆蓋度變化量，其變化程度通過植被覆蓋度差值表示，按以下式子劃分：（1）當△Fy＝－1時記為退化；（2）當△Fy＝0時記為不變；（3）當△Fy＝1時記為改善。

2.2.5 植被覆蓋重心遷移模型 前人引用人口地理學中的人口分布重心原理，利用重心遷移對土地利用、沙漠化程度以及經(jīng)濟和人口等重心變化進行計算統(tǒng)計[13,14]，分析其在空間上的變化特征。本文采用重心遷移模型計算不同程度植被覆蓋度土地分布的重心，計算公式如下：

式(5)～(6)中：Xt、Yt是第t年植被覆蓋重心經(jīng)緯度的坐標；n是第t年植被覆蓋土地的斑塊數(shù)，Cti是第t年植被覆蓋第i個斑塊的面積；Xti、Yti是第t年植被覆蓋土地第i個斑塊的幾何重心坐標。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被類型面積變化

由公式3以及結(jié)合植被覆蓋度等級劃分標準（表1）繪制出1990、2000、2010年四種植被覆蓋類型的面積統(tǒng)計圖（圖1）。

圖1 研究區(qū)植被覆蓋度不同類型面積統(tǒng)計Fig.1Areas of vegetation coverage with different types in the studied districts

由圖1可知，從1990至2010年，四種不同植被覆蓋度發(fā)生了較大的變化，其中極地植被覆蓋和高植被覆蓋區(qū)面積均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，而低植被覆蓋區(qū)以及中植被覆蓋區(qū)的覆蓋面積則是開始減少，后面增加。說明在1990～2000年研究區(qū)植被覆蓋狀況呈現(xiàn)較為良好的態(tài)勢。到2010年，研究區(qū)植被表現(xiàn)出退化趨勢，低植被覆蓋區(qū)面積明顯增加。

3.2 不同類型植被覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣分析

為了更好反映研究區(qū)20年間植被覆蓋的變化趨勢，建立了兩個時間段的植被覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣，定量描述研究區(qū)植被覆蓋度的動態(tài)變化特征，如表2和表3所示。

表2 1990～2000年植被覆蓋的轉(zhuǎn)移矩陣Table 2 Transfer matrix of vegetation coverage from 1990 to 2000

表3 2000～2010年植被覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣Table 3 Transfer matrix of vegetation coverage from 2000 to 2010

由表2可知，1990～2000年間，極低植被覆蓋區(qū)、低植被覆蓋區(qū)和中植被覆蓋區(qū)三種植被覆蓋度向高植被覆蓋區(qū)轉(zhuǎn)移為主?？傮w來看，1990～2000年植被覆蓋的正向轉(zhuǎn)移比負向轉(zhuǎn)移程度大，植被的恢復狀況較為良好。由表3可知，2000～2010年植被覆蓋度轉(zhuǎn)移趨勢與1990～2000年相比呈現(xiàn)下降趨勢，次級覆蓋區(qū)向高級覆蓋區(qū)轉(zhuǎn)移率明顯下降，說明植被退化較為嚴重，導致植被退化原因可能是由于研究區(qū)的自然條件和人為作用共同影響下產(chǎn)生的。

3.3 植被覆蓋空間變化分析

利用差值法結(jié)合公式3計算得到開都河下游綠洲20年面積變化表（表4）并繪制植被覆蓋空間變化圖（如圖2）。可知開都河下游綠洲植被變化類型中除保持不變外改善類型占主要部分，而在開都河下游中部地區(qū)以及博斯騰湖北岸植被覆蓋表現(xiàn)出明顯的退化現(xiàn)象。

表4 1990～2010年植被覆蓋度等級面積變化Table 4Areas of vegetation coverage from 1990 to 2010

圖2 研究區(qū)1990～2010年植被覆蓋變化的空間差Fig.2 Spatial difference of vegetation coverage changes in the studied area from 1990 to 2010

利用重心遷移模型對不同植被覆蓋類型的重心坐標進行計算，植被覆蓋類型的空間分布自西向東依次為“極低植被覆蓋→中植被覆蓋→高植被覆蓋→低植被覆蓋”。1990～2000年間，極低植被覆蓋類型和中植被覆蓋類型重心向西北方向遷移，低植被覆蓋重心的偏移方向為東南方。高植被覆蓋重心的偏移方向為東北方，遷移距離最大。2000～2010年極低植被覆蓋類型和高植被覆蓋類型重心偏移方向相同，均向東北方向遷移，但遷移距離不大。而低植被覆蓋類型和中植被覆蓋類型重心點出現(xiàn)明顯的遷移，分別向西北方向和東南方向遷移。各種植被覆蓋重心遷移方向與其空間的分布趨勢大致相同。因此，通過重心遷移模型和植被覆蓋度空間變化的有機結(jié)合，能夠定量地、定性地、直觀的描述研究區(qū)植被覆蓋度的空間變化規(guī)律。

4 結(jié)論

通過上述分析可以得出：

（1）從三期不同時期遙感影像得出，近20年研究區(qū)四種植被覆蓋類型中，極地植被覆蓋和高植被覆蓋區(qū)面積先增加后減少，而低植被覆蓋區(qū)和中植被覆蓋區(qū)面積呈現(xiàn)先減少后增加的發(fā)展趨。

（2）開都河流域下游綠洲1990～2010年20年來植被覆蓋度總體上呈恢復趨勢，其中西北部以及南部植被改善較為明顯，而北部和西南部以及開都河下游中部植被有所退化。

（3）1990～2010年間高植被覆蓋類型和低植被覆蓋類型重心遷移最為明顯。

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Dynamic Changes of Vegetation Coverage in the Oasis of the Lower Reaches of Kaidu River Based on Dimidiate Pixel Model

CHEN Nan1,2,LI Xin-guo1,2*,LIU Bin3
1.College of Geographic Sciences and Tourism/Xinjiang Normal University,Urumqi 830054,China
2.Xinjiang Laboratory of Lake Environment and Resources in Arid Zone,Urumqi 830054,China
3.College of Life Sciences/Xinjiang Normal University,Urumqi 830054,China

Based on Landsat TM images during three periods,this paper selected the dimidiate pixel model and barycenter model to analyze the changes of vegetation coverage in the oasis of the lower reaches of Kaidu River Basin District from 1990～2010.The results showed that ares of the coverage in polar and high vegetation districts increased first and then decreased,the ares in low and middle vegetation districts cut down first and then increased.Changes in vegetation coverage showed to improve as a whole,only but this improvement was more obvious in northwestern and southern districts,it degraded in northern and southwestern districts.There was a obvious barycenter migration in the high and low vegetation coverage districts from 1990 to 2010.

Dimidiate pixel model;Barycenter migration model;vegetation;dynamic changes

Q948.15+6

:A

:1000-2324(2017)02-0199-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2017.02.007

2016-10-09

:2016-11-12

國家自然科學基金項目:新疆天山南坡中段種子植物區(qū)系特征及其垂直分布格局研究(31360039);國家自然科學基金項目:博斯騰湖西岸湖濱綠洲鹽漬土剖面土壤性質(zhì)演化及其高光譜響應(41661047)

陳 楠(1990-),女,碩士研究生,主要從事資源環(huán)境遙感研究工作.E-mail:cn900627@sina.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:onlinelxg@sina.com