基于NDVI的蘭州市城關區(qū)植被覆蓋度變化研究

牛莉婷，周 波，陳建榮，吳玉鋒 ，金 毅

（1.甘肅省水土保持科學研究所，甘肅 蘭州 730020）

基于NDVI的蘭州市城關區(qū)植被覆蓋度變化研究

牛莉婷1，周 波1，陳建榮1，吳玉鋒1，金 毅1

（1.甘肅省水土保持科學研究所，甘肅 蘭州 730020）

基于遙感和地理信息系統(tǒng)技術， 利用2000年Landsat5 TM和2015年Landsat8 OLI兩期遙感影像，提取蘭州市城關區(qū)不同時期的歸一化植被指數(shù)（NDVI），運用像元二分模型估算了植被覆蓋度（FVC），分析了2000～2015年城關區(qū)的植被覆蓋狀況及動態(tài)變化情況。結果表明，15 a間城關區(qū)低植被覆蓋度（0＜FVC≤15%）和中植被覆蓋度（15%＜FVC≤40%）分別增加9%和15%，中高植被覆蓋度（40%＜FVC≤70%）和高植被覆蓋度（70%＜FVC≤100%）分別減少17%和9%；植被覆蓋度增加面積約10 km2，減少面積約21 km2。

遙感；地理信息系統(tǒng)；植被覆蓋度；蘭州市城關區(qū)

本文利用2000年Landsat5 TM影像和2015年Landsat8 OLI影像，基于ENVI5.1軟件提取蘭州市城關區(qū)2000年和2015年的歸一化植被指數(shù)（NDVI）；運用像元二分模型估算植被覆蓋度，并對其劃分等級，根據(jù)差值法分析城關區(qū)15 a來植被覆蓋度的變化情況，從整體上了解該區(qū)域植被的生長和分布狀況，為評價區(qū)域內(nèi)的生態(tài)建設效果提供參考[1-6]。

1 研究區(qū)概況

城關區(qū)是蘭州市的政治、經(jīng)濟、文化、科研、交通及商貿(mào)等的中心，地理坐標為103°45'37"～103°59'00"E、 35°57'50"～36°09'32" N ；東西長 20.02 km，南北寬22.6 km，總面積約 220 km2，海拔為 1 600～2 171 m 。黃河由西向東貫穿整個城關區(qū)，并將其分割為南北兩部分。黃河以北是丘陵溝壑區(qū)，以南是主城區(qū)和皋蘭山山地。整個區(qū)域氣候干燥，溫差大，降水稀少，蒸發(fā)量大，光照充足，太陽輻射強，生態(tài)環(huán)境脆弱。

城關區(qū)南北兩山城郊植被包圍，綠地沿河、溝、路分布，公園、游園植被綠化，形成點、線、面相結合的植被建設體系；并且城關區(qū)擁有豐富的低丘緩坡溝壑等未利用土地資源，大量的荒山溝壑土地比較貧瘠。

2 研究數(shù)據(jù)和研究方法

2.1 研究數(shù)據(jù)的來源與處理

本文采用的數(shù)據(jù)是空間分辨率為30 m的2000-09-21 Landsat5 TM遙感影像和2015-09-15 Landsat8 OLI 遙感影像及蘭州市城關區(qū)的矢量邊界數(shù)據(jù)。兩期遙感影像來源于中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心國際科學數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站 (http://www.gscloud.cn)，數(shù)據(jù)級別為L1T，已經(jīng)做過幾何糾正，精度滿足要求。兩期遙感影像數(shù)據(jù)都攝于植被生長比較良好的時期，對比較區(qū)域的植被變化情況具有一定的可行性。

首先采用ENVI5.1遙感軟件對兩期影像數(shù)據(jù)作輻射定標和大氣校正處理，消除因大氣散射引起的輻射誤差，然后對蘭州市城關區(qū)的矢量邊界數(shù)據(jù)作投影轉換處理，最后利用矢量邊界數(shù)據(jù)裁剪兩期遙感影像，得到城關區(qū)的影像數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 歸一化植被指數(shù)計算

歸一化植被指數(shù)（NDVI）定義為近紅外波段（NIR）與可見光紅波段（R）數(shù)值之差和這兩個波段數(shù)值之和的比值[7]：

歸一化植被指數(shù)（NDVI）既能部分消除由天氣變化、觀察姿態(tài)所造成的誤差，又能較好地反映地表植被的分布狀況，在植被指數(shù)中占居非常重要的位置[8]，是遙感估算植被覆蓋度研究中最常用的一種植被指數(shù)。

利用Landsat5 TM影像，公式（1）可表示為：

利用Landsat8 OLI影像，公式（1）可表示為：

根據(jù)公式（2）、（3），用 ENVI5.1 軟件提取蘭州市城關區(qū)2000-09和2015-09的歸一化植被指數(shù)（NDVI），見圖 1、2 。

計算 2000-09 的 NDVI值為 -0.579～0.773，2015-09 的 NDVI值為 -0.664～0.935，負值表示地表覆蓋為黃河、其他水域等；0表示為無植被覆蓋；正值表示為有植被覆蓋，NDVI值越大，植被覆蓋越好。

圖1 2000年城關區(qū)NDVI圖

圖2 2015年城關區(qū)NDVI圖

2.2.2 植被覆蓋度估算

像元二分模型不受地域限制、不依賴實測數(shù)據(jù)，且能削弱大氣、植被類型及土壤等影響，在采用遙感量測植被覆蓋度的方法中應用十分廣泛[9,10]，故本文采用像元二分模型計算植被覆蓋度。像元二分模型假定一個像元的地表由植被和土壤兩部分組成，每個像元的NDVI是完全被植被覆蓋的NDVI（NDVIveg）和裸地覆蓋的NDVI（NDVIsoil）的線性加權值。利用像元二分模型計算植被覆蓋度的公式為[11,12]：

NDVIveg和NDVIsoil隨地表濕度、土壤類型、植被類型等的變化而變化。本文選擇5%的置信度，在置信度范圍內(nèi)取最大值和最小值，見表1。

表1 NDVIveg和NDVIsoil的取值表

將 表1中2000年、2015年 的NDVIveg和NDVIsoil代入公式（4），計算城關區(qū)的植被覆蓋度。

2.2.3 植被覆蓋度分級

將計算得到的植被覆蓋度分為5個等級[2]：無植被覆蓋（FVC=0） 、低植被覆蓋度（0＜FVC≤15%）、中植被覆蓋度（15%＜FVC≤40%） 、中高植被覆蓋度（40% ＜FVC≤70%）和高植被覆蓋度（FVC＞70%）。在ArcGIS10.2軟件下，根據(jù)上述分級方法對植被覆蓋度進行重分類，得到2個時期的植被覆蓋度分級圖，見圖3、4。

圖3 2000年城關區(qū)植被覆蓋度圖

圖4 2015年城關區(qū)植被覆蓋度圖

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋度時空分布

統(tǒng)計2000年和2015年城關區(qū)各級植被覆蓋度的像元數(shù)以及像元所占整個區(qū)域的比例，見表2、3和圖5。

表2 2000年城關區(qū)各級植被覆蓋度像元比例統(tǒng)計表

表3 2015年城關區(qū)各級植被覆蓋度像元比例統(tǒng)計表

圖5 2000年、2015年各級植被覆蓋度所占像元數(shù)

根據(jù)圖3、4、5和表2、3，城關區(qū)2000年主要以中高植被覆蓋度為主，占總面積的38%，主要分布在黃河以北海拔較高的山地及黃河以南海拔較高、人為干擾較少的皋蘭山山地；無植被覆蓋度占5%，主要分布在黃河和黃河以南地勢比較平緩、人口聚集的主城區(qū)；低植被覆蓋度占11%，主要分布在主城區(qū)；中植被覆蓋度占24%，主要分布在黃河以北海拔較高的山地；高植被覆蓋度占23%，主要分布在皋蘭山山地、主城區(qū)的雁灘區(qū)域和黃河以北的低丘緩坡區(qū)域。2015 年主要以中植被覆蓋度為主，占總面積的39%，主要分布在黃河以北海拔較高的山地；無植被覆蓋度占5%，主要分布在黃河及主城區(qū)；低植被覆蓋度占20%，主要分布在主城區(qū)和黃河以北的山地；中高植被覆蓋度占21%，主要分布在皋蘭山山地；高植被覆蓋度占14%，主要分布在皋蘭山山地和黃河以北的低丘緩坡區(qū)域。

由此看出，城關區(qū)從2000～2015年，無植被覆蓋的總面積無明顯變化；低植被覆蓋度和中植被覆蓋度有所增加，增加幅度分別為9%、15%；中高植被覆蓋度和高植被覆蓋度有所減少，減少幅度分別為17%、9%。

3.2 植被覆蓋度動態(tài)變化

通過ENVI5.1的變化檢測（change detection）工具和ArcGIS10.2的空間分析功能，提取城關區(qū)2000～2015年植被覆蓋度的動態(tài)變化情況，見圖6。

如圖6所示，綠色區(qū)域為植被覆蓋度增加的區(qū)域，紫色區(qū)域為植被覆蓋度減少的區(qū)域。15 a間城關區(qū)植被覆蓋度增加的面積約10 km2，減少的面積約21 km2，增加的區(qū)域主要分布在黃河以北。

圖6 城關區(qū)2000～2015年植被覆蓋度變化圖

3.3 植被覆蓋度變化原因分析

城關區(qū)2000～2015年的植被覆蓋狀況既有改善也有退化。植被覆蓋狀況得到改善的原因主要有：1）在國家和甘肅省的大力支持下，蘭州市建設了南北兩山綠化工程，增加了植被覆蓋，鞏固和提高了兩山的生態(tài)建設；2）退耕地造林、荒山造林、封山育林等退耕還林工程的實施，增大了城關區(qū)的植被覆蓋；3）公園、游園的植被綠化及黃河、道路兩側的植被建設等有效改善了主城區(qū)的植被覆蓋。植被覆蓋狀況退化的原因主要有：1） 蘭州市2012～2016年實施的低丘緩坡溝壑等未利用地綜合開發(fā)利用試點項目中的青白石未利用地綜合開發(fā)利用項目、碧桂園項目和三條嶺未利用地開發(fā)利用項目都位于城關區(qū)黃河以北，項目的實施有效拓展了城關區(qū)發(fā)展的空間，但也不同程度地降低了黃河以北區(qū)域的植被覆蓋；2）建筑業(yè)和房地產(chǎn)業(yè)等的飛速發(fā)展，導致主城區(qū)特別是雁北街道和高新開發(fā)區(qū)的植被退化。

綜上分析，建議城關區(qū)在今后的植被建設中加強對中高植被覆蓋和高植被覆蓋的植被保護，合理開發(fā)未利用地，快速恢復植被退化區(qū)域中的植被，促進低植被覆蓋、中植被覆蓋向中高植被覆蓋、高植被覆蓋的轉化。

4 結 語

本文基于RS和GIS提取蘭州市城關區(qū)的NDVI，采用像元二分模型估算植被覆蓋度，分析15 a間植被覆蓋度的變化情況，技術路線簡單、可操作性強。整體了解城關區(qū)的植被覆蓋狀況，對評估該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境、水土流失綜合治理效果具有重要意義，同時有助于推進城關區(qū)的植被恢復。

[1]陳述鵬.遙感大詞典[M].北京:科學出版社,1990

[2]李娟,龔純偉.蘭州市南北兩山植被覆蓋度動態(tài)變化遙感監(jiān)測[J].測繪科學,2011,3(2):175-177

[3]李小亞,張勃,靳自寶.基于MODIS-NDVI的甘肅河東地區(qū)植被覆蓋度動態(tài)監(jiān)測[J].水土保持研究,2013,20(1):12-115

[4]馬志勇,沈濤,張軍海,等.基于植被覆蓋度的植被變化分析[J].測繪通報,2007(3):45-48

[5]徐勇,奚硯濤,許偉,等.歸一化植被指數(shù)對江蘇省氣溫、降水變化的時空響應特征[J].湖北農(nóng)業(yè)科學,2015,54(3):599-604

[6]夏照華,張克斌,李瑞,等.基于NDVI的農(nóng)牧交錯區(qū)植被覆蓋度變化研究:以寧夏鹽池縣為例[J].水土保持研究,2006,13(6):179-18

[7]黨安榮,王曉棟,陳曉峰,等.ERDAS IMAGINE遙感圖像處理方法[M].北京:清華大學出版社,2003

[8]吳云.基于RS和GIS的植被覆蓋度估算及動態(tài)變化分析-以三北防護林工程區(qū)和河海流域為例[D].阜新:遼寧工程技術大學,2009

[9]牛寶茹,劉俊蓉,王政偉.干旱半干旱地區(qū)植被覆蓋度遙感信息提取研究[J].武漢大學學報(信息科學版),2005,30(1):27-30

[10]李苗苗,吳炳方,顏長珍,等.密云水庫上游植被覆蓋度的遙感估算[J].資源科學,2004,26(4):153-159

[11]Gutman G, Ignaton A. The Derivation of the Green Vegetation Fraction from NOAA/AVHRR Data for Use in Numerical Weather Prediction Models[J]. International Journal of Remote Sensing, 1998,19(8):1 533-1 543

[12]馬俊海,劉丹丹.像元二分模型在土地利用現(xiàn)狀更新調查中反演植被覆蓋度的研究[J].測繪通報,2006(4):13-16

P237.9

B

1672-4623（2017）12-0028-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.12.009

2016-09-27。

甘肅省科技支撐計劃社會發(fā)展類基金資助項目（1504KFCA074）。

牛莉婷，碩士，主要從事3S技術在水土保持中的應用研究。