基于3S技術的巴林左旗植被覆蓋度與地形影響因素分析

張嵐彪 張嵐晶 馮一帆

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學草原與資源環(huán)境學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.呼和浩特市氣象局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；3.青州耐威智能科技有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

1 研究區(qū)概況

巴林左旗地處于內(nèi)蒙古自治區(qū)東南部，赤峰市北部，經(jīng)緯度范圍在東經(jīng) 118°44′00″～119°48′02″，北緯43°36′53″～48°48′22″之間，研究區(qū)東西寬約 52km，南北長約126km，全旗土地總面積為6644km2。

巴林左旗全年四季分明，屬于溫帶半干旱氣候，年均降水400mm，年均風速3～4m/s，地形地貌相對復雜，具有山地、丘陵、川地這三種類型用地，山地主要集中于巴林左旗北部和西北部，海拔范圍在800～1720m之間，山勢陡峭，溝谷縱橫，坡度范圍較大，主要在25°～45°之間；中南部是丘陵分布區(qū)，山勢低緩，坡度均小于20°，海拔在500～1000m之間；剩余地區(qū)為河谷川地，地勢平坦。整個巴林左旗范圍內(nèi)植被覆蓋度的獲取值分布較為均勻，其中北部和西北部廟子溝——葦子溝——昆都勒——老爺洞一線植被覆蓋率接近1，東南部城區(qū)植被覆蓋度較低，整個東南部區(qū)域植被覆蓋度在0～0.2之間。巴林左旗的復雜地類導致了植被覆蓋度的區(qū)域分布相對獨立，且特點顯著。

2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

多光譜數(shù)據(jù)為美國Landsat8衛(wèi)星的OLI（陸地成像儀）于2014年7月27日的成像數(shù)據(jù)，包括9個波段，空間分辨率為30m，其中包括一個15m的全色波段，成像寬幅為185km×185km。經(jīng)查詢后發(fā)現(xiàn)需要同一天的兩景數(shù)據(jù)拼接才能實現(xiàn)研究區(qū)與全覆蓋，故此次選擇植被狀況良好且無云的數(shù)據(jù)。

傳感器 波段 波長(?m) 分辨率(m)b a n d 1-C o a s t a l(氣溶膠) 0.43-0.45 30陸地成像儀(O L I)b a n d 2-B l u e 0.45-0.51 30 b a n d 3-G r e e n 0.53-0.59 30 b a n d 4-R e d 0.64-0.67 30 b a n d 5-N I R 0.85-0.88 30 b a n d 6-S W I R 1 1.57-1.65 30 b a n d 7-S W I R 2 2.11-2.29 30 b a n d 8-P a n(全色) 0.50-0.68 15 b a n d 9- C i r r u s(卷云) 1.36-1.38 30

DEM選取了ASTERGDEM的全球30mDEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)，一方面更方便與Landsat8數(shù)據(jù)進行分辨率擬合，另一方面也是作為制作坡度數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源。

2.2 數(shù)據(jù)處理

通過ENVI軟件，將Landsat8數(shù)據(jù)進行包括輻射定標、大氣校正、地形校正、影像拼接、直方圖匹配、裁剪等一系列步驟。值得一提的是，由于研究山區(qū)地形植被相關的內(nèi)容，故由于地形起伏以及太陽直射形成的陰坡陽坡而產(chǎn)生的陰影情況對植被影響比較大，而植被在山坡兩端出現(xiàn)的的“同物異譜”現(xiàn)象會在很大程度上影響植被光譜特性，故通過太陽高度角、太陽方位角等參數(shù)對研究區(qū)域地形情況進行校正顯得尤為重要。

植被覆蓋度選取像元二分模型，公式中對于NDVIsoil和NDVIveg這兩個值該實驗中分別取NDVI統(tǒng)計值0值以上5%和95%的數(shù)據(jù)。

對于土地類型的獲取則使用了準確度較高的基于最大似然法的監(jiān)督分類，通過選擇訓練區(qū)定義針葉林、闊葉林、低植被區(qū)域、耕地以及城鎮(zhèn)共五種地物。

而坡度數(shù)據(jù)的獲取則使用了DEM數(shù)據(jù)重投影后在ArcGIS軟件中的坡度計算工具，其原理可大致概括為通過計算高度變化與水平距離變化的比率的反正切值得出以度為單位的坡度，以百分比形式表示的坡度等于高度變化除以水平距離變化再乘100，即得到水平方向的坡度分布。

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋率與土地覆蓋

植被覆蓋度時通常定義下的自然植被面積占地區(qū)總面積的比值。在本文中通過歸一化植被指數(shù)來表示，并進行進一步計算，而歸一化植被指數(shù)NDVI是遙感影像近紅外與紅外波段進行歸一化的結果參數(shù)。利用綠色植物強吸收可見光波段（0.6～0.7μm）和高反射近紅外波段（0.7～1.1μm）的特性。通過變換，增強植被信號，削弱噪聲組合而成。NDVI被定義為近紅外波段與可見光波段數(shù)值之差和這兩個波段數(shù)值之和和比值，計算公式：

其中，b(NIR)為近紅外波段，b(RED)為紅光波段。

植被覆蓋度則由以下公式表示：

其中，NDVI即為研究區(qū)域的NDVI值，NDVIsoil和NDVIveg分別為裸土和完全被植被覆蓋的地表的歸一化植被指數(shù)。

植被覆蓋指數(shù) 0 0-0.2 0.2-0.4 0.5-0.8 0.8-1

植被覆蓋度如上表所示,整個研究區(qū)的總面積為647068公頃，植被覆蓋度的分布整體呈現(xiàn)出西北高，東南低的特點，由西北向東南植被覆蓋度逐漸降低，其中植被覆蓋度低于0.2的面積為163491公頃，占總面積的25.27%，低覆蓋率的地區(qū)主要集中在巴林左旗的東南部野豬溝鄉(xiāng)、毛寶力格鄉(xiāng)、隆昌鎮(zhèn)、白音敖包鄉(xiāng)、查干哈達蘇木、白音溝鄉(xiāng)、福山地鄉(xiāng)、寶力罕吐鄉(xiāng)、哈達英格鄉(xiāng)北部和豐水山鄉(xiāng)部分地區(qū)，其中又以豐水山鄉(xiāng)、查干哈達蘇木、白音溝鄉(xiāng)和毛寶力格鄉(xiāng)的植被覆蓋度最差；植被覆蓋度高于0.8的面積為100520公頃，占總面積的15.53%，主要分布在研究區(qū)西北部和西部的白音烏拉蘇木，浩爾吐鄉(xiāng)和烏蘭達壩蘇木；剩余地區(qū)的植被覆蓋度在0.2～0.8之間，主要分布在四方城鄉(xiāng)，三山鄉(xiāng)，碧流臺鄉(xiāng)，楊家營子鎮(zhèn)和哈拉哈達鄉(xiāng)。

通過對整個巴林左旗研究區(qū)的植被覆蓋度的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)該研究區(qū)的植被覆蓋度從0到1囊括整個區(qū)間，且五類分布區(qū)間的對應面積樣本足夠大，有利于開展相應研究；植被覆蓋度在研究區(qū)的空間分布上較為均勻，且較為整齊，有利于從整個研究區(qū)宏觀的角度分析植被覆蓋度與地面高程、坡度等因子的相關性和未來的演變趨勢。

根據(jù)巴林左旗的實際土地覆蓋情況，將其按不同的植被覆蓋類型分為五類：針葉林、闊葉林、耕地、低植被土地、城鎮(zhèn)。由土地覆蓋類型圖可以看出，巴林左旗的植被覆蓋率較高。且植被類型較為豐富，針葉林集中在巴林左旗北部和西北部的白音烏拉蘇木，浩爾吐鄉(xiāng)和烏蘭達壩蘇木，相對應也是植被覆蓋對最高的的區(qū)域，植被覆蓋指數(shù)達到80%以上；闊葉林占據(jù)北部大部分地區(qū)，其中間或存在低植被區(qū)域，主要是一些灌木和矮喬木；中南部的大面積范圍是低植被地區(qū)，主要分布在白音溝鄉(xiāng)、豐水山鄉(xiāng)、寶力罕吐鄉(xiāng)和白音敖包鄉(xiāng)。城鎮(zhèn)在巴林左旗的分布范圍較小，主要集中在林東鎮(zhèn)和福山地鄉(xiāng)附近；耕地在研究區(qū)范圍內(nèi)的分布較少，將土地利用數(shù)據(jù)與地面高程數(shù)據(jù)相對比，可以明確耕地主要分布在城鎮(zhèn)附近及中北部山腳下。由于本文著重研究植被覆蓋度與影響因子的關系，從另外的角度考量耕地與植被覆蓋的關系。

對比植被覆蓋指數(shù)和土地利用分類圖，在城鎮(zhèn)較為集中的林東鎮(zhèn)和福山地鄉(xiāng)地區(qū)，植被覆蓋度很低，因此，在對植被覆蓋度和其他因子進行相關性分析時，要盡量去除這部分地區(qū)對于相關性分析的影響。耕地在植被覆蓋度的圖像上也顯示有較高的植被覆蓋指數(shù)，但本文的研究內(nèi)容為植被，因此，要排除耕地的影響。

3.2 DEM與植被覆蓋度相關性分析

地面高程（DEM）數(shù)據(jù)反映的是對應柵格點的高程值，在巴林左旗研究區(qū)范圍內(nèi)，DEM的取值范圍是376～1727m。通過ArcGIS軟件按照自然間隔分級的方法重分類為十類，分類區(qū)間如下表，各類高程分別占 總 面 積 的 11.77% 、13.92% 、15.40% 、16.20% 、15.34%、10.95%、7.61%、4.68%、2.91%、1.12%。

由下圖可看出，DEM小于1000m的面積占大多數(shù)，其中主要分布在研究區(qū)的東南部和中部野豬溝鄉(xiāng)、毛寶力格鄉(xiāng)、隆昌鎮(zhèn)、白音敖包鄉(xiāng)、白音溝鄉(xiāng)、福山地鄉(xiāng)、寶力罕吐鄉(xiāng)、哈達英格鄉(xiāng)、豐水山鄉(xiāng)，十三敖包鄉(xiāng)和碧流臺鄉(xiāng)，又以白音敖包鄉(xiāng)、隆昌鎮(zhèn)和毛寶力格鄉(xiāng)的DEM最?。籇EM 大于1000m主要分布在西北部和西部的白音烏拉蘇木，浩爾吐鄉(xiāng)和烏蘭達壩蘇木地區(qū)。

高程(m) 植被覆蓋 0 0-0.2 0.2-0.5 0.5-0.8 0.8-1 11.77%376-524 9035 30899 20394 12910 2903 76141524-635 11381 34792 30474 10002 3765 90414635-736 8741 28995 41963 17114 2866 99679736-826 3085 18082 49410 30365 3872 104814826-916 1252 10729 45092 35868 6304 99245916-1011 697 4003 22228 27836 16102 708661011-1112 332 852 7274 16274 24486 492181112-1223 40 231 2741 7165 20121 302981223-1372 18 120 765 2925 15039 188671372-1727 12 120 610 1530 4970 7242

分析植被覆蓋度和DEM的相關性。為規(guī)避太多小值點和非自然植被植被因素的結果，影響相關性分析，故在針葉林、闊葉林以及低植被區(qū)域提取500個對應點的植被覆蓋度和DEM，進而分析二者之間的關系。將所提取的植被覆蓋度以及DEM數(shù)據(jù)導入統(tǒng)計軟件SPSS中進行統(tǒng)計分析，通過散點圖展現(xiàn)二者的相關性如下圖：

通過散點圖和統(tǒng)計表可分析得出植被覆蓋指數(shù)和地面高程具有線性相關的特性。當DEM的取值范圍較小，在376～524m,524～635m,635～736m這三個DEM分類時，對應地區(qū)白音敖包鄉(xiāng)，豐水山鄉(xiāng)，白音溝鄉(xiāng)和隆昌鎮(zhèn)的植被覆蓋對應值也在0和0～0.2之間；地面高程在 1112～1223m，1223～1372m，1372～1727m的區(qū)間時，對應地區(qū)白音烏拉蘇木，浩爾吐鄉(xiāng)和烏蘭達壩蘇木的植被覆蓋指數(shù)的取值范圍在0.8～1之間。因此，DEM和植被覆蓋指數(shù)具有正相關性。

由分析可得植被覆蓋指數(shù)和地面高程的強相關性，在某段DEM的取值范圍內(nèi)，隨著地面高程的增加，植被覆蓋度也在提高。隨著高程的升高，人類對于森林木材的開發(fā)和利用的成本率大大提高，再加上人類生產(chǎn)生活主要集中在高程較低的林東鎮(zhèn)，福山地鄉(xiāng)，白音敖包鄉(xiāng)等地，使得西北部山區(qū)的植被覆蓋度達到一個很高的數(shù)值。同時，西北部山地的土壤侵蝕較輕，沒有農(nóng)牧業(yè)對植被的破壞，所以，這部分地區(qū)植被覆蓋度較高。

3.3 坡度與植被覆蓋度相關性分析

本文坡度分級按照 0～5°，5～10°，10～15°，15～25°，25～65°這5級劃分。并根據(jù)分級整理出巴林左旗的坡度分布圖(上圖)：

由巴林左旗坡度分布可知，西北地區(qū)多山，地勢陡峭，東南地區(qū)相對平坦，坡度多小于10°，適合農(nóng)耕或放牧。

V F C S l o p e(°) 0～5 5～10 10～15 15～25 25～65 合計0 12540 11800 5261 3831 1163 345940-0.2 46951 45408 19853 13214 3398 1288230.2-0.5 66711 73672 39656 31228 9682 2209500.5-0.8 46101 48564 28842 28140 10341 1619890.8-1 14381 22706 22697 30084 10560 100428合計 186683 202149 116309 106497 35144 646783

坡度分布反映了該地區(qū)的山川走勢，根據(jù)坡度-植被覆蓋度分布可知，按照坡度分級，坡度小于25o時，植被覆蓋度在0.2～0.5占比最多，分別占36%、36%、34%、29%；植被覆蓋度為0占比最小，分別占7%、6%、5%、4%；坡度大于25°時，植被覆蓋度大于0.8占比最大，為30%，植被覆蓋度為0占比最小，為3%。且隨著坡度的增加，植被覆蓋度逐漸上升，尤以昌隆鎮(zhèn)和毛寶力格鄉(xiāng)最為明顯，這兩個地區(qū)的坡度低于10°植被覆蓋度均在0.2左右，而浩爾吐鄉(xiāng)和白音烏拉蘇木，坡度多大于15°，植被覆蓋度均大于0.2，且多數(shù)大于0.5。四城相比，明顯在巴林左旗中，坡度與植被覆蓋度呈現(xiàn)正相關的關系。但是由于林東鎮(zhèn)周圍的工程及人為干預，兩者之間的相關關系減弱。

整體而言，植被覆蓋度在0.5～0.8之間的地區(qū)在不同坡度分布比較均勻，分別為25%、24%、25%、26%和29%。隨著坡度增加，植被覆蓋度大于0.8的比例增加，植被覆蓋度低于0.2的比例降低，且植被覆蓋度在0.2～0.8之間的地區(qū)占比均大于50%，分別為60%、60%、59%、56%和 57%。

以查干哈達蘇木——哈達英格鄉(xiāng)——林東鎮(zhèn)——寶力罕吐鄉(xiāng)——花加拉嘎鄉(xiāng)為界，西北地區(qū)坡度明顯大于東南，植被覆蓋度顯著占優(yōu)，全巴林左旗植被覆蓋度在0.2～0.5最多，有220950公頃，占整體的34%，植被覆蓋度為0的最少，只有34594公頃，占整體的5%。且由于人為的開發(fā)利用，除了位于浩爾吐鄉(xiāng)的水庫外，多數(shù)的裸地（植被覆蓋度為0）分布于東南部的地勢平緩地區(qū)。

4 結論

利用遙感影像和數(shù)字影像數(shù)據(jù)經(jīng)過遙感處理（輻射定標、大氣校正、地形校正、影像拼接、直方圖匹配、圖像裁剪），提取地表植被覆蓋度信息——NDVI和通過監(jiān)督分類提取的土地利用數(shù)據(jù)。結合空間分析軟件ArcGIS，對地面高程DEM，植被覆蓋率和土地利用的空間分布進行分析：DEM在空間范圍內(nèi)呈現(xiàn)北高南低的特點，并從西北山地向東南平原漸次降低；植被覆蓋率在西北部山地區(qū)接近與1，南部人類活動區(qū)植被覆蓋率較低，在城鎮(zhèn)中心附近約為0；從土地利用的角度來對比植被覆蓋率，植被覆蓋率由針葉林——闊葉林——耕地——低植被土地——城鎮(zhèn)依次降低。

將植被覆蓋率與DEM和坡度兩個地形元素進行對比，通過統(tǒng)計軟件SPSS分析兩個因子分別與植被覆蓋度的相關性。將DEM分為七級，通過分析植被覆蓋度與DEM的相關性，發(fā)現(xiàn)這兩者之間具有強相關性，在某段DEM的取值范圍內(nèi)，地面高程的增加，植被覆蓋度也隨之提高。將坡度分為五級，整體范圍內(nèi)分析得出兩者之間的相關性并不強，但在坡度低于10°的昌隆鎮(zhèn)和毛寶力格鄉(xiāng)，坡度大于15°浩爾吐鄉(xiāng)和白音烏拉蘇木，坡度與植被覆蓋度呈現(xiàn)正相關的關系。但是由于人為開發(fā)等各種因素的影響，林東鎮(zhèn)附近兩者之間的相關關系大大減弱。整體而言，大部分植被覆蓋度較低的區(qū)域分布于東南部的地勢平緩地區(qū)。

參考文獻：

[1]陳云浩,李曉兵,史培軍等.北京海淀區(qū)植被覆蓋的遙感動態(tài)研究 [J].植物生態(tài)學報,2001,25(5):588-593.

[2]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.

[3]陳效逑,王恒.1982～2003年內(nèi)蒙古植被帶和植被覆蓋度的時空變化[J].地理學報,2009,64(1):84-94.

[4]宮革英.2006～2013年巴林左旗森林資源變化特征分析[J].內(nèi)蒙古林業(yè)調(diào)查設計,2017,40(4):15-16.

[5]費樹軍,鄧輝,何嵐等.巴林左旗林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)分析與森林培育措施[J].內(nèi)蒙古林業(yè)調(diào)查設計,2004,27(4):3-6.

[6]穆少杰,李建龍,陳奕兆等.2001～2010年內(nèi)蒙古植被覆蓋度時空變化特征[J].地理學報,2012,67(9):1255-1268.

[7]趙麗紅,王屏,歐陽勛志等.南昌市植被覆蓋度時空演變及其對非氣候因素的響應[J].生態(tài)學報,2016,36(12):3723-3733.

[8]劉亞迪,汪小欽,江洪.基于地形調(diào)節(jié)植被指數(shù)估算長汀縣植被覆蓋度[J].國土資源遙感,2015,27(1):164-171.

[9]劉琳,姚波.基于NDVI象元二分法的植被覆蓋度變化監(jiān)測[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2010,26(S1):230-234.

[10]史沖.植被指數(shù)在植被覆蓋度測算中的應用[J].北京測繪,2014,(2):94-97.