基于遙感和GIS的陜南地區(qū)近20年植被覆蓋時(shí)空變化特征

蘇 嫄, 王志杰

(1.貴州大學(xué) 林學(xué)院, 貴陽 550025; 2.貴州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 貴陽 550025)

植被是地球系統(tǒng)中的活躍成員，陸地生態(tài)系統(tǒng)的任何變化必然在植被類型、數(shù)量或質(zhì)量方面有所響應(yīng)[1]。植被不僅可以為動(dòng)植物提供必不可少的棲息地，而且通過對陸地表面的保護(hù)、氣候的改善、生態(tài)過程的維持以及生物多樣性的保護(hù)等提供重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[2]。植被覆蓋度(Vegetation coverage)是指單位面積內(nèi)植被地上部分(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)面積的百分比，是植物群落覆蓋地表狀況的一個(gè)直觀、綜合的量化指標(biāo)，是描述植被群落及生態(tài)系統(tǒng)的重要參數(shù)。因此，植被覆蓋及其變化不僅是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境變化的重要指標(biāo)，而且對水文、生態(tài)、全球變化等都具有重要的意義[3-7]。同時(shí)，隨著遙感(RS)技術(shù)和的地理信息系統(tǒng)(GIS)的快速發(fā)展，利用遙感技術(shù)獲取相關(guān)植被覆蓋數(shù)據(jù)[8-9]，運(yùn)用GIS空間分析方法，為長時(shí)間大范圍的動(dòng)態(tài)監(jiān)測植被覆蓋狀況提供了經(jīng)濟(jì)高效的數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)支持。

目前國內(nèi)外學(xué)者基于遙感和GIS對植被覆蓋變化進(jìn)行了大量的研究，并取得了一定成果，主要包括植被指數(shù)變化及其與生態(tài)環(huán)境因子的關(guān)系[4,10-12]、植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化研究[5,7,13-15]、植被覆蓋監(jiān)測研究[8,9,16]以及植被覆蓋度的提取算法及模型研究[17-20]等，但研究主要集中在青藏高原、黃土高原、內(nèi)蒙古草原以及新疆等干旱半干旱地區(qū)。然而，在陜南地區(qū)這方面的研究鮮有報(bào)道，加之該地區(qū)北靠秦嶺，南依巴山，地形起伏大，降雨豐富，是我國中部地區(qū)生態(tài)安全屏障區(qū)和南水北調(diào)中線工程水源涵養(yǎng)區(qū)，也是環(huán)境變化響應(yīng)的敏感區(qū)域[21]，植被覆蓋的優(yōu)劣直接關(guān)系到漢江上游流域的水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，對南水北調(diào)中線工程的運(yùn)行具有重要影響?；诖?，本研究以陜南地區(qū)1995年、2000年、2005年、2010年、2014年Landsat TM遙感影像為基本數(shù)據(jù)源，利用GIS空間分析技術(shù)，分析陜南地區(qū)近20 a的植被覆蓋時(shí)空變化特征及內(nèi)部轉(zhuǎn)移特征，并探討其影響因素，以期為陜南地區(qū)城市規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境的評價(jià)、保護(hù)和建設(shè)提供重要的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

陜西地區(qū)位于陜西省南部，北靠秦嶺、南倚巴山，漢江自西向東穿流而過，從西往東依次是漢中(東經(jīng)105°30′50″—108°16′45″，北緯32°08′54″—33°53′16″)、安康(東經(jīng)108°00′58″—110°12′，北緯31°42′24″—33°50′34″)和商洛(東經(jīng)108°34′20″—111°1′25″，北緯33°2′30″—34°24′40″)(圖1)。陜南是國家南水北調(diào)工程的重要水源涵養(yǎng)地，西邊與甘肅相鄰，南部與四川、重慶、湖北相接，東與河南毗鄰，北與寶雞、西安、渭南3市接壤，總面積6.99萬km2，約占陜西省總面積的35%；境內(nèi)氣候類型具有特殊性，西部屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，東部為北亞熱帶與暖溫帶過度地域；全區(qū)氣候溫和，雨量充沛，四季分明，年平均氣溫12～15℃，年有效積溫3 500～4 500℃，年降水量700～1 300 mm，年日照時(shí)數(shù)1 395～1 729 h[22-24]。

境內(nèi)植被覆蓋良好，森林覆蓋率高達(dá)55.5%以上，以天然林為主，天然林面積占研究區(qū)總面積的45.1%[22-23]。森林覆蓋率及天然林覆蓋率均居全省之冠。同時(shí)，研究區(qū)水資源極為豐富，約96%的面積屬于長江流域，其中漢江和嘉陵江均為長江的一級支流，丹江為漢江的一級支流，黃河流域主要分布在研究區(qū)東部的商洛市洛南縣，其主要河流為洛河[22]。

圖1 陜南地區(qū)地理位置概況

2 數(shù)據(jù)處理及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

(1) 遙感影像數(shù)據(jù)。本研究所用的遙感影像均通過國際空間數(shù)據(jù)共享平臺(tái)獲取，影像獲取時(shí)間分別為1995年7月14日、2000年9月17日、2005年9月20日、2010年8月5日和2014年7月24日，共5期TM遙感影像，空間分辨率為30 m×30 m，坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS_1 984_UTM_Zone_49 N，含云量小于10%，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。在進(jìn)行植被覆蓋度提取之前，首先基于ENVI 5.1軟件對各期遙感影像依據(jù)研究區(qū)地形圖和矢量邊界進(jìn)行配準(zhǔn)、校正和裁剪等預(yù)處理。

(2) DEM數(shù)據(jù)。采用地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站提供的研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m×30 m，坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS_1984_UTM_Zone_49 N，對獲取的DEM數(shù)據(jù)根據(jù)研究區(qū)矢量邊界進(jìn)行裁剪。

2.2 研究方法

(1) 歸一化植被指數(shù)計(jì)算(NDVI)。歸一化植被指數(shù)(NDVI)是指植物生長、覆蓋、生物量和植被種類等情況的綜合反映，與植被分布密度呈線性關(guān)系，是指示大尺度植被覆蓋的良好指標(biāo)。NDVI的計(jì)算公式為：

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

(1)

式中：NIR為近紅外波段亮度值;R為紅光波段亮度值[25]。

(2) 植被覆蓋度估算。植被覆蓋度是指植被冠層的垂直投影面積與土地總面積之比。植被覆蓋度與歸一化植被指數(shù)之間存在一定關(guān)系，利用歸一化植被指數(shù)可以推測出植被覆蓋度f。植被覆蓋度的計(jì)算公式如下：

(2)

式中：NDVIsoil是無植被覆蓋區(qū)域的裸土像元NDVI值；NDVIveg則代表完全植被覆蓋的像元的NDVI值。影響該模型精度的關(guān)鍵在于NDVIveg，NDVIsoil的取值，在沒有實(shí)測數(shù)據(jù)下，取NDVIsoil為影像中NDVImin，NDVIveg取影像中NDVImax[25-26]。

(3) 植被覆蓋度分級。參考前人研究成果[27-29]，本研究將植被覆蓋度分為5級：Ⅰ級，低覆蓋度(0%～30%)，Ⅱ級，中低覆蓋度(30%～45%)，Ⅲ級，中等覆蓋度(45%～60%)，Ⅳ級，中高覆蓋度(60%～75%)，Ⅴ級，高覆蓋度(75%～100%)，并利用ArcGIS 10.1軟件對植被覆蓋度進(jìn)行分級(圖2)。

圖2 1995-2014年植被覆蓋度分級

(4) 海拔分級。海拔是指地面某個(gè)地點(diǎn)高出海平面的垂直距離。本研究參考崔曉臨等[30]對秦嶺地區(qū)海拔高程的劃分，結(jié)合陜南地區(qū)高程特征，將陜南地區(qū)海拔高程劃分為4個(gè)類型：丘陵(<500 m)、低山(500～1 000 m)、低中山(1 000～2 000 m)和高山(>2 000 m)(圖3)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被覆蓋等級時(shí)間變化特征

統(tǒng)計(jì)分析陜南地區(qū)5個(gè)時(shí)期不同植被覆蓋等級面積比例(表1)發(fā)現(xiàn)：研究區(qū)植被覆蓋整體狀況良好，5個(gè)不同植被覆蓋等級所占面積比例總體上表現(xiàn)為Ⅴ級>Ⅲ，Ⅳ級>Ⅰ，Ⅱ級。隨時(shí)間變化5個(gè)不同等級覆蓋度植被面積差異明顯，Ⅴ級呈增加—降低—再增加趨勢，Ⅳ級呈先降低后增加趨勢，Ⅱ和Ⅲ級呈降低—增加—再降低趨勢，Ⅰ級呈先增加后降低趨勢，但整體上表現(xiàn)為Ⅴ級呈波動(dòng)性增加趨勢，1995年其面積比例為23.58%，2014年上升到75.52%，其他4級均呈現(xiàn)波動(dòng)性降低趨勢，1995年其面積比例為1.12%～41.03%，2014年降低到1.11%～12.87%?？梢姡兡系貐^(qū)近20 a的植被覆蓋狀況良好，整體上以Ⅴ級高植被覆蓋度為主(75%以上)，且高植被覆蓋度所占面積隨時(shí)間變化不斷增加，其他4級植被覆蓋度所占面積隨時(shí)間變化波動(dòng)減少。

圖3 陜南地區(qū)海拔分級

植被覆蓋等級1995年面積/km2比例/%2000年面積/km2比例/%2005年面積/km2比例/%2010年面積/km2比例/%2014年面積/km2比例/%Ⅰ783.851.121960.632.792381.933.394846.416.89777.991.11Ⅱ6580.409.364674.866.641114.731.595010.067.122189.613.11Ⅲ17503.1624.919035.4612.8418784.9426.739870.2214.035200.507.39Ⅳ28835.4041.0310048.5514.28828.471.188904.8112.669055.6612.87Ⅴ16570.9223.5844643.4563.4547163.6867.1141731.3859.3153139.1875.52

3.2 不同植被覆蓋等級空間分布特征

(1) 水平分布特征。1995—2014年陜南地區(qū)不同植被覆蓋等級在不同行政區(qū)域的分布特征差異明顯(表2)。1995年和2000年，漢中市、安康市和商洛市整體上是以Ⅳ級植被覆蓋度為主，其面積比例高達(dá)62.71%～64.90%，且在漢中市的分布面積最廣，其面積分別達(dá)到17 614.41 km2，17 019.25 km2；2005年、2010年和2014年3市的不同植被覆蓋等級面積均表現(xiàn)為V>Ⅳ>Ⅲ>Ⅱ>I，V級植被覆蓋度所占面積比例最大，約占50%～78%，且在不同行政區(qū)域上存在差異，其中商洛市的分布面積最少，面積變化為9 763.81 km2～13 665.43 km2，2005年和2010年在漢中市的分布面積最大，分別為17 666.04 km2，15 960.01 km2，2014年安康市的分布面積最大為18 295.12 km2?？梢?，研究區(qū)植被覆蓋度在2005年之前是以中高植被覆蓋度為主，且主要分布在漢中市，2005之后是以高植被覆蓋度為主，主要分布在安康市和漢中市，商洛市的分布面積最少。

表2 1995-2014年陜南地區(qū)不同植被覆蓋等級在不同行政區(qū)域分布特征

(2) 垂直分布特征。分析1995—2014年不同海拔區(qū)域不同植被覆蓋等級空間分布特征(表3)發(fā)現(xiàn)：低中山和高山區(qū)域整體上是以Ⅴ級，高植被覆蓋度為主(低中山1995年以Ⅳ級為主)，其面積比例高達(dá)59.55%～84.71%；低山區(qū)在1995年和2000年以Ⅲ，Ⅳ級為主，二者面積比例之和分別為77.27%和60.24%，2005—2014年3個(gè)時(shí)期以Ⅴ級為主，所占面積比例變化在35.51%～61.04%之間；丘陵區(qū)域在1995年和2000年主要是以Ⅱ級和Ⅲ級植被為主，二者面積比例之和分別為66.41%和53.97%，2005年主要是以Ⅲ級為主，所占面積比例為59.46%，2010年主要是以Ⅰ級和Ⅱ級為主，二者面積比例之和為52.94%，2014年是以Ⅳ級和Ⅴ級為主，二者面積比例之和為57.49%?？梢?，研究區(qū)不同海拔區(qū)域不同植被覆蓋等級的分布特征差異明顯，整體上表現(xiàn)為海拔較高的低中山和高山區(qū)域是以高植被覆蓋度為主，低山區(qū)域是以中等、中高以及高覆蓋度為主，海拔較低的丘陵區(qū)域則是以低、中低和中等覆蓋度為主，即隨海拔升高植被覆蓋度等級隨之增大。

3.3 不同植被覆蓋等級內(nèi)部轉(zhuǎn)移特征

對5個(gè)時(shí)期植被覆蓋度等級圖進(jìn)行空間疊加分析，得出4個(gè)時(shí)段5個(gè)等級植被覆蓋度面積轉(zhuǎn)移特征(圖4)，結(jié)果表明：1995—2000年，Ⅳ級植被覆蓋度向Ⅴ級植被覆蓋度轉(zhuǎn)移面積較大為7 489.05 km2，其次是Ⅲ級向Ⅳ，Ⅴ級轉(zhuǎn)移，其面積分別為2 598.29 km2，4 324.51 km2，變化區(qū)域主要分布在漢中市西部的略陽縣、寧強(qiáng)縣、留壩縣、勉縣和南鄭縣，安康市的平利縣、鎮(zhèn)平縣以及商洛市的柞水縣和鎮(zhèn)安縣也有零星分布，而中、高覆蓋度向中低和低覆蓋度轉(zhuǎn)移面積相對較少?？梢?，該時(shí)段研究區(qū)植被覆蓋整體呈緩慢恢復(fù)狀態(tài)。2000—2005年，Ⅳ級向Ⅴ級轉(zhuǎn)移最大為21 627.89 km2，其次是Ⅲ級向Ⅳ，Ⅴ級轉(zhuǎn)移，其面積分別為4 851.47 km2，6 531.51 km2，三市均大面積分布，中、高覆蓋度向中低和低覆蓋度轉(zhuǎn)移面積相對較少，且零散分布。說明該時(shí)段植被覆蓋處于快速恢復(fù)狀態(tài)。2005—2010年，Ⅴ級向其他4級轉(zhuǎn)移面積均較高，變化在1 241.47～6 994.78 km2，且向Ⅲ，Ⅳ級的轉(zhuǎn)移面積達(dá)到該時(shí)期最大，分別為6 994.78 km2，6 824.07 km2，除漢中市漢臺(tái)區(qū)、城固縣和洋縣的中部以及南鄭縣，安康市漢濱區(qū)，商洛市商州區(qū)和洛南縣，在其他縣區(qū)均呈分散分布?？梢姡摃r(shí)段研究區(qū)植被覆蓋呈現(xiàn)明顯的退化趨勢。2010—2014年，Ⅳ級向Ⅴ級轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移面積最大，為6 368.51 km2，其次是Ⅲ級向Ⅴ級，轉(zhuǎn)移面積為6 065.46 km2，集中分布在研究區(qū)的中南部和東北部，其他縣區(qū)零散分布，中、高覆蓋度向中低、低覆蓋度轉(zhuǎn)移面積相對較少。說明研究區(qū)植被覆蓋再次處于緩慢恢復(fù)狀態(tài)。

表3 1995-2014年陜南地區(qū)不同植被覆蓋等級在不同海拔區(qū)域分布特征

圖4 1995-2014年陜南地區(qū)不同植被覆蓋等級內(nèi)部轉(zhuǎn)移特征

4 結(jié)論與討論

植被覆蓋度是植物群落覆蓋地表狀況的一個(gè)直觀、綜合的量化指標(biāo)，也是表征生態(tài)環(huán)境變化的綜合指示器[3,5-7]，對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境變化有著重要的指示作用。本研究基于陜南地區(qū)1995—2014年5期不同的Landsat TM遙感影像數(shù)據(jù)，并利用GIS空間分析技術(shù)，對陜南地區(qū)近20 a的植被覆蓋時(shí)間變化特征、空間分布特征及內(nèi)部轉(zhuǎn)移特征進(jìn)行了分析，研究表明：陜南地區(qū)近20 a的植被覆蓋狀況良好，整體上以Ⅴ級高植被覆蓋度為主，這是因?yàn)殛兡系貐^(qū)冬無嚴(yán)寒、雨量充沛、水熱資源豐富，為該地區(qū)的植被生長提供了得天獨(dú)厚的條件[31]，另外，與該地區(qū)退耕還林等一系列生態(tài)建設(shè)工程的實(shí)施關(guān)系密切[5]。崔曉臨等對陜西省植被覆蓋變化的研究也表明：陜南秦巴山區(qū)植被覆蓋較高，平均覆蓋率高達(dá)84%[32]。同時(shí)，高植被覆蓋度所占面積隨時(shí)間變化不斷增加，其他4級植被覆蓋度所占面積隨時(shí)間變化波動(dòng)減少。說明20 a間該地區(qū)的植被覆蓋結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)穩(wěn)步好轉(zhuǎn)趨勢，與陜西省的植被覆蓋結(jié)構(gòu)基本一致[5,28]。

不同植被覆蓋等級空間分布特征差異明顯。在不同行政區(qū)劃上，表現(xiàn)為1995—2005年植被覆蓋是以中高植被覆蓋度為主，主要分布在漢中市，2005年之后是以高植被覆蓋度為主，主要分布在安康市和漢中市，商洛市的分布面積最少。這與雒新萍等[28]的研究結(jié)果：漢中市的留壩縣、城固縣、洋縣、南鄭縣、西鄉(xiāng)縣，安康市的寧陜縣、平利縣、鎮(zhèn)坪縣的NDVI指數(shù)均達(dá)到0.5以上，以高覆蓋植被占絕對優(yōu)勢基本一致。在不同海拔梯度上，整體上表現(xiàn)為海拔較高的低中山和高山區(qū)是以高覆蓋度植被為主，低山區(qū)是以中等、中高覆蓋度為主，海拔較低的丘陵區(qū)則以低、中低和中等覆蓋度為主，即隨海拔升高植被覆蓋度等級隨之增大。這是因?yàn)殡S著海拔升高，人類活動(dòng)強(qiáng)度和植被類型發(fā)生均變化。海拔小于500 m的丘陵是以農(nóng)耕植被為主，500～1 000 m范圍的低山是以灌叢等植被類型為主，均受人類活動(dòng)影響較大，植被覆蓋較低，而海拔升高到1 000 m以上的低中山和高山，植被是以闊葉林和針葉林為主，人類活動(dòng)的強(qiáng)度在地形條件的限制下，對植物生長的干預(yù)程度逐漸減小，植被覆蓋保持良好，主要是以高覆蓋植被(60%～100%)為主[30]。

本研究還顯示陜南地區(qū)近20 a不同植被覆蓋等級之間變化過程頻繁，其中，1995—2005年和2010—2014年，主要為中等和中高覆蓋度植被向Ⅴ級高覆蓋度植被轉(zhuǎn)移，在三市均分布廣泛；2005—2010年，Ⅴ級植被高覆蓋度向其他4級轉(zhuǎn)移均較大，各縣區(qū)分散分布。說明期間研究區(qū)植被覆蓋整體上呈現(xiàn)“恢復(fù)—退化—恢復(fù)”的變化趨勢。這是由于1999年起陜南地區(qū)開始實(shí)施退耕還林工程，林地面積顯著增加，至2007年底陜南三市退耕還林870.36萬畝，而漢中、安康、商洛3市逐年累計(jì)造林面積與植被覆蓋度之間有極顯著的相關(guān)關(guān)系，因此，研究區(qū)植被得以快速恢復(fù)，植被覆蓋度明顯上升[5,33-34]。但值得注意的是，在生態(tài)恢復(fù)的背景下，2005—2010年植被覆蓋卻有明顯退化趨勢，這與雒新萍等的研究結(jié)果：2004年秦巴山區(qū)植被NDVI指數(shù)達(dá)到最大值(0.511)，之后稍有回落[28]基本一致。其原因可能除了氣候條件的變異，城市擴(kuò)展也是導(dǎo)致城市周邊植被遭到破壞，致使植被覆蓋下降的主要原因之一[35]。同時(shí)，與當(dāng)?shù)厝丝谠黾?、土地利用方式的改變等因素密切相關(guān)。本研究組通過對陜南地區(qū)1995—2014年土地利用類型轉(zhuǎn)移面積的分析也發(fā)現(xiàn)，2005—2010年，由于研究區(qū)人口快速增加，為滿足人們對土地資源的需求，林地向農(nóng)用地轉(zhuǎn)移面積高達(dá)2 991.44 km2，導(dǎo)致林地面積大幅度減少，植被覆蓋明顯降低。

本研究對陜南地區(qū)近20 a的植被覆蓋時(shí)空變化特征和內(nèi)部轉(zhuǎn)移變化特征進(jìn)行了分析，但對其變化的主要影響因素未做深入討論，而陜南地區(qū)氣候溫和，雨量充沛(年降雨量700～1 300 mm)，四季分明[22-24]，氣候變化(降水、溫度)對植被變化的影響程度相對緩慢，而人為因素尤其是人類活動(dòng)強(qiáng)度快速影響著區(qū)域植被覆蓋變化[28,30,36]。因此，定量研究人類活動(dòng)強(qiáng)度對植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化的影響將是今后研究的重要內(nèi)容。

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