景電灌區(qū)植被覆蓋遙感動態(tài)監(jiān)測

陳 芳，魏懷東，周蘭萍，李 亞

(甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點實驗室/省部共建國家重點實驗室培育基地，甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州 730070)

植被是覆蓋地表的植被群落的總稱，它是連接大氣、土壤和水的重要紐帶，也是生態(tài)系統(tǒng)存在的基礎(chǔ)。植被覆蓋度是描述生態(tài)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)性指標，在干旱與半干旱地區(qū)，植被覆蓋度是干旱防治、風(fēng)沙災(zāi)害防治等的重要影響因子，在干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境中扮演著極為重要的角色[1]。

地表實測和遙感反演是目前獲取植被覆蓋度信息的2種基本途徑。然而，地表實測法雖然可以提供小尺度范圍內(nèi)植被結(jié)構(gòu)和分布狀況的準確變化信息，但由于地表實測需要投入巨大人力、財力且難形成統(tǒng)一的準則，導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)很大的不確定性，因此很難用于大尺度、長時間序列的植被研究。隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，利用多源遙感數(shù)據(jù)進行植被覆蓋度反演是大區(qū)域植被覆蓋研究的主要研究手段[2-4]。

景電灌區(qū)是在景泰川電力提灌工程(簡稱景電工程)的引水灌溉下發(fā)展起來的一塊新型的荒漠綠洲。隨著灌區(qū)建成，在原有的天然荒漠區(qū)建成了大面積的人工綠洲，取得了顯著的經(jīng)濟效益，徹底改變了該區(qū)的干旱缺水狀況和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件[5-6]。但是，在干旱區(qū)發(fā)展揚水灌溉，根本性地改變了區(qū)域環(huán)境的原始發(fā)展規(guī)律，強烈的人類活動干擾使得區(qū)域植被覆蓋發(fā)生巨大變化?；诖?，本研究選用了1987、2001年和2015年3期TM遙感影像，結(jié)合歸一化植被指數(shù)(NDVI)，計算植被覆蓋度，對景電灌區(qū)植被覆蓋度的動態(tài)變化進行遙感監(jiān)測，研究該人工綠洲這3個時期植被覆蓋動態(tài)變化規(guī)律，為灌區(qū)的生態(tài)建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展提供決策支持。

1 研究區(qū)概況

景電灌區(qū)位于甘、寧、蒙三省交界地帶，地理坐標36°43′-37°41′N，103°20′-1 04°15′E。屬溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，年均降水量184.7 mm，年蒸發(fā)量3 040.0 mm，年均風(fēng)速3.50 m·s-1，年日照時數(shù)2 714 h，無霜期190 d左右，多年平均氣溫8.2℃。整個灌區(qū)地勢平坦，土層深厚，光熱資源豐富。灌區(qū)地表徑流和地下水源極為貧乏，在景電工程上水前，地表是以白刺(Nitrariatangutorum)、沙蒿(Artemisiadesertorum)、沙米(Agriophyllumsquarrosum)等為主的固定、半固定沙丘，受人類活動影響很小。景電一期工程于1974年建成，開發(fā)灌溉農(nóng)田2.03萬hm2。景電二期工程于1984年開工建設(shè)，1994年基本建成，設(shè)計灌溉面積3.47萬hm2。自灌區(qū)建成以來，不僅使灌區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)得到了快速發(fā)展，也使得區(qū)域生態(tài)環(huán)境發(fā)生了徹底改變，干旱、荒涼的景泰川逐步變成新型綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)[6-9]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源及遙感數(shù)據(jù)處理

本次植被覆蓋度的動態(tài)變化監(jiān)測區(qū)主要設(shè)為灌區(qū)綠洲，總面積30.25萬hm2。研究數(shù)據(jù)源于1987、2001年和2015年3期的Landsat TM影像，數(shù)據(jù)軌道號為131/34，影像獲取時間分別為1987年9月18日、2001年7月21日和2015年7月13日。同時，項目還收集了研究區(qū)1∶50 000地形圖，氣象、人口、社會經(jīng)濟和野外考察資料及與GPS點相對應(yīng)的實地景觀照片數(shù)據(jù)庫等。

遙感圖像預(yù)處理：對所獲取的影像，首先利用ENVI的FLAASH模型完成輻射定標和大氣校正，得到地表目標的光譜反射信息。然后采用研究區(qū)1∶50 000地形圖對影像進行幾何精校正，并利用研究區(qū)邊界矢量數(shù)據(jù)進行裁剪，最后得到研究區(qū)遙感影像圖[10]。

2.2 像元二分模型

經(jīng)驗?zāi)Ｐ头ê椭脖恢笖?shù)法是遙感植被覆蓋度估算常用的技術(shù)手段。其中，經(jīng)驗?zāi)Ｐ头ㄊ怯蓪崪y樣點構(gòu)建地表植被覆蓋度數(shù)據(jù)與遙感信息的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，然后將該模型推廣到整個研究區(qū)域，從而獲取大面積植被覆蓋度；而植被指數(shù)法是在對光譜信號進行分析的基礎(chǔ)上，通過建立植被指數(shù)與植被覆蓋度的轉(zhuǎn)換關(guān)系來直接計算植被覆蓋度，此方法簡單易行，且諸多研究均顯示很多植被指數(shù)與植被覆蓋度具有較好的相關(guān)性。經(jīng)驗?zāi)Ｐ头▽μ囟▍^(qū)域的實測數(shù)據(jù)具有很強的依賴性，雖然在小范圍區(qū)域具有一定的精度，但在推廣到較大區(qū)域的植被覆蓋研究時卻受到諸多限制[11-13]。本研究所采用的是基于歸一化植被指數(shù)來計算植被覆蓋度的方法。

歸一化植被指數(shù)(NDVI)能夠較為準確地反映地表植被的生長狀況及覆蓋程度等特征，是植被生長及空間分布狀態(tài)的最佳指示因子。NDVI被定義為近紅外波段與紅光波段反射率之差與其反射率之和的比值，即：

(1)

式中，ρn和ρr分別代表地表的近紅外(0.7～1.1 μm)和紅光波段(0.4～0.7 μm)的反射值。

NDVI的理論值區(qū)間為[-1,1]，但是，由于大氣校正后的結(jié)果有部分像元為負值，使得部分區(qū)域計算得到的NDVI在[-1,1]之外，為了便于以后的計算和分析，統(tǒng)一將這些異常值進行處理，將NDVI>1的變?yōu)?，<-1的變成-1，得到去除異常值后的NDVI數(shù)據(jù)。

2.3 基于像元二分模型的植被覆蓋度估算

在NDVI數(shù)據(jù)計算基礎(chǔ)上，通過像元二分模型進行景電灌區(qū)的植被覆蓋度估算，其計算公式如下：

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

(2)

式中，NDVIsoil為無植被覆蓋像元的歸一化植被指數(shù)值,NDVIveg代表完全被植被所覆蓋的像元的歸一化植被指數(shù)值。

可見，只要確定了NDVIsoil和NDVIveg，便可求算出fc。但是，受植被類型、植被覆蓋季節(jié)變化及土壤類型、顏色、濕度變化等影響，NDVIsoil和NDVIveg的值會隨時間和空間而變化。由于無法根據(jù)植被和土地利用類型獲取具體對應(yīng)的值，所以本研究中采用近似值代替的方法確定NDVIsoil和NDVIveg，即以區(qū)域NDVI累計概率分布直方圖為基礎(chǔ)，將5%和95%的累計百分比設(shè)為置信度區(qū)間，以對應(yīng)區(qū)間的最大值與最小值作為研究區(qū)有效的NDVIsoil和NDVIveg參數(shù)值[14-15]。

2.4 植被蓋度等級的劃分

根據(jù)景電灌區(qū)土地利用類型圖及估算的植被覆蓋度圖，以及國家《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》，“全國沙漠類型劃分原則”，并結(jié)合景電灌區(qū)植被生態(tài)特征及野外調(diào)查驗證，將研究區(qū)的植被按覆蓋度的大小分為極低覆蓋度(fc<10%)、低覆蓋度(10%≤fc<30%)、中覆蓋度(30%≤fc<60%) 和高覆蓋度(fc≥60% ) 4 類。另外， 考慮到農(nóng)田是一特殊的植被群體，不同的作物有不同的種植與收獲時間，僅僅依據(jù)農(nóng)田的光譜數(shù)據(jù)很難準確解譯出農(nóng)田植被區(qū)。同時，農(nóng)田植被蓋度變化的統(tǒng)計也缺少實際意義。鑒于上述原因，再增設(shè)一類農(nóng)田植被，這樣研究區(qū)的植被共分為5類(表1)。

表1 景電灌區(qū)植被覆蓋度分級Table 1 Vegetation coverage classification in Jingtai electrical irrigation area

對每一時期遙感影像，先采用目視解譯法區(qū)分農(nóng)田植被區(qū)，然后通過密度分割處理，生成植被蓋度分級圖(圖1)和各等級面積統(tǒng)計結(jié)果。

圖1 1987年和2015年景電灌區(qū)植被覆蓋度Fig.1 Vegetation coverage image of Jingdian irrigation area in1987 and 2015

2.5 精度驗證

通過實測值與估算結(jié)果的比較分析檢驗植被覆蓋度估算結(jié)果的精度。2015年8月，在植被覆蓋高的季節(jié)，通過實地野外樣地調(diào)查獲得植被覆蓋實測值，利用實測數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度坐標在ArcGIS軟件下提取估算結(jié)果影像中的覆蓋度信息，并和實測數(shù)據(jù)進行比較。通過計算估測值和實測值之間的誤差，景電灌區(qū)植被覆蓋度估算的總體精度可達75%以上。說明基于像元二分模型的植被覆蓋度估算具有較高的精度和可靠性，驗證結(jié)果符合要求．

3 結(jié)果與分析

3.1 景電灌區(qū)植被覆蓋度動態(tài)變化

分類統(tǒng)計1987-2015年不同植被覆蓋等級土地面積變化結(jié)果顯示，景電灌區(qū)低覆蓋度以下面積所占比重較大，1987、2001年和2015年分別占該區(qū)總面積的82.80%、71.06%和61.96%，而中覆蓋度以上區(qū)域所占面積比例均<2%，反映了區(qū)域整體植被覆蓋度情況極差。

不同植被覆蓋度等級類型在不同時段變化趨勢不同，從各時段來看：1)1987-2001年，年均變化率最高的為灌溉農(nóng)田和極低覆蓋度區(qū)域，分別年均增加0.75%和減少0.67%，中、高覆蓋度面積均有所增加，但年均變化率均<0.1%，變化較小。低覆蓋度區(qū)域以年均0.17%的速率減少。2)2001-2015年，面積年均變化率最高是極低覆蓋度和低覆蓋度區(qū)域，極低覆蓋度區(qū)域以年均1.72%的速率急劇減少，低覆蓋度區(qū)域以年均1.06%的速度增加。其余各類型中，灌溉農(nóng)田以年均0.61%的速度增加，中、高覆蓋度區(qū)域以極低的增長速率增加。3)1987-2015年，28 a中面積減少最快的是極低覆蓋度，年均減少1.19%，增加最多的是灌溉農(nóng)田，年均變化率達0.68%。低、中、高覆蓋度面積都有所增加，年變化率分別為0.45%、0.05%和0.01%?？梢钥闯?，研究區(qū)整體植被覆蓋度顯著增加，生態(tài)環(huán)境有極大的改善。

表2 1987、2001年和2015年景電灌區(qū)植被覆蓋度變化Table 2 Vegetation coverage change of Jingtai electrical irrigation area in1987,2001 and 2015 hm2,%

3.2 景電灌區(qū)植被覆蓋度動態(tài)變化分析

為了精確定量計算植被覆蓋度的格局與變化，將不同時期植被覆蓋等級圖進行空間疊加運算，通過不同時期植被覆蓋度等級的轉(zhuǎn)移變化情況分析，對區(qū)域不同植被覆蓋類型之間的相互轉(zhuǎn)化情況進一步監(jiān)測。

表3數(shù)據(jù)顯示，1987-2001年，植被覆蓋度未發(fā)生變化的面積為220 344.53 hm2，占總面積的72.80%，主要由極低覆蓋度和灌溉農(nóng)田構(gòu)成。全區(qū)植被覆蓋發(fā)生變化的過程主要包括：植被恢復(fù)(少植被轉(zhuǎn)化為多植被)、植被退化(多植被轉(zhuǎn)化為少植被)、開荒((非耕地轉(zhuǎn)變成耕地)、棄耕(耕地轉(zhuǎn)變成非耕地)4種。1987-2001年，全區(qū)植被恢復(fù)面積為25 052.31 hm2，占總面積的8.27%。植被退化面積為19 492.11 hm2，占總面積的6.40%。全區(qū)開荒面積達34 773.33 hm2，占總面積的11.49%。棄耕面積3 006.04 hm2，占總面積的1.00%?？梢钥闯觯_荒是這一時期植被覆蓋變化的主要形式。

表3 1987-2001年植被覆蓋度面積轉(zhuǎn)移Table 3 Conversion matrix of vegetation coverage from 1987 to 2001 hm2

注：*數(shù)據(jù)為植被覆蓋度未發(fā)生變化的面積。下同。

由表4可以看出，2001-2015年間，植被覆蓋未發(fā)生變化的面積為206 270.57 hm2，占總面積的68.14%。植被恢復(fù)面積為59 855.86 hm2，占總面積的19.77%。植被退化面積為5 622.98 hm2，占總面積的1.86%。全區(qū)開荒面積達28 312.90 hm2，占總面積的9.35%。棄耕面積2 633.72 hm2，占總面積的0.87%。表明開荒和植被覆蓋度增加是這段時期植被覆蓋變化的主要形式。

3.3 景電灌區(qū)植被覆蓋度變化原因分析

3.3.1 氣候條件對植被覆蓋度的影響 溫度和降水是影響植被覆蓋變化的重要因素，通過景電灌區(qū)地面氣象觀測統(tǒng)計資料(圖2)，受全球氣候變化影響，灌區(qū)年平均氣溫略有增加，長期年降雨量總體呈穩(wěn)定趨勢。在降雨量沒有增加的情況下，平均氣溫的升高會加劇地表水分的蒸發(fā)，進而引發(fā)區(qū)域干旱，影響植物生長。但實際上，1987-2015年研究區(qū)植被覆蓋度并沒有出現(xiàn)退化，反而有較大恢復(fù)，這說明雖然氣候條件與植被有關(guān)，但并不是影響本區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度變化的決定因素。

3.3.2 人為因素對植被覆蓋度的影響 雖然嚴酷的自然條件在一定程度上制約著植被覆蓋的空間分布，但對本區(qū)而言，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)建設(shè)等人類活動才是影響景電灌區(qū)植被覆蓋變化的主要因素。首先，景電工程的實施使得研究區(qū)大面積非耕地轉(zhuǎn)為灌溉農(nóng)田，使得植被覆蓋發(fā)生了根本性的變化[16]；其次，研究區(qū)自1982年開始，就在局部風(fēng)沙危害較為嚴重的區(qū)域?qū)嵤┑兔芏仍炝?、封育等植被恢?fù)措施。近年來，隨著封山造林、天然林保護、退耕還林、三北防護林體系建設(shè)、公益林生態(tài)補償?shù)葒掖笠?guī)模生態(tài)恢復(fù)措施的實施，灌區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況明顯改善。景電二期工程投入使用后，從根本上改善了區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，在騰格里沙漠南緣形成了1 000 km2的綠洲。百萬畝灌區(qū)與三北防護林帶、公益林帶連為一體，很好地保護了區(qū)域的生態(tài)環(huán)境。可以說，景電灌區(qū)植被覆蓋增加的主要原因是因為生態(tài)環(huán)境的改善有利于植被生長。

表4 2001-2015年植被覆蓋度面積轉(zhuǎn)移Table 4 Conversion matrix of vegetation coverage from 2001 to 2015 hm2

圖2 景電灌區(qū)年降雨量、年平均氣溫變化Fig.2 Annual rainfall,annual mean temperature change in Jingtai electrical irrigation area

3 結(jié)論與討論

本研究利用1987、2001年和2015年3期的TM影像，采用基于NDVI的像元二分法模型對景電灌區(qū)28 a來的植被覆蓋度進行了估算，并利用空間疊加運算對該區(qū)的植被變化進行了定量分析。

1)就植被覆蓋空間分布情況而言，研究區(qū)極低覆蓋度和低覆蓋度面積比重較大，這2種植被覆蓋類型在1987、2001年和2015年分別占該區(qū)總面積的82.80%、71.06%和61.96，而中、高覆蓋度區(qū)域所占面積比例均<2%，區(qū)域整體植被覆蓋度情況較差。

2)1987-2015年，景電灌區(qū)植被覆蓋度出現(xiàn)了較大波動，極低覆蓋度面積迅速減少，其所占比例由1987年的62.20%降至2015年的30.86%，年均減少1.19%。面積增加最多的是灌溉農(nóng)田，其所占面積比例由1987年的16.93%增加至2015年的35.91%，年均變化率達0.68%。

3)植被覆蓋等級轉(zhuǎn)移矩陣分析結(jié)果顯示，開荒和植被覆蓋度增加是研究時段內(nèi)植被覆蓋變化的主要形式。1987-2001年，全區(qū)植被恢復(fù)面積占總面積的8.27%，開荒面積占總面積的11.49%。2001-2015年，植被恢復(fù)面積占總面積的19.77%，全區(qū)開荒面積達28 312.90 hm2，占總面積的9.35%。

4)對自然植被而言，溫度和降水是影響植被覆蓋變化的重要因素。但就本區(qū)而言，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)建設(shè)才是植被覆蓋變化的主要因素，景電工程和國家生態(tài)建設(shè)工程的實施使得區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況明顯改善，植被覆蓋增加。

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