利用歸一化植被指數(shù)分析地表植被覆蓋的時空變化

胡德陛

(青海省有色地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，青海 西寧 810004)

隨著城市人口不斷增加，城市化成為了發(fā)展的必然趨勢，由此產(chǎn)生的建筑用地?cái)U(kuò)展，農(nóng)用地、其他地類的減少是不可扭轉(zhuǎn)的過程。20世紀(jì)80年代以來，隨著改革開放和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市化進(jìn)程尤為迅速，合理利用土地是該城市社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)有序發(fā)展的必要前提，要保持城市擴(kuò)展與保護(hù)耕地兩者之間的平衡，必須對區(qū)域土地地表覆蓋類型及其變化進(jìn)行監(jiān)測研究，及時準(zhǔn)確地獲取城市擴(kuò)張的最新動態(tài)信息[1]。

遙感技術(shù)伴隨著航空、航天技術(shù)的發(fā)展而不斷提高與完善，在近幾十年內(nèi)得到了迅速、全面的發(fā)展，越來越多地應(yīng)用在了農(nóng)業(yè)、氣象、軍事、城市監(jiān)測等方面，顯示出極其廣泛的應(yīng)用價值，良好的經(jīng)濟(jì)效益和巨大的生命力，是地球科學(xué)和資源環(huán)境學(xué)科開展研究的基礎(chǔ)技術(shù)、信息科學(xué)的主要組成部分[2]。運(yùn)用遙感的方法，對城區(qū)植被提取分析并進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，可以及時有效的反映城市植被的生長狀況，為城市植被的整體規(guī)劃提供可用于分析的科學(xué)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的評價標(biāo)準(zhǔn)，從而使得城市植被可以更好的用于服務(wù)城市。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

青島市地處山東半島南部，太平洋黃海西岸，位于東經(jīng)119(°)30(′)～121(°)00(′)、北緯35(°)35(′)～37(°)09(′)之間，全市地形主要為丘陵，地勢東部高西部低，南北兩部突起(丘陵區(qū))，中間稍低(平原區(qū))，其土地覆蓋類型以林地、耕地、草地、建筑用地和裸土為主，其中耕地面積約為4 988 km2，林地面積約為1 353 km2，裸土面積約為722 km2。

本文利用2006-2014年同時期(3月底4月初)的landset5/landset8遙感影像[3]，以4年左右為一個周期研究該區(qū)域的植被覆蓋和變化情況。Landsat數(shù)據(jù)均來源于中科院遙感地球所數(shù)據(jù)共享中心，數(shù)據(jù)詳情見表1。

表1 陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)特征

2 研究方法

2.1 歸一化植被指數(shù)

在獲取遙感影像的過程中，傳感器成像會受到成像時大氣狀況、太陽高度角和衛(wèi)星軌道等不同因素的影響，使得遙感圖像中記錄的信號與目標(biāo)實(shí)際信號之間存在一定差別，為了能夠準(zhǔn)確地表達(dá)目標(biāo)區(qū)域地物的實(shí)際反射特征，再獲取到目標(biāo)區(qū)域的遙感影像之后，首先需要對遙感圖像進(jìn)行輻射定標(biāo)等預(yù)處理，消除大氣差異等不良因素對數(shù)據(jù)處理和信息提取帶來的不利影響[4]。本文中在綜合考慮了不同常用的遙感影像處理軟件的情況下，選擇了處理效率高且算法集成度高的ENVI對本文采用的遙感影像進(jìn)行相關(guān)的預(yù)處理，通過大氣校正和輻射校正等一系列的數(shù)據(jù)校正等預(yù)處理過程，初步完成對研究區(qū)遙感影像預(yù)處理，為后續(xù)準(zhǔn)確估算植被覆蓋做好相應(yīng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

在植被遙感中，NDVI應(yīng)用廣泛，由于其對植被覆蓋較為敏感，因此適用于植被類型變化的檢測[5]。NDVI的定義為，近紅外波段與紅光波段數(shù)據(jù)之差與兩者數(shù)據(jù)之和的比值，公式如下：

其中，NIR表示地物在近紅外波段的反射率，R表示地物紅光波段的反射率；NDVI的值是從-1到1之間的連續(xù)實(shí)數(shù)，負(fù)值表示地面有云、水、雪等對可見光高反射的物體；0值表示地面覆蓋類型為巖石或是裸土等，NIR和R的值近似相等；正值表示地面覆蓋類型為植被，且覆蓋度越大，正值越大。

本文利用的Landsat衛(wèi)星的遙感影像的光譜所對應(yīng)的波段見表2，圖1為青島市2006年和2010年的NDVI分布圖。

表2 波段光譜對應(yīng)表

圖1 各時期NDVI分布

2.2 植被覆蓋度

植被覆蓋度是指植被群落投影在地面上的面積占研究區(qū)域總面積的百分比。植被覆蓋度是描述植被群落及生態(tài)系統(tǒng)的重要參數(shù)，在植被覆蓋變化研究、生態(tài)環(huán)境調(diào)查以及其它研究領(lǐng)域，都有廣泛的應(yīng)用[6]。

依據(jù)像元二分模型，植被覆蓋度的計(jì)算可根據(jù)以下公式：

其中，VFC表示由歸一化植被指數(shù)計(jì)算得到的植被覆蓋度，取值范圍是0～1，NDVIsoil代表完全是裸土或是無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，NDVIveg代表完全被植被所覆蓋區(qū)域的NDVI值。

NDVIsoil在理論上來說應(yīng)是零，并且不隨地表覆蓋類型和時間發(fā)生變化，NDVIveg代表著土地覆蓋類型為全植被的區(qū)域的最大值，但考慮到植被的類型和覆蓋程度，可以發(fā)現(xiàn)NDVIveg的值會受到時空的較大影響。在實(shí)際的應(yīng)用中，對于特定類型的土地覆蓋類型，NDVIveg的值可以根據(jù)土壤類型加以確定，NDVIveg的值也可以根據(jù)植被覆蓋類型計(jì)算確定。因此，由NDVI計(jì)算植被覆蓋度的公式可近似的表達(dá)為：

考慮到遙感影像由于不可去除的外界影響而存在誤差，NDVImax和NDVImin的值一般由一定置信度內(nèi)的NDVI值確定，而置信度的選擇則取決于遙感影像的實(shí)際使用情況。參考其他案例并根據(jù)所選取的遙感影像，本文中，NDVImin取值5%的置信區(qū)間，NDVImax取值95%的置信區(qū)間。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 青島市植被覆蓋度

利用上文描述的方法，能夠得到研究區(qū)不同時期的植被覆蓋度分布圖。為了使圖像效果更易于解讀，我們把植被覆蓋度進(jìn)行分級顯示(圖2)，劃分為0～0.1、0.1～0.3、0.3～0.45、0.45～0.6、0.6～1這5個級別，分別表示建筑用地和裸地、低等覆蓋區(qū)域、中低等覆蓋區(qū)域、中等覆蓋區(qū)域以及高等覆蓋區(qū)域。從圖中我們可以快速的發(fā)現(xiàn)2006-2014年間植被覆蓋度的分布區(qū)域和變化。

圖2 各時期植被覆蓋度分布

3.2 各區(qū)域植被覆蓋度

為了分析青島市植被覆蓋度的區(qū)域變化，在計(jì)算完青島市的整體植被覆蓋度之后，需要分別計(jì)算青島市各區(qū)域各時期的植被覆蓋度。為此，我們直接使用青島市七個分區(qū)域的矢量圖，得到了青島市各個區(qū)域不同時期的植被覆蓋度分布圖(見圖3以黃島區(qū)為例)，在此基礎(chǔ)上對各個區(qū)域分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算得到了2006-2014年青島市各個區(qū)平均植被覆蓋度(表3)。

3.3 植被分布空間特征

由表3，我們得知，青島市各區(qū)域的平均植被覆蓋度有所差異，其中平度市植被覆蓋度最高，平均植被覆蓋度為0.523，萊西市和膠州市的植被覆蓋度次之，平均植被覆蓋度分別為0.478和0.472，即墨市和黃島市的植被覆蓋度屬于中低等，平均植被覆蓋度分別為0.422和0.379，嶗山市的植被覆蓋度較低，平均植被覆蓋度為0.286，青島市區(qū)植被覆蓋度最低，平均植被覆蓋度僅為0.259。

表3 2006-2014年青島市平均植被覆蓋度統(tǒng)計(jì)

圖3 黃島區(qū)各時期植被覆蓋度分布

在整體區(qū)域內(nèi)，裸地區(qū)域和低等植被覆蓋度的區(qū)域面積將會在接下來的一定時期內(nèi)保持一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，中低等和中等植被覆蓋度區(qū)域的面積則會有一個減少的趨勢，但中等植被覆蓋度的面積減少量應(yīng)該較小，同時高等植被覆蓋度區(qū)域的面積將以進(jìn)一步擴(kuò)大。

平度、嶗山、黃島、膠州四市的植被覆蓋度表現(xiàn)出增加的趨勢，且平度和嶗山將會有較大幅度的增加；青島市區(qū)和即墨市的植被覆蓋度將會有減少的趨勢，青島市區(qū)則會出現(xiàn)較大幅度的較少；萊西市的植被覆蓋度將會保持在一個相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)。

3.4 植被年際變化特征

2006-2014年間，青島市各區(qū)域平均植被覆蓋度發(fā)生了較大變化：黃島、膠州、平度、嶗山四市的平均植被覆蓋度均表現(xiàn)為在2006-2010年間減小、在2010-2014年間增大的情況。即墨、萊西兩市的平均植被覆蓋度在2006-2010和2010-2014年間持續(xù)減小，并沒有改善的跡象。青島市區(qū)則是出現(xiàn)了平均植被覆蓋度在2006-2010年間增大，在2010-2014年間減小的情況，但由于前者的增大量小于后者的減小量，使得青島市區(qū)平均植被覆蓋度在2006-2014年間的整體趨勢是減小的。

盡管研究區(qū)域的植被覆蓋度狀況總體上是退化的，但這并不表明研究區(qū)域的植被覆蓋度狀況一直處在退化狀態(tài)；相反，我們從數(shù)據(jù)上分析后發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)歷了植被覆蓋度狀況的嚴(yán)重退化之后，研究區(qū)域的地表覆蓋度呈現(xiàn)了改善的趨勢，說明城市在發(fā)展的過程中已經(jīng)開始認(rèn)識到城市綠地的重要性，已開始著手改善城市植被覆蓋度狀況。同時各級植被覆蓋度的面積變化也說明了在各時期植被狀況的退化與轉(zhuǎn)好并存，也從另一個方面說明了人類活動對植被狀況的改善與破壞并存。

4 結(jié) 論

本研究利用三期的Landsat遙感數(shù)據(jù)，分析了2006-2014年間青島市的植被覆蓋度空間分布特征以及年際變化特征，并分析了產(chǎn)生這種變化的原因，總的來說，分析結(jié)果與實(shí)際情況符合程度較高。研究表明：

1)青島地區(qū)植被覆蓋度2006-2010年間呈現(xiàn)下降趨勢，2010-2014年間植被覆蓋度開始恢復(fù)。植被覆蓋度空間分布不均勻，差異性較大，總體說來，青島市區(qū)退化程度最強(qiáng)，即墨和萊西市退化程度次之，黃島、膠州、平度和嶗山在經(jīng)歷了退化期之后恢復(fù)較好，到2014年，黃島、膠州和嶗山地區(qū)已經(jīng)接近了2006年的植被覆蓋水平，平度地區(qū)甚至超過了2006年的植被覆蓋水平；

2)植被覆蓋度的變化受到多重因素的影響，其中城市化作用和城市的實(shí)施政策是造成植被覆蓋度變化的主要因素，氣候也會影響植被覆蓋度的變化，同時，衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)的局限性也會對植被覆蓋度的變化產(chǎn)生影響；

另外，本文雖然直接利用Landsat遙感影像分析植被覆蓋度的變化，但由于影像分辨率有限，未能進(jìn)一步分析青島市的植被類型和植被類型的空間分布特征和年際變化，同時由于數(shù)據(jù)資料的限制，未能進(jìn)一步詳細(xì)分析植被覆蓋度和氣候的動態(tài)變化關(guān)系，將在后續(xù)研究中考慮以上因素，完善相關(guān)研究。