基于像元二分模型的典型綠洲區(qū)近20年植被覆蓋變化及分析

王金強(qiáng)，李俊峰,2, 王昭陽,2，楊 廣,2，何新林,2

(1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；2.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)試驗(yàn)室，新疆 石河子 832000)

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，其對(duì)某個(gè)地區(qū)季節(jié)、環(huán)境的變化能夠做出較為直觀的響應(yīng)[1, 2]。植被覆蓋度是指植被(莖、枝、葉)在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的百分比[3]，能直接的反映某個(gè)地區(qū)的植被覆蓋情況[4,5]，是衡量某個(gè)區(qū)域內(nèi)植被變化的重要依據(jù)，常用于植被變化、生態(tài)環(huán)境、水土保持和氣候等方面的研究[6]。計(jì)算植被覆蓋度的方法有目估法、樣方法[7]以及借助于采樣儀器的測量方法，如空間定量計(jì)、移動(dòng)光量計(jì)[8]等，但這些傳統(tǒng)的方法需要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，且研究區(qū)域范圍有限，受主觀因素影響較大，不同的人做有不同的結(jié)果，誤差較大[3]，因此不適合在范圍較大的區(qū)域。

隨著科學(xué)技術(shù)水平的提升，遙感作為一項(xiàng)成熟的技術(shù)被使用在各個(gè)行業(yè)[9,10]。其中利用遙感估算大面積尺度的植被覆蓋度已成為當(dāng)前植被覆蓋監(jiān)測的重要手段之一[10,11]。目前較為常見的利用遙感估算植被覆蓋度的方法有回歸模型法[12]、植被指數(shù)法[13]、像元分解模型法[14]、FCD模型法[15]以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[12-17]等方法。像元二分模型計(jì)算植被覆蓋度的方法成熟且簡便有效[18-20]，TM和OLI影像在多源數(shù)據(jù)中精度較高，圖像處理簡單且易于獲取；適合大面積尺度的植被覆蓋變化研究。

新疆為全國最大的高效節(jié)水區(qū)，而石河子地區(qū)作為新疆乃至全國最早使用節(jié)水灌溉的城市之一，滴灌等新型節(jié)水灌溉方式以及渠道防滲技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，使得農(nóng)作物對(duì)水分的利用效率提升，減少了對(duì)水資源的浪費(fèi)[21]，從而降低了生產(chǎn)成本，但忽視了對(duì)生態(tài)所帶來的負(fù)面效應(yīng)：原本依靠漫灌或表層土壤水分為主要水分來源的植物水分利用被阻斷[22]，造成植物的衰減與退化；地下水的過度開采使得地下水位下降過快，導(dǎo)致以深層土壤水或地下水為主要水分來源的防護(hù)林等植物根部生長的速度小于地下水下降的速度，因而此類植物水分利用得不到保障[23]，出現(xiàn)了大規(guī)模的“頂梢枯死”現(xiàn)象。綜上所述，該地區(qū)的植被處于動(dòng)態(tài)變化過程中，但是對(duì)于這種動(dòng)態(tài)變化的研究相對(duì)較少。故本文在前人研究的基礎(chǔ)上，選取TM和OLI數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)石河子地區(qū)土地利用情況，并基于像元二分模型方法估算該地區(qū)近20年植被覆蓋度的演變情況，分析并對(duì)其劃分等級(jí)，進(jìn)一步做密度分割，運(yùn)用轉(zhuǎn)移矩陣統(tǒng)計(jì)該地區(qū)植被覆蓋度的變化情況；結(jié)合水文、氣象等資料，對(duì)植被的退化和恢復(fù)進(jìn)行評(píng)估，旨在為今后石河子地區(qū)的生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

石河子地區(qū)地處新疆維吾爾自治區(qū)北部，屬于天山北坡經(jīng)濟(jì)帶中段，是新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師師部所在地，地處古爾班通古特大沙漠和準(zhǔn)噶爾盆地南緣，東以瑪納斯河為界，與瑪納斯縣為鄰，南、西、北三面與沙灣縣接壤[24]。屬典型的溫帶大陸性氣候，冬季寒冷漫長，夏季炎熱短暫，氣溫由南向北遞減，研究區(qū)處于瑪納斯河流域，屬于典型的綠洲區(qū)；年平均氣溫7.5～8.2 ℃,年降水量為125.0～207.7 mm之間[24]。

2 數(shù)據(jù)獲取與處理

研究所用的石河子地區(qū)矢量文件來源于國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)；Landsat 5/TM和Landsat 8/OLI數(shù)據(jù)參數(shù)及來源見表1。其他數(shù)據(jù)來源為Google Earth和石河子地區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒。

表1 數(shù)據(jù)類型及來源Tab.1 Data types and sources

整個(gè)研究過程基于ENVI 5.4軟件進(jìn)行，包括三個(gè)時(shí)期的土地分類、植被覆蓋度的計(jì)算以及各信息的變化提取三部分。對(duì)圖像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正和圖像鑲嵌裁剪等預(yù)處理，使得像元值能夠更加準(zhǔn)確的表達(dá)出實(shí)際地物信息，從而較為直觀地反映植被覆蓋特征；使用Cart決策樹分類方法對(duì)土地進(jìn)行分類[24]，能夠較為準(zhǔn)確地反映出石河子地區(qū)的土地利用信息，具體流程及詳細(xì)操作方法參考周淑玲[25]等人的研究成果。分類結(jié)果見圖1。

由于植被覆蓋度和植被歸一化指數(shù)(NDVI)之間存在較高的線性關(guān)系，因此可以采用NDVI的像元二分模型估算植被覆蓋度，并統(tǒng)計(jì)其平均植被覆蓋度[26]。像元二分模型是一種簡單實(shí)用的遙感估算模型，它將地表區(qū)域劃分為有植被覆蓋部分與無植被覆蓋部分，其原理如下[27]：

VFC=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(1)

式中：NDVImax表示區(qū)域最大NDVI值；NDVImin表示區(qū)域最小NDVI值。

改進(jìn)的像元二分法模型[28]：

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

(2)

NDVIsoil=(VFCmax×NDVImin-VFCmin×NDVImax)/

(VFCmax-VFCmin)

(3)

NDVIveg=[(1-VFCmin)×NDVImax-(1-VFCmax)×

NDVImin]/(VFCmax-VFCmin)

(4)

式中：NDVIsoil代表無植被覆蓋區(qū)域的歸一化植被指數(shù)(NDVI)；NDVIveg代表完全為植被區(qū)域的歸一化植被指數(shù)(NDVI)值。

為了能夠更好地對(duì)該地區(qū)的植被覆蓋情況進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，本文在前人的研究基礎(chǔ)上將植被覆蓋度劃分為五個(gè)等級(jí)，分別代表劣等植被、差等植被、中等植被、中高等植被、高等植被[29]，分類標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 植被覆蓋度等級(jí)劃分Tab.2 The grades of the VFC

3 結(jié)果分析

3.1 土地分類結(jié)果

三個(gè)時(shí)期圖像覆蓋區(qū)域的土地類型主要包括林地、農(nóng)業(yè)用地、建筑用地、水體和其他(包括未利用土地)，各分類面積見圖1；所評(píng)價(jià)的依據(jù)是原始影像的目視解譯和Google Earth影像圖，通過建立土地利用變化分類混淆矩陣，計(jì)算其總體精度和Kappa系數(shù)，結(jié)果表明1998年，2007年和2017年的總體精度分別為86.34%，87.70%和86.44%，Kappa系數(shù)分別為0.85，0.87和0.83，因此其結(jié)果具有一定的參考意義。

圖1 1998-2017年土地利用面積(km2)及所占百分比(%)Fig.1 Land use area (km2) and percentage (%) in 1998-2017

根據(jù)圖1可知石河子地區(qū)1998-2017年土地利用主要以農(nóng)業(yè)、建筑用地為主，其中農(nóng)業(yè)用地面積在減少，城市面積在不斷擴(kuò)張，由1998年的61.11 km2增加到2017年的216 km2，林地面積小幅度增加，水體面積基本保持不變。

3.2 植被覆蓋度變化分析

計(jì)算研究區(qū)的植被覆蓋度，結(jié)果顯示：研究期間植被覆蓋度的最大值為2007年的60%，1998年和2017年植被覆蓋度分別為52%和48%；利用2017年8月研究區(qū)內(nèi)25個(gè)樣點(diǎn)測量植被覆蓋度數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證(圖2)，相關(guān)系數(shù)為0.730 4，說明估算值與實(shí)際值具有一定的相關(guān)性。植被覆蓋區(qū)域以農(nóng)耕地為主；中部城市區(qū)域面積不斷擴(kuò)大，其植被覆蓋度也相對(duì)較低。

3.3 不同等級(jí)變化情況

進(jìn)一步對(duì)NDVI做密度分割(圖3)，并統(tǒng)計(jì)不同等級(jí)的植被覆蓋度面積和植被覆蓋度面積變化表(表3)。

根據(jù)表3得出：1998年研究區(qū)植被覆蓋面積較大，其中差等以下植被覆蓋面積為56.83 km2，占研究區(qū)的比重為11.64%；2007年植被覆蓋面積增加，差等以下植被覆蓋面積為50.36 km2，占研究區(qū)的比重為10.32%，較1998年減少；2017年植被覆蓋度減小，中部地區(qū)植被縮減較大，差等以下植被覆蓋面積為60.86 km2，占研究區(qū)的比重為12.46%。

圖2 植被覆蓋度估算值與實(shí)測值相關(guān)性分析Fig.2 Correlation analysis of vegetation coverage between estimated and measured results

1998-2017年研究區(qū)Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)植被覆蓋面積增加，其擴(kuò)增速率分別為平均每年1.17%和1.56%；Ⅰ級(jí),Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)植被覆蓋面積縮小，其退縮速率分別為0.05%，0.26%和0.75%。

表3 不同等級(jí)的植被覆蓋面積變化Tab.3 Cover changes of the different grades of vegetation

圖3 1998，2007和2017年的植被覆蓋度等級(jí)分類結(jié)果Fig.3 Classification results of VFC in 1998, 2007 and 2017

3.4 植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化分析

統(tǒng)計(jì)不同時(shí)段的植被覆蓋面積轉(zhuǎn)移矩陣(表4和表5)，以便更加清楚的表達(dá)出研究區(qū)植被覆蓋度的時(shí)空變化過程。

表4 1998-2007年植被覆蓋區(qū)面積轉(zhuǎn)移矩陣Tab.4 Transition matrix of the VFC area during 1998 to 2007

表5 2007-2017年植被覆蓋區(qū)面積轉(zhuǎn)移矩陣Tab.5 Transition matrix of the VFC area during 2007 to 2017

由表4可得出：1998-2007年有50.72%的植被覆蓋未發(fā)生變化，其中：

Ⅰ級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)出面積為30.22 km2，轉(zhuǎn)入面積為24.60 km2，轉(zhuǎn)出面積大于轉(zhuǎn)入面積，說明劣等植被的面積在減少；Ⅱ級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)出面積為15.36 km2，轉(zhuǎn)入面積為14.51 km2，Ⅱ級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)出與轉(zhuǎn)入基本持平。

Ⅲ級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)出面積為60.15 km2，其中24.64 km2由Ⅲ級(jí)轉(zhuǎn)變?yōu)棰跫?jí)植被覆蓋；轉(zhuǎn)入面積為40.86 km2，主要由Ⅳ級(jí)植被轉(zhuǎn)入26.49 km2，說明Ⅳ級(jí)植被部分轉(zhuǎn)變?yōu)棰蠹?jí)植被。

Ⅳ級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)出面積為92.90 km2，轉(zhuǎn)入面積為51.53 km2；Ⅴ級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)出面積為41.95 km2，轉(zhuǎn)入面積為109.08 km2，其中58.61 km2由Ⅳ級(jí)植被轉(zhuǎn)入Ⅴ級(jí)植被，24.89 km2由Ⅴ級(jí)植被轉(zhuǎn)入Ⅳ級(jí)植被，說明Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)植被相互轉(zhuǎn)化量較多。

1998-2007年石河子地區(qū)植被覆蓋度呈上升趨勢，劣等、差等植被在減少，中等、中高等、高等植被面積在增加。

由表5可得出：2007-2017 年未發(fā)生植被覆蓋變化的區(qū)域有50.97%，其中：

Ⅰ級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)出面積為22.25 km2，轉(zhuǎn)入面積為21.32 km2，轉(zhuǎn)出面積略大于轉(zhuǎn)入面積，轉(zhuǎn)出面積中轉(zhuǎn)向中等植被的比例較大。

Ⅱ級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)出面積為13.97 km2，其中8.11 km2由Ⅱ級(jí)轉(zhuǎn)變?yōu)棰蠹?jí)植被覆蓋，占轉(zhuǎn)出總面積的58.05%；轉(zhuǎn)入面積為19.21 km2，主要由Ⅴ級(jí)植被轉(zhuǎn)入8.82 km2，說明Ⅴ級(jí)植被轉(zhuǎn)為Ⅱ級(jí)植被，即部分高等植被轉(zhuǎn)向差等植被，差等植被面積增加。

Ⅲ級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)出面積為34.69 km2，其中23.78 km2由Ⅲ級(jí)轉(zhuǎn)變?yōu)棰跫?jí)植被覆蓋，占總轉(zhuǎn)出面積的68.55%；轉(zhuǎn)入面積為85.4 km2，主要由Ⅴ級(jí)植被轉(zhuǎn)入37.1 km2，說明Ⅴ級(jí)植被部分轉(zhuǎn)變?yōu)棰蠹?jí)植被，也即是高等植被和中等植被在相互轉(zhuǎn)化。

Ⅳ級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)出面積為51.06 km2，其中31.52 km2由Ⅳ級(jí)植被轉(zhuǎn)入Ⅲ級(jí)植被，占總轉(zhuǎn)出面積的61.73%；轉(zhuǎn)入面積為86.19 km2，主要由Ⅴ級(jí)植被轉(zhuǎn)入55.08 km2，說明Ⅴ級(jí)植被部分轉(zhuǎn)變?yōu)棰艏?jí)植被，也即是高等植被轉(zhuǎn)向中高等植被。

Ⅴ級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)出面積為114.15 km2，其中55.08 km2由Ⅴ級(jí)植被轉(zhuǎn)入Ⅳ級(jí)植被，占總轉(zhuǎn)出面積的48.25%；轉(zhuǎn)入面積為24 km2，主要由Ⅳ級(jí)植被轉(zhuǎn)入14.03 km2，轉(zhuǎn)出面積遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)入面積，說明高等植被在退化?？偟膩碚f，1998-2017年，劣等植被的覆蓋在逐漸減少，說明劣等植被的擴(kuò)張得到了遏制，但是中高等、高等植被在中差等植被的轉(zhuǎn)變增多，且由高級(jí)轉(zhuǎn)向低級(jí)的植被覆蓋面積大于低級(jí)轉(zhuǎn)向高級(jí)的面積，即退化面積大于恢復(fù)面積。

3.5 討 論

圖4是1998-2017年石河子地區(qū)降水量和氣溫值，由圖可知研究區(qū)在試驗(yàn)期間的降水量變幅不大，其降水量和溫度都呈小幅度上升趨勢，降水量多，溫度適宜，則植被覆蓋度則越高；2007年降水量289.70 mm達(dá)到最大，結(jié)合圖像反映出該年的植被覆蓋度最高，這與通過遙感影像解譯出的結(jié)果相同；宋莎等人[30]通過對(duì)石河子地區(qū)2001-2009年植被覆蓋度的研究發(fā)現(xiàn)，2007-2008年高植被覆蓋的面積增加較多，這也與本文研究結(jié)果相同。

圖4 石河子地區(qū)1998-2017年平均降水量和平均氣溫變化Fig.4 Changes of the average precipitation and temperature in 1998-2017 in Shihezi

根據(jù)新疆統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)顯示，石河子地區(qū)1998-2017年人口由56.79萬增長到63.26萬，人口的增長會(huì)增加居民用地面積，破壞一部分植被；水分是限制植被生長的因素之一[8]，隨著經(jīng)濟(jì)的大規(guī)模發(fā)展，人類對(duì)于水的需求變得更大，該地區(qū)用水主要依靠地下水供給,1998年地下水年開采量約為2 660 萬m3，2013年開采量約達(dá)到7 600 萬m3，而中心區(qū)可開采量僅為約3 380 萬m3，由于地下水的開采量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其地下水的補(bǔ)給量,石河子地區(qū)的地下水位每年以0.5 m的速度下降,部分地區(qū)達(dá)到了1 m以上[31]，直接造成部分以深層土壤水和地下水為主要水分來源的植被發(fā)生退化；另外，該地區(qū)節(jié)水灌溉面積由1998年的小規(guī)模試行到2008年的14.7 萬hm2，增長到2017年的23.7 萬hm2[32]，節(jié)水灌溉使得農(nóng)業(yè)用水效率更高，但同時(shí)破壞了生態(tài)用水的補(bǔ)償機(jī)制，使得生態(tài)用水量減少[33, 34]；另外從解譯結(jié)果來看，林地面積有所增加，影像顯示林地區(qū)域較為規(guī)則，初步判斷為人工種植的林帶，本文認(rèn)為是在國家退耕還草還林等政策影響下，人們對(duì)植被的保護(hù)意識(shí)有所提高并采取了相應(yīng)的措施有關(guān)。

4 結(jié) 語

石河子地區(qū)1998年、2007年和2017年植被覆蓋度先增加后減少，其中2007年植被覆蓋度達(dá)到3個(gè)時(shí)期的最大值，無植被覆蓋區(qū)1998年占8.2%，2017年占8.11%，基本保持不變；中部城市擴(kuò)大的區(qū)域植被覆蓋減少；差等和中等植被覆蓋區(qū)分別以平均每年1.17%和1.56%的速率逐年遞增；劣等、中高等和高等植被覆蓋區(qū)分別以平均每年0.05%，0.26%和0.75%的速率遞減；通過轉(zhuǎn)移矩陣得出該地區(qū)植被退化面積大于恢復(fù)面積；自然方面，降水量較氣溫對(duì)植被覆蓋狀況影響大；人為方面，城市化的擴(kuò)大和地下水的過度開采加劇了植被的退化過程。