基于Landsat的青神縣植被覆蓋動態(tài)變化分析

趙昊天,王林青,鄭 勇,謝天資,蔣雨軒,龔固堂,駱宗詩,陳俊華*

(1.成都理工大學,四川 成都 610059;2.四川省青神縣林業(yè)和園林局, 四川 青神 620460; 3.四川省林業(yè)科學研究院，四川 成都 610081)

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分，是聯(lián)結(jié)大氣、水、生物、巖石、土壤等自然地理環(huán)境要素的紐帶[1]。此外，植被還具備凈化空氣、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、防風固沙、美化環(huán)境等眾多生態(tài)功能[2～4]。所以，植被的覆蓋狀況是評價區(qū)域環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)平衡狀況的一項重要指標[5]。遙感技術能夠同步獲取大區(qū)域范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)信息并具有受主觀影響因素較小，精度較高等優(yōu)點，特別是高光譜、高空間分辨率遙感的出現(xiàn)[6～7]。植被覆蓋度遙感估算方法已經(jīng)得到廣泛應用[8]。植被指數(shù)是指由遙感傳感器獲取的對植被有一定指示意義的各種數(shù)值可以間接地反映地表植被的長勢、覆蓋度等[9]。而在反映植被覆蓋的指數(shù)中，NDVI是植被長勢狀況和空間分布變化的最佳指示因子并與植被覆蓋度呈線性相關[10]。遙感測量估算法中的像元分解法計算模型簡單可靠、輸入?yún)?shù)通用易得，可以在一定程度上削減大氣和土壤等因素對植被覆蓋度所產(chǎn)生的影響，被廣泛應用[11]。從生態(tài)環(huán)境角度, 岷江流域是長江上游生態(tài)屏障建設的重點區(qū)域之一, 具有顯著的生態(tài)功能地位[12～13]。青神縣位于岷江中游和成都平原西南部，是長江上游的組成部分，分析當?shù)氐闹脖桓采w動態(tài)變化，對筑牢長江上游生態(tài)屏障青神段和維護成都平原城市群的生態(tài)空間有重要的現(xiàn)實意義。近年來，李曉婷[14]等基于2000—2015年的MODIS影像數(shù)據(jù)對眉山市植被覆蓋度變化進行了分析，并發(fā)現(xiàn)眉山市整體植被覆蓋度以改善為主。但目前還缺乏針對青神縣植被覆蓋度動態(tài)變化情況的分析，本文在分析相關資料和文獻的基礎上，利用青神縣2009年、2013年和2018年3期TM和OLI_TIRS影像作為數(shù)據(jù)源，提取出研究區(qū)NDVI，通過像元分解模型估算出青神縣植被覆蓋度，并用差值法、轉(zhuǎn)移矩陣來分析植被覆蓋的動態(tài)變化情況。

1 研究區(qū)概況

青神縣位于眉山市南部，地處川西平原西南邊緣，屬川西平原與川西丘陵的接壤過渡帶。北以鴻化山口為前門，南以平羌三峽作后戶，東依龍泉山脈，西抵金牛河岸，東經(jīng)103°41′～103°59′、北緯29°42′30″～29°55′33″?？h域東西長約29.5 km，南北寬約23.5 km，面積387 km2。境內(nèi)地勢東南高，西南次之，中端低平，最高處海拔為691 m，最低處為377 m，極限高差314 m。屬亞熱帶濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫17.0℃，年平均降水量1069.5mm，常年氣候溫和、雨量充沛、四季分明。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文選用的遙感影像數(shù)據(jù)以美國陸地衛(wèi)星影像Landsat TM/OLI為主，影像數(shù)據(jù)來自美國地質(zhì)勘探局(USGS)網(wǎng)站(http://glovis.usgs.go)。Landsat系列遙感數(shù)據(jù)具有較高的時間空間分辨率、覆蓋范圍廣等優(yōu)點，能夠有效動態(tài)監(jiān)測地表信息。成像時間分別為2009年、2013年、2018年，均選取研究區(qū)植被生長較好、云量小于5%的3—5月數(shù)據(jù)，地圖投影坐標為UTM-WGS 84投影坐標系。其他數(shù)據(jù)，如行政區(qū)矢量文件、土地利用現(xiàn)狀圖、地形圖等均從青神縣政府獲取。遙感影像參數(shù)如表1所示。

表1遙感影像參數(shù)

Tab.1 Remote sensing image parameters

2.2 數(shù)據(jù)預處理

首先利用ENVI5.3遙感圖像處理軟件，對每一期的數(shù)據(jù)依次進行輻射定標、FLAASH大氣校正等處理，以減少大氣和太陽高度角變化等帶來的誤差。以青神縣地形圖為基準影像，對各期影像采用地面控制點法進行配準，選擇河流分叉處、十字路口和整個影像圖的邊角共計36個特征明顯的控制點相互匹配，校正參數(shù)后輸出配準后的影像。再用青神縣行政邊界Shapfile矢量圖分別對校正后的3期遙感影像進行裁剪，取得青神縣影像圖。

2.3 植被覆蓋度提取

植被在可見光與近紅外波段的反射率差異較大，常采用歸一化植被指數(shù)NDVI描述植被的生長狀況[15]。NDVI計算公式為：

(1)

式中，ρNIR和ρR分別為近紅外波段和紅光波段的反射率值。

像元二分法模型是利用遙感數(shù)據(jù)將地面地物信息分為植被覆蓋區(qū)域和非植被覆蓋區(qū)域，該模型假設像元由植被和非植被線性混合，將植被覆蓋度定義為像元植被指數(shù)與非植被指數(shù)之間的線性差值[16]。用公式表示為:

(2)

式中，F(xiàn)VC為植被覆蓋度，S為遙感傳感器所觀測到的信息，Sveg為綠色植被所覆蓋的純像元所得的遙感信息，Ssoil為土壤所覆蓋的純像元所得的遙感信息。由于NDVI與植被覆蓋度之間呈極顯著的線性相關，所以將二者進行轉(zhuǎn)換可以直接提取植被覆蓋度信息,其公式為：

(3)

式中，NDVI為歸一化植被指數(shù)值，NDVIsoil為裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，NDVIveg則代表完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值。理論上，NDVIsoil的值應該接近為0，NDVIveg代表全植被覆蓋像元的最大值，但是，由于受光照條件、影像質(zhì)量、植被類型等眾多因素影響，NDVIveg和NDVIsoil的實際值會發(fā)生變化[17]。本文分別對3期影像數(shù)據(jù)的NDVI頻率進行統(tǒng)計分析，根據(jù)NDVI灰度分布、影像清晰度等情況，并結(jié)合實地考察驗證，確定累積概率97%和3%處的NDVI值分別作為NDVIveg和NDVIsoil。

根據(jù)公式算出3期青神縣的植被覆蓋度柵格灰度圖，其取值范圍在0到1之間。為了能清楚地觀測植被覆蓋度，本文采用了常用的等間距分級法，將植被覆蓋度分為0

圖1 青神縣植被覆蓋度圖Fig.1 Vegetation coverage in Qingshen county

2.4 植被覆蓋度變化分析

采用差值法量化各個年份之間的植被覆蓋度變化，將變化值記為ΔFg，用后一時期的植被覆蓋度等級值減去前一時期的植被覆蓋度等級值[18]。

ΔFg=Fgyear2-Fgyear1

(4)

式中，F(xiàn)gyear2和Fgyear1分別為后一起和前一期的植被覆蓋度，ΔFg為year2年相對于year1年的植被覆蓋等級變化量。根據(jù)青神縣植被覆蓋特征，將植被覆蓋等級差值劃分如下：當ΔFg<-0.6時記為極大退化區(qū)域；當-0.6<ΔFg<-0.2時，記為退化區(qū)域；當-0.2<ΔFg<0.2時記為無顯著變化；當0.2<ΔFg小于0.6時記為改善區(qū)域；當ΔFg>0.6時記為極大改善區(qū)域。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋分級特征

不同植被覆蓋度分級情況及其面積統(tǒng)計特征分析結(jié)果表明(見圖1、表2)，青神縣植被覆蓋度以中高以上植被覆蓋度為主，3期中高以上植被覆蓋度占總面積比例均在62%以上?？傮w分布特征是平壩河谷地區(qū)植被覆蓋度低，向東南部和西部的覆蓋度逐漸升高，高覆蓋的植被主要集中在東南部丘陵區(qū)。2009—2013年，青神縣的植被蓋度負向變化，中高以上植被覆蓋區(qū)域占總面積的比例由71.73%降到62.69%，其中，高覆蓋度和中高覆蓋度的面積分別減少了15.82km2、19.14km2，比例減少4.09%、4.95%。而2013年—2018年，青神縣植被蓋度有所改善，中高以上植被覆蓋區(qū)域占總面積的67.77%，其中，高植被覆蓋區(qū)域面積明顯增加，5年間增加了26.18km2，增加比例為6.77%。

表2研究區(qū)不同植被覆蓋等級面積統(tǒng)計

Tab.2 Area statistics of different vegetation cover levels in the study area

等級2009年2013年2018面積/km2比例/%面積/km2比例/%面積/km2比例/%低覆蓋11.062.8615.704.0617.644.56中低覆蓋22.675.8630.177.8027.547.12中覆蓋75.6219.5598.4425.4579.8020.63中高覆蓋146.9838.00127.8433.05121.3031.36高覆蓋130.4733.73114.6529.64140.8336.41

3.2 植被覆蓋時序變化分析

為了更好反映各級植被覆蓋區(qū)的轉(zhuǎn)化情況和變化過程，可以通過轉(zhuǎn)移矩陣來揭示不同植被覆蓋轉(zhuǎn)換情況，并更加精準地了解植被覆蓋的動態(tài)變化[19]。本文利用ENVI5.3中的Change Detection Statistics工具分別對2009年至2013年、2013年至2018年、2009年至2018年的3期數(shù)據(jù)進行運算分析，得到3期數(shù)據(jù)不同級別植被覆蓋度面積變化的轉(zhuǎn)移矩陣(見表3、表4、表5)。

表3 2009—2013年植被覆蓋等級變化轉(zhuǎn)移矩陣

Tab.3 Transfer matrix of vegetation cover level change from 2009 to 2013

表4 2013—2018年植被覆蓋等級變化轉(zhuǎn)移矩陣

Tab.4 Transfer matrix of vegetation coverage level change from 2013 to 2018

表5 2009—2018年植被覆蓋等級變化轉(zhuǎn)移矩陣

Tab.5 Transfer matrix of vegetation coverage level change from 2009 to 2018

2009—2013年(見表3),中低以下植被覆蓋度轉(zhuǎn)出到中等以上植被覆蓋面積為15.92 km2，而由中等以上植被覆蓋度轉(zhuǎn)入到中低以下植被覆蓋度的面積為27.36 km2，其中，中等覆蓋度面積占轉(zhuǎn)入面積最多，為9.96 km2；中等植被覆蓋度主要轉(zhuǎn)入中高植被覆蓋度，但中高覆蓋度轉(zhuǎn)出到中等覆蓋度的面積比前者多10.57 km2，高植被覆蓋轉(zhuǎn)出面積也高于轉(zhuǎn)入面積，這說明2009—2013年青神縣植被覆蓋情況變差，中等以上植被覆蓋度均發(fā)生退化。

2013—2018年(見表4)，中低覆蓋度主要轉(zhuǎn)為中等覆蓋度，轉(zhuǎn)出面積為12.42 km2,比由中等覆蓋度轉(zhuǎn)到中低植被覆蓋度高出2.88 km2；中等植被覆蓋度、中高植被覆蓋度轉(zhuǎn)出比例最高的分別是中高植被覆蓋度、高植被覆蓋度，面積分別為38.29 km2、47.11 km2；高植被覆蓋度轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)入的總面積分別為37.11 km2、63.52 km2，轉(zhuǎn)出面積遠低于轉(zhuǎn)入面積，說明2013—2018年青神縣植被覆蓋情況有好轉(zhuǎn)趨勢。

2009—2018年(見表5)，中低以下植被覆蓋度共轉(zhuǎn)出面積為18.47 km2，比退化來的面積少10.76 km2；中高植被覆蓋度轉(zhuǎn)出到中等覆蓋度面積和由高覆蓋度轉(zhuǎn)入來的面積之和為59.86 km2，比轉(zhuǎn)出到高植被覆蓋的面積多出6.03 km2,，這表明近10年青神縣植被覆蓋總體呈現(xiàn)退化特征。

3.3 植被覆蓋空間動態(tài)變化分析

采用差值法量化各個年份之間的植被覆蓋度變化，用后一時期的植被覆蓋度等級值減去前一時期的植被覆蓋度等級值[18]。通過差值量化分析1990—2011年間的數(shù)據(jù)，揭示了青神縣10年間植被覆蓋度動態(tài)變化特征(見圖2)，結(jié)果表明2009—2013年青神縣中部的城區(qū)周邊和在修建的成綿樂高鐵周邊片區(qū)的植被覆蓋度發(fā)生了明顯退化，其次是西北部沿思蒙河流域片區(qū)，改善區(qū)域主要呈點塊狀集中在西南部和東部丘陵山區(qū)。與2009—2013年的植被覆蓋變化情況相反，2013—2018年中部平壩河谷地區(qū)的植被覆蓋度得到了明顯改善，退化區(qū)域呈點狀或塊狀分散在整個縣域范圍內(nèi)，主要集中分布在羅波鄉(xiāng)、黑龍鎮(zhèn)、高臺鄉(xiāng)、瑞峰鎮(zhèn)區(qū)域內(nèi)。

圖2 青神縣植被覆蓋差值圖Fig.2 Figure of vegetation cover difference in Qingshen county

對2009—2018年青神縣植被覆蓋度變化的面積和比例進行具體統(tǒng)計可知(見表6)，2009—2018年青神縣植被退化總面積63.86 km2，占青神縣總面積的16.5%，其中極大退化區(qū)域6.69 km2，占總面積的1.73%。10年間改善區(qū)域的面積57.64 km2，占總面積的14.9%，其中0.41%為極大改善區(qū)域，14.49%為改善區(qū)域，植被總體退化面積比改善面積多出6.22 km2，占總面積的1.6%，說明10年間青神縣植被覆蓋度總體呈現(xiàn)小幅度退化現(xiàn)象，中部平壩河谷地區(qū)的城鎮(zhèn)周邊植被退化最明顯，東南部和西南部山區(qū)植被覆蓋總體呈改善特征，位于東南部的青崗山一帶和磨兒山一帶改善最大，羅波鄉(xiāng)西側(cè)、高臺鄉(xiāng)靠岷江一側(cè)等個別區(qū)域出現(xiàn)植被覆蓋極大退化的態(tài)勢。

表6 2009—2018年青神縣植被覆蓋等級面積變化

Tab.6 Changes in vegetation cover area in Qingshen county from 2009 to 2018

等級退化區(qū)域極大退化退化無顯著變化改善區(qū)域改善極大改善面積/km26.6957.17265.3456.051.59比例/%1.7314.7868.614.490.41總計/%16.5068.614.9

為更加精細的分析青神縣植被覆蓋的空間動態(tài)變化情況，本文進一步對2009年、2013年、2018年每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的植被覆蓋度變化進行了分析，并用各植被覆蓋度等級面積加權平均來估算平均植被覆蓋度，以此來更加直觀的觀察各鄉(xiāng)鎮(zhèn)植被覆蓋動態(tài)變化的特征(見圖3)?？梢钥闯?，位于中心城區(qū)的青神鎮(zhèn)和南城鎮(zhèn)植被覆蓋度相對最低且退化較明顯，特別在2009—2013年，平均植被覆蓋度分別下降了21.84%和13.10%，說明青神縣植被覆蓋退化區(qū)域主要集中在中心城區(qū)周邊。杜柯磊等[20]發(fā)現(xiàn)青神縣2001—2014年建成區(qū)面積擴張了20.7 km2,城區(qū)年均增長面積1.59 km2，其中，新增面積的68.24%來源于耕地，28.67%來源于林地?？梢姡菂^(qū)的擴張、基礎設施的建設侵占了耕地和林地，是青神縣植被覆蓋發(fā)生退化的主要原因。目前，為促進青神縣生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，重點應在于進一步提升中心城區(qū)及周邊的植被覆蓋度。

圖3 青神縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)不同時期植被覆蓋度變化Fig.3 Changes of vegetation coverage in different periods in the townships of Qingshen county

4 結(jié)論與討論

本文利用GIS、RS技術手段，基于像元二分模型，通過研究區(qū)2009、2013、2018年TM/OIL影像生成青神縣植被覆蓋分級圖，并運用差值法、轉(zhuǎn)移矩陣來分析青神縣植被覆蓋度的動態(tài)變化特征并得出了以下結(jié)論：

(1)從3期遙感影像分析得到，青神縣域植被覆蓋情況良好，3期的中高以上植被覆蓋度占總面積的比例均在62%以上。中部平壩河谷區(qū)主要以低覆蓋為主，向東西方向植被覆蓋度逐漸升高，其中植被覆蓋高的區(qū)域主要集中在東南部和西南部丘陵山區(qū)。

(2)通過轉(zhuǎn)移矩陣分析青神縣植被覆蓋時序變化特征可知，2009—2018近10年間植被覆蓋度經(jīng)歷了先退化后改善的趨勢，但整體發(fā)生退化，這主要表現(xiàn)在青神縣植被覆蓋度轉(zhuǎn)出面積比例最高的是高植被覆蓋度，其次是中高植被覆蓋度，轉(zhuǎn)出面積之和為152.04 km2，比其被轉(zhuǎn)入的面積多14.83 km2，同時，中等以上植被覆蓋度轉(zhuǎn)入到中低以下植被覆蓋度的面積比其轉(zhuǎn)出面積多10.76 km2。

(3)通過分析2009—2018年青神縣植被覆蓋度空間動態(tài)變化特征得出，青神縣植被覆蓋度退化面積比改善面積多出6.22 km2。但不同地區(qū)的植被覆蓋度情況呈現(xiàn)出不同的變化特征，中部平壩河谷地區(qū)退化明顯，西南部和東南部區(qū)域的植被有所改善，并經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，中心城區(qū)的擴張是青神縣植被退化的主要原因。為促進區(qū)域生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，應采取措施進一步提高城區(qū)及其周邊植被覆蓋度。

雖然本文通過廣泛使用且簡單有效的像元二分模型來估算植被覆蓋度，但依然存在不足。直接關系到植被覆蓋度結(jié)果的NDVIsoil和NDVIveg兩個參數(shù)的取值依然沒有統(tǒng)一的標準[16]，且遙感影像具有同物異譜、異物同譜的特點[21]，對于準確估算植被覆蓋度有一定難度，還需要進一步對比和分析不同置信區(qū)間的估算結(jié)果。同時，本文在時間序列上只分析了2009—2018年間3個節(jié)點上的植被覆蓋度，對于研究時段內(nèi)更細致、更連貫的植被覆蓋動態(tài)變化特征還尚不清楚。