基于MODIS-NDVI的樂(lè)安濕地植被覆蓋動(dòng)態(tài)分析

毛 英，原作強(qiáng)，高清明，胡進(jìn)耀*，胡連通，王 新，周大松

(1.綿陽(yáng)師范學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621000；2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110000；3.四川大學(xué)，四川 成都 610000；4.四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川 成都 610000)

植被覆蓋度(植被的垂直投影面積與單位面積之比)是反映濕地植物生長(zhǎng)狀況的重要生態(tài)學(xué)參數(shù)，在評(píng)估和監(jiān)測(cè)生態(tài)環(huán)境方面有著重要的作用。因此獲取地表植被覆蓋度及其變化信息，對(duì)于歸納地表植被變化規(guī)律，分析監(jiān)測(cè)區(qū)生態(tài)環(huán)境具有現(xiàn)實(shí)意義[1～2]。

植被覆蓋度的測(cè)量方法可分為地表實(shí)測(cè)和遙感監(jiān)測(cè)兩類。由于遙感具有能夠反映不同空間尺度的植被覆蓋信息的優(yōu)勢(shì)，因而利用遙感數(shù)據(jù)估算植被覆蓋是主要方法。隨著定量遙感的迅速發(fā)展，為林業(yè)資源和植被變化監(jiān)測(cè)提供了一種有效手段。其中歸一化植被指數(shù)(NDVI)是目前最為廣泛應(yīng)用的表征植被狀況的指數(shù)。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)不同空間尺度的植被覆蓋開(kāi)展了大量研究，例如，劉洋等[3]利用高質(zhì)量MODIS觀測(cè)約束歷史AVHRR數(shù)據(jù)的反演，生成全球1981—2012年葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)。劉振波等[4]基于MODIS BRDF遙感模型參數(shù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，估算植被指數(shù)，并將其與實(shí)測(cè)葉面積指數(shù)構(gòu)建小興安嶺五營(yíng)林區(qū)冠層葉面積指數(shù)反演模型。也有不少學(xué)者提出新的遙感數(shù)據(jù)處理方法來(lái)研究植被覆蓋度，如楊繪婷等[5]基于植被覆蓋度，提出了一種新的遙感數(shù)據(jù)提取方法——植被信息季節(jié)變換方法，將MODIS低分辨率遙感數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率優(yōu)勢(shì)與中高分辨率遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，并將其應(yīng)用到了福建省連江縣的研究中。賈坤等[6]綜合分析了用于植被覆蓋度估算的遙感數(shù)據(jù)源，指出未來(lái)植被覆蓋度遙感估算研究的主要方向是：高時(shí)空分辨率長(zhǎng)時(shí)間序列的全球植被覆蓋度數(shù)據(jù)集，多源遙感數(shù)據(jù)融合和同化技術(shù)；

作為長(zhǎng)江上游生態(tài)屏障的重要組成部分，在2016年9月，國(guó)務(wù)院批復(fù)同意新增布拖縣為國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)。樂(lè)安濕地位于布拖縣境內(nèi)，處于大涼山區(qū)，海拔 2 500 m～3 000 m,是全球同緯度地區(qū)少有的亞熱帶高原濕地,具有涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、凈化水體、保護(hù)生物多樣性等多種生態(tài)功能。研究該區(qū)域的植被變化，對(duì)于研究區(qū)域氣候、生物多樣性、當(dāng)?shù)匦竽翗I(yè)的發(fā)展和生態(tài)平衡以及維護(hù)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要價(jià)值。近年來(lái)，四川西部生物多樣性調(diào)查隊(duì)[7]對(duì)布拖樂(lè)安地區(qū)的植物、植被、真菌、魚類、兩棲爬行類、獸類多樣性及影響干擾因素進(jìn)行了全面詳細(xì)的調(diào)查?；趯?duì)樂(lè)安濕地的地面調(diào)查分析，桂林華等[8]提出了初步的濕地恢復(fù)建議，但是缺乏針對(duì)植被覆蓋的相關(guān)研究。本文采用時(shí)間序列2011—2015年的MODIS-NDVI (Moderate-resolutionImaging Spectroradiometer-normalized Difference Vegetation Index，基于中分辨率成像光譜儀的歸一化植被指數(shù))數(shù)據(jù)，參考了李苗苗[9]的像元二分模型，定量研究樂(lè)安濕地保護(hù)區(qū)植被覆蓋空間分布及變化趨勢(shì)。

1 研究區(qū)概況

樂(lè)安濕地保護(hù)區(qū)(27°27’05”～27°42’27”N，102°52’30”～103°03’05”)又稱樂(lè)安黑鸛自然保護(hù)區(qū)，位于四川省西南部，青藏高原向云貴高原過(guò)渡的涼山山脈，屬長(zhǎng)江上游的金沙江流域，在行政上隸屬于四川省涼山彝族自治州布拖縣，由樂(lè)安、四棵、烏衣、地洛等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的部分區(qū)域組成，距縣城30余km，距西昌市114 km；濕地保護(hù)區(qū)平均海拔 2 690 m，屬亞熱帶滇北氣候區(qū)，氣候垂直變化大，具有明顯的立體氣候，降水主要集中在夏秋兩季，年平均降水量 1 100 mm～1 400 mm，境內(nèi)年平均氣溫10.1℃，大于等于10℃積溫約 2 367.8℃[7]。樂(lè)安保護(hù)區(qū)面積 21 358.9 hm2，保護(hù)區(qū)的森林主要分布于海拔 1 800 m～3 000 m，主要有喬木馬尾松、云南松、樟樹、樺木等，林帶上下分布著黃荊、馬桑、杜鵑、禾草、莎草、蒿類等植被物種。保護(hù)區(qū)內(nèi)植被屬于川西偏干性常綠闊葉林,并具有明顯的垂直地帶性,海拔 1 000 m以下為稀疏草叢,海拔 1 000 m～1 800 m為常綠闊葉林,海拔 1 800 m～2 600 m為針闊混交林帶，海拔 2 600 m～3 400 m為亞高山針葉林帶和灌叢草地。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源及遙感數(shù)據(jù)處理

本文研究數(shù)據(jù)包括遙感數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)包括2011、2012、2013、2014、2015年5個(gè)時(shí)相的MODND1M中國(guó)500M NDVI月合成產(chǎn)品，時(shí)間選取植被生長(zhǎng)旺盛的8月，以便準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)植被覆蓋度。該數(shù)據(jù)由MODND1D計(jì)算得來(lái)，計(jì)算方法為取月內(nèi)每天最大值。其他數(shù)據(jù)包括：1∶55000地形圖、樂(lè)安濕地保護(hù)區(qū)邊界矢量數(shù)據(jù)等。

研究中運(yùn)用ENVI5.1對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理及植被覆蓋度計(jì)算，用Arc GIS10.2進(jìn)行地形分析及制圖。

2.2 NDVI計(jì)算與異常值處理

歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)是目前用來(lái)反映植被生長(zhǎng)狀態(tài)的重要指標(biāo)因子，通常被定義為近紅外波段NIR(0.7 μm～1.1 μm)與可見(jiàn)光紅光波段R(0.4 mm～0.7 mm)反射率之差與反射率之和的比值，即

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

(1)

經(jīng)過(guò)(1)計(jì)算得到的NDVI數(shù)據(jù)，由于NDVI值被限定在[-1,1]之間，陰影區(qū)域的NDVI在[-1,1]之外的則被稱為異常值，可以通過(guò)ENVI5.1Band Math將這一部分的NDVI值變成背景值，即零值。

2.3 植被覆蓋度提取

基于像元二分模型提取植被覆蓋度(Fractional Vegetation Cover,FVC)，消除了地域的限制，易推廣且精度較高。其原理[10]就是假設(shè)一個(gè)像元的信息可分為植被覆蓋像元與裸土覆蓋像元兩部分，即Sv代表植被信息，Ss代表裸土信息，則

S=Sv+Ss

(2)

Sv=FVCxSveg

(3)

Ss=(1-FVC)xSsoil

(4)

因此，將公式(3)和(4)帶入(2)，得到植被覆蓋度FVC的計(jì)算公式：

FVC=(S-Ssoil)/(Sveg-Ssoil)

(5)

該模型引入?yún)?shù)Sveg和Ssoil削弱了植被類型、土壤背景和大氣等對(duì)獲取信息的影響，對(duì)植被覆蓋度信息進(jìn)行最大的保留。

根據(jù)研究，植被覆蓋度與NDVI之間存在極顯著的線性關(guān)系，由此，根據(jù)像元二分法原理，將NDVI代入公式，變換得到:

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

(6)

式中，NDVIveg為純植被覆蓋像元的NDVI值，NDVIsoil為裸土覆蓋像元的NDVI值。

由于大氣、地表狀況、年份、季節(jié)和區(qū)域等條件影響，本研究采用李苗苗的簡(jiǎn)化模型，以NDVI累計(jì)頻率5%和95%的為置信度區(qū)，確定研究區(qū)域的有效純植被值和裸土覆蓋值。表1為樂(lè)安濕地保護(hù)區(qū)2011—2015年的裸土和純植被的NDVI取值。

表1研究區(qū)土壤和植被的NDVI取值

Tab.1ThevalueofNDVIsoilandNDVIveginthestudyarea

年份YearNDVIsoilNDVIveg20110.6610.87320120.6460.87920130.5300.85420140.2260.89220150.6150.838

2.4 植被覆蓋度等級(jí)劃分

為便于分析對(duì)植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化，在對(duì)研究區(qū)2011—2015年植被覆蓋度計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際情況，將FVC劃分為5個(gè)等級(jí)[11～13]，即Ⅰ級(jí)低植被覆蓋度(0～0.2)、Ⅱ級(jí)中低植被覆蓋度(0.2～0.4)、Ⅲ級(jí)中植被覆蓋度(0.4～0.6)、Ⅳ級(jí)中-高植被覆蓋度(0.6～0.8)、Ⅴ級(jí)高植被覆蓋度(0.8～1.0)通過(guò)拉伸生成植被覆蓋度分布圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化

2011—2015年每年8月樂(lè)安濕地的中高度+高植被覆蓋區(qū)分別占研究區(qū)總面積的43.82%、41.70%、52.30%、68.55%、44.52%，其中中-高植被覆蓋區(qū)占研究區(qū)的比重較大，超過(guò)20%，反映了植被覆蓋狀況良好。雖然保護(hù)區(qū)內(nèi)植被覆蓋度總體上呈穩(wěn)定狀態(tài)(見(jiàn)圖1)，但是不同等級(jí)、不同時(shí)段的植被覆蓋變化趨勢(shì)存在差異。2011—2014年低、中-低(Ⅱ級(jí))植被覆蓋度面積變化呈先上升，然后下降，持續(xù)下降至2015年呈上升趨勢(shì)。中等(Ⅲ級(jí))植被覆蓋度面積變化在2011—2012年呈下降趨勢(shì)；2012—2013年呈上升趨勢(shì)；2013—2014年呈下降趨勢(shì)；2014—2015年呈上升趨勢(shì)。中高(Ⅳ級(jí))植被覆蓋度面積變化經(jīng)歷先下降后上升再下降的過(guò)程，總體上該級(jí)植被覆蓋度面積呈現(xiàn)增加。高(Ⅴ級(jí))植被覆蓋度面積變化在2011—2015年總體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，2011—2013年間呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)，僅2013—2014呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但是2014—2015年呈現(xiàn)急劇下降趨勢(shì)(見(jiàn)表2)。

圖1 樂(lè)安2011—2015年平均植被覆蓋度(FVC)的年際變化Fig.1 Interannual variation of Le’an average fraction vegetation cover (FVC) in 2011—2015

表2樂(lè)安濕地不同時(shí)期植被覆蓋度分級(jí)統(tǒng)計(jì)

>Tab.2 Statistics of fractional vegetation cover in different periods at the wetland of Le’an

注：面積km2，比例%。

圖2 樂(lè)安2011—2015年植被覆蓋分布圖Fig.2 Distribution of FVC at wetland of Le’an from 2011 to 2015

3.2 植被覆蓋空間格局變化

從樂(lè)安濕地保護(hù)區(qū)2011—2015年8月的植被覆蓋分布圖(見(jiàn)圖2)可以看出，植被覆蓋度在空間上呈現(xiàn)以萬(wàn)噸山、四棵鄉(xiāng)一線向兩側(cè)降低的總體趨勢(shì)。中高度、高度植被覆蓋區(qū)主要集中在萬(wàn)噸山的南部及東部、浪珠鄉(xiāng)、四棵鄉(xiāng)、樂(lè)安鄉(xiāng)東北部，主要是該區(qū)域的山區(qū)，以及水熱條件的影響；中等植被覆蓋區(qū)受水熱條件的限制，主要分布于中高度、高度植被覆蓋區(qū)的外圍；低、中低植被覆蓋區(qū)主要分布于萬(wàn)噸山的西北部和樂(lè)安濕地的人口聚居區(qū)，主要受地形地勢(shì)和人為因素的影響。建筑用地、未經(jīng)開(kāi)發(fā)的或者植被破壞嚴(yán)重的裸地以及長(zhǎng)勢(shì)后期耕地區(qū)域低植被覆蓋區(qū)與中低植被覆蓋區(qū)的出現(xiàn)，導(dǎo)致在保護(hù)區(qū)域范圍內(nèi)中出現(xiàn)大面積空白區(qū)域或淺色區(qū)域(見(jiàn)圖2)。

4 討論分析

樂(lè)安濕地保護(hù)區(qū)與若爾蓋濕地均為長(zhǎng)江上游地區(qū)重要的水源涵養(yǎng)區(qū)。兩者都是高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)的典型區(qū)域[14]，但是兩者的海拔高度不同，若爾蓋濕地的海拔在 3 400 m～3 800 m，樂(lè)安濕地的海拔在 2 500 m～3 000 m。采用2011—2015年的MODND1M中國(guó)500M NDVI月合成遙感數(shù)據(jù)經(jīng)相同方式處理后，得到的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，若爾蓋濕地植被以中高和中等的植被覆蓋度等級(jí)為主[15]，而樂(lè)安濕地的則以高和中高植被覆蓋度等級(jí)為主；2011—2015年若爾蓋濕地的平均植被覆蓋度為0.72，而樂(lè)安濕地在這5年間的平均植被覆蓋度僅為0.54；經(jīng)分析2011—2015年間兩者平均植被覆蓋度的變化趨勢(shì)不同，兩者植被覆蓋度的影響因素也不一致，若爾蓋濕地的植被覆蓋度分布影響因素有氣象因素的氣溫降水因子、地形因素的高程坡度和坡向、草原鼠和蟲害因素以及社會(huì)因素的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和地方政策等[16]，而樂(lè)安濕地的植被覆蓋分布受水熱、地形限制；近年來(lái)兩者植被覆蓋度降低的原因也不一樣，若爾蓋濕地草原退化、土壤沙化問(wèn)題導(dǎo)致其植被覆蓋度的降低，樂(lè)安濕地則是因?yàn)槿藶橐蛩貙?dǎo)致其植被覆蓋度的降低。其人為原因主要是經(jīng)濟(jì)建設(shè)開(kāi)發(fā)，如開(kāi)工建設(shè)G356縣城至昭覺(jué)三灣河段公路升級(jí)改造、S464普格至特木里鎮(zhèn)段公路改建工程、包谷坪至羅家坪通鄉(xiāng)油路工程，完成“十一五”遺留6個(gè)鄉(xiāng)40.6 km通鄉(xiāng)油路建設(shè)任務(wù)、麻地灣復(fù)建公路主體工程；基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，2015年完成6.63億元，建設(shè)補(bǔ)爾、樂(lè)安風(fēng)電場(chǎng)和包谷坪，合井光伏發(fā)電建設(shè)、城鎮(zhèn)污水處理廠建設(shè)；投入 1 857.6萬(wàn)元實(shí)施奔誠(chéng)礦業(yè)螢石采礦；投入608萬(wàn)元實(shí)施沙洛電站增效擴(kuò)容等[17]。

本文基于MODIS-NDVI遙感數(shù)據(jù)，應(yīng)用像元二分模型估算出樂(lè)安濕地保護(hù)區(qū)植被覆蓋度，具有便捷、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，但是由于植被類型、生長(zhǎng)狀況和下墊面的復(fù)雜性和多樣性，NDVIseg和NDVIsoil的確定是成為像元二分模型反演植被覆蓋度的關(guān)鍵，雖然用置信域消除異常值的影響，但是僅是基于NDVIseg和NDVIsoil這兩個(gè)調(diào)節(jié)因子的線性拉伸，其FVC估算值與實(shí)測(cè)值很難做到完全一致。且本文并未探究將混合像元分為等密度、非密度和混合密度的亞像元的模型，因此還需對(duì)此模型做進(jìn)一步探索和改進(jìn)。