基于遙感數(shù)據(jù)的鄭州市植被覆蓋度變化研究

趙 賽

(北京師范大學 經(jīng)濟與資源管理研究院，北京 100875)

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要組分，是生態(tài)系統(tǒng)變化的指示器。植被覆蓋度則是衡量植物群落覆蓋地表狀況和生態(tài)環(huán)境狀況的一個綜合量化指標[1-4]，該指標在水文、氣象、生態(tài)等方面的區(qū)域或全球性的研究中起著越來越重要的作用[5-6]。精確測算植被覆蓋度對于了解地區(qū)環(huán)境狀況具有非常重要的意義，而遙感技術的應用為植被覆蓋度的測度提供了方法[7-9]，利用遙感影像進行植被覆蓋度的精確測算已經(jīng)成為研究的趨勢[10]。

作為一個省會城市和中原經(jīng)濟區(qū)的核心增長極，鄭州市近年來發(fā)展異常迅猛，但這些發(fā)展和變化是否適應城市總體規(guī)劃的要求、是否符合可持續(xù)發(fā)展的理念是值得思考的問題。因此我們有必要對鄭州市的植被覆蓋狀況進行研究，以評估城市發(fā)展對環(huán)境所造成的影響，從而為走上可持續(xù)發(fā)展道路保駕護航。所以本文以Landsat TM遙感影像為基礎，應用像元二分模型計算植被指數(shù)對鄭州市2000—2014年的植被覆蓋狀況開展研究，在此基礎上探究鄭州市植被覆蓋變化的驅動因子[11]。

一 研究區(qū)概況

鄭州市是河南省省會，北臨黃河，西依嵩山，東南為廣闊的黃淮平原，東面是七朝古都東京開封市，西面為十三朝古都洛陽市，南面是許昌市，北面為焦作市和新鄉(xiāng)市。

近年來鄭州市經(jīng)濟發(fā)展迅速，GDP從2000年的738.02億元增長到2014年的6 776.99億元，增長了將近10倍，如表1所示。截止到2014年，鄭州市的經(jīng)濟產(chǎn)出占河南省的比重為19%。鄭州市以第二產(chǎn)業(yè)發(fā)展為主，第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值從2000年的363.12億元增長到2014年的3 487.14億元，僅次于第一產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第二產(chǎn)業(yè)，由此可知，鄭州市的產(chǎn)業(yè)發(fā)展以工業(yè)和服務業(yè)為主。鄭州市城鎮(zhèn)化發(fā)展較快，截止到2014年城鎮(zhèn)化率達到68.3%，遠超河南省的城鎮(zhèn)化水平(45.2%)。

表1 鄭州市GDP和人口統(tǒng)計

注：數(shù)據(jù)來源于GDP和人口數(shù)據(jù)來自《河南省統(tǒng)計年鑒》2001年和2015年。

二 數(shù)據(jù)和方法

(一)數(shù)據(jù)來源

本文所用數(shù)據(jù)為Landsat TM數(shù)據(jù)。但獲取該衛(wèi)星圖像必須具備一定的條件，即清晰度較高同時時間段基本相同，以盡量避免誤差。由于數(shù)據(jù)可得性的限制，本文選取的是鄭州市2000年和2014年的數(shù)據(jù)。原因是在云量較低的情況下，有些年份的數(shù)據(jù)不存在；有些數(shù)據(jù)存在，但月份相差很遠；還有一些年份，如2001年，雖然云量較低，但影像大部分的NDVI都是負值，原因是大氣中的薄霧削弱了紅外波段的反射率，導致呈現(xiàn)的效果圖不理想；另外，2003—2012年的數(shù)據(jù)不清晰，有帶狀條紋(1)遙感數(shù)據(jù)下載來自美國USGS網(wǎng)站，傳感器軌道號為124/36，空間分辨率為30m×30m。。所以本文選取了鄭州市2000年8月份和2014年6月份的TM影像作為研究的數(shù)據(jù)源。2000年的云量為10%，2014年的云量為10%。該兩景圖像基本符合用于植被覆蓋度監(jiān)測的條件。鄭州市兩景TM圖像如圖1和圖2所示。

圖1 2014年鄭州市Landsat TM影像

圖2 2000年鄭州市Landsat TM影像

(二)研究方法

首先，植被指數(shù)是通過對可見光和近紅外波段組合計算出來的，它能夠反映植被生長狀況和覆蓋情況[12-13]。其中NDVI (Normalized Difference Vegetation Index)由于對土壤的變化非常靈敏、受地形差異影響小等優(yōu)勢而廣泛應用于植被覆蓋研究[6,14]。

其次，本文參考溫小樂等[6]的方法，采用像元二分模型提取植被覆蓋度。具體公式如下：

(1)

其中，fc為植被覆蓋度，S是像元的遙感信息，Ssoil為純裸土覆蓋像元的遙感信息，Sveg為純植被覆蓋像元的遙感信息。

最后，將NDVI值代入公式(1)得：

(2)

其中，NDVIveg代表地面完全被植被覆蓋的像元的NDVI值，NDVIsoil代表地面完全是裸土的像元的NDVI值[15]。由于大氣、濕度、環(huán)境等條件的影響，NDVIsoil和NDVIveg值會受到影響，本文根據(jù)NDVI的累積頻率值的大小，去掉DN值為負數(shù)的值后，把最接近0的NDVI值作為NDVIsoil，取累計頻率為 99%對應的NDVI 值作為NDVIveg。而后利用ENVI中的統(tǒng)計功能得到NDVI的統(tǒng)計值。

三 鄭州市植被覆蓋度分析

根據(jù)上述方法得到鄭州市NDVI圖像如圖3和圖4所示。

圖3 2014年鄭州市NDVI圖像

圖4 2000年鄭州市NDVI圖像

在植被指數(shù)原理和像元二分模型的基礎上，計算得到兩個時期NDVIveg和NDVIsoil的取值，如表2所示。

表2 兩個時期NDVI取值

根據(jù)兩個時期NDVIveg和NDVIsoil的取值計算植被覆蓋度。利用ArcGIS得到植被覆蓋度遙感監(jiān)測圖像(圖5)，圖5展示鄭州市在2000年和2014年的植被覆蓋度的變化情況，植被覆蓋度最高為1，該圖中顏色越深，即代表植被覆蓋越高。根據(jù)圖6可知，2000年和2014年的植被覆蓋情況不同，在2000年，植被覆蓋較高的地方集中在鄭州市北部，而在2014年，主要集中在鄭州市西部。

圖5 2000年和2014年植被覆蓋度

為了進一步分析鄭州市的植被覆蓋度變化，對植被覆蓋度數(shù)值進行分級，然后統(tǒng)計分析不同植被覆蓋度所占的比例。參考相關文獻[16]，將植被覆蓋度分為5級，分別為較低植被覆蓋度(<0.2)、低植被覆蓋度(0.2～0.4)、中植被覆蓋度(0.4～0.6)、高植被覆蓋度(0.6～0.8)、較高植被覆蓋度(>0.8)，如圖6所示。對每個級別的植被覆蓋度進行統(tǒng)計，得到表3。

圖6 2000年和2014年植被覆蓋度分級

根據(jù)2000年和2014年的鄭州市植被覆蓋度的統(tǒng)計值(表3)和圖像(圖6)，可分析得到鄭州市植被覆蓋度特點：

(1)2000年鄭州市的植被覆蓋度主要以低植被(32.99%)和較低植被覆蓋(51.04%)為主，中等植被覆蓋以上所占比例很??；2014年，鄭州市的植被覆蓋度依然是以中低植被覆蓋度(約75%)為主，高植被和較高植被覆蓋度(約14%)略有提高。

表3 植被覆蓋度所占比例

(2)2000年覆蓋度較低地區(qū)主要分布在鄭州市市轄區(qū)及西部的滎陽市，高植被覆蓋區(qū)比例很低但相對集中，主要分布在中牟縣北部的黃河沿岸。2014年鄭州市市轄區(qū)植被覆蓋度依然較低，覆蓋度低的區(qū)域主要分布在鄭州南部的新鄭，而覆蓋度高的地區(qū)主要集中在登封市。

接著，繼續(xù)對鄭州市植被覆蓋數(shù)據(jù)進行重分類，以直觀展示植被覆蓋度變化的絕對量。如圖7所示。表4列出植被變化的幅度以及所占的比例。

圖7 2000年到2014年植被覆蓋度變化情況

表4 植被覆蓋度變化幅度及所占比例

根據(jù)鄭州市植被覆蓋度分級圖像(圖6)以及對應類型的面積統(tǒng)計結果(表4)，可以得到鄭州市植被覆蓋的一些規(guī)律。為揭示鄭州市植被覆蓋度的變化空間分布特征，采用差值算法提取了鄭州市植被覆蓋度在2000年與2014年之間的變化信息，并對相應的面積進行了統(tǒng)計，綜合分析得出如下結論：

(1)圖7反映了鄭州市植被覆蓋度在2000年與2014年兩個年份之間植被覆蓋度變化的空間分布情況。從總體上看，鄭州市不同地區(qū)的植被覆蓋度變化差異較大，鄭州市北部、南部和西部地區(qū)植被覆蓋度變化較大，而西部主要以增加為主。南部及北部地區(qū)的植被覆蓋度下降，主要鄭州市發(fā)展狀況有關，尤其是黃河附近植被覆蓋度有下降趨勢。

(2)表4列出了不同變化等級所占的比例，表中數(shù)值大于0的像元所占比例為60.72%，說明整個研究區(qū)植被覆蓋度以增加為主，其中主要以輕微增加為主。覆蓋度沒有發(fā)生變化的區(qū)域約占1/4，而變小的像元所占比例為13.55%，說明2014年相對于2000年鄭州市的植被覆蓋度減少不是主要趨勢。

四 驅動因子分析

雖然本文選取的數(shù)據(jù)不是同一月份，會給植被覆蓋度的比較帶來一些誤差，但應該能夠在一定程度上反映出鄭州市植被覆蓋度的變化情況。結合鄭州市2000年以來，自然、經(jīng)濟、社會、人口及城市發(fā)展等方面，本文嘗試對鄭州市的植被覆蓋度變化情況進行因子分析。鄭州市植被覆蓋度變化的原因有：

(1)經(jīng)濟因素：隨著鄭州市經(jīng)濟活動的活躍、人口的涌入、用地增加，鄭州市快速向外擴張，造成植被覆蓋度降低的區(qū)域主要集中在鄭州市市轄區(qū)的東部。根據(jù)前文分析，鄭州市經(jīng)濟發(fā)展迅速尤其以工業(yè)發(fā)展為主，工業(yè)發(fā)展必然要占據(jù)大量的工業(yè)用地。而且近年來，政府大力發(fā)展中部崛起，鄭州市作為省會城市和重要的交通樞紐，經(jīng)歷著快速的用地開發(fā)和擴張，造成了植被覆蓋的降低。而且河南省作為人口大省，鄭州市擁有較多的流動人口，這些人口的涌入也對鄭州的植被覆蓋度降低有促進作用。但同時由于鄭州市注重對環(huán)境的保護和綠化，使得市中心植被覆蓋在社會發(fā)展的同時沒有降低。

(2)自然因素：從地貌上看，鄭州市西南部分是由于常年侵蝕的作用而形成的低山丘陵，從西南部逐漸向南過渡為黃土平原和黃淮沖積平原以及少量的沙丘和沙地[17]，并且鄭州地勢自西南向東北傾斜，鄭州市西北部是邙山。從氣候方面，鄭州市屬暖溫帶—北亞熱帶過渡型大陸性季風氣候。這些地貌和氣候特點都會影響鄭州市的植被覆蓋度。

五 結論與展望

本文利用鄭州市的遙感影像提取NDVI值，建立了鄭州市植被覆蓋度遙感動態(tài)監(jiān)測模型，對鄭州市2000年和2014年的植被覆蓋度進行了估算。

總體上，鄭州市的植被覆蓋度有部分上升，并且局部區(qū)域植被覆蓋度變化較為明顯。 然后結合鄭州市地形地貌特點，分析探究了造成鄭州市植被覆蓋度變化的原因，結論如下：

(1)2000年鄭州市的植被覆蓋度主要以低植被(32.99%)和較低植被覆蓋(51.04%)為主，中等植被覆蓋以上所占比例很??；2014年，鄭州市的植被覆蓋度依然是以中低植被覆蓋度(約75%)為主，高植被和較高植被覆蓋度(約14%)略有提高；

(2)2000年覆蓋度較低地區(qū)主要分布在鄭州市市轄區(qū)及西部的滎陽市，高植被覆蓋區(qū)比例很低但相對集中，主要分布在中牟縣北部的黃河沿岸。2014年鄭州市市轄區(qū)植被覆蓋度依然較低，覆蓋度低的區(qū)域主要分布在鄭州南部的新鄭，而覆蓋度高的地區(qū)主要集中在登封市；

(3)從植被覆蓋度變化情況來看，2000年到2014年間，整個研究區(qū)植被覆蓋度以增加為主，其中主要以輕微增加為主，覆蓋度沒有發(fā)生變化的區(qū)域約占1/4，而變小的像元所占比例為13.55%；

(4)從城市發(fā)展的角度，我們認為發(fā)生上述變化的主要原因在于社會的快速發(fā)展、環(huán)境的承載力以及大量建筑區(qū)的林立侵占和破壞了大量的耕地和林地，這些都會造成部分區(qū)域的植被覆蓋度下降。

為了保持鄭州市植被覆蓋度的水平，本文認為鄭州市在進行經(jīng)濟發(fā)展的同時，需要注重減少非農(nóng)用地的轉化，提高土地利用效率。同時倡導可持續(xù)發(fā)展理念，重視環(huán)境保護，保護植被，在對非農(nóng)用地綠化的基礎上提高環(huán)境質量。