恩施市植被覆蓋時(shí)空特征及動(dòng)態(tài)變化分析

余可進(jìn) 宋鄂平 譚志忠

摘要：以湖北省恩施市為研究區(qū)，運(yùn)用RS和GIS技術(shù)，采用歸一化植被指數(shù)及像元二分模型，對(duì)2007—2015年3個(gè)不同時(shí)期同一季像的遙感影像進(jìn)行不同年份植被覆蓋度信息的提取，基于轉(zhuǎn)移矩陣及統(tǒng)計(jì)分析2007—2015年植被覆蓋度時(shí)空變化特征和空間分布。通過對(duì)比分析可知，恩施市植被覆蓋度以較高等級(jí)以上植被覆蓋度為主，3期較高以上植被覆蓋度占總面積比例均在68%以上?？傮w分布特征是中部地區(qū)及東北部地區(qū)植被覆蓋度較低，向西南部及西北部的覆蓋度逐漸升高，高覆蓋的植被主要集中在西南部及東南部地區(qū)。恩施2007—2015年植被覆蓋度一直處于正向增長(zhǎng)趨勢(shì)，未出現(xiàn)局部或整體退化的現(xiàn)象，中等及較高植被覆蓋度轉(zhuǎn)出面積基本轉(zhuǎn)向至高植被覆蓋區(qū)域，高植被覆蓋區(qū)域面積共增加910.3 km2，增加了22.98%。恩施大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)植被覆蓋度均處于較高的覆蓋水平，2007—2015年總體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：恩施市;遙感;植被覆蓋度;動(dòng)態(tài)變化;空間分布

中圖分類號(hào)：TP79?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2020）07-0109-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.07.022

Abstract： In this paper，the temporal and spatial variation and spatial distribution of plant coverage in Enshi were analyzed by transfer matrix and statistical analysis based the plant cover data which extracted from the remote sensing images during 2007 to 2015 by using RS and GIS technology and using the normalized vegetation index and pixel dichotomy model. The comparison analysis showed that the plant coverage in Enshi City was mainly of the plant coverage over comparative high level，and the proportion of the plant coverage over the third was more than 68%. The overall distribution was characterized by lower plant coverage in the central and north-eastern regions，and gradual increasing to the south-west and the north-west. The highly plant-covered area was mainly in the south-west and the south-east. The plant coverage of Enshi showed positive growth trend during 2007 to 2015 and has no degradation of partial and overall. The transfer-out area of medium and the comparative higher plant cover was basically shifted to the highly plant covered area. The area of the plant highly covered was increased by a total of 910.3 km2，the increasing proportion was 22.98%. The plant coverage of most area in Enshi was at a high level of coverage，and presented growth trend in total from 2007 to 2015.

Key words： Enshi city; remote sense; plant coverage; dynamic change; spatial distribution

植被是地球地表覆蓋植物群落的總稱，受地形、氣候、土壤等環(huán)境因子的制約和影響[1-3]。植被覆蓋度作為衡量地表植被變化及研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)，對(duì)于城市擴(kuò)張過程中導(dǎo)致的植被變化現(xiàn)象研究具有重要意義[4-6]。隨著遙感技術(shù)的迅速發(fā)展，遙感成為了提取不同空間尺度的植被覆蓋信息、獲取植被覆蓋度參數(shù)及反映其變化趨勢(shì)的重要手段[7]。對(duì)于植被覆蓋度分析更側(cè)重于遙感技術(shù)測(cè)量的方法，眾多學(xué)者利用遙感影像結(jié)合歸一化植被指數(shù)與像元二分模型法對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行了研究：宋敏敏等[8]利用歸一化植被指數(shù)（NDVI）及遙感數(shù)據(jù)建立時(shí)序數(shù)據(jù)集，分析研究了時(shí)間線內(nèi)延河流域植被覆蓋度的演變規(guī)律，利用像素二分模型對(duì)植被進(jìn)行了反演，提出了基于像元變化趨勢(shì)分析更易于研究區(qū)NDVI時(shí)空動(dòng)態(tài)變化的詳細(xì)信息;徐爽等[9]利用不同植被指數(shù)研究的最佳波段及其組合，結(jié)合像元二分模型對(duì)植被覆蓋度不同植被指數(shù)表現(xiàn)情況進(jìn)行研究，對(duì)各類植被指數(shù)表達(dá)進(jìn)行了相關(guān)敘述;陳效逑等[10]利用遙感歸一化差值植被指數(shù)數(shù)據(jù)，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了劃時(shí)段的分析，并結(jié)合水熱因子進(jìn)行相關(guān)性研究;李苗苗[11]通過在像元二分模型的基礎(chǔ)上對(duì)已有模型改進(jìn)，建立用NDVI歸一化植被指數(shù)估算植被覆蓋度的模型，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了植被覆蓋度的估算。眾多文獻(xiàn)研究結(jié)果表明，使用NDVI歸一化植被指數(shù)估算植被覆蓋度，可較為方便、準(zhǔn)確地獲取區(qū)域植被覆蓋信息[12，13]。

恩施市是湖北省重要的生態(tài)旅游城市之一，作為生態(tài)旅游城市建設(shè)的重點(diǎn)，森林覆蓋率及綠化率均為重點(diǎn)保護(hù)與提高的內(nèi)容。本試驗(yàn)研究了2007—2015年恩施市植被覆蓋變化及空間分布規(guī)律，為揭示城市植被覆蓋度時(shí)空變化特征及其分布結(jié)構(gòu)、打造生態(tài)城市提供數(shù)據(jù)參考。

1?研究區(qū)概況與研究方法

1.1?研究區(qū)概況

恩施市地處湖北省西南部，恩施土家族苗族自治州中部。地跨東經(jīng)109°4′ 48″ —109°58′ 42″ ，北緯29°50′ 33″ —30°39′ 30″ 。東與建始、鶴峰交界，西與利川、咸豐相鄰，南與宣恩相交，北與重慶市奉節(jié)縣接壤，國(guó)土總面積3 967.60 km2。恩施市地處鄂西南山區(qū)中部，為云貴高原東延部分，地近四川盆地邊緣，處于中國(guó)地勢(shì)的第二梯級(jí)末端。西北及南部?jī)梢砀?，近似山原地貌，平均海? 800～2 000 m;恩施屬亞熱帶季風(fēng)和季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，受海拔、地形的影響較大，其氣候的主要特征是熱量隨地勢(shì)的增高逐漸降低，而濕度卻逐漸增大，氣候與地勢(shì)具有立體相關(guān)性。

1.2?研究方法

1.2.1?數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理?采用2007、2010、2015年3年同季度（9、10月）的30 m分辨率LandsatTM/OLI衛(wèi)星影像。圖像質(zhì)量良好并通過ENVI5.1進(jìn)行輻射定標(biāo)及大氣校正等預(yù)處理，能夠代表研究區(qū)植被覆蓋的一般情況，并利用行政邊界矢量圖裁剪得到研究區(qū)遙感圖像。

1.2.2?植被覆蓋度提取?歸一化植被指數(shù)（NDVI）作為目前反映地表植被生長(zhǎng)狀況和地表植被覆蓋度的最佳因子，是植被覆蓋研究的重要參數(shù)[14]。NDVI的計(jì)算公式如下：

-1≤NDVI≤1，負(fù)值表示地面覆蓋為云、水、雪;0表示巖石或裸土;正值表示有植被覆蓋范圍。

在計(jì)算NDVI的基礎(chǔ)上利用像元二分模型進(jìn)行植被覆蓋度計(jì)算，其公式如下：

其中，NDVIsoil為完全是裸土或無(wú)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。2個(gè)值的計(jì)算公式為：

NDVImax和NDVImin分別為區(qū)域內(nèi)最大和最小的NDVI值。NDVImax和NDVImin的取值范圍由于存在不可避免的噪聲問題，所以一般取一定置信度范圍內(nèi)的最大值與最小值[11]。根據(jù)圖像實(shí)際情況，本試驗(yàn)對(duì)研究區(qū)域內(nèi)3期的NDVI值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，取累計(jì)概率為95%及5%的NDVI值分別作為NDVImax和NDVImin，由此可將研究區(qū)域劃分為3個(gè)部分：當(dāng)NDVI的值小于NDVImin，VFC取值為0;當(dāng)NDVI的值大于NDVImax，VFC取值為1;當(dāng)NDVI值介于兩者之間，選擇公式（5）進(jìn)行計(jì)算。

通過以上公式進(jìn)行計(jì)算，得到2007、2011、2015年共3期的植被覆蓋圖。利用ENVI5.1對(duì)植被覆蓋圖進(jìn)行分級(jí)處理，得到3期植被覆蓋等級(jí)圖（圖1），其中分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

2?結(jié)果與分析

2.1?植被覆蓋度分級(jí)特征

不同植被覆蓋度分級(jí)情況及其面積統(tǒng)計(jì)特征分化結(jié)果（圖2、圖3、表2）表明，恩施市植被覆蓋度以較高以上植被覆蓋度（HFC、FFC）為主，3期較高以上植被覆蓋度占總面積比例均在68%以上?？傮w分布特征是中部及東北部地區(qū)植被覆蓋度較低，向西南部及西北部的覆蓋度逐漸升高，高覆蓋的植被主要集中在西南部及東南部地區(qū)。

2.2?植被覆蓋時(shí)序變化分析

為了更加清晰準(zhǔn)確地反映恩施市各級(jí)植被覆蓋區(qū)的轉(zhuǎn)移變化情況，通過建立轉(zhuǎn)移矩陣來揭示及了解不同植被覆蓋的動(dòng)態(tài)變化及轉(zhuǎn)移情況。利用ENVI5.1中的統(tǒng)計(jì)工具分別對(duì)2007—2011年、2011—2015年的3期數(shù)據(jù)采用分類后比較法進(jìn)行分析，獲得變化類型、面積及百分比等數(shù)據(jù)，得到共2個(gè)時(shí)段不同級(jí)別植被覆蓋度面積及比例變化的轉(zhuǎn)移矩陣（表3、表4）。

由表3可見，2007—2011年，中等及以下植被覆蓋度轉(zhuǎn)出至較高等以上植被覆蓋度面積為572.86 km2，由較高等以上植被覆蓋度轉(zhuǎn)出至中等以下植被覆蓋度的面積為67.46 km2，其中較高等植被覆蓋度轉(zhuǎn)入的面積占比較多，為51.53 km2;較高等植被覆蓋度主要轉(zhuǎn)出至高等植被覆蓋度，面積為647.86 km2，占其總面積的42.319%;高等植被覆蓋度在此段時(shí)間內(nèi)共轉(zhuǎn)入721.99 km2，轉(zhuǎn)出272.09 km2。高植被覆蓋度轉(zhuǎn)入面積高于轉(zhuǎn)出面積，說明2007—2015年恩施市植被覆蓋情況較好，生態(tài)環(huán)境良好。

由表4可見，2011—2015年，由中等及以下植被覆蓋度轉(zhuǎn)出至較高等以上植被覆蓋度面積為365.22 km2，而由較高等以上植被覆蓋度轉(zhuǎn)出至中等以下植被覆蓋度的面積為92.69 km2，其中較高等植被覆蓋度轉(zhuǎn)入的面積占比較多，為75.73 km2;較高等植被覆蓋度主要轉(zhuǎn)出至高等植被覆蓋度，面積為232.36 km2，占其總面積的20.974%;高等植被覆蓋度在2007—2015年共轉(zhuǎn)入264.15 km2，轉(zhuǎn)出640.31 km2。高等植被覆蓋度轉(zhuǎn)入面積低于轉(zhuǎn)出面積，但轉(zhuǎn)出面積主要轉(zhuǎn)向?yàn)檩^高等植被覆蓋度，面積為616.44 km2，占總面積的55.643%。結(jié)果表明2011—2015年恩施市植被覆蓋度的轉(zhuǎn)移動(dòng)態(tài)變化大部分為較高等植被覆蓋度及高等植被覆蓋度二者之間的交換，這說明2011—2015年間，恩施市植被覆蓋度總體處于較高的覆蓋水平，期間未出現(xiàn)退化的特征。

2.3?植被覆蓋空間分布特征

為了更加準(zhǔn)確地反映恩施市各級(jí)植被覆蓋空間分布及動(dòng)態(tài)變化情況，利用ArcGIS中的區(qū)域分析工具分別對(duì)2007、2011、2015年的3期植被覆蓋數(shù)據(jù)結(jié)合恩施鄉(xiāng)鎮(zhèn)矢量圖進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，利用各級(jí)植被覆蓋度等級(jí)面積加權(quán)平均來估算平均植被覆蓋度，得到共3個(gè)時(shí)段植被覆蓋度在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的平均值（圖3）。由圖3可以看出，恩施大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)植被覆蓋度均處于較高的覆蓋水平，從2007—2015年均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。其中盛家壩鄉(xiāng)、白果鄉(xiāng)、板橋鎮(zhèn)、太陽(yáng)河鄉(xiāng)等鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）從2007—2015年一直為高植被覆蓋區(qū)域。而芭蕉侗族鄉(xiāng)、新塘鄉(xiāng)、紅土鄉(xiāng)、屯堡鄉(xiāng)、沙地鄉(xiāng)及崔家壩鎮(zhèn)等鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）植被平均值也從2007年的較高等植被覆蓋度轉(zhuǎn)入為高等植被覆蓋度區(qū)間，說明2007—2015年，各鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）在植被覆蓋方面不斷加強(qiáng)重視，從而使得植被覆蓋度有了明顯提升。位于恩施市中心的小渡船街道受城市空間限制，植被覆蓋度均值沒有明顯增長(zhǎng)，但其均值也處于中等植被覆蓋度區(qū)域。

3?小結(jié)與討論

利用 Landsat數(shù)據(jù)，基于像元二分模型，研究了2007—2015年恩施市的植被覆蓋度分級(jí)特征、時(shí)序變化及其空間分布特征，研究結(jié)果如下。

1）恩施市植被覆蓋度以較高等以上植被覆蓋度（HFC、FFC）為主，3期較高等以上植被覆蓋度占總面積比例均在68%以上。總體分布特征是中部及東北部地區(qū)植被覆蓋度較低，向西南部及西北部地區(qū)的覆蓋度逐漸升高，高覆蓋的植被主要集中在西南部及東南部地區(qū)。

2）通過轉(zhuǎn)移矩陣分析恩施市植被覆蓋時(shí)序變化得知，恩施市2007—2015年植被覆蓋度一直處于正向增長(zhǎng)趨勢(shì)，未出現(xiàn)局部或者整體退化的現(xiàn)象，中等及較高等植被覆蓋度（LFC、HFC）轉(zhuǎn)出面積基本轉(zhuǎn)向高等植被覆蓋區(qū)域，2007—2015年高等植被覆蓋區(qū)域面積共增加910.3 km2，增加了22.98%。

3）通過分析2007—2015年恩施市植被覆蓋空間分布特征得知，恩施市大部分鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）植被覆蓋度均處于較高的覆蓋水平，2007—2015年總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。其中盛家壩鄉(xiāng)、白果鄉(xiāng)、板橋鎮(zhèn)、太陽(yáng)河鄉(xiāng)等鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）從2007—2015年一直為高等植被覆蓋區(qū)域;芭蕉侗族鄉(xiāng)、新塘鄉(xiāng)、紅土鄉(xiāng)、屯堡鄉(xiāng)、沙地鄉(xiāng)及崔家壩鎮(zhèn)等鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）植被平均植也從2007年的較高等植被覆蓋度轉(zhuǎn)入為高等植被覆蓋度。

本研究通過引用廣泛有效的像元二分模型來估算植被覆蓋度，依然存在一些不足。在遙感影像選擇上，由于遙感影像精度的問題，會(huì)導(dǎo)致植被覆蓋度估算數(shù)據(jù)存在差異，希望在未來能夠使用更高分辨率的影像進(jìn)行植被覆蓋度的研究分析，降低誤差以更好地為城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析。同時(shí)，在時(shí)間序列上僅研究了2007、2011、2015年3個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的植被覆蓋度，沒有在2007—2015年內(nèi)劃分更為緊湊連貫的研究范圍，對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行短時(shí)間變化范圍的研究。為了更詳細(xì)對(duì)研究區(qū)域植被覆蓋時(shí)空變化進(jìn)行分析，還應(yīng)加入適量的影響因子及地方出臺(tái)政策進(jìn)行相關(guān)性分析，本研究?jī)?nèi)容在此方面存在一定的不足，期望未來在本研究的基礎(chǔ)上能更深層次地挖掘植被覆蓋度變化的內(nèi)容。

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