黃山市近30 a植被蓋度時空變化遙感分析

吳 見，彭 建，谷雙喜

(滁州學(xué)院 地理信息與旅游學(xué)院，安徽 滁州 239000)

植被蓋度是反映植被生長狀況的重要指標(biāo)，同時也能夠體現(xiàn)局部地區(qū)的自然生態(tài)環(huán)境健康情況[1]。傳統(tǒng)的地面植被蓋度調(diào)查方法費時費力，精度也有待提高，遙感技術(shù)的興起為植被蓋度指標(biāo)大面積快速準(zhǔn)確地獲取提供了有力的手段。目前，在大面積植被蓋度信息獲取方面，TM、SPOT、MSS等遙感影像得到廣泛使用[2-3]，取得大量的研究成果，為植被蓋度的準(zhǔn)確獲取奠定基礎(chǔ)。

已有研究表明，光譜混合分析法(SMA)[4]、回歸分析法[5]、植被指數(shù)法(VI)[6]、像元二分模型法[7]等是當(dāng)前遙感影像提取植被蓋度信息的主要方法。但這些方法中，光譜混合分析法需要獲取研究區(qū)域不同端元的純光譜信息，具體實施難度較大，需要大量的濕地考察光譜數(shù)據(jù)支撐；回歸分析法不僅需要結(jié)合實地的植被蓋度測量，而且屬于經(jīng)驗性模型，人為干擾因素較大，難以推廣；植被指數(shù)法不適合評價低植被覆蓋區(qū)域，受土壤背景影響較為嚴(yán)重，評價區(qū)域較大時還需要設(shè)置眾多參數(shù)來計算土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)；像元二分模型法僅僅需要確定研究區(qū)裸土和純植被區(qū)域的光譜反射值，無需大量實地考察和人為參數(shù)設(shè)置[8-15]。綜合考慮以上因素，本研究選取像元二分模型對研究區(qū)植被蓋度進(jìn)行計算。

黃山市是典型的旅游城市，旅游和城市擴(kuò)建等對植被生長必定會帶來一定的影響。近30 a來黃山市植被究竟發(fā)生了怎樣的變化，是本研究重點關(guān)注的問題。本研究選取1988年、2002年和2018年的遙感影像，依據(jù)像元二分模型法獲取黃山市不同年份的植被蓋度信息，研究黃山市近30 a植被蓋度時空變化特征。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

黃山市屬于國家典型旅游城市、森林城市、安徽省重點林區(qū)，有著豐富的森林資源，該地區(qū)山區(qū)較多，森林覆蓋率達(dá)到80%。其地理位置處于東經(jīng)117°12′～118°53′、北緯29°24′～30°31′，屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，四季分明，降水充沛。該區(qū)域主要樹種包括華東黃杉、銀杏、羅漢松、油茶、黃山松、南方鐵杉、杉木、山核桃、香樟等。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

從地理數(shù)據(jù)空間云平臺下載1988年、2002年、2018年3期8—10月的TM遙感影像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，含云量較低。采用ENVI軟件對3期影像進(jìn)行裁剪、拼接等預(yù)處理，結(jié)合黃山市行政邊界獲取預(yù)處理后的黃山市3期TM遙感影像圖，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。

2 研究方法

2.1 歸一化植被指數(shù)

選取TM影像的近紅外和紅波段計算歸一化植被指數(shù)(Normalized difference vegetation index，NDVI)[12]

(1)

式中:R為紅波段的光譜反射率，NIR為近紅外波段的光譜反射率。

2.2 像元二分模型

將影像計算得到的NDVI值轉(zhuǎn)換成植被蓋度值最為有效的方法之一是像元二分模型。該模型是將像元接收到的光譜值R視為裸土光譜反射值Rsoil和純植被光譜反射值Rveg兩方面合成，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為[12]

(2)

采用NDVI對像元二分模型中的光譜值R進(jìn)行替換，進(jìn)行影像植被蓋度計算

(3)

式中：F為影像轉(zhuǎn)換后的植被覆蓋度；NDVImax為NDVI影像中純植被覆蓋的像元，本研究取NDVI影像統(tǒng)計中的最大值；NDVImin為NDVI影像中純裸土覆蓋的像元，本研究取NDVI影像統(tǒng)計中的最小值。

2.3 植被覆蓋度分級

根據(jù)已有的研究成果，采用ARCGIS軟件對獲取的植被蓋度結(jié)果進(jìn)行分級[12]，便于后續(xù)研究分析，分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 黃山市植被蓋度分級

2.4 轉(zhuǎn)移矩陣模型

該模型能夠從時空的角度分析某一級別的植被蓋度與其他級別的植被蓋度之間互相轉(zhuǎn)化的數(shù)量關(guān)系，一方面能夠看到時間上的數(shù)量變化情況，另一方面也能夠在一定程度上反映空間上的轉(zhuǎn)移情況。具體模型表達(dá)為[12]

式中:Sij為第i級別的植被蓋度變化成第j級別植被蓋度的面積；i,j為兩期影像植被覆蓋度的級別；n為植被蓋度級別的數(shù)量。

3 結(jié)果與分析

3.1 黃山市植被蓋度變化分析

根據(jù)1988年、2002年和2018年的遙感影像，獲取3個年份的NDVI值，依據(jù)像元二分模型計算黃山市3個年份的植被蓋度，同時將植被蓋度分為5級，統(tǒng)計不同年份各等級的植被面積和比例，結(jié)果見表2。

表2 黃山市植被蓋度不同年份面積及比例統(tǒng)計

由表2可知，1988年、2002年和2018年3個年份的植被面積均從1～5級逐漸增加，其中，1988年和2018年植被蓋度第5級的比例在50%以上，2002年則有所下降，植被蓋度第5級的比例僅45.62%。1～3級植被蓋度均是2002年最高，而4級植被蓋度隨著年份的增加而增加，這說明1988年到2002年間低植被蓋度區(qū)域增加，而高植被蓋度區(qū)域相應(yīng)減少，而2002—2018低植被蓋度區(qū)域減少，而高植被蓋度區(qū)域相應(yīng)增加。

由圖1可知，黃山市整體植被蓋度較高，高蓋度植被主要分布于黃山市的西南部，黃山市北部以及中東部植被蓋度相對較低，這主要與黃山市的水域和城區(qū)分布有關(guān)。

圖1 黃山市不同年份植被蓋度等級分布

3.2 黃山市植被蓋度轉(zhuǎn)移變化分析

利用ARCGIS空間分析功能，得到1988—2002、2002—2018的黃山市植被蓋度等級轉(zhuǎn)移矩陣，該轉(zhuǎn)移矩陣可以從空間變化的角度分析不同年份不同蓋度等級之間的植被轉(zhuǎn)化情況，能夠更加直觀地量化表達(dá)植被空間動態(tài)變化(見表3和表4)。

表3 1988—2002黃山市植被蓋度等級轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表4 2002—2018黃山市植被蓋度等級轉(zhuǎn)移矩陣 km2

由表3可知，1988—2002，等級1的植被蓋度有99.81 km2未發(fā)生轉(zhuǎn)變，有12.83 km2得到改善，變?yōu)榈燃?，變化至3～5等級的植被面積相對較少；等級2的植被蓋度有93.16 km2未發(fā)生轉(zhuǎn)變，有57.30 km2得到改善，變?yōu)榈燃?，同時也有16.13 km2退化至等級1；等級3的植被蓋度有1 133.31 km2未發(fā)生轉(zhuǎn)變，有368.33 km2得到改善，變?yōu)榈燃?或5，同時也有155.53 km2退化；等級4的植被蓋度有1 001.58 km2未發(fā)生轉(zhuǎn)變，有410.81 km2得到改善，變?yōu)榈燃?，同時也有870.67 km2退化；等級5的植被有1 543.61 km2退化。

1988—2002植被雖然有一部分情況好轉(zhuǎn)，得到保護(hù)，但人為破壞的情況則更加嚴(yán)重，導(dǎo)致高蓋度植被大面積退化，可能與1988—2002黃山市的城市建設(shè)、旅游開發(fā)等有關(guān)。

由表4可知，2002—2018，等級1的植被蓋度有101.58 km2未發(fā)生轉(zhuǎn)變，有20.39 km2得到改善，變?yōu)榈燃?，變化至3～5等級的植被面積相對較少；等級2的植被蓋度到2018年有54.02 km2未發(fā)生轉(zhuǎn)變，有238.84 km2得到改善，變?yōu)榈燃?～5，同時也有10.78 km2退化至等級1；等級3的植被蓋度有664.26 km2未發(fā)生轉(zhuǎn)變，有1 539.03 km2得到改善，變?yōu)榈燃?或5，同時也有57.41 km2退化；等級4的植被蓋度有986.38 km2未發(fā)生轉(zhuǎn)變，有1 366.29 km2得到改善，變?yōu)榈燃?，同時也有215.60 km2退化；等級5的植被有919.70 km2退化。

由表3和表4看出，2002—2018黃山市植被蓋度有了明顯的好轉(zhuǎn)，低蓋度區(qū)域轉(zhuǎn)化為高蓋度區(qū)域面積增加，同時高蓋度植被區(qū)域也得到了有效地保護(hù)，退化為低蓋度區(qū)域的面積明顯減少，可能與近年來黃山市重視生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策有關(guān)。

3.3 黃山市植被覆蓋度時空演變特征分析

3.3.1 黃山市整體植被覆蓋度時空演變特征分析

根據(jù)ARCGIS空間分析功能，將1988年與2002年、2002年與2018年植被等級圖進(jìn)行空間變化分析，分別得到1988—2002、2002—2018的黃山市植被空間變化分布，見圖2。

圖2 黃山市植被覆蓋度時空演變特征

由圖2和表5可知，1988—2002黃山市植被蓋度總體處于退化階段，其中，退化面積高達(dá)2 585.94 km2，改善的面積僅865.15 km2；黃山市北部和東部退化較為嚴(yán)重。2002—2018黃山市植被蓋度總體處于改善階段，其中，改善面積高達(dá)3 176.48 km2，而退化面積僅1 203.49 km2，除最西部部分區(qū)域和南部部分區(qū)域外，2002—2018黃山市

表5 黃山市植被覆蓋度總體時空演變統(tǒng)計 km2

植被蓋度基本上均有改善。

3.3.2 不同高程下植被覆蓋度時空演變特征分析

根據(jù)ARCGIS空間分析功能，將黃山市DEM分為5級，分析統(tǒng)計1988—2002、2002—2018不同級別海拔區(qū)域的植被蓋度改善、穩(wěn)定和退化情況見表6和表7，DEM分級結(jié)果見圖3。

表7 2002—2018黃山市不同海拔植被蓋度變化情況

圖3 黃山市DEM分級結(jié)果

從表6看出，改善區(qū)、穩(wěn)定區(qū)和退化區(qū)植被覆蓋面積均隨著海拔的增加呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢，并且在海拔200～400 m的范圍內(nèi)達(dá)到最大值，改善區(qū)和退化區(qū)主要分布在海拔400 m以下，穩(wěn)定區(qū)主要分布在200～600 m中海拔區(qū)域。在各海拔范圍內(nèi)，穩(wěn)定區(qū)面積都大于改善區(qū)和退化區(qū)。

從表7看出，與1988—2002黃山市不同海拔植被蓋度變化情況一致，2002—2018黃山市植被蓋度改善較多的在海拔400 m以下，退化相對較多的在600 m以下，可能與低海拔區(qū)域人類活動強(qiáng)度較大有關(guān)。

4 結(jié)論與討論

利用1988年、2002年、2018年3期TM遙感影像對黃山市近30 a植被蓋度變化情況進(jìn)行時空分析，得到結(jié)論如下：

1)黃山市植被較為豐富，過去30 a整體上得到了較好地保護(hù)，高蓋度植被主要分布于黃山市的西南部。

2)1988—2002高蓋度植被出現(xiàn)大面積退化，而2002—2018不僅低蓋度區(qū)域得到了恢復(fù)，同時高蓋度植被區(qū)域也處于基本穩(wěn)定的狀態(tài)，其中，改善面積高達(dá)3 176.48 km2，而退化面積僅1 203.49 km2。

3)改善區(qū)、穩(wěn)定區(qū)和退化區(qū)植被覆蓋面積均隨著海拔的增加呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢，且低海拔處的植被較為豐富。