山西省近10 年不同地形區(qū)植被覆蓋度變化研究

□王 強，靳 晨

（太原師范學院 山西 晉中 030619）

1 研究背景

植被覆蓋度在指示地表植被分布狀況和規(guī)律、研究植被分布影響因素、精準確切地掌握其動態(tài)變化、分析評價區(qū)的生態(tài)環(huán)境及其發(fā)展趨勢、保持區(qū)域生態(tài)平衡等方面具有重要的研究意義[1]。在計算植被覆蓋度方面，歸一化植被指數(shù)（NDVI）被使用的較多，目前已有眾多學者從不同角度基于NDVI 對不同研究對象區(qū)的植被覆蓋度進行了研究，取得了顯著的研究成果。何航等（2020）[2]分析了中國北方NDVI 變化特征，發(fā)現(xiàn)NDVI 呈增加趨勢，NDVI 空間分布格局存在異質性[2]。Zhaoning Gong 等（2017）[3]基于NDVI 分析了華北地區(qū)近10 年植被覆蓋度年際變化，指出華北南部和北部山區(qū)植被覆蓋度有所增加，河北、河南郊區(qū)農業(yè)區(qū)及京津唐城市圈植被覆蓋度呈現(xiàn)下降趨勢。崔娟敏等（2018）[4]研究了北京山區(qū)NDVI 變化，結果表明，該區(qū)域的山區(qū)植被指數(shù)呈升高趨勢，城市擴張導致山前平原及山間盆地的植被指數(shù)逐步降低。扈寶全（2017）[5]基于NDVI 數(shù)據研究了山西省植被覆蓋的時空變化特征，認為2001—2013 年山西省植被指數(shù)整體呈增加趨勢，植被覆蓋空間分布呈現(xiàn)南部優(yōu)于北部、東部優(yōu)于西部、山區(qū)好于平原。劉淼等（2009）[6]利用像元二分模型，分析了山西省植被覆蓋度分布和變化的規(guī)律，得出了降水以及用水對植被覆蓋度存在影響的結論。熊俊楠等（2018）[7]和馮莉莉等（2014）[8]探討了植被覆蓋度空間變化特征和地形因子的分布關系，認為地形與植被覆蓋度存在一定的關系。

在已有研究的基礎上，以山西省為研究對象區(qū)，通過NDVI 值計算和統(tǒng)計植被覆蓋度，分析2006—2016 年山西省不同地形區(qū)植被覆蓋度變化狀況，以期為區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設與治理提供科學依據。

2 研究區(qū)概況

山西省地處華北西部、黃土高原東側，地形較為復雜多樣，輪廓呈東北斜向西南的平行四邊形，境內有山地、丘陵、高原、盆地、臺地等地貌類型。從地形角度來看，山西省是一個由許多復雜山脈組成的高平臺，其境內有六大盆地，即大同盆地、忻定盆地、太原盆地、臨汾盆地、運城盆地和長治盆地。此外，東部還散布著陽泉盆地、壽陽盆地、襄垣盆地、黎城盆地、晉城盆地等小盆地。

山西省屬于溫帶大陸性氣候，夏季炎熱多雨且短暫，冬季寒冷干燥、晝夜溫差大。降水受地形因素影響較大，降水量季節(jié)分布不均，主要集中于夏季。

3 數(shù)據來源和研究方法

3.1 數(shù)據來源及預處理

3.1.1 數(shù)據來源

基礎數(shù)據來源于地理空間數(shù)據云：①中國500 m NDVI 月合成產品中2006 年（6—8 月）、2010 年（6—8月）及2016 年（6—8 月）的MODIS 影像數(shù)據；②山西省行政邊界矢量圖；③山西省高程圖。

3.1.2 數(shù)據預處理

影像的預處理主要包括：①使用ArcGIS 空間分析工具，將2006 年6—8 月的圖像進行MAXIMUM疊加統(tǒng)計，得到全國2006 年的NDVI 數(shù)據，同理得到2010 年、2016 年全國NDVI 數(shù)據；②利用ArcGIS 數(shù)據管理工具，對得到的兩幅影像進行裁切，得到山西省2006 年、2010 年、2016 年的NDVI 數(shù)據。

3.2 研究方法

3.2.1 差值法

圖像差值是將兩個不同時期、同一波段圖像對應的像元值相減，推斷變化情況。通過設定合適的閾值即可定量得到地表變化結果，該方法增強了變化信息，抑制了背景信息（未變化信息）[9]。NDVI 值的取值范圍為-1～+1，由于其在可見光波段比近紅外波段有較高的反射作用，云、水、雪的NDVI 為負值；巖石、裸土在兩波段有相似的反射作用，其NDVI 值接近于0；綠色植被在近紅外波段具有高反射而在紅光波段具有強吸收的特點，其NDVI 值為正值，且NDVI 值隨著植被覆蓋度的增大而增大[10]。

3.2.2 像元二分法

把一個像元的NDVI 值表示為被植被覆蓋和未被植被覆蓋部分地表組成的形式，且假設影像上一個像元的反射率R可以劃分為純植被部分反射R1及非植被部分反射R2，那么任一像元的反射率值可表示為由植被反射率和非植被反射率的線性加權的和，即R=R1+R2。

假設影像上一個像元當中有植被覆蓋面積比例為f1，即為該像元的植被覆蓋度，那么非植被覆蓋面積比例為f2，全植被覆蓋的反射率為Rmax，無植被覆蓋的 反 射 率 為Rmin，則R1=f1Rmax，R2=（1-f1）Rmin，得 到f1=（R-Rmin）/（Rmax-Rmin）。根據整幅影像上NDVI 的灰度分布，以0.5%的置信度截取NDVI 的植被覆蓋度的最大值和最小值記為VFCmax和VFCmin，采用ArcGIS的柵格計算器，應用計算影像的植被覆蓋度情況[11-12]。

4 結果與分析

根據山西省2006 年、2010 年、2016 年的NDVI數(shù)據，以及植被覆蓋度劃分的5 個等級，即0%～20%低植被覆蓋度、20%～40%較低植被覆蓋度、40%～60%中度植被覆蓋度、60%～80%較高植被覆蓋度、80%～100%高植被覆蓋度[13]，得到山西省2006 年、2010 年、2016 年植被覆蓋度，見圖1、圖2 和圖3。

4.1 山西省植被覆蓋度

通過計算，得到2006 年、2010 年和2016 年的植被覆蓋度面積，見表1。由表1 可知，山西省2006—2016 年，低植被覆蓋度、較低植被覆蓋度、高植被覆蓋度的面積持續(xù)增加。低植被覆蓋度區(qū)域在全省面積所占比例由6.99%增加到11.53%；較低植被覆蓋度區(qū)域由13.81%增加到17.76%；高植被覆蓋度區(qū)域由21.84%增加到23.75%。截至2016 年，植被覆蓋度持續(xù)增加的面積約占全省面積的53.04%。中度植被覆蓋度區(qū)域面積減少后有所回升，變化程度較小，其面積截至2016 年約占全省面積的22.24%。較高植被覆蓋度區(qū)域面積減少最為明顯，從2006 年約占全省面積的33.71%，減少到2016 年24.71%。

對山西省近10 年植被覆蓋度變化狀況進行分類，分為植被覆蓋度增加、不變和減少3 類，面積由矢量數(shù)據計算得出，具體數(shù)據見表2。由表2 可知，山西省2006—2010 年植被覆蓋度不變的區(qū)域面積約占全省總面積的43.70%；植被覆蓋度增加的區(qū)域面積約占全省總面積的23.31%；植被覆蓋度減少的區(qū)域面積約占全省總面積的32.99%。2010—2016 年，植被覆蓋度不變的區(qū)域面積約占全省總面積的46.66%；植被覆蓋度增加的區(qū)域面積約占全省總面積的30.31%；植被覆蓋度減少的區(qū)域面積約占全省總面積的23.03%。

綜上，2006—2016 年山西省約2/5 以上的區(qū)域植被覆蓋度維持不變；約1/4 以上的區(qū)域植被覆蓋度持續(xù)增加；1/4～1/3的區(qū)域植被覆蓋度減少。山西省高植被覆蓋區(qū)域、較低植被覆蓋區(qū)域、低植被覆蓋區(qū)域面積持續(xù)增加；中度植被覆蓋區(qū)域面積先減少，后有所回升；較高植被覆蓋區(qū)域面積持續(xù)減少。

表1 山西省2006 年、2010 年和2016 年不同植被覆蓋度面積及占比

表2 山西省2006—2010 年、2010—2016 年植被覆蓋度增減狀況

4.2 山西省不同地形區(qū)植被覆蓋度

根據表3 地形區(qū)劃分標準，將山西省大致劃分為4 個地形區(qū)，分別為盆地、丘陵、臺地、山地，如圖4。

表3 地形區(qū)劃分

表4 2006—2010 年山西省不同地形區(qū)植被覆蓋度變化類型及面積

各地形區(qū)植被覆蓋度變化見圖5、圖6，統(tǒng)計得出不同變化類型的面積及面積占比，具體數(shù)據見表4、表5。由表4 可知，2006—2010 年，盆地地區(qū)植被覆蓋度大幅減少，減少面積為22 815 km2，占該地形區(qū)總面積的57.76%，植被凈覆蓋度區(qū)域減少45.38%。臺地地區(qū)植被覆蓋度減少面積為10 810 km2，占該地形區(qū)總面積的58.10%，植被覆蓋度減少48.60%。同期，山西省內丘陵和山地地區(qū)的植被覆蓋度有所上升，其中丘陵地區(qū)的植被覆蓋度增加面積為9 772 km2，植被覆蓋度凈增加率為13.36%。山地地區(qū)植被覆蓋度增加面積為19 394 km2，植被覆蓋度凈增加率達10.57%。

由表5 可知，2010—2016 年，山西省盆地和臺地地區(qū)植被覆蓋度增加明顯。盆地地區(qū)植被覆蓋度增加面積為18 595 km2，占該地形區(qū)總面積的47.12%，植被覆蓋度凈增加率為29.52%。臺地地區(qū)植被覆蓋度增加的面積為7 945 km2，占該地形區(qū)總面積的42.64%，植被覆蓋度凈增加率為30.87%。丘陵地區(qū)的植被覆蓋度也有所增加，增加率為7.82%。同期，山地地區(qū)的植被覆蓋度有所下降，植被覆蓋度減少面積為19 544 km2，植被覆蓋度減少12.12%。

5 結論

（1）2006—2016 年，山西省不同區(qū)域植被覆蓋度一直處于動態(tài)變化之中。僅就植被覆蓋度而言，2016 年與2006 年相比，覆蓋度提升的區(qū)域面積增加，覆蓋度維持不變的區(qū)域面積增加，覆蓋度降低的區(qū)域面積減少，山西省生態(tài)環(huán)境持續(xù)向好發(fā)展。

（2）2006—2016 年，山西省丘陵的植被覆蓋度增加的區(qū)域面積持續(xù)增加；山地植被覆蓋度增加的區(qū)域面積先增后減；盆地與臺地的植被覆蓋度增加的區(qū)域面積先減后增。不同地形區(qū)生態(tài)環(huán)境變化差異明顯。

（3）具體來看，山西省北部各地形區(qū)及中南部的太原盆地、運城盆地、陽泉盆地和晉城盆地的植被覆蓋度都有明顯下降，西部和東南部的丘陵和山地地區(qū)植被覆蓋度明顯增加。

表5 2010—2016 年山西省不同地形區(qū)植被覆蓋度變化類型及面積