1993年～2019年圖木舒克市植被覆蓋度時(shí)空變化分析

白 松

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 844000)

0 引言

植被作為城市最重要的景觀之一，不僅對(duì)城市生態(tài)環(huán)境保護(hù)做出了貢獻(xiàn)，而且深刻的影響城市未來(lái)及可持續(xù)發(fā)展[1]。但城市建設(shè)及城市化的加快，給城市生態(tài)環(huán)境帶來(lái)一系列問(wèn)題，也對(duì)植被覆蓋面積變化帶來(lái)一定程度的威脅[2]。因此，區(qū)域適時(shí)的監(jiān)測(cè)、探討及分析城市植被覆蓋時(shí)空格局及其變化，對(duì)城市生態(tài)環(huán)境與規(guī)劃具有重要的意義。遙感技術(shù)是監(jiān)測(cè)與分析區(qū)域植被覆蓋度變化的重要手段，具有成本低、長(zhǎng)時(shí)序與覆蓋面積廣等優(yōu)勢(shì)。本文基于1993年～2019年Landsat系列衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，采用NDVI、像元二分模型與植被平均覆蓋度等模型與方法，探討1993年～2019年27年圖木舒克市植被覆蓋的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。

1 研究區(qū)概況

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第三師圖木舒克市(新疆維吾爾自治區(qū)直轄縣級(jí)市)位于塔里木盆地西北部，葉爾羌河與喀什噶爾河流域下游交匯的沖擊平原區(qū)，是喀什地區(qū)、阿克蘇地區(qū)、克州與和田地區(qū)等南疆三地一洲的中心地帶，行政面積1915.56 km2，下轄市區(qū)街道、44、49、50、51、53五個(gè)農(nóng)牧團(tuán)場(chǎng)與小海子水管理處等單位。境內(nèi)主要河流與水域?yàn)槿~爾羌河及其分支蓋木里克河、喀什噶爾河分支圖來(lái)買(mǎi)提河與克列根河、小海子水庫(kù)與永安壩水庫(kù)，其中小海子水庫(kù)與永安壩水庫(kù)庫(kù)容分別為5×108m3與2×108m3，該市主要以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，總灌溉面積為728.44 km2，氣候具有典型溫帶極干旱荒漠特征，溫暖干燥，多年平均降雨量為<70 mm，海拔高程約為1075.3 m～1499.6 m，其研究區(qū)概況圖見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)概況圖(Landsat OLI RGB-654影像)

2 數(shù)據(jù)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

本文綜合考慮圖木舒克市植被生長(zhǎng)季節(jié)性差異、云量及沙塵暴等影響，選用1993年8月1日(Landsat TM)、2008年8月21日(Landsat ETM+)、2019年7月24日(Landsat OLI)等不同3期8月1日～8月30日天氣良好、植被茂盛時(shí)期，質(zhì)量良好的美國(guó)國(guó)家航空航天局NASA的Landsat(TM/ETM+/OLI)系列衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)(軌道號(hào)為：147/32，分辨率：30 m)，云量分別為1.02%、3.54%、0.2%(云量均研究區(qū)外)，數(shù)據(jù)下載網(wǎng)站為美國(guó)地質(zhì)勘探局網(wǎng)站(http：//glovis.usgs.gov)與國(guó)家地理空間數(shù)據(jù)云官網(wǎng)(http：//www.gscloud.cn)。圖木舒克市行政矢量邊界圖從中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所共享官網(wǎng)下載(http：//www.resdc.cn)。利用ENVI 5.3與ArcGIS 10.3軟件對(duì)原影像數(shù)據(jù)進(jìn)行去條帶(Landsat ETM+)、輻射定標(biāo)及大氣校正，并以此市行政邊界圖為基礎(chǔ)進(jìn)行圖像裁剪和掩模統(tǒng)計(jì)。

2.2 NDVI計(jì)算

NDVI(歸一化植被指數(shù))是由衛(wèi)星數(shù)據(jù)不同波段光譜組合而成，業(yè)界人士研究證明歸一化植被指數(shù)是目前反演植被覆蓋度狀況的最佳植被指數(shù)之一，計(jì)算公式如下式：

(1)

式中：NIR為L(zhǎng)andsat TM/ETM+/OLI數(shù)據(jù)的近紅外波段值(TM/ETM+為Band4，OLI為Band5)；Red為L(zhǎng)andsat TM/ETM+/OLI數(shù)據(jù)的紅外波段值(TM/ETM+為Band3，OLI為Band4)[3]。

2.3 像元二分模型

NDVI與植被覆蓋度(FVC)之間存在著顯著的線性相關(guān)關(guān)系，利用兩者關(guān)系進(jìn)行建模估算區(qū)域植被覆蓋度。其像元二分模型計(jì)算公式如下式：

(2)

式中：NDVIveg為代表純植被像元NDVI值，NDVIsoil為代表裸地或無(wú)覆被像元NDVI值[4]。根據(jù)植被覆蓋估算理論來(lái)分析可知，NDVIsoil與NDVIveg的值應(yīng)分別為0和1，但是由于外界因素與傳感器差異原因，存在一定的誤差，此為依據(jù)，為了求得正確的對(duì)應(yīng)值，選取累計(jì)百分比5%作為NDVIsoil、95%作為NDVIveg。

目前為止還沒(méi)有統(tǒng)一的植被覆蓋度的分級(jí)閾值標(biāo)準(zhǔn)，本文據(jù)國(guó)家《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》和結(jié)合干旱區(qū)綠洲植被特有的生態(tài)特征，并對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行閾值分割處理。其中植被覆蓋度的閾值分割按照傳統(tǒng)的分類方法分為Ⅰ級(jí)[0，0.2]、Ⅱ級(jí)[0.2，0.3]、Ⅲ級(jí)[0.3，0.6]、Ⅳ級(jí)[0.6，1]等4個(gè)等級(jí)，分別代表為裸地或極低(含水域)、低、中、高植被覆蓋。

2.4 植被平均覆蓋度

通過(guò)不同等級(jí)植被覆蓋度面積加權(quán)平均來(lái)估算圖木舒克市不同時(shí)期植被平均覆蓋度。若高、中、低與極低植被覆蓋度等級(jí)面積分別為FVC高、FVC中、FVC低與FVC極低，對(duì)應(yīng)覆蓋等級(jí)取值分別為4、3、2與1，其計(jì)算公式(3)得到圖木舒克市不同時(shí)期的植被平均覆蓋度[5]。

(3)

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度空間格局分布特征及變化趨勢(shì)

基于NDVI像元二分模型，利用軟件ENVI 5.3與ArcGIS 10.3計(jì)算得出圖木舒克市不同3期植被覆蓋度，并以此為基礎(chǔ)DN值進(jìn)行閾值分割，得到1993年、2008年與2019年不同3期植被覆蓋度空間格局等級(jí)分布圖。如圖2所示，圖木舒克市植被永安壩水庫(kù)東北部總體以突里買(mǎi)提河與克列根河為軸線，從高到低向外展布，永安壩水庫(kù)西南部總體以蓋木里克河為主線，高覆蓋為主呈大面積片狀分布。

圖3是利用圖木舒克市行政邊界矢量進(jìn)行掩膜統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到的不同等級(jí)植被覆蓋度與NDVI均值變化線性趨勢(shì)。從圖3可知，圖木舒克市近27年植被總覆蓋面積(不包括極低覆蓋面積)、植被平均覆蓋度及NDVI均值都呈增加趨勢(shì)，三者擬合優(yōu)度R2分別為0.9719、0.973與0.9756。在3期統(tǒng)計(jì)結(jié)果中，圖木舒克市總植被覆蓋面積由1993年的1178.1 km2增加至2019年的1218.4 km2，增加了40.4 km2，增幅為3.43%；植被平均覆蓋度由1993年的2.2122增加至2019年的2.5761，增加了0.3639，增幅為16.45%；NDVI均值由1993年的0.122增加至2019年的0.301，增加了0.179，增幅為146.72%。不同時(shí)段分析可知，植被總覆蓋面積、植被平均覆蓋度與NDVI平均值增加量最明顯時(shí)段為1993年～2008年，增幅分別為2.22%、10.60%與93.44%。

(a)總覆蓋

(b)植被平均覆蓋度

(c)NDVI平均值

在不同時(shí)期、等級(jí)植被覆蓋面積變化趨勢(shì)中(圖4)，高植被覆蓋線性增加變化趨勢(shì)最顯著(R2=0.9937)，由1993年的317.2 km2增加至2019年的759.6 km2，增加了442.4 km2，增長(zhǎng)率139.49%。其余中、低、裸地或極低覆蓋面積線性變化都呈減小趨勢(shì)，線性擬合優(yōu)度R2分別為0.9726、0.8690與0.9718，分別由1993年的504.0 km2、356.9 km2、732.8 km2減小至2019年的274.1 km2、184.7 km2、692.5 km2，分別減小229.9 km2、172.18 km2、40.36 km2，降幅分別為45.62%、48.24%、5.51%。對(duì)比可知，4個(gè)不同植被覆蓋等級(jí)結(jié)果中，高植被覆蓋面積增加最顯著，且植被總覆蓋面積比重也最大。經(jīng)計(jì)算，高植被覆蓋面積在3期占植被總覆蓋面積比重分別為26.92%、47.24%與62.34%，所占比例逐漸上升。

(a)高覆蓋

(b)中覆蓋

(c)低覆蓋

(d)裸地或極低覆蓋

3.2 植被覆蓋度空間動(dòng)態(tài)變化特征

為了進(jìn)一步揭示圖木舒克市植被覆蓋度變化狀況，對(duì)1993年與2019年植被覆蓋等級(jí)之間相互進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣?？v觀分析見(jiàn)表1，1993年～2019年，圖木舒克市植被覆蓋主要以極低和低覆蓋小面積向中覆蓋轉(zhuǎn)移、低和中覆蓋大面積向高覆蓋轉(zhuǎn)移為主。具體轉(zhuǎn)移量為：極低和低覆蓋分別轉(zhuǎn)中覆蓋53.74 km2和58.32 km2，分別占極低和低覆蓋面積的7.33%和16.34%；低和中覆蓋分別轉(zhuǎn)高覆蓋143.13 km2和252.01 km2，分別占極低和低覆蓋面積的40.66%和50.00%。從絕對(duì)變化量來(lái)分析可知，極低、低、中和高植被覆蓋面積變化量分別為-40.36 km2、-172.18 km2、-229.90 km2和442.44 km2，極低、低和中覆蓋都均減小，其中低和中覆蓋均大幅度減小，接近占1993年面積的一半；高覆蓋大幅度增加，接近占1993年1.4倍；極低、低和中覆蓋最終轉(zhuǎn)為高覆蓋，其中中覆蓋比率最大。

表1 1993年～2019年圖木舒克市植被覆蓋度等級(jí)轉(zhuǎn)移矩陣

4 結(jié)論

(1)近27年，圖木舒克市植被覆蓋面積大幅度增加的同時(shí)，植被覆蓋度也明顯上升。2019年比1993年植被覆蓋總面積增加40.4 km2，增幅為3.42%。從不同覆蓋等級(jí)分析可知，高覆蓋增加最顯著，近27年增加了442.4 km2，增幅為139.49%；極低、低和中覆蓋面積都均減少趨勢(shì)，其中低和中覆蓋減少最顯著，減少面積分別為229.9 km2和172.18 km2，降幅分別達(dá)45.61%和48.24%；極低覆蓋減小不太明顯，減小面積為40.36 km2，降幅為5.51%。

(2)1993年～2019年，圖木舒克市NDVI與植被平均覆蓋度都呈上升趨勢(shì)，上升率分別為146.72%和16.45%。

(3)圖木舒克市植被覆蓋總體以高植被覆蓋為主，極低、低和中覆蓋最終都轉(zhuǎn)為高覆蓋，其中中覆蓋轉(zhuǎn)移比重最大，占比達(dá)50.00%。