基于遙感的五家渠市植被覆蓋時(shí)空變化研究

陳雨灝

（伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局,新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

植被作為城市最重要的環(huán)境指標(biāo)之一,不僅對(duì)城市空氣質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)做出了巨大的貢獻(xiàn),而且影響著城市發(fā)展趨勢(shì)和市容市貌[1]。但城市發(fā)展和建設(shè)速度的加快,為城市植被覆蓋量和生態(tài)系統(tǒng)帶來一系列問題,也對(duì)植被生長變化帶來一定程度的威脅[2]。因此,利用相關(guān)數(shù)據(jù)和方法監(jiān)測(cè)植被覆蓋時(shí)空格局及其變化規(guī)律,對(duì)城市未來環(huán)境保護(hù)與規(guī)劃具有重要的意義。遙感技術(shù)是比較適合監(jiān)測(cè)大面積植被覆蓋度的重要手段,具有低成本和長時(shí)序等優(yōu)勢(shì)。本文利用2005 年~2020 年Landsat系列遙感數(shù)據(jù),基于NDVI和像元二分模型及相關(guān)模型與方法,探討近16 年五家渠市植被覆蓋的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì),為五家渠市植被覆蓋演變趨勢(shì)和區(qū)域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供一些依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第六師五家渠市（新疆維吾爾自治區(qū)直轄縣級(jí)市,實(shí)行師市合一管理體制）（44°00'—44°35'N,87°21'—87°42'E）位于天山山脈博格達(dá)峰北麓,古爾班通古特沙漠南部,與昌吉市和烏魯木齊市接連,城區(qū)中心南部距烏魯木齊市33 km、西部距昌吉市23 km、東部距阜康市55 km、至烏魯木齊地窩堡國際機(jī)場(chǎng)30 km,行政面積743.8 km2,下轄軍墾路、青湖路、人民路等街道和101、102、103三個(gè)農(nóng)牧團(tuán)場(chǎng)。境內(nèi)主要河流與水域?yàn)閺哪贤笨v穿的烏魯木齊河和沙山子水庫、猛進(jìn)水庫與八一水庫,氣候具有典型溫帶大陸性干旱特征,溫暖干燥,多年平均降雨量為≤200 mm,海拔高程約為423.5 m～547.4 m,其研究區(qū)概況見圖1。

圖1 研究區(qū)概況示意圖

2 數(shù)據(jù)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

綜合考慮五家渠市植被生長季節(jié)性差異和外界因素等影響,選用2005年8月14日（Landsat ETM+）、2010年8月20日（Landsat TM）、2015年8月18日（Landsat OLI）與2020年8月15日（Landsat OLI）等不同4期8月10 日至8月20日云量少和植被茂盛時(shí)期,質(zhì)量良好的Landsat（TM/ETM+/OLI）系列衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)（軌道號(hào)為：143/29,分辨率：30 m）,云量分別為0.4%、0%、0.13%與0.89%,數(shù)據(jù)下載網(wǎng)站為美國地質(zhì)勘探局網(wǎng)站（http://glovis.usgs.gov）與國家地理空間數(shù)據(jù)云官網(wǎng)（http://www.gscloud.cn）。五家渠市行政矢量邊界圖從BIGEMAP地圖下載器進(jìn)行下載。利用ENVI 5.3 與ArcGIS 10.3 軟件對(duì)原影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理（去條帶、輻射定標(biāo)、大氣校正等）,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)）計(jì)算公式如（1）式：

式中：NIR為Landsat影像的近紅外波段值（Landsat-5/7為Band 4,Landsat-8為Band 5）；R為Landsat影像的紅外波段值（Landsat-5/7為Band 3,Landsat-8為Band 4）[3]。

2.3 像元二分模型

利用NDVI與植被覆蓋度（FVC）之間的線性關(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（2）式：

式中：NDVIveg為代表純植被NDVI像元值,NDVIsoil為代表裸地或無覆被NDVI像元值[4]。選取累計(jì)百分比2%作為NDVIsoil、98%作為NDVIveg。目前為止還沒有統(tǒng)一的植被覆蓋度的分級(jí)閾值標(biāo)準(zhǔn),本文根據(jù)國家土地利用與草場(chǎng)相關(guān)規(guī)范和結(jié)合研究區(qū)植被長勢(shì)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等[0,20%]、Ⅱ等[20%,30%]、Ⅲ等[30%,60%]、Ⅳ等[60%,100%]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

通過不同等級(jí)植被覆蓋度面積加權(quán)平均來估算五家渠市不同時(shí)期植被平均覆蓋度。若高、中、低與極低植被覆蓋度等級(jí)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）得到五家渠市不同時(shí)期的植被平均覆蓋度[5]。

2.5 圖像差值法

為了揭示五家渠市不同時(shí)期植被覆蓋度空間動(dòng)態(tài)變化情況,利用圖像差值比較法來計(jì)算不同時(shí)期植被覆蓋變化量△FVCg,差值范圍在[-1,1]。計(jì)算公式如（6）式：

式中：?FVCg-t2和FVCg-t1分別為阿拉爾市研究時(shí)段內(nèi)不同兩時(shí)期對(duì)應(yīng)的植被覆蓋度等級(jí)ENVI標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)。變化量分為植被覆蓋增加區(qū)（+）、減小區(qū)（-）與不變區(qū)（0）,其中增加區(qū)劃分等級(jí)分為極度改善區(qū)（+3）、中度改善區(qū)（+2）、輕微改善區(qū)（+1）,減小區(qū)劃分等級(jí)分為輕微退化區(qū)（-1）、中度退化區(qū)（-2）、嚴(yán)重退化區(qū)（-3）。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度空間分布特征及變化趨勢(shì)

基于NDVI像元二分模型,利用軟件ENVI5.3 與ArcGIS 10.3計(jì)算得出五家渠市不同4個(gè)時(shí)期植被覆蓋度,并以此為基礎(chǔ)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行閾值分割,得到2005 年、2010、2015 年與2020 年不同4 個(gè)時(shí)期植被覆蓋度空間不同等級(jí)分布圖。如圖2 所示,五家渠市植被總體以烏魯木齊河為軸線,從高到低向外展布。高植被覆蓋度集中于城市中部,呈大面積片狀分布,中與低植被覆蓋度集中于高植被覆蓋度外圍及烏魯木齊河上下游,呈小面積零散式分布。

圖2 五家渠市2005年~2020年植被覆蓋度空間不同等級(jí)分布圖

圖3是利用五家渠市shp矢量邊界圖進(jìn)行掩膜統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到的總植被覆蓋度、植被平均覆蓋度與NDVI均值變化線性趨勢(shì)。從圖可知,五家渠市近16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均值都變化波動(dòng)較大,三者擬合優(yōu)度R2分別為0.0408、0.0456與2×10-8,其中總植被覆蓋度、植被平均覆蓋度與NDVI均值呈整體增加趨勢(shì),但是出現(xiàn)波動(dòng)。在4 個(gè)時(shí)期統(tǒng)計(jì)結(jié)果中,五家渠市總植被覆蓋面積由2005 年的353.2 km2增加至2020 年的416.1 km2,增加了62.9 km2,增幅為17.8%；植被平均覆蓋度由2005 年的2.169 增加至2020 年的2.359,增加了0.200,增幅為8.7%；NDVI均值由2005 年的0.342 增加至2020 年的0.375,增加了0.034,增幅為9.9%。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)段分布為2005年~2010年、2015年~2020年與2015年~2020年,增幅分別為32.9%、17.3%與50.0%。

圖3 五家渠市2005年~2020年不同時(shí)期植被覆蓋面積和NDVI均值變化趨勢(shì)

在不同等級(jí)植被覆蓋面積變化趨勢(shì)中（圖4）,高、中、低與裸地或極低植被覆蓋度都出現(xiàn)不一樣的變化波動(dòng),高、中與低植被覆蓋整體呈增加趨勢(shì),高覆蓋度由2005 年的214.2 km2增加至2020 年的241.6 km2,增加了27.4 km2,增長率12.8%；中覆蓋度由2005 年的87.6 km2增加至2020 年的110.8 km2,增加了23.3 km2,增長率26.6%；低覆蓋度由2005 年的51.4 km2增加至2020 年的63.7 km2,增加了12.3 km2,增長率23.9%。裸地或極低植被覆蓋度呈整體減小趨勢(shì),由2005 年的390.3 km2減小至2020年的327.4 km2,減小了62.9 km2,增長率16.1%。對(duì)比可知,高覆蓋面積占總植被覆蓋面積比重最大。經(jīng)計(jì)算,高植被覆蓋面積在4期占植被總覆蓋面積比重分別為60.7%、36.8%、32.1%與58.1%。

圖4 五家渠市2005年~2020年不同時(shí)期、不同等級(jí)植被覆蓋面積變化趨勢(shì)

3.2 植被覆蓋度空間動(dòng)態(tài)變化特征

為了進(jìn)一步揭示五家渠市植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化狀況,利用圖像差值比較法計(jì)算2005 年~2020 年年植被覆蓋絕對(duì)變化,變化量正數(shù)表示為植被覆蓋增加區(qū)（+）、變化量負(fù)數(shù)表示為減小區(qū)（-）、變化量等于零表示為不變區(qū)（0）。

計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)（圖5和表1）,五家渠市植被覆蓋變化呈均勻不同程度的增加和減小。結(jié)合五家渠植被覆蓋空間分布圖可以看出,不變區(qū)域主要以高覆蓋為主,發(fā)生增加和減小區(qū)則以低、中覆蓋為主。從不同時(shí)間段來分析,2005 年~2010 年,增加區(qū)域面積大于減小區(qū)域面積,其中輕微改善區(qū)面積占比重最大,102 團(tuán)東部有所增加,中部減??；2010 年~2015 年,植被覆蓋以減小為主,除了中部小面積呈破碎增加以外,其余東部和市區(qū)周圍都不同程度減小,尤其是101 團(tuán)南部片區(qū)退化較突出；2015 年~2020 年,植被覆蓋以增加為主,增加區(qū)域面積為減小區(qū)域面積的約3 倍?？v觀2005 年~2020 年五家渠市植被覆蓋總體增加,且以沙山子水庫周圍區(qū)域較為突出。減小區(qū)域除了101 團(tuán)南部片區(qū)顯著外,城區(qū)街道周圍減小也較明顯。整體可以看出,五家渠市植被覆蓋度變化不僅有階段性差異,還存在區(qū)域性差異。

圖5 五家渠市2005年~2020年植被覆蓋度絕對(duì)變化量空間分布

表1 五家渠市2005年~2020年不同時(shí)段的植被覆蓋度空間等級(jí)量化面積變化 單位：km2

3.3 土地利用結(jié)構(gòu)變化

利用中國科學(xué)院資源與環(huán)境中心公開發(fā)布的土地利用數(shù)據(jù),進(jìn)行裁剪和統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到五家渠市2005年、2010年、2015年與2020年的土地利用類型空間分布圖和面積及所占比例（圖6和表2）。

圖6 五家渠市2005年~2020年4個(gè)時(shí)期土地利用類型空間分布

從表2可以看出,耕地、林地和未利用土地面積呈減小趨勢(shì),其中耕地面積由2005年的391.1 km2減小至2020年的326.07 km2,減小了65.03 km2,降幅為16.6%；林地面積2005年為8.24 km2,2010年、2015年與2020年都等于0；未利用土地由2005年的100.14 km2減小至23.66 km2,減小了76.48 km2,降幅為76.4%。草地、水域和建設(shè)用地呈明顯增加趨勢(shì),其中草地2010年面積最大,2005年最小,2005年~2020年增加了93.71 km2,增幅為46.4%；水域面積整體較穩(wěn)定,存在一些小波動(dòng),2005年~2020年增加了2.37 km2,增幅為10.7%；建設(shè)用地一直連續(xù)增加,由2005年的20.53 km2增加至2020年的74.21 km2,增加了53.68 km2,增幅為261.5%。

表2 五家渠市2005-2020年不同時(shí)期土地利用類型面積（km2）及所占比例

4 結(jié)論

（1）近16年,五家渠市植被覆蓋面積整體上增加的同時(shí),植被覆蓋度也相對(duì)上升。2020 年比2005年植被覆蓋總面積增加了62.9 km2,增幅為17.8%。從不同覆蓋等級(jí)分析可知,高覆蓋呈增加趨勢(shì),但是波動(dòng)較大,近16 年增加了27.4 km2,增長率12.8%；中和低覆蓋面積均呈增加趨勢(shì),存在波動(dòng),增加面積分別為23.3和63.7 km2,增幅分別為26.6%和12.3%；極低覆蓋減小不太明顯,減小面積為62.9 km2,降幅為16.1%。

（2）五家渠市植被覆蓋度空間變化存在時(shí)段性和區(qū)域性差異。在變化時(shí)段上,2015年~2020年覆蓋面積增加最顯著；在變化區(qū)域上,沙山子水庫周圍片區(qū)較為突出,城區(qū)街道周圍、101團(tuán)南部片區(qū)減小最為顯著。

（3）近16年,五家渠市耕地、林地和未利用土地面積呈減小趨勢(shì),草地、水域和建設(shè)用地明顯增加趨勢(shì)。其中建設(shè)用地面積增加最顯著,林地面積最終減小至0。