基于NDVI的晉州市植被覆蓋信息提取

孫銘浩張霞尚國琲

(1.河北地質(zhì)大學(xué)/河北省高校生態(tài)環(huán)境地質(zhì)應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心,河北 石家莊 050031；2.河北地質(zhì)大學(xué)/河北省農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測國際聯(lián)合研究中心，河北 石家莊 050031)

植被覆蓋度作為衡量地表植被生長狀況及生長活力的一個(gè)重要指標(biāo)，在分析地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)狀況及其變化趨勢方面獲得廣泛應(yīng)用[1]；對植被覆蓋變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測最常見的手段是利用歸一化植被指數(shù)(NDVI)和像元二分模型[2,3]。近年來，諸多學(xué)者借助于ENVI和ArcGIS技術(shù)手段，對植被覆蓋度時(shí)空演變特征及其影響因素進(jìn)行了大量的研究，積累了豐富的研究成果。早期關(guān)注的重點(diǎn)是植被覆蓋度的提取方法[4]，其中，像元二分模型在植被覆蓋遙感估算中得到了廣泛的應(yīng)用[5]；現(xiàn)階段關(guān)注的重點(diǎn)則是分析影響植被覆蓋度變化的因素，研究結(jié)果表明，植被覆蓋度變化與水熱等氣候因子[6-8]、不同地表類型及土壤含水量[9,10]、高程坡度坡向等地形因子[11-14]及生態(tài)建設(shè)工程等人類活動(dòng)因子[15,16]密切相關(guān)，而且通常是自然和人為因素共同作用的結(jié)果。目前已有研究區(qū)域涉及省市域[11,17]、高原[18]、綠洲[19]等，但整體上以大區(qū)域范圍的宏觀尺度研究為主，以縣域?yàn)閷ο蟛⑶颐黠@對比一個(gè)縣域中2種不同的生產(chǎn)業(yè)對植被覆蓋度變化的研究尚不多見。本文將具體分析晉州市城南區(qū)域與城北區(qū)域2種不同的生產(chǎn)方式對植被覆蓋度的影響情況。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

晉州市位于河北省的中南部，隸屬于省會(huì)石家莊市，境域在E114°58′20″～115°12′30″，N37°47′30″～38°09′30″，如圖1所示。全市南北長最長處約為41.5km，東西最寬處約為20.7km，總面積約為619km2。晉州市被307國道橫穿，國道以北的城北區(qū)域有4鎮(zhèn)1鄉(xiāng)，國道以南的城南區(qū)域有5鎮(zhèn)。城南區(qū)域大部分都以果樹農(nóng)田種植業(yè)為主，被譽(yù)為“鴨梨之鄉(xiāng)”，城北區(qū)域除周家莊鄉(xiāng)含有部分種植業(yè)，大部分以工廠生產(chǎn)業(yè)為主。晉州市位于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，一年四季的特征變化明顯，年平均氣溫14.9℃。同時(shí)晉州市水資源匱乏，屬于缺水地區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)源

1.2.1 遙感數(shù)據(jù)

本文的數(shù)據(jù)是從地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/)選取的8景Landsat 8OLI遙感影像，由于本次研究為估算植被覆蓋度，所以盡量選擇植物生長期影像，影像日期為(2013年9月、2014年8月、2015年7月、2016年9月、2017年7月、2018年6月、2019年7月、2020年9月)植物生長季時(shí)期，影像云量在10以下，目視清晰，質(zhì)量完好。

圖1 晉州市地理位置

1.2.2 輔助數(shù)據(jù)

本文所涉及的行政區(qū)矢量與道路數(shù)據(jù)來源于全國地理信息資源服務(wù)系統(tǒng)，比例尺為1∶100萬；大地坐標(biāo)系為2000國家大地坐標(biāo)系(CGCS2000)；高程系為1985國家高程基準(zhǔn)，數(shù)據(jù)格式為GEODATEBASE。

2 數(shù)據(jù)處理與研究方法

2.1 遙感影像預(yù)處理

對下載的Landsat8遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、裁剪研究區(qū)等圖像預(yù)處理，以減少傳感器本身和大氣對遙感圖像的影響，減少誤差。其中,2015年為兩景數(shù)據(jù)，還需要對其進(jìn)行無縫鑲嵌處理，然后進(jìn)行裁剪。以上處理均在ENVI5.3軟件下進(jìn)行。對于最后的結(jié)果植被覆蓋度FVC的TIF文件，通過ArcGIS 10.8進(jìn)行重分類并計(jì)算各植被覆蓋度等級相對應(yīng)面積。操作流程如圖2所示。

圖2 預(yù)處理操作流程圖

2.2 植被指數(shù)選取

歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)不僅可檢測植被覆蓋度[20]、植被生長狀態(tài)和消除部分輻射誤差，還能消除植物冠層的背景和高大山體的陰影所帶來的影響，如土壤、枯葉、粗糙度、潮濕地面和雪等，同時(shí)還具有操作簡便、準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)。因此該研究使用NDVI估算晉州市的植被覆蓋度，計(jì)算公式：

(1)

式中，ρnir和ρred分別代表OLI影像在近紅外波段的反射率和紅波段的反射率。

2.3 植被覆蓋度計(jì)算

植被覆蓋度是指植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的百分比[21]，是衡量地表植被覆蓋的一個(gè)重要指標(biāo)，能有效反映地表植被分布特征和描述生態(tài)環(huán)境變化[22,23]，被廣泛用于生態(tài)環(huán)境評價(jià)和植被動(dòng)態(tài)監(jiān)測等領(lǐng)域[24-26]。直接利用植被指數(shù)可以準(zhǔn)確有效地估算植被覆蓋度。

采用像元二分模型估算植被覆蓋度，該模型也是較為簡單實(shí)用且被大量印證過的模型[5]，其原理為假定有植被覆蓋度與無植被覆蓋度的區(qū)域共為一個(gè)像元，NDVI表示這個(gè)像元的歸一化植被指數(shù)，如這個(gè)像元全部覆蓋植被則表示NDVIV，全部覆蓋土壤則表示NDVIS。則可得出如下公式：

Ship Detection with Improved Convolutional Neural Network

NDVI=NDVIV×F+NDVIS×(1-F)

(2)

式中，F(xiàn)為所求的植被覆蓋度。經(jīng)過整理可知：

(3)

理論上裸土的植被覆蓋度接近0，全部覆蓋植被的像元植被覆蓋度接近1。但是受環(huán)境和其它因素的影響，NDVIS的值總是在0.1～0.2浮動(dòng)，NDVIV的值也因植被類型和植被生長狀態(tài)而改變。因此選取5%～95%的置信區(qū)間，以累計(jì)百分比中的5%和95%的值來代表裸土植被覆蓋度的值和植被全覆蓋像元中植被覆蓋度的值，以此來估算植被覆蓋度，公式：

(4)

式中，F(xiàn)VC表示植被覆蓋度；NDVImin表示研究區(qū)NDVI的最小值；NDVImax表示研究區(qū)內(nèi)NDVI的最大值。

2.4 植被覆蓋度等級劃分

本文依據(jù)國家出臺(tái)的《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》、《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》及《中國荒漠化防治國家報(bào)告》，同時(shí)結(jié)合朱震達(dá)等[27]的研究，將晉州市的植被覆蓋度分成5個(gè)等級，分別是極低植被覆蓋度(覆蓋度<20%)、低植被覆蓋度(覆蓋度20%～40%)、中植被覆蓋度(覆蓋度40%～60%)、中高植被覆蓋度(覆蓋度60%～80%)、高植被覆蓋度(覆蓋度80%～100%)。

3 結(jié)果分析

3.1 歸一化植被指數(shù)變化趨勢

由圖3可知，晉州市的NDVI平均值在2013—2020年總體表現(xiàn)為下降趨勢。2013—2015年，數(shù)值呈現(xiàn)下降趨勢，原因?yàn)檫@2a晉州市城北工業(yè)發(fā)展較為嚴(yán)重，缺乏對生態(tài)的保護(hù)，導(dǎo)致2014—2015年NDVI數(shù)值急劇下降。2015—2016年，城北加強(qiáng)了對生態(tài)保護(hù)的建設(shè)，所以這1a中植被指數(shù)有所回升，但仍然沒有達(dá)到以往的最高值。2016—2018年，晉州市的NDVI數(shù)據(jù)又繼續(xù)呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢，造成此趨勢的原因?yàn)闀x州市城北區(qū)域一些工廠又開始興建，同時(shí)城南也有部分地區(qū)開始興建科技園與工廠，所以植被指數(shù)開始下降。從2018年開始，植被指數(shù)開始緩慢增加，晉州市城北區(qū)域生態(tài)建設(shè)開始好轉(zhuǎn)，晉州市的NDVI數(shù)值正逐漸升高。

圖3 2013—2020年晉州市歸一化植被指數(shù)變化

3.2 植被覆蓋度空間變化特征分析

表1 晉州市植被覆蓋度面積統(tǒng)計(jì)

從圖4可知，中覆蓋度、中高覆蓋度的分布區(qū)域相較2013年沒有改變。而高覆蓋度變化區(qū)域變化明顯，表現(xiàn)為區(qū)域變小。2013—2015年，極低覆蓋度變化不明顯，低覆蓋度區(qū)域面積和中覆蓋度區(qū)域面積分別從2013年的40.9km2和38.92km2增加到2015年的124.69km2和135.71km2，增加了83.71km2和96.79km2，增幅為13.9%和16.07%。中高覆蓋度及高度蓋度區(qū)域面積分別降低了4.42km2和192.06km2?？芍谠摃r(shí)間段內(nèi)，低覆蓋度區(qū)域面積和高覆蓋度區(qū)域面積變化最大。

3.3 晉州市植被覆蓋度空間轉(zhuǎn)移分析

為了探究晉州市不同植被覆蓋度等級區(qū)域相互轉(zhuǎn)化的情況，以及分析晉州市8a間植被覆蓋度的變化情況，本文對8期遙感數(shù)據(jù)分為4個(gè)階段(2013—2015年、2015—2017年、2017—2019年、2019—2020年)進(jìn)行了植被覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣的制作，見表2～5。由表2可知，晉州市在2013—2015年極低植被覆蓋度區(qū)域沒有轉(zhuǎn)出的和向低覆蓋度區(qū)域轉(zhuǎn)出的面積為66.06km2和15.69km2，分別占轉(zhuǎn)出面積的78.9%和18.74%。由此可知，2013年的極低植被覆蓋度區(qū)域大部分轉(zhuǎn)入到2015年的極低植被覆蓋度區(qū)域中，小部分轉(zhuǎn)入低覆蓋度植被區(qū)域中。低覆蓋度區(qū)域轉(zhuǎn)入極低覆蓋度和沒有轉(zhuǎn)出區(qū)域的面值占比分別為33.26%和46.88%，低覆蓋度區(qū)域向更高覆蓋度區(qū)域轉(zhuǎn)移面積比僅占19.86%，所以低覆蓋度區(qū)域在此期間主要為沒轉(zhuǎn)出和向更低覆蓋度區(qū)域轉(zhuǎn)移。中覆蓋度區(qū)域向更低和更高區(qū)域覆蓋度轉(zhuǎn)移面積占比為44.14%和28.45%，中覆蓋度區(qū)域在此期間主要轉(zhuǎn)入更低覆蓋度區(qū)域。中高覆蓋度區(qū)域向更高級別區(qū)域轉(zhuǎn)出的面積占比為25.92%。高覆蓋度區(qū)域向更低覆蓋度區(qū)域轉(zhuǎn)入面積百分比為70.12%。因此總體上，2013—2015年，覆蓋度變化大部分保持原覆蓋度等級和向更低等級覆蓋度區(qū)域轉(zhuǎn)變，中高覆蓋度區(qū)域變化最劇烈，高覆蓋度區(qū)域向低等級覆蓋度區(qū)域轉(zhuǎn)出最多。

圖4 2013—2020年晉州市植被覆蓋度空間分布

表2 晉州市2013—2015年植被覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣

由表3可知，在2015—2017年極低植被覆蓋度區(qū)域沒有轉(zhuǎn)出和向低覆蓋度區(qū)域轉(zhuǎn)出的面積為77.02km2和16.62km2，分別占比77.24%和16.67%。由此可知，極低覆蓋度區(qū)域在這段時(shí)間內(nèi)變化平穩(wěn)，面積轉(zhuǎn)出較少。低覆蓋度、中覆蓋度、中高覆蓋度區(qū)域向更低覆蓋度和沒有轉(zhuǎn)出的面積百分比分別為78.15%、84.77%、78.33%。在這段時(shí)間內(nèi)植被覆蓋度依舊沒有明顯向更高的覆蓋度區(qū)域轉(zhuǎn)移。高覆蓋度區(qū)域向更低覆蓋度區(qū)域轉(zhuǎn)入面積百分比為24.8%?？傮w上，2015—2017年，極低覆蓋度區(qū)域向高級別覆蓋度區(qū)域轉(zhuǎn)出最多為22.76%，可說明在此期間內(nèi)晉州市植被覆蓋度變化主要為極低覆蓋度區(qū)域向高級別覆蓋度區(qū)域轉(zhuǎn)移。

表3 晉州市2015—2017年植被覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣

由表4可知，2017—2019年極低植被覆蓋度區(qū)域沒有轉(zhuǎn)出的和向低覆蓋度區(qū)域轉(zhuǎn)出的面積為66.56km2和50.23km2，分別占轉(zhuǎn)出面積的54.54%和41.16%。由此可知，極低覆蓋度區(qū)域在這段時(shí)間內(nèi)變化劇烈，有將近50%的面積轉(zhuǎn)向更高覆蓋度區(qū)域。低覆蓋度、中覆蓋度、中高覆蓋度區(qū)域向更低覆蓋度和沒有轉(zhuǎn)出的面積百分比分別為83.29%、83.79%、80.35%。因此,在這段時(shí)間內(nèi)植被覆蓋度依舊沒有明顯向更高的覆蓋度區(qū)域轉(zhuǎn)移。高覆蓋度區(qū)域向更低覆蓋度區(qū)域轉(zhuǎn)入面積百分比為20.54%，高覆蓋度區(qū)域變化不劇烈?？傮w上，2017—2019年，極低覆蓋度向更高覆蓋度區(qū)域轉(zhuǎn)出面積將近50%，高覆蓋度區(qū)域小部分轉(zhuǎn)出，其它等級覆蓋度表現(xiàn)為向更低覆蓋度和原覆蓋度區(qū)域轉(zhuǎn)移。

表4 晉州市2017—2019年植被覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣

由表5可知，2019—2020年，極低植被覆蓋度區(qū)域沒有轉(zhuǎn)出的面積為58.83km2，占轉(zhuǎn)出面積的72.7%。低覆蓋度、中覆蓋度向更高覆蓋度轉(zhuǎn)移的面積百分比分別為70.34%、64.92%。由此可知，在這此期間低覆蓋度、中覆蓋度區(qū)域向更高覆蓋度區(qū)域轉(zhuǎn)移劇烈。中高覆蓋度區(qū)域沒有轉(zhuǎn)出與向更低覆蓋度轉(zhuǎn)移的面積百分比為61.84%。高覆蓋度區(qū)域向更低覆蓋度區(qū)域轉(zhuǎn)入面積百分比為32.9%。因此總體上，2019—2020年，低覆蓋度和中覆蓋度區(qū)域向更高覆蓋度區(qū)域轉(zhuǎn)出大部分，其它覆蓋度等級都向更低覆蓋度和原覆蓋度轉(zhuǎn)變?？芍谶@段時(shí)間內(nèi)，低覆蓋度和中覆蓋區(qū)域明顯好轉(zhuǎn)。

表5 晉州市2019—2020年植被覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣

3.4 植被覆蓋度變化分析

本文將晉州市2013—2020年植被覆蓋度進(jìn)行分時(shí)段研究，最終將其分為2013—2015年、2015—2017年、2017—2019年、2019—2020年4個(gè)時(shí)間段。并按植被覆蓋度從每個(gè)時(shí)間段起始年限開始，到時(shí)間段結(jié)束年限如果植被覆蓋度向更高級別轉(zhuǎn)變，則將其分為植被覆蓋度變好一類，反之則歸為變差一類，植被覆蓋度不變的歸為未改變一類的分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類。最終通過軟件ArcGIS 10.8將其繪制成圖，結(jié)果如圖5所示。同時(shí)結(jié)合表6可知，2013—2015年，城市FVC未改變區(qū)域占50%，且主要分布在城北及城南東部區(qū)域;2015—2019年，城市FVC呈逐漸變差的趨勢發(fā)展，這種趨勢發(fā)生在全市范圍內(nèi)，分析其原因?yàn)槌潜惫I(yè)化生產(chǎn)加劇，且城南種植業(yè)受經(jīng)濟(jì)影響逐漸下降;2019—2020年，城市FVC逐漸好轉(zhuǎn)，植被覆蓋度變好的區(qū)域占44.05%，主要集中在城北區(qū)域。分析原因?yàn)槌潜笨刂屏斯I(yè)化生產(chǎn)的速度，重視了對生態(tài)的保護(hù)意識。

圖5 各時(shí)段植被覆蓋度變化情況

表6 晉州市4時(shí)段FVC變化統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論與討論

本文利用Landsat8OLI遙感影像數(shù)據(jù)，基于NDVI和像元二分模型對晉州市進(jìn)行了植被覆蓋度(FVC)的估算，分析了近8a的植被歸一化指數(shù)的變化趨勢和植被覆蓋度的動(dòng)態(tài)變化，在此基礎(chǔ)上，通過對植被空間變化特征、空間轉(zhuǎn)移趨勢的分析，得到以下結(jié)論。

晉州市的NDVI雖然在近幾年有上升的趨勢，但是在2013—2020年趨勢線方程的斜率為-0.0207，總體表現(xiàn)出下降趨勢。

晉州市城南主要為農(nóng)業(yè)種植區(qū)，植被覆蓋度等級大部分為中高覆蓋度，少數(shù)幾年表現(xiàn)為中覆蓋度和高覆蓋度，雖然植被覆蓋率較高，但是絕大多數(shù)為經(jīng)濟(jì)林，且植被整體質(zhì)量較差，主要以農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為主，缺乏多元化生態(tài)系統(tǒng)，自然基地單一；城北工業(yè)區(qū)的植被覆蓋度等級在前幾年除城區(qū)表現(xiàn)為極低覆蓋度外，其余區(qū)域表現(xiàn)為中高覆蓋度，但是在近些年城北區(qū)域的植被覆蓋度等級整體表現(xiàn)為低覆蓋度，直到2020年有所改善。

植被覆蓋度空間轉(zhuǎn)移情況在前3個(gè)時(shí)間段中，均表現(xiàn)為更高級植被覆蓋度區(qū)域向低等級植被覆蓋度區(qū)域轉(zhuǎn)移，在2019—2020時(shí)間段中表現(xiàn)為低等級的植被覆蓋度區(qū)域向更高等級的植被覆蓋度區(qū)域發(fā)生轉(zhuǎn)移。

由植被覆蓋度變化分析知，2013—2015年，未改變區(qū)域?yàn)?0.68%,2015—2017年、2017—2019年這2個(gè)時(shí)間段，F(xiàn)VC變差的區(qū)域?yàn)?5.99%和61.07%,2019—2020年，F(xiàn)VC變好的區(qū)域?yàn)?4.05%。由此可知，F(xiàn)VC變好的百分比在逐漸升高，變差的先升高后降低，未改變的逐漸變小。

晉州市的城市建設(shè)比較緊湊，缺乏對城鎮(zhèn)建設(shè)用地蔓延、土地資源利用以及生態(tài)用地的劃分和管控，城北城區(qū)的植被覆蓋度一直為最低等級，所以在進(jìn)行此類研究時(shí)必須考慮城區(qū)的影響。全市域的海拔高程相差不大，西北部平均海拔45m，東南部稍低為35m，平均海拔相差10m。因此沒有進(jìn)行高程坡度等地形因子的分析。研究植被覆蓋度變化需要考慮的因素有很多，如氣溫、降雨量以及土壤水含量對植被覆蓋度的影響也是不可忽略的，本研究沒有涉及，故在以后的研究中，有必要從氣侯變化和降雨量方面考慮植被覆蓋度的變化。