基于歸一化植被指數(shù)的植被覆蓋度時(shí)空變化研究
——以大運(yùn)河文化帶滄州段為例

張 薇，萬虹麟，陳 晨，張麗軍

(1.河北水利電力學(xué)院水利工程系，河北省滄州市黃河西路49號 061001；2.滄州市遙感與智慧水利技術(shù)創(chuàng)新中心，河北省滄州市黃河西路49號 061001)

近年來，我國進(jìn)入城市化迅速發(fā)展階段，隨著城市人口的增多和城市建筑用地的擴(kuò)張，城市植被受到一定的破壞，城市生態(tài)環(huán)境問題日益突出。因此，定期對城市植被覆蓋度進(jìn)行評估，對綠色、生態(tài)城市建設(shè)具有重要意義[1]。

植被覆蓋度(fractional vegetation cover，F(xiàn)VC)是衡量地表植被狀況的一個(gè)重要指標(biāo)，是指植被(包含枝、葉、莖)在地面上的垂直投影面積占總面積的比例[2]。較好的植被覆蓋不僅能美化城市環(huán)境，還能夠維持區(qū)域生態(tài)平衡，減弱城市熱島效應(yīng)，是反映城市生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)[3-4]。遙感技術(shù)以其周期性和宏觀性的特點(diǎn)在計(jì)算FVC值方面得到廣泛應(yīng)用。王君[5]等人利用遙感技術(shù)計(jì)算了西安市1995-2016年的植被覆蓋度,通過分析不同時(shí)期西安市的植被覆蓋度變化情況，得出西安市植被覆蓋度呈現(xiàn)逐年增加趨勢,全市生態(tài)環(huán)境明顯轉(zhuǎn)好；李微等人[6]采用像元二分模型對大連植被覆蓋度變化進(jìn)行了研究，并借助GIS分析功能,將大連市植被覆蓋度分為5個(gè)級別，獲得2000-2016年的大連市植被覆蓋度分布圖；王志超[7]等利用Landsat 5/8遙感影像，評估了成都市錦江區(qū)2002-2018年的植被覆蓋度(FVC)變化情況。

大運(yùn)河是中國古代創(chuàng)造的一項(xiàng)偉大工程，是祖先留給我們的寶貴遺產(chǎn)，2014年列入世界文化遺產(chǎn)名錄。打造大運(yùn)河文化帶，保護(hù)、傳承、利用好大運(yùn)河，是新時(shí)代黨中央、國務(wù)院作出的一項(xiàng)重大決策部署。河北段大運(yùn)河上接京津、下接魯豫，總長530km，融合京津、燕趙、齊魯、中原等多元文化，是中國大運(yùn)河獨(dú)具北方特色的文化瑰寶，而其中滄州段是最長、流經(jīng)縣市最多、最具代表性的一段。隨著大運(yùn)河文化帶建設(shè)的開展，運(yùn)河周邊植被覆蓋變化劇烈，因此本文選擇大運(yùn)河文化帶滄州段為研究對象，基于多期Landsat遙感數(shù)據(jù)，采用歸一化植被指數(shù)法對其植被覆蓋度進(jìn)行定量評估和變化監(jiān)測，為大運(yùn)河文化帶建設(shè)和生態(tài)保護(hù)提供參考。

1 研究區(qū)概況

滄州境內(nèi)的大運(yùn)河南起吳橋縣第六屯，流經(jīng)吳橋、東光、南皮、泊頭、滄州市區(qū)、滄縣、青縣，由青縣李又屯村流入天津，全長253km。按《河北省大運(yùn)河文化保護(hù)傳承利用實(shí)施規(guī)劃》將規(guī)劃范圍劃分為核心區(qū)、拓展區(qū)和輻射區(qū)，其中運(yùn)河兩岸2km為核心區(qū)范圍[8]。這里選取運(yùn)河兩岸4km范圍為研究區(qū)域，地理坐標(biāo)為37°31′45″-38°44′4″N，116°16′02″-116°56′22″E，全境地勢平坦，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，降水、氣溫的季節(jié)分布及氣溫的晝夜差別較為明顯。春、冬兩季干燥多風(fēng)，降雨多集中于夏季，年平均氣溫12.5℃，年平均降水581mm，無霜期181d。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

研究選用Landsat 5 TM和Landsat 8 OLI/TIRS影像作為數(shù)據(jù)源，下載平臺為中科院地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn)。研究數(shù)據(jù)獲取日期分別為2020年5月8日(OLI/TIRS)、2010年6月14日(TM)，兩期影像日期較為接近，這樣能盡量減少因植被生長狀態(tài)不同對結(jié)果造成的影響。影像質(zhì)量較好，云量均小于1%，下載的影像已經(jīng)進(jìn)行了簡單的輻射校正和幾何校正。在研究數(shù)據(jù)預(yù)處理方面，借助ENVI 5.3數(shù)據(jù)處理平臺依次進(jìn)行了輻射定標(biāo)、FLAASH大氣校正、配準(zhǔn)、裁剪等工作，輻射定標(biāo)結(jié)果見圖3、圖4，大氣校正結(jié)果見圖5，圖6。(注：由于兩期數(shù)據(jù)獲取的傳感器平臺不一樣，單幅影像對應(yīng)的地面位置不完全一樣，研究區(qū)范圍屬于南北方向分布的帶狀區(qū)域，又加之研究區(qū)緊鄰渤海，所以可能會(huì)導(dǎo)致看起來圖2、圖3兩幅圖好像不是一個(gè)地區(qū)的錯(cuò)覺)。

圖2 輻射定標(biāo)結(jié)果Fig.2 Radiation calibration

圖3 大氣校正結(jié)果Fig.3 Atmospheric correction

圖4 2010 NDVI結(jié)果Fig.4 NDVI result of 2010

圖5 2020 NDVI結(jié)果Fig.5 NDVI result of 2020

2.2 歸一化植被指數(shù)

歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI，INDV)利用植物葉片對紅光吸收較強(qiáng)，對紅外光有強(qiáng)烈反射的原理，利用紅光和紅外光兩個(gè)波段的運(yùn)算提取植被信息，計(jì)算公式[9-10]為：

(1)

式(1)中，ρred和ρnir分別代表TM影像和OLI/TIRS影像的紅色和近紅外波段。

2.3 植被覆蓋度構(gòu)建

植被覆蓋度(FVC，CFV)是植物群落覆蓋地表狀況的綜合量化指標(biāo)，可通過衡量地面植被覆蓋質(zhì)量來評估區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與動(dòng)態(tài)變化。像元二分模型法可操作性強(qiáng)，計(jì)算簡便，被較多用于計(jì)算反演區(qū)域CFV，計(jì)算公式[11,12]為：

(2)

式(2)中，S為像元的植被指數(shù)；Ssoil為純裸土像元值；Sveg為純植被像元值。

由于缺乏實(shí)測數(shù)據(jù)，該研究根據(jù)NDVI統(tǒng)計(jì)直方圖截取置信區(qū)間，選用NDVI值的5%～95%為置信區(qū)間，并取在5%和95%閾值處的NDVI值分別作為對應(yīng)的Ssoil和Sveg。

3 結(jié)果及分析

3.1 研究區(qū)歸一化指數(shù)(NDVI)分布的時(shí)空變化分析

由圖4和圖5可知，研究區(qū)NDVI指數(shù)南部地區(qū)整體高于北部地區(qū)，最低區(qū)域分布在滄州城區(qū)附近，城市擴(kuò)張建設(shè)是導(dǎo)致中心城區(qū)附近NDVI值較低的主要原因。

3.2 研究區(qū)植被覆蓋指數(shù)(FVC)分布的時(shí)空變化分析

3.2.1 兩期植被覆蓋度分布情況

本文研究結(jié)果取NDVI指數(shù)置信度區(qū)間為5%和95%，得到NDVImin和NDVImax參數(shù)結(jié)果，見表1所示。

表1 NDVI指數(shù)置信度區(qū)間為5%和95%參數(shù)Tab.1 The parameters of NDVI confidence interval on 5% and 95%

根據(jù)上表可得到2期研究區(qū)域植被覆蓋度統(tǒng)計(jì)圖，為了更加直觀地反應(yīng)植被覆蓋情況，對植被覆蓋度進(jìn)行分級統(tǒng)計(jì)。由于目前尚無統(tǒng)一的分級閾值標(biāo)準(zhǔn)，參考以往城市植被覆蓋度研究[13-15]，并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，將FVC按表2劃分成5個(gè)等級，由低到高依次為裸地、低覆蓋、低中覆蓋、中覆蓋和高覆蓋，得到植被覆蓋度分級圖，見圖6和圖7。

表2 植被覆蓋度等級劃分表

圖6 2010 FVC分布Fig.6 Distribution of 2010 FVC

圖7 2020 FVC分布Fig.7 Distribution of 2020 FVC

由圖6和圖7可知，2010-2020年大運(yùn)河文化帶滄州段植被覆蓋的時(shí)空變化情況，2010-2020年研究區(qū)植被覆蓋度整體呈下降趨勢，其中北部和中部地區(qū)下降明顯，由2010年裸地、低覆蓋區(qū)域零星分布變?yōu)槁愕?、低覆蓋地區(qū)成片分布。中部中心城區(qū)附近由于城市擴(kuò)張，建筑用地增加所致，植被覆蓋度下降顯著；北部地區(qū)植被覆蓋度略有增加。

3.2.2 兩期植被覆蓋度變化情況

為了定量分析研究區(qū)域植被覆蓋度變化情況，利用ArcGIS10.2對植被覆蓋度分級圖做重分類，并利用字段計(jì)算器，根據(jù)像元個(gè)數(shù)及單個(gè)像元面積，對植被覆蓋度進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)，見表3。

表3 植被覆蓋度面積統(tǒng)計(jì)表

由表3分析可知，2010年研究區(qū)FVC以高覆蓋區(qū)域?yàn)橹?，?6.88%，其次為低中覆蓋和中覆蓋區(qū)域占24.94%和22.89%，低覆蓋區(qū)域占17.05%，裸地占比相對較少為8.23%；2020年研究區(qū)植被覆蓋狀況發(fā)生了變化，整體來看裸地和低覆蓋區(qū)域面積顯著增加，分別增加了10.27%和13.85%，高覆蓋區(qū)域占29.4%，相較2010年積略有增加，低中覆蓋和中覆蓋區(qū)域面積顯著減少，分別減少了12.04%和14.59%。2010-2020年間研究區(qū)FVC呈現(xiàn)為裸地、低覆蓋區(qū)域面積顯著增加，高覆蓋區(qū)域面積略有增加，中低覆蓋、高覆蓋區(qū)域面積顯著減少，F(xiàn)VC均值由2010年的0.466下降至2020年的0.411，整體呈現(xiàn)下降趨勢，由于近些年滄州城市發(fā)展，導(dǎo)致建筑用地增加所致。

根據(jù)2010年和2020年兩期的植被覆蓋度分布圖，通過疊加分析得出10年間植被覆蓋度變化分布圖，見圖8。

圖8 FVC變化情況Fig.8 FVC change

通過圖8分析可得，10年間滄州市中心城區(qū)、滄縣、泊頭縣城區(qū)、東光縣城區(qū)、吳橋縣城區(qū)、青縣縣城區(qū)植被覆蓋度減少，東光和吳橋、青縣的村鎮(zhèn)地區(qū)植被覆蓋度呈增加趨勢。整體來看，10年間運(yùn)河文化帶植被覆蓋度呈下降趨勢，其中以滄州市中心外圍滄縣地區(qū)最為明顯。

為了定量分析各區(qū)縣植被覆蓋度變化情況，本文利用ArcGIS10.2對各區(qū)縣植被覆蓋度變化情況做了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表4。

表4 FVC變化面積統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Statistics of FVC change area km2

由表4進(jìn)一步說明了，滄縣、滄州市區(qū)、南皮、泊頭和青縣五個(gè)縣區(qū)FVC整體呈下降趨勢，除青縣外，其他四縣下降面積占到整個(gè)區(qū)域的50%以上，東光和吳橋兩縣FVC增長占比大于下降占比，整體呈上升趨勢。

為了進(jìn)一步定量分析研究區(qū)域植被覆蓋度轉(zhuǎn)移變化情況，本文利ENVI5.3對兩期植被覆蓋度變化進(jìn)行了變化監(jiān)測，并生成了轉(zhuǎn)移矩陣，結(jié)果見表5和表6。

表5 FVC變化轉(zhuǎn)移矩陣Tab.5 FVC change transition matrix %

表6 FVC變化轉(zhuǎn)移矩陣Tab.6 FVC change transition matrix m2

從表5中可以看出，整體植被覆蓋度變化較大，其中低中覆蓋和中覆蓋地區(qū)面積變化最大，分別變化了85.42%和89.60%，裸地、低覆蓋、高覆蓋地區(qū)分別有47.96%、47.82%、42.43%；裸地有32.64%轉(zhuǎn)為了低覆蓋區(qū)域，低覆蓋區(qū)域有31.99%轉(zhuǎn)為了裸地、11.83%轉(zhuǎn)為了低中覆蓋區(qū)域，低中覆蓋區(qū)域有25.77%轉(zhuǎn)為了高覆蓋區(qū)域、35.73%轉(zhuǎn)為了低覆蓋區(qū)域，中覆蓋區(qū)域有37.39%轉(zhuǎn)為了高覆蓋區(qū)域、27.46%轉(zhuǎn)為低覆蓋區(qū)域，高覆蓋區(qū)域有21.77%轉(zhuǎn)為低覆蓋區(qū)域、11.65%轉(zhuǎn)為低中覆蓋區(qū)域。

由表6分析得出，2010-2020年間植被覆蓋度下降的主要原因是裸地、低覆蓋區(qū)域面積增加，分別增加了139.6926km2和187.9920km2，主要是由低中覆蓋和中覆蓋地區(qū)轉(zhuǎn)化而來；2020年低中覆蓋和中覆蓋地區(qū)面積減少了163.9314km2和197.9217km2，高覆蓋地區(qū)面積略有增加，增加了34.1631km2。

4 結(jié)論

本文利用Landsat遙感影像，根據(jù)植被的光譜特征，利用歸一化植被指數(shù)監(jiān)測了大運(yùn)河文化帶滄州段2010-2020年間的植被覆蓋度變化，定量分析了區(qū)域植被覆蓋度時(shí)空變化情況，得出以下主要結(jié)論。

2010-2020年研究區(qū)植被覆蓋度整體呈下降趨勢，均值由2010年的0.466下降至2020年的0.411，其中中、北部地區(qū)下降明顯。

2010-2020年間有28.28%的地區(qū)植被覆蓋度保持不變，48.24%的地區(qū)植被覆蓋度減少，23.48%的地區(qū)植被覆蓋度增加；其中減少部分主要集中在滄州市中心城區(qū)、泊頭縣城區(qū)、滄縣城區(qū)、南皮縣城區(qū)、青縣縣城區(qū)。

通過分析10年間植被覆蓋度變化，說明近10年滄州城市化進(jìn)程不斷加快，建筑用地面積不斷擴(kuò)張，整體植被覆蓋度下降；高覆蓋地區(qū)面積略有增加，說明在建設(shè)大運(yùn)河文化帶過程中，注重生態(tài)環(huán)境保護(hù),堅(jiān)持綠色、生態(tài)發(fā)展模式；建議在以后大運(yùn)河文化帶建設(shè)過程中，特別是泊頭、滄縣、南皮段，要注重土地集約、高效利用。

本文用的是地理空間數(shù)據(jù)云下載的免費(fèi)數(shù)據(jù)，由于平臺限制，很難獲得同期數(shù)據(jù)，另外文章里用的是歸一化植被指數(shù)法，植被覆蓋度取的是歸一化后相對值，因此影像時(shí)間上有些間隔對結(jié)果影響不大，以后類似的分析，在數(shù)據(jù)源允許的情況下建議盡量選擇同期影像。