基于Landsat-8影像數(shù)據(jù)的北京植被覆蓋度時空特征與地形因子的關(guān)系

劉 澤, 陳建平

(中國地質(zhì)大學(xué) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083)

植被作為生態(tài)系統(tǒng)中的重要構(gòu)成成分，對于調(diào)節(jié)地表的水汽運(yùn)輸、熱量平衡以及其他生態(tài)方面有著重要的作用[1-2]。植被覆蓋度被認(rèn)為是最能反映地表植被分布的一個重要參數(shù)[3]，可以直觀地反映植被的生長以及茂密的情況。

植被覆蓋度的變化，主要受人為和自然兩種條件影響。地貌可以通過影響太陽光的照射、水分的分布以及有機(jī)質(zhì)的含量等方面，直接或者間接地影響植物的生長情況[4]。通過研究地貌元素中的典型地形因子(包括坡度、坡向、高程等)與植被覆蓋度的關(guān)系，能夠清晰地揭示植被在空間上的生長、變化規(guī)律。李曉印等[5]通過Fragstat軟件，對位于不同地形的植被景觀特征進(jìn)行分析和對比研究，得出幾種不同的植被類型在其地形區(qū)的分布特征。劉堯文等[6]運(yùn)用線性混合像元分解法，從多時相的影像中反演植被覆蓋度，同時與三種不同的地形因子進(jìn)行疊加分析，從而研究海島地區(qū)植被長勢與地形因素之間的關(guān)系。田地等[7]利用Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，采用像元二分法對福州市1995—2015年6 期影像數(shù)據(jù)進(jìn)行植被覆蓋度反演，分析了地形因子對研究區(qū)植被覆蓋度時空特征的影響。

北京作為國際化的大都市，植被的生長情況直接影響城市的生態(tài)環(huán)境和人文環(huán)境[8]。本文通過Landsat-8遙感影像數(shù)據(jù)，采用像元二分法模型反演北京市2014年4月、2021年4月的植被覆蓋度時空特征，分析坡度、坡向與高程對植被覆蓋度的影響，為北京市生態(tài)文明建設(shè)提供科學(xué)性的參考、借鑒。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

北京市位于華北平原北部，東與天津毗連，其余均與河北相鄰，中心位置位于東經(jīng)116°20′、北緯39°56′，地勢西北高、東南低，西部、北部和東北部三面環(huán)山，東南部是一片向渤海舒緩傾斜的平原。北京的氣候?yàn)闇貛Ъ撅L(fēng)性氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促。

1.2 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

本次研究數(shù)據(jù)選取Landsat-8衛(wèi)星的影像數(shù)據(jù)，軌道號分別是123/32、123/33。以成像時間分別是2014年4月16日及2021年4月13日的兩幅影像作為基礎(chǔ)的研究數(shù)據(jù)，其分辨率均為30 m(表1)。2014年數(shù)據(jù)以及2021年數(shù)據(jù)云量較少，成像質(zhì)量較好，故選擇這兩年的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。對于北方地區(qū)而言，4月份植物生長狀況較好，氣溫還未影響到植物的葉色等。因此，比較適合利用歸一化植被指數(shù)進(jìn)行植被變化分析的月份是4月。通過查閱氣象資料獲知，2014年4月北京平均降水量、平均溫度與2021年4月相比，差別很小，氣候因子對植被變化的影響可以忽略。地形的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)。

表1 遙感影像信息Table 1 Data source information of remote sensing image

2 研究方法

本次研究的主要方法是提取北京市2014年4月16日、2021年4月13日的影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理后，運(yùn)用像元二分法模型計(jì)算全市的植被覆蓋度。根據(jù)DEM數(shù)據(jù)，運(yùn)用ArcGIS軟件提取坡度以及高程數(shù)據(jù)。將2014年4月16日、2021年4月13日的植被覆蓋度的數(shù)據(jù)、坡度數(shù)據(jù)、坡向數(shù)據(jù)以及高程數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加，進(jìn)而開展一系列的分析、研究工作，具體過程如圖1所示。

圖1 研究工作流程圖Fig.1 Research flow chart

2.1 歸一化植被指數(shù)

歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，簡稱“NDVI”)可以有效地反映植被的生長狀態(tài)以及植被的覆蓋情況。NDVI的計(jì)算比較簡單,如式(1)，應(yīng)用也最為廣泛[9]。

INDV=(RNI-RI)/(RNI+RI)

(1)

式中：RNI表示近紅外波段的反射值；RI表示紅光波段的反射值。INDV的取值范圍一般為[-1,1]。

2.2 植被覆蓋度

植被覆蓋度(VFC)的計(jì)算有幾種不同的方法。本文采用的是被廣泛采用的利用像元二分法模型計(jì)算植被覆蓋度。像元二分法模型通過假設(shè)一個像元的地表由植被覆蓋與土壤覆蓋這兩個部分的線性組合，其中植被覆蓋部分所占的比例就是植被覆蓋度[10-11]。目前，大部分的像元二分法的模型都是基于NDVI計(jì)算VFC。植被覆蓋度的計(jì)算公式為

IVFC=(INDV-INDV-soil)/(INDV-veg-INDV-soil)

(2)

式中：INDV-veg為全植被覆蓋的純像元所得的遙感信息數(shù)據(jù)；INDV-soil為土壤覆蓋的純像元所得的遙感信息數(shù)據(jù)。

2.3 植被覆蓋度分級

本文參考前人的分類標(biāo)準(zhǔn)[12]，根據(jù)北京市植被覆蓋的實(shí)際情況，選用以下方案對北京市植被覆蓋度進(jìn)行等級分類(表2)。

表2 研究區(qū)植被覆蓋度等級分類表Table 2 Classification of vegetation coverage in the study area

3 相關(guān)結(jié)果分析

3.1 植被覆蓋度變化分析

通過像元二分法模型分別對北京市2014年4月和2021年4月影像進(jìn)行處理，得到2014年4月和2021年4月的北京市的植被覆蓋度。同時，將這兩個結(jié)果依據(jù)上文所述的分類方法進(jìn)行分級，得到北京市植被覆蓋度分布情況(圖2、圖3)。

由圖2、圖3可以看出，北京以東南部分的主城區(qū)為中心，城區(qū)的植被覆蓋度較低，遠(yuǎn)離主城區(qū)的植被覆蓋度較高。對比2014年4月以及2021年4月的植被覆蓋度可以清晰地發(fā)現(xiàn)，北京市的植被覆蓋度在這期間有了顯著的提高，中心城區(qū)的植被覆蓋度也有了較大的提升。為了更加直觀地反映這期間植被覆蓋的空間變化情況，將上述兩幅圖做疊加分析，并分為增加、不變以及降低3種情況(圖4)，同時計(jì)算出北京市植被覆蓋面積的變化情況(表3)。

圖2 2014年4月北京市植被覆蓋度分布圖Fig.2 The vegetation coverage graph in April 2014

圖3 2021年4月北京市植被覆蓋度分布圖Fig.3 The vegetation coverage graph in April 2021

圖4 北京市植被覆蓋度變化圖Fig.4 Map of vegetation coverage change in Beijing from 2014 to 2021

表3 北京市植被覆蓋面積變化統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of vegetation coverage area change in Beijing

根據(jù)以上結(jié)果可以看出，2014年4月、2021年4月，北京市植被覆蓋度降低的面積遠(yuǎn)低于植被覆蓋度不變和增加的面積，僅占總面積的9.06%；植被覆蓋度增加的面積占到總面積的48.69%，植被覆蓋度不變的面積為6 913.74 km2。植被覆蓋度增加的區(qū)域主要為北京市的西部以及中部，植被覆蓋度保持不變的地區(qū)主要集中在城市的北部。由于這幾年北京市生態(tài)環(huán)境的改善以及維護(hù)，使得北京市西部山區(qū)以及中心城區(qū)的植被覆蓋度得到了明顯提高，原來植被覆蓋度較高的區(qū)域也得到了很好的維護(hù)。

3.2 植被覆蓋度與坡度的關(guān)系分析

通過前人的研究可知，坡度因素能夠影響水資源的再分配過程，同時影響土壤中的水分含量以及植被所需營養(yǎng)元素的分配過程，從而影響到植被的覆蓋程度[13]。依據(jù)《水土保持綜合治理規(guī)劃通則》(GB-T15772-1995)標(biāo)準(zhǔn)將坡度劃分為5個類別，分別是≤5°、>5°～15°、>15°～25°、>25°～35°、>35°。考慮到研究區(qū)的情況以及植被生長等實(shí)際因素，將坡度分類修改成≤5°、>5°～8°、>8°～15°、>15°～25°、>25°，分別簡稱為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級坡度區(qū)。通過對DEM數(shù)據(jù)(圖5)計(jì)算北京市的坡度數(shù)據(jù)，并按照以上分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重新分類，結(jié)果如圖6、表4所示。

北京市Ⅰ級坡度的區(qū)域面積占比最大，約為總面積的28%；Ⅱ級坡度的區(qū)域面積占比較小，僅為15%左右；Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級坡度的區(qū)域所占面積差別不大，Ⅴ 級坡度的區(qū)域面積占比接近20%。由圖5可以看出，坡度較小的區(qū)域主要是北京市的中部和東、南部(即城市化水平較高的區(qū)域)，北部和西部的山區(qū)坡度較大。將北京市2014年4月和2021年4月的植被覆蓋度分布結(jié)果和坡度分布結(jié)果進(jìn)行相關(guān)的空間疊加分析，得到不同坡度等級內(nèi)不同植被覆蓋度等級所占面積的比率，繪制折線圖(圖7)。在研究區(qū)內(nèi)，同一等級植被覆蓋度在各個坡度范圍內(nèi)分布的面積差別較大，低植被覆蓋區(qū)和高植被覆蓋區(qū)的差別更為明顯。

圖5 北京市DEM示意圖Fig.5 Digital elevation model of Beijing

圖6 北京市坡度分級圖Fig.6 Gradation map of slope degree in Beijing

表4 北京市地形坡度分級統(tǒng)計(jì)Table 4 The statistics of slope classification of Beijing

圖7 植被覆蓋區(qū)面積與坡度區(qū)面積的關(guān)系Fig.7 Relationship between vegetation coverage area and slope area

在無植被覆蓋區(qū)中，由于無植被覆蓋區(qū)面積所占的比率較小，所以在5個不同坡度區(qū)間的占比也比較小。Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級坡度區(qū)隨著坡度的增加，植被覆蓋區(qū)面積占比逐步減少，在Ⅳ級和Ⅴ級坡度區(qū)其占比略有回升。2014年4月折線圖與2021年4月折線圖的走勢類似，并且每一類坡度區(qū)植被覆蓋的面積占比相近。

在低植被覆蓋區(qū)中，植被覆蓋在Ⅰ級坡度區(qū)中占據(jù)了比較大的范圍。隨著坡度的增加，植被覆蓋面積占比大幅度減少。2014年4月與2021年4月曲線的趨勢相似，2014年4月低植被覆蓋區(qū)面積占比大于2021年4月低植被覆蓋區(qū)面積占比。

在中植被覆蓋區(qū)，2014年4月和2021年4月的曲線有很大差別。2014年4月，Ⅰ級坡度區(qū)植被覆蓋面積的比率極低，而Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級4類坡度區(qū)植被覆蓋面積的比率相差不大。其中，Ⅳ級坡度區(qū)植被覆蓋面積占比相對較小，Ⅴ級坡度區(qū)植被覆蓋面積占比相對較大，總體趨勢呈正相關(guān)。2021年4月，坡度較小的Ⅰ級坡度區(qū)和Ⅱ級坡度區(qū)占了中植被覆蓋區(qū)比較大的面積比例。隨著坡度上升到Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級坡度區(qū)，植被覆蓋區(qū)面積占比逐步減少，在Ⅴ級坡度區(qū)有微小回升。

在較高植被覆蓋區(qū)，2014年4月、2021年4月的曲線的趨勢相同，均在Ⅲ級坡度區(qū)出現(xiàn)最大值，并且2021年4月植被覆蓋區(qū)所占面積比率在Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級坡度區(qū)高于2014年4月植被覆蓋區(qū)所占面積比率。

在高植被覆蓋區(qū)，Ⅰ級和Ⅱ級坡度區(qū)植被覆蓋面積占比基本為0，坡度與植被覆蓋度呈正相關(guān)。2014年4月，在Ⅴ級坡度區(qū)植被覆蓋區(qū)面積有了一定的下降；2021年4月植被覆蓋區(qū)所占面積比率均大于2014年4月高植被覆蓋區(qū)面積比率。

上述結(jié)果表明，坡度因素對于北京市植被覆蓋度的分布影響較大。坡度較小的區(qū)域總是以中低植被覆蓋區(qū)為主，因?yàn)槠露容^小的區(qū)域城市化水平較高，所以植被覆蓋度相應(yīng)較低。對比分析發(fā)現(xiàn)，坡度較小區(qū)域的植被覆蓋度的極大值，已經(jīng)從2014年4月的低植被覆蓋區(qū)過渡到2021年4月的中植被覆蓋區(qū)了，說明這幾年北京中心城區(qū)的植被覆蓋度有了顯著的提高，與上文中植被覆蓋變化分析得到的結(jié)果相一致。隨著坡度不斷增大，較高植被覆蓋區(qū)的面積也不斷增加。在Ⅳ級和Ⅴ級坡度區(qū)最為明顯，在這個區(qū)域，城市化水平相對較低，并且這個區(qū)域保水能力以及營養(yǎng)成分含量較高，適合植被的大面積生長，植被覆蓋度也就隨之增大了。

3.3 坡向?qū)χ脖桓采w度的影響

根據(jù)前人研究可知，坡向通過影響日照時長等因素可以對植被覆蓋度的分布產(chǎn)生一定的影響。將北京市坡向數(shù)據(jù)劃分為平坡(平坡沒有固定的方向，平坡的值被指定為 -1)、陰坡(0°～67.5°，337.5°～360°)、半陰坡(67.5°～112.5°，292.5°～337.5°)、半陽坡(112.5°～157.5°，247.5°～292.5°)、陽坡(157.5°～247.5°)5種坡向類型。不同坡向類型面積占比如表5所示。除平坡外，其他4種坡向類型面積占比比較接近。

將坡向數(shù)據(jù)分別與2014年、2021年植被覆蓋度數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，不同植被覆蓋區(qū)在不同坡向類型上的面積比率如圖8、圖9。

從圖8、圖9可以看出，平坡類型區(qū)中，無植被覆蓋區(qū)面積占比最大，這主要是因?yàn)槠狡骂愋统鞘谢捷^高，所以植被覆蓋水平較低； 2014年低植被覆蓋區(qū)面積占比也較大，2021年低植被覆蓋區(qū)面積占比明顯下降、中植被覆蓋區(qū)以及高植被覆蓋區(qū)面積占比增加較大，說明這7年間北京市植被覆蓋水平有了較明顯的提高。

由圖8、圖9還可看出，除平坡類型區(qū)外， 其他4種坡向類型中，不同植被覆蓋區(qū)面積占比沒有太大的差別，說明坡向?qū)τ谥脖桓采w的影響較小；2021年與2014年相比，低植被覆蓋區(qū)面積占比降低，中植被覆蓋區(qū)以及較高植被覆蓋區(qū)面積占比增加，也說明在這7年間，北京的植被覆蓋水平顯著提高。

表5 北京市坡向分級統(tǒng)計(jì)Table 5 Grade statistics of slope aspect in Beijing

圖8 2014年不同植被覆蓋區(qū)在坡向類型上的面積比率統(tǒng)計(jì)Fig.8 Area ratio statistics of different vegetation coverage areas on slope aspect types in 2014

圖9 2021年不同植被覆蓋區(qū)在坡向類型上的面積比率統(tǒng)計(jì)Fig.9 Area ratio statistics of different vegetation coverage areas on slope aspect types in 2021

3.4 植被覆蓋度與高程

高程作為一種地形因子，通過影響溫度的高低以及水分的分布，直接或者間接地影響植被的生長以及覆蓋情況[14]。北京市海拔高度的最大值為 2 304 m，氣溫隨著海拔高度的變化規(guī)律為：高度每上升100 m，氣溫下降0.6 ℃[15]。結(jié)合北京市的高程分布，將北京市的海拔高度分為4類：≤500 m、>500～1 000 m、>1 000～1 500 m、>1 500 m。通過DEM數(shù)據(jù)，計(jì)算得到北京市的高程分布圖(圖10)以及各高程所占面積比例(圖11)。

圖10 北京市高程分布圖Fig.10 The elevation distribution graph in Beijing

圖11 北京市各高程所占面積比例Fig.11 The proportion of the area occupied by each elevation in Beijing

根據(jù)圖10和圖11可知，北京市近70%地區(qū)的海拔高度都在500 m以下；海拔高度>500～1 000 m的區(qū)域占總面積的30%左右，分布于北京市西部和北部的山區(qū)；海拔高度>1 000～1 500 m和1 500 m以上的區(qū)域占總面積的比率不到10%。

將高程數(shù)據(jù)和2014年、2021年的植被覆蓋數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加分析，可以得到不同高程區(qū)的植被覆蓋區(qū)的面積占比(圖12、圖13)。

在海拔高度≤500 m的區(qū)域，2014年植被覆蓋度分布比率最大的是低植被覆蓋區(qū)，占50%以上；2021年植被覆蓋度分布比率最大的是中植被覆蓋區(qū)，其后依次是較高植被覆蓋區(qū)和低植被覆蓋區(qū)，三者所占面積比率之和超過80%。

在海拔高度為(500 m,1 000 m]的區(qū)域以及(1 000 m,1 500 m]的區(qū)域，2014年，較高植被覆蓋區(qū)以及高植被覆蓋區(qū)面積所占比例較大；2021年，植被覆蓋度分布占比最大的是高植被覆蓋區(qū)。

在海拔高度>1 500 m的區(qū)域，2014年無植被覆蓋區(qū)面積占比較大，基本沒有高植被覆蓋區(qū)分布；到2021年，高植被覆蓋區(qū)面積占比與無植被覆蓋區(qū)面積占比大致相同。

圖12 2014年植被覆蓋度在高程上的分布統(tǒng)計(jì)Fig.12 Distribution of vegetation coverage at different elevations in 2014

圖13 2021年植被覆蓋度在高程上的分布統(tǒng)計(jì)Fig.13 Distribution of vegetation coverage at different elevations in 2021

根據(jù)以上結(jié)果可知，在海拔高度較低的地區(qū)，主要以中低植被覆蓋區(qū)為主，這是因?yàn)楹０胃叨容^低，受到人類活動的干擾比較大[16]。隨著海拔高度的升高，受到的人為影響較少，同時溫度和水分也都適合植被的生長，所以高植被覆蓋區(qū)占了大部分的面積。而海拔高度的繼續(xù)升高，使得氣溫等方面條件逐漸下降，所以植被覆蓋度也會逐漸降低[17]。2021年與2014年對比，在海拔高度≤500 m的區(qū)域，無植被覆蓋區(qū)和低植被覆蓋區(qū)所占面積比率下降， 其他植被覆蓋區(qū)面積所占比率增加；在其他3個高程區(qū)，高植被覆蓋區(qū)面積所占比率顯著上升。表明在這7年間，北京市植被覆蓋水平有了比較大的提高。

4 結(jié) 論

根據(jù)上文對北京市植被覆蓋度的計(jì)算、植被覆蓋度變化分析、植被覆蓋度與坡度、坡向以及高程的疊加分析，得到以下結(jié)論：

a.北京市的東南部分主城區(qū)的植被覆蓋度較低，遠(yuǎn)離主城區(qū)的西部和北部山區(qū)植被覆蓋度較高。將2014年4月、2021年4月的植被覆蓋度分布結(jié)果做空間疊加分析后發(fā)現(xiàn)，2021年4月北京市植被覆蓋度較2014年4月有了較大的提高，提高的區(qū)域主要集中在北京市的西部以及中部地區(qū)，表明這7年間北京市生態(tài)建設(shè)取得明顯成效，北京市的生態(tài)環(huán)境得到較大的改善。

b.同一等級植被覆蓋度在各個坡度范圍內(nèi)的面積占比差別較大。坡度較小的區(qū)域(即城市化水平較高的區(qū)域)主要以中低植被覆蓋區(qū)為主；隨著坡度的提高，中低植被覆蓋區(qū)面積逐漸減少，較高植被、高植被覆蓋區(qū)面積增加。經(jīng)過分析可知，坡度較小的區(qū)域城市化水平較高，所以植被覆蓋度相對低；隨著坡度的增加，城市化水平相對較低，同時這個坡度范圍區(qū)域的水土保持能力及營養(yǎng)成分水平較高，使得植被覆蓋度也隨之提高。相比于2014年4月，2021年4月坡度較低的區(qū)域的植被覆蓋度從低植被覆蓋區(qū)提升到了中植被覆蓋區(qū)，說明這幾年城市化水平較高的區(qū)域植被覆蓋度也得到了較大的提高。

c.坡向?qū)τ谥脖桓采w度影響較小，除了平坡類型區(qū)中無植被覆蓋區(qū)面積占比較大外，其他四個坡向類型區(qū)，各植被覆蓋區(qū)面積占比基本相同。2021年與2014年相比，北京市植被覆蓋水平有了較大的提高。

d.在北京市的低海拔地區(qū)，以中低植被覆蓋為主。隨著海拔高度的升高，以高植被覆蓋區(qū)為主；而隨著海拔高度的繼續(xù)升高，使得環(huán)境不再適合植被的生長、發(fā)育，所以植被覆蓋度也隨之降低。2021年與2014年相比，北京市植被覆蓋度低的區(qū)域面積占比下降、植被覆蓋度高的區(qū)域面積占比上升。