基于Landsat 衛(wèi)星遙感的2000年～2020年天山區(qū)植被覆蓋時空變化研究

迪力穆拉提·司馬義，麥麥提吐遜·麥麥提，奧布力亞森·艾力木

（1.新疆喀什市水利局,新疆 喀什 844000；2.新疆英吉沙縣水利局,新疆 英吉沙 844500）

0 引言

植被是大陸生態(tài)環(huán)境有著關(guān)鍵作用,是空氣—水分—土壤的連接紐帶[1],亦然反映區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的良好標(biāo)志。城市綠化率與植被多樣性對區(qū)域空氣溫濕度調(diào)節(jié)和防治水土流失等有至關(guān)重要的作用[2]。但城市化速度的加快和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的提高,城市生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)和植被覆蓋率帶來一系列問題,也對植被生長的長期性帶來一定程度的威脅[3]。本文以天山區(qū)為研究區(qū),使用Landsat 系數(shù)據(jù),運(yùn)行相關(guān)分析工具及模型、方法,解譯天山區(qū)植被覆蓋度的時空動態(tài)演變規(guī)律,對于區(qū)域科學(xué)指導(dǎo)今后的城市規(guī)劃與生態(tài)環(huán)境建設(shè)有一定的參考價(jià)值。

1 研究區(qū)概況

天山區(qū),新疆烏魯木齊市下轄區(qū),總行政區(qū)域面積為170.786 km2, 南北長、東西寬分別為25 km 和9 km, 下轄18 個街道片區(qū),區(qū)內(nèi)主要河流與水域?yàn)閺谋蓖峡v穿的烏魯木齊河和水上樂園、紅雁池及烏拉泊水庫,氣候具有中溫帶半干早大陸性氣候特征,寒暑變化較大,多年平均降雨量為≤200 mm,海拔高程約為865.65 m～1282.55 m,其研究區(qū)平面圖見圖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

本文綜合分析與考慮外界影響因素,8 月～9 月時段選用2000年～2020年三期Landsat 系數(shù)據(jù),云量均小于6%（云均研究區(qū)外）。運(yùn)行ENVI 與ArcGIS 進(jìn)行預(yù)處理等解譯前期準(zhǔn)備工作。三期2000年～2020年的土地利用數(shù)據(jù)從中科院地資所官網(wǎng)下載（https://www.resdc.cn/）。其余的數(shù)據(jù)來源于新疆與烏魯木齊市統(tǒng)計(jì)年鑒、水資源公報(bào)及政府官網(wǎng)。

2.2 NDVI 計(jì)算

NDVI（歸一化植被指數(shù)）計(jì)算方法見式（1）：

式中：NIR與R 分別為Landsat 系的近紅外波段值與紅外波段值[4]。

2.3 像元二分模型

IFVC（像元二分模型）計(jì)算公式見式（2）：

式中：INDVIveg與INDVIsoil分別為完全覆被與裸地或無覆被像元NDVI 值[5]。

其中INDVIveg與INDVIsoil取值分別為NDVI 累計(jì)值的95%與5%。取值范圍分別為極低（0～20%）、低（20%～40%）、中（40%～60%）、高（60%～80%）與極高（80%～100%）[6]等5個等級。

2.4 植被平均覆蓋度

利用加權(quán)平均法進(jìn)行計(jì)算平均平均植被覆蓋度[7]。對應(yīng)值分別為極高（IFVCⅤ）、高（IFVCⅣ）、中（IFVCⅢ）、低（IFVCⅡ）與極低（IFVCⅠ）。計(jì)算公式見式（3）：

2.5 影像差值法

為了解譯不同時隔之間的動態(tài)變化狀況,通過影像差值比較法計(jì)算不同時期植被覆蓋變化量Δ FVCg ,若差值等于、大于與小于零分別代表植被覆蓋未變化、增大與減小。計(jì)算公式見式（4）：

式中：IFVCg_t2與IFVCg_t1分別表示前與后期植被覆蓋度等級。

對三個時隔進(jìn)行影像差值比較,差值結(jié)果劃分為七個等級,其中閾值負(fù)數(shù)在[-1,0）分三個等級、閾值等于零一個等級與閾值正數(shù)在（0,1] 分三個等級[7]。

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

基于NDVI 建立像元二分模型運(yùn)行ENVI 計(jì)算出2000年～2020年的三期植被覆蓋度,并按照閾值分割標(biāo)準(zhǔn)劃分得到天山區(qū)的三期植被覆蓋度空間分布影像圖。如圖2 所示,極高與高植被覆蓋度集中于區(qū)中部西側(cè)和區(qū)西南部,呈小面積分散式分布,中與低植被覆蓋度匯聚于極高與高植被覆蓋度外圍及區(qū)東部,呈大面積片狀分布。

圖2 天山區(qū)2000年～2020年植被覆蓋空間分布

從不同級別分析圖3（a）可知,天山區(qū)近21年期間總覆蓋面積（不包括極低覆蓋面積）、極高覆蓋面積、中覆蓋面積和低覆蓋面積整體都減小趨勢,高覆蓋面積總體上穩(wěn)定,極低覆蓋面積整體增加趨勢。在2000年～2020年天山區(qū)3 個時期覆蓋面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果中,總覆蓋面積由2000年的136.81 km2減小至2020年的78.91 km2,面積減小57.91 km2,降幅為42.33%,接近減小一半面積；極高覆蓋面積變化有波動,先增加后減小,2010年面積達(dá)到最大（15.05 km2）,由2000年的12.70 km2減小至2020年的5.39 km2,面積減小7.30 km2,降幅為57.53%,超出一半面積；中覆蓋面積由2000年的23.84 km2減小至2020年的17.84 km2,面積減小6.00 km2,降幅為25.16%；低覆蓋面積由2000年的92.11 km2減小至2020年的46.28 km2,面積減小45.84 km2,降幅為49.76%,減小面積占一半；高覆蓋面積由2000年的8.17 km2增加至2020年的9.40 km2,面積增加1.23 km2,增幅為15.07%；極低覆蓋面積由2000年的34.15 km2增加至2020年的92.05 km2,面積增加57.91 km2,降幅為169.59%,增加面積超過1.5 倍。不同時間段分析,總、極高、高、中、低與極低覆蓋面積分別2000年～2010年與2010年～2020年增幅分別為-23.55%、18.54%、23.39%、-17.25%、-35.15%、94.49%與-24.56%、-64.17%、-6.74%、-9.56%、-22.53%、38.69%。

圖3 天山區(qū)各個覆蓋等級面積、植被平均覆蓋度和NDVI均值變化

天山區(qū)不同時期植被平均覆蓋度與NDVI 均值變化趨勢圖3（b）中可知,三期植被平均覆蓋度呈增加趨勢的同時,NDVI 均值也上升趨勢,二者擬合有度值R2分別為0.978、0.9436,植被平均覆蓋度值由2000年的2.258 減小至2020年的1.770,兩者成反比關(guān)系。不同時間段分析,NDVI 均值由2000年的0.165 增加至2020年的0.193。不同時間段分析,植 被 平 均 覆 蓋 度 與NDVI 均 值2000年～2010年、2010年～2020年與2000年～2020年增幅分別為-6.60%、10.55%,-16.06%、5.61%,-21.59%、16.74%。

3.2 植被覆蓋度空間動態(tài)變化特征

為了揭示與分析天山區(qū)植被覆蓋度動態(tài)變化情況,利用影像差值比較法計(jì)算天山區(qū)2000年～2020年植被覆蓋絕對變化,差值結(jié)果小于0 表示減小、大于0 表示增加與等于0表示未發(fā)生變化。

揭示與分析結(jié)果可知（圖4 與表1）,天山區(qū)植被覆蓋變化呈不同面積的增加、減小與未發(fā)生變化。聯(lián)合天山區(qū)覆蓋空間與絕對變化量空間分布整體分析可知,不變區(qū)基本以極低覆蓋等級區(qū)為主,覆蓋增加區(qū)基本以低、中與極高覆蓋等級區(qū)域?yàn)橹鳌娜齻€時期揭示可知,2000年～2010年植被減小區(qū)域面積小于增加區(qū)域面積,其中輕度改善區(qū)（+1）占的面積比例最大,然則增加區(qū)與減小區(qū)展布狀況分別為分散與集中；延安路街道、團(tuán)結(jié)路街道與黑甲山街道交接處、賽馬場街道中部植被有所極度與中度為主改善,其余區(qū)域輕度改善為主；烏拉泊水庫西邊、紅雁街道最西南處與最北處、紅雁池水庫西側(cè)與東側(cè)植被明顯嚴(yán)重與中度退化為主,其余區(qū)域輕度退化為主。2010年～2020年,覆蓋面積以增加為主,除了紅雁街道最北處、紅雁街道與燕兒窩街道交接處大面積片狀和小面積破碎式減小以外,其余區(qū)都不同程度碎片式增加,尤其是輕微改善為主。縱觀2000年～2020年天山區(qū)覆蓋面積總體增加,且以烏拉泊水庫南側(cè)、燕兒窩街道西側(cè)、延安路街道西側(cè)較為突出,其余輕微改善區(qū)為主；減小區(qū)域除了紅雁池水庫周圍區(qū)、烏拉泊水庫西側(cè)、紅雁街道最南側(cè)與北側(cè)顯著外,其余碎片式減小。綜合分析可知,天山區(qū)植被覆蓋空間動態(tài)變化存在一定的時隔性和地域性差別。

表1 2000年～2020年天山區(qū)不同時隔的植被覆蓋度空間等級量化面積變化

圖4 天山區(qū)2000年～2020年植被覆蓋度絕對變化量空間分布

3.3 土地利用結(jié)構(gòu)變化

使用中科院地資所官網(wǎng)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪得到2000年～2020年三期的天山區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)演變與空間分布狀況（圖5 和表2）。

表2 2000年～2020年天山區(qū)不同時隔的土地利用類型面積及所占比例

圖5 天山區(qū)2005年～2020年4 個時期土地利用類型空間分布

從圖5 的2000年～2020年三期的天山區(qū)土地利用空間動態(tài)分布狀況可知,2000年天山區(qū)林地主要片狀分布在燕兒窩街道南北,到了2010年、2020年林地全部轉(zhuǎn)化為城市建設(shè)地、草地與耕地,其中轉(zhuǎn)為城市建設(shè)地占比最大；2000年天山區(qū)未利用土地主要片狀分布在紅雁街道最西側(cè), 在2010年與2020年未利用土地都轉(zhuǎn)化為城市建設(shè)地與水域,其中轉(zhuǎn)為水域占比最大；未利用土地與林地轉(zhuǎn)移相比其他土地類型轉(zhuǎn)化狀況中最突出。

從表2 可以看出各個土地利用類型面積及所占比例,耕地和建設(shè)用地面積增加趨勢,此中耕地面積由2000年的1.26 km2增加至2020年的5.30 km2,增加了4.04 km2,增幅為320.6%；建設(shè)用地由2000年的51.59 km2增長至2020年的75.77 km2,增長了24.18 km2,降幅為46.9%。林地、草地、水域與未利用土地面積都呈減小趨勢,其中林地面積2000年為12.10 km2,2010年與2020年都等于零；草地由2000年的95.62 km2減小至2020年的81.96 km2,減小了13.66 km2, 降幅為14.3%；水域面積相比其他土地類型相對穩(wěn)定,2000年面積最大,2010年面積最小,縱觀2000年～2020年期間面積減小了0.43 km2, 降幅為5.2%；未利用土地面積2000年為2.04 km2,2010年與2020年都等于0。

4 結(jié)論

（1）近21年,天山區(qū)植被覆蓋面積總體上明顯減小的同時,植被覆蓋度顯著下降。2020年相比2000年植被覆蓋總面積減小了57.91 km2,降幅為42.33%。從不同覆蓋等級分析可知, 極高植被覆蓋面積變化有波動, 先增加后減小, 近21年減小了7.30 km2,降幅為57.53%；高植被覆蓋面積整體穩(wěn)定；中與低植被覆蓋面積總體都均呈減小趨向,增長面積分別為6.00 km2和45.84 km2,降幅分別為25.16%和49.76%；裸地或極低覆蓋面積增加較明顯,增加面積為57.91 km2,增幅為169.59%。

（2）天山區(qū)植被覆蓋空間動態(tài)變化存在一定的時隔性和地域性差別。從時隔性差別發(fā)現(xiàn),2010年～2020年覆蓋面積主要以輕度改善區(qū)為主；從地域性差別發(fā)現(xiàn),烏拉泊水庫南側(cè)、燕兒窩街道西側(cè)、延安路街道西側(cè)增加較為突出,紅雁池水庫周圍區(qū)、烏拉泊水庫西側(cè)、紅雁街道最南側(cè)與北側(cè)減小顯著。

（3）近21年,天山區(qū)林、草、水域與未利用土地面積都呈減小趨向,耕地和建設(shè)用地面積增長趨向。其中未利用土地與林地面積2020年變?yōu)?,建設(shè)用地面積增長率格外最顯著。