蘇南運河植被覆蓋度測算研究

季俊杰，曹 瑛，祁俊青

（江蘇省河道管理局，江蘇 南京 210029）

1 基本情況

1.1 研究背景

植被覆蓋度是指植被（包括葉、莖、枝）在單位面積內(nèi)的垂直投影面積所占百分比。植被覆蓋度是植物群落覆蓋地表狀況的一個綜合量化指標，是描述植被群落及生態(tài)系統(tǒng)的重要參數(shù)，也是反映綠化水平的重要指標。植被覆蓋及其變化情況是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境變化的重要指示，對生態(tài)環(huán)境、土地利用、水土保持等領域的研究具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外學者在不同時空尺度上關于植被覆蓋變化及其影響因素的研究已經(jīng)有較多成果［1-3］，其中歸一化植被指數(shù)（NDVI）在研究植被覆蓋方面具有獨特優(yōu)勢［4］，NDVI是基于遙感影像近紅外波段與紅色波段的反射率值所得，能客觀反映植被覆蓋度。本次研究采用植被指數(shù)法（NDVI）對蘇南運河植被覆蓋度進行測算和分析。同時，利用無人機航拍部分河段，運用Photoshop像素計算分析方法，對部分河段的植被覆蓋度進行驗證［5-6］。

1.2 研究區(qū)域概況

蘇南運河北起鎮(zhèn)江長江諫壁口門，南至與浙江省交界的鴨子壩，貫穿鎮(zhèn)江、常州、無錫、蘇州4 市，全長233 km，1949 年以來已先后實施4 次大規(guī)模整治，是保障沿線城市安全的防洪通道，是支撐地方經(jīng)濟發(fā)展的黃金航道，是展示城河共生格局的文化廊道。

1.3 數(shù)據(jù)來源

通過美國航空航天局（NASA）數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov）下載MOD13數(shù)據(jù)，獲得覆蓋蘇南運河區(qū)域的2022 年5—9 月NDVI 數(shù)據(jù)，空間分辨率為250 m，時間分辨率為16 d。

2 研究方法

2.1 植被覆蓋指數(shù)

依據(jù)《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》（HJ192—2015）中描述的植被覆蓋指數(shù)計算方法，植被覆蓋指數(shù)計算公式為

式中：C為植被覆蓋指數(shù)；Pi為評價5—9 月像元NDVI月最大值的均值，建議采用MOD13的NDVI數(shù)據(jù)，空間分辨率250 m，或者分辨率和光譜特征類似的遙感影像產(chǎn)品；n為區(qū)域像元數(shù)；Aveg為植被覆蓋指數(shù)的歸一化系數(shù)，參考值為0.0121165124。

2.2 測算思路

測算總體思路是將所有數(shù)據(jù)按月份計算像元統(tǒng)計數(shù)據(jù)，疊加后求得像元最大值，依次求出各月份的NDVI 最大值，再通過柵格計算得出5—9 月NDVI 月最大值的均值，并進行歸一化處理（圖1）。柵格裁剪出蘇南運河外1 km 緩沖區(qū)范圍進行區(qū)域分析，以表格顯示分區(qū)統(tǒng)計，最終得到各設區(qū)市和各行政區(qū)的植被覆蓋指數(shù)。

圖1 測算流程

2.3 植被覆蓋指數(shù)分級

依據(jù)幸福河湖岸線植被覆蓋率指標賦分表，將植被覆蓋指數(shù)（C）分為5 級：無植被（0）、植被稀疏（0＜C≤10）、中度覆蓋（10＜C≤40）、重度覆蓋（40＜C≤75）和極重度覆蓋（75＜C≤100）。

3 測算結(jié)果

向河岸外延1 km計算蘇南運河植被覆蓋指數(shù)，得到蘇南運河植被覆蓋指數(shù)平均值為44.91。其中，C=0 的占0.01%，0＜C≤10 的占0.19%，10＜C≤40 的占38.93%，40＜C≤75的占60.41%，75＜C≤100的占0.46%。

對蘇南運河流經(jīng)設區(qū)市的植被覆蓋指數(shù)進行分析得到表1，蘇南運河流經(jīng)的鎮(zhèn)江、常州、無錫、蘇州4市中，鎮(zhèn)江市植被覆蓋指數(shù)最高為52.35（重度覆蓋），常州市的植被覆蓋指數(shù)最低為42.21（重度覆蓋）。

表1 蘇南運河流經(jīng)設區(qū)市的植被覆蓋指數(shù)值

對蘇南運河流經(jīng)行政區(qū)的植被覆蓋指數(shù)進一步分析得到表2，可知蘇南運河流經(jīng)的16 個行政區(qū)中，常州市天寧區(qū)的植被覆蓋指數(shù)最低為35.53（中度覆蓋），鎮(zhèn)江市丹陽區(qū)的植被覆蓋指數(shù)最高為54.38（重度覆蓋）。

表2 蘇南運河流經(jīng)區(qū)縣的植被覆蓋指數(shù)值

4 驗證

4.1 驗證方法

4.1.1 原理

利用無人機對選取的河段進行航拍。使用Photoshop 中“色彩范圍”功能，選擇特定顏色選取。根據(jù)特定顏色選取的像素占照片總像素的比例計算照片區(qū)域內(nèi)的植被覆蓋度。

4.1.2 照片獲取

現(xiàn)場選取適合點位，將無人機飛行至高度300 m，調(diào)節(jié)鏡頭至與河岸正對角度，進行拍照，直至所有點位照片能夠覆蓋天寧區(qū)全部岸線。

4.1.3 照片處理

在Photoshop中打開無人機航拍照片，截取距離河岸200 m范圍的照片，點擊“直方圖”，查看照片總像素值。點擊菜單欄中的“選擇”—“色彩范圍”，彈出色彩范圍對話框，用鼠標在照片內(nèi)的植被上拾取顏色，即可將與所拾取顏色相同的像素全部選中。調(diào)整顏色容差，使得所有植被像素全部選中，點擊確定。再點擊“直方圖”，查看植被選取區(qū)域像素值。依次打開每個點位照片進行處理，記錄每個點位照片的總像素值和植被選取區(qū)域的像素值（圖2）。

圖2 像素計算分析法測算天寧區(qū)植被覆蓋度示例

4.2 計算結(jié)果

植被覆蓋度等于植被選取區(qū)域像素值與照片總像素值的比值，由公式（2）計算得出天寧區(qū)植被覆蓋度為34.69。

式中：n為無人機航拍點位數(shù)。

4.3 驗證分析

用此方法得到天寧區(qū)植被覆蓋度為34.69，與植被覆蓋指數(shù)法得到的植被覆蓋度35.53差值為0.84，差值率2.36%。像素計算法比植被指數(shù)法選取范圍更加精準，但兩種方法計算結(jié)果相差較小，說明植被指數(shù)法在測算蘇南運河植被覆蓋度過程中精度可以得到一定的保證。

5 結(jié)論和討論

本次測算結(jié)果僅作為研究參考，可為蘇南運河健康評估、幸福河湖建設成效評估、生態(tài)修復、岸線開發(fā)利用等提供一定的參考。同時，對于其他河道的植被覆蓋度測算也具有參考性。

本次采用的植被覆蓋指數(shù)法（NDVI）雖然可以計算大面積、長時間序列植被覆蓋度的變化，但也存在局限性：一是通過NASA官網(wǎng)下載的MOD13數(shù)據(jù)存在時間限制，對研究成果時效性有一定影響；二是MOD13 數(shù)據(jù)的空間分辨率為250 m、時間分辨率為16 d，受遙感監(jiān)測精度限制，測算范圍選取的是河岸外延1 km，可運用無人機結(jié)合像素計算分析方法，選取河段進行驗證；三是像素計算分析法也存在一定的誤差，主要是源于特定顏色選取的精準度。