基于遥感与GIS技术的呼和塔拉万亩草原植被覆盖度动态变化监测

2018-07-24那日苏王君芳高鸿永包玉海

草原与草业 2018年2期

那日苏，王君芳，高鸿永，包玉海，玉山

(1.内蒙古蒙草生态环境(集团)股份有限公司，内蒙古呼和浩特 010020；2.内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古呼和浩特 010020)

引言

植被盖度是指植被(包括叶、茎、枝)在地面的垂直投影面积占统计区总面积的百分比。植被覆盖度作为衡量地表植被覆盖的重要指标，其变化信息对土壤侵蚀、生态系统的过程变化等具有重要现实意义〔1〕。目前植被覆盖度估算主要有传统野外调查、遥感监测两种方法〔2〕。传统野外调查方法主要应用于典型地段植被覆盖、植物多样性、自然地理因素之间的相互关系研究等方面，对于大尺度范围的植被覆盖度变化研究花费人力、物力、财力较大，并且时间成本较高，难以实现快速提取植被覆盖度。随着遥感技术的发展，遥感监测能多尺度、多维度的了解植被覆盖、差异及其变化规律，利用遥感资料计算植被特征参数来监测大面积区域植被盖度〔3〕。

植被盖度是影响区域生态环境和土壤侵蚀的重要因素〔4〕，因此快速、准确的获取区域植被盖度的动态数据，为决策部门提供详实的数据支持，是首要解决的问题。本研究在前人研究的基础上，以2001、2010、2013和2016年不同时期TM遥感影像为数据源，提取归一化植被指数和反演植被覆盖度，并分析植被覆盖度时空变化，为呼和塔拉万亩草原的综合治理及生态建设提供理论基础。

1 研究区概况

该项目区位于呼和浩特市新城区东北部，东经111°51'- 111°54'，北纬40°53'-40°56'，呼和塔拉万亩草原面积为15810亩，地形以冲积平原为主，年均温7.3℃，年降水量在400mm，主要集中在7、8月份。内蒙古自治区成立70周年大庆主会场、中蒙博览会等重要会议设在该区域内，蒙草集团从2012年开始对该项目区进行地形整理、缀花草原种植、整治绿化等工作。

图1 研究区概况图Fig.1 General map of the research area

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源及处理

根据研究区植被的结构特点及生长情况，7月末植被生长状况能较好地反映研究区的植被特征，因此本文选择2001年7月19日、2010年7月28日、2013年7月20日、2016年7月28日的TM影像为数据源，图像空间分辨率为30×30m、时间分辨率为16h，以上影像图像质量好、清晰度高、云量小于2%。万亩草原边界线由项目部提供。基于ENVI5.1、ArcGis10.3平台首先统一投影坐标系统；然后进行辐射定标和大气校正；其次用万亩草原边界Shapefile矢量界限对各年份数据进行裁剪，获取研究范围内的影像数据最后利用影像的红外波段和近红外波段数据开展工作。

2.2 植被指数提取及覆盖度估算

本文选用应用最广泛的归一化植被指数NDVI，该植被指数对植被生长特征较敏感，而且能消除地形和群落的阴影和辐射干扰、检测范围较宽、灵敏度高、消弱太阳高度角和大气的噪音，常用来进行区域尺度的植被分类和植被覆盖度研究〔5-6〕。NDVI的计算公式：

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

其中R表示红波段，NIR表示近红外波段。由像元二分模型的理论将其带入植被覆盖的公式可以得到:

fc=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

遥感影像像元植被信息NDVIveg可以取区间内NDVI的最大值NDVImax，土壤信息NDVIsoil可以取区间内NDVI的最小值NDVImin〔7-10〕。所以公式又可以写成这样：

fc=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

为能更好地反映研究区植被覆盖分布及变化情况，本文根据《土壤侵蚀分类分级标准》，按照研究区具体情况将植被覆盖度分为六个等级Ⅰ级: 植被盖度为 0～15%，Ⅱ级: 植被盖度为 15%～30%，Ⅲ级: 植被盖度为 30%～45%，Ⅳ级: 植被盖度为 45%～60%，Ⅴ级: 植被盖度为 60%～75%，Ⅵ级: 植被盖度为 75%～100%。

2.3 差值指数

差值指数是利用两期遥感影像进行差值分析，量化各个年份之间的植被覆盖度变化〔2〕，既：

Fw=Fa-Fb

式中：Fw为第 a年与第b年的差值指数，Fa和Fb分别为a年和第b年的植被覆盖度，Fw的取值范围为[-1.1]，将植被覆盖度变化分为三个等级：Fw>0为植被覆盖度增加，Fw<0为植被覆盖度减少，Fw=0为植被覆盖度变化不大。

3 结果与分析

3.1 植被指数特征

利用影像的红波段和近红外波段在ENVI软件band math模块中计算了2001-2016年的NDVI值(图2)，为研究呼和塔拉万亩草原NDVI随时间变化的特点取2001-2016年NDVI平均值制作NDVI年际变化图(图3)，从图可以看出2001-2010年NDVI波动较小在0.1-0.15之间，2013年开始NDVI快速增长，2013-2016年NDVI值在0.3-0.4之间，表明植被生长状况好转。

图2 2001-2016年NDVI值Fig.2 2001-2016 years NDVI value

图3 NDVI年际变化图Fig.3 NDVI interannual change map

3.2 植被覆盖度特征

将NDVIsoil和NDVIveg代入基于NDVI的像元二分模型计算研究区呼和塔拉万亩草原各年份的植被覆盖度，在ArcGis软件的空间分析-栅格计算器模块里生成植被覆盖度图，并根据《土壤侵蚀分类分级标准》将得到的栅格数据分为六个等级(图4)。从图可以分析出：在空间上该区域东部和东南部植被覆盖度较高，西部和中北部区域植被覆盖度较小；时间序列上2001、2010年修复之前和2013、2016修复之后的植被覆盖度相比较，整体上显著增加。

对各年份植被覆盖度等级进行统计分析，得到各植被覆盖等级所占的面积(图5)，由图可知修复之前2001、2010年植被覆盖度集中在0-30%；修复之后2013、2016年植被覆盖度集中在45-100%，2013年植被覆盖度45-100%的面积为11352亩，占总面积71.62%，2016年植被覆盖度45-100%的面积为14563亩，占总面积91.88%，说明植被覆盖度明显增加。

图4 2001-2016年植被覆盖度Fig.4 Vegetation coverage for 2001-2016 years

图5 植被覆盖度等级统计Fig.5 Vegetation coverage grade statistics

3.3 植被覆盖度动态变化特征分析

利用植被覆盖度等级的差值量化分析2001-2016年间的4期数据(图6)，揭示了呼和塔拉万亩草原修复前后的植被覆盖度动态变化特征，并对其植被覆盖度变化的面积和比例进行具体统计(表1)。从表可以看出2001-2016年总体上植被覆盖度增加的趋势，特别是在2010-2013年植被覆盖度增加的面积为13834，占总面积的87.5%，说明修复效果显著，植被生长情况较好。

图6 2001-2016植被覆盖度变化情况Fig.6 2001-2016 change of vegetation coverage

表1 2001-2016植被覆盖度变化特征Tab.1 2001-2016 variation characteristics of vegetation coverage

植被覆盖度的变化量只能说明总体变化情况，为了进一步分析植被覆盖的转化情况本文采用转移矩阵来揭示植被覆盖度之间的转移概率，准确了解植被覆盖度的时空变化特征。在ArcGis软件中首先将植被覆盖度栅格数据转为矢量数据，然后用叠加分析工具获取呼和塔拉万亩草原各时段的转移矩阵。

表2 2001-2010年万亩草场植被覆盖度转换矩阵Tab.2 2001-2010 year mu mu grassland vegetation coverage conversion matrix

表3 2010-2013年万亩草场植被覆盖度转换矩阵Tab.3 2010-2013 year mu mu grassland vegetation coverage conversion matrix

表4 2013-2016年万亩草场植被覆盖度转换矩阵Tab.4 2013-2016 year mu mu grassland vegetation coverage conversion matrix

统计分析结果表明：2001-2010年植被覆盖度有低级转为高级的面积为9469亩，占总面积59.89%，主要是0-15%转为15-30%的面积较大；不变的面积为5349亩，占总面积33.83%，由高级转为低级的面积992亩，占总面积6.27%。2010-2013年植被覆盖度有低级转为高级的面积为13834亩，占总面积87.5%，植被覆盖度15-30%到45-60%、60-75%、75-100%的面积为7980亩，因此总体上显著增加。不变的面积为1622亩，占总面积10.26%，由高级转为低级的面积354亩，占总面积2.24%。2013-2016年植被覆盖度有低级转为高级的面积为7948亩，占总面积50.27%，不变的面积为5627亩，占总面积35.59%，由高级转为低级的面积2235亩，占总面积14.14%，减少的原因是从75-100%转为60-75%的面积有1103亩。