基于高分?jǐn)?shù)據(jù)木里煤礦植被覆蓋度遙感估算

索紅燕 黃義忠 李烙

摘 ?要： 木里煤礦是青海省最大的露天煤礦，該煤礦的大量開采影響了木里鎮(zhèn)的生態(tài)平衡，本文通過估算木里煤礦區(qū)域的植被覆蓋度驗證該區(qū)域的生態(tài)情況，經(jīng)估算，木里煤礦區(qū)域2016～2018的年平均植被覆蓋度分別為0.22、0.43、0.54。從計算結(jié)果表明木里煤礦區(qū)域的植被覆蓋度在逐年增加，恢復(fù)情況較好。通過研究木里煤礦近3年的植被覆蓋情況可以反映出礦區(qū)的恢復(fù)與治理效果較好，同時為其它礦區(qū)的恢復(fù)與治理提供參考。

關(guān)鍵詞：?木里煤礦;像元二分法;植被覆蓋度

中圖分類號： TP751????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：?A????DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.09.035

本文著錄格式：索紅燕，黃義忠，李烙. 基于高分?jǐn)?shù)據(jù)木里煤礦植被覆蓋度遙感估算[J]. 軟件，2019，40（9）：153-155

Remote Sensing Estimation of Vegetation Coverage in Muli Coal Mine Based on High-Fraction Data

SUO Hong-yan， HUANG Yi-zhong， LI Luo

（College of Land and Resources Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming?650051，?China）

【Abstract】： Muli Coal Mine is the largest open-pit coal mine in Qinghai Province. The ecological balance of Muli Town is affected by the large-scale mining of the coal mine. This paper validates the ecological situation of the area by estimating the vegetation coverage of Muli Coal Mine. It is estimated that the annual average vegetation coverage of Muli Coal Mine from 2016 to 2018 is 0.22， 0.43 and 0.54， respectively. The calculation results show that the vegetation coverage in Muli coal mine area is increasing year by year， and the recovery situation is good. By studying the vegetation cover of Muli Coal Mine in recent three years， it can reflect that the effect of restoration and treatment of mining area is better， and provide reference for the restoration and treatment of other mining areas.

【Key words】： Muli Coal Mine; Pixel dichotomy; Vegetation coverage

0??引言

植被覆蓋度表示在植被覆蓋的區(qū)域內(nèi)植被的根莖葉經(jīng)過投影與植被的比例，是評價植被生長狀況的重要因素，通常用在評價海島海岸、區(qū)域環(huán)境中的生態(tài)敏感性、脆弱性評價。目前為止，植被覆蓋度的計算方法較多，傳統(tǒng)的方法為目估法^[1]、樣方法^[2]、樣點法^[3]等，傳統(tǒng)方法與現(xiàn)代計算植被覆蓋度的方法相比較，具有誤差大，成本高，野外操作不便等缺點。

近年來，遙感領(lǐng)域科技發(fā)展迅速，技術(shù)不斷提高，使得植被覆蓋度的計算簡單易操作，目前，監(jiān)測植被覆蓋度的方法有植被指數(shù)法^[4-5]，經(jīng)驗?zāi)Ｐ头?sup>[^6-7]、像元二分法^[8]等。其中，植被指數(shù)法是通過傳感器接受到的光譜信息經(jīng)過波段計算得到植被指數(shù)圖，此方法通過ENVI軟件計算，人為干預(yù)較少，計算的結(jié)果與植被覆蓋度呈現(xiàn)較好的相關(guān)性。經(jīng)驗?zāi)Ｐ头ㄊ峭ㄟ^外業(yè)選取樣點計算值被覆蓋度并與遙感光譜信息建立線性回歸，以點代面推廣大整個研究區(qū)估算研究區(qū)植被覆蓋度，此方法不易操作，誤差較大，像元二分法是由李苗苗等人提出計算植被覆蓋度的一種方法，也是目前計算植被覆蓋度最新的方法。經(jīng)多次試驗，此方法計算植被覆蓋度與實測結(jié)果相吻合，也是研究者研究植被覆蓋度^[9]常用的一種方法之一。

木里煤礦的開采導(dǎo)致了木里鎮(zhèn)的生態(tài)環(huán)境日益惡化，這一問題引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。國家制定了相關(guān)法律政策，木里煤礦停業(yè)整頓，未破壞的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行保護(hù)，已經(jīng)破壞的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行恢復(fù)治理。

1??研究區(qū)概況

木里煤礦位于天峻縣木里鎮(zhèn)，隸屬于青海省海西藏族蒙古族自治州，木里煤礦地理坐標(biāo)為東經(jīng)99°08′00″，北緯38°07′45″。木里鎮(zhèn)總面積為2856.664平方公里，研究區(qū)面積為412.261平方千米，占木里鎮(zhèn)面積的14.43%，該區(qū)域處于青藏高原北緣，研究區(qū)海拔范圍為4100～4200?m，屬于高寒區(qū)，受青藏高原氣流環(huán)流影響，常年氣溫溫差大，年平均溫度為–4℃，最高氣溫為22℃，最低氣溫為零下35.6℃，該區(qū)域四季區(qū)分不明顯，夏季較短冬季長，木里鎮(zhèn)總?cè)丝诩s0.11萬，居住人口大部分為藏族，藏族占總?cè)丝诘?5%以上。

2??研究內(nèi)容及方法

2.1數(shù)據(jù)處理

“高分一號”衛(wèi)星是我國發(fā)射的首顆對地觀測衛(wèi)星，該衛(wèi)星具有較高分辨率，由全色波段和多光譜組成，“高分一號”數(shù)據(jù)來源于中國資源衛(wèi)星中心^[10]，獲取到的數(shù)據(jù)通過ENVI軟件輻射定標(biāo)、大氣校正、去燥處理^[9][11]等一系列的預(yù)處理之后選用紅外波段與近紅外波段進(jìn)行計算，計算完植被指數(shù)以后，通過像元二分模型計算植被覆蓋度，最后將計算的結(jié)果在ARCGIS軟件中矢量裁剪得到研究區(qū)影像。

2.2像元二分法

2.2.1 ?歸一化植被指數(shù)

歸一化植被指數(shù)是反映地表植被覆蓋的指標(biāo)，他的定義為是近紅外波段與紅外波段之差與近紅外與紅外波段之和的商，也可以表示為NDVI=（r_NIR– r_RED）/（r_NIR+ r_RED），它較好的反應(yīng)植被生長狀況以及空間覆蓋。

根據(jù)植被指數(shù)計算公式與“高分一號”衛(wèi)星特點選?。ū?）近紅外波段為b4，紅外波段為b2，計算植被指數(shù)。

2.2.2 ?像元二分法原理

像元二分法是根據(jù)線性模型原理提出的一種方法，本文在計算植被覆蓋度時采用像元二分法，該方法假定傳感器觀測到的信息植被完全覆蓋Rs與無植被覆蓋Rv通過線性加權(quán)計算像元R的值，即

R=Rs+Rv （1）

對于傳感器所觀察的像元信息包括兩種，一種為混合像元，該像元包含了傳感器能觀測到地物的所有信息，另一種為單一像元，它包含一種地物信息，也被稱為純像元，在實際操作中傳感器觀測到的像元都為混合像元，為了計算方便，假定像元的反射率為植被覆蓋Rveg與無植被覆蓋Rsoil兩種，混合像元由植被與土壤組成，植被完全覆蓋面積所占像元面積比例為fc，土壤覆蓋比例為1-fc，計算像元R值時，混合像元的植被部分為植被的貢獻(xiàn)量Rveg與植被覆蓋面積的乘積fc與無植被覆蓋的貢獻(xiàn)量與土壤覆蓋面積的乘積之和，如下：

R=R_veg*f_c+R_soil*（1–f_c） （2）

整理公式（2）得到的植被覆蓋度公式為：

V_f=（R–Rsoil）/（R_veg–R_soil） （3）

經(jīng)多項研究表明，植被指數(shù)帶入公式（3）中，植被覆蓋度計算的誤差較小，則植被覆蓋度的公式可表達(dá)為：

Vf=（NDVI–NDVIveg）/（NDVIveg+NDVIsoil） （4）

則，NDVI表示植被指數(shù)圖，NDVIveg表示完全被植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，NDVIsoil表示裸地區(qū)域的NDVI值。

2.2.3 ?NDVI_veg和NDVI_soil參數(shù)計算

通過參考文獻(xiàn)分析，NDVIveg和NDVIsoil這兩個參數(shù)取值計算各有不同，李苗苗在計算密云水庫上游的植被覆蓋度時提出像元二分法把植被覆蓋度應(yīng)該分為兩種情況，一種為植被覆蓋情況最大值接近100%，最小值接近0時NDVIveg=NDVImax，NDVIsoil=NDVImin，另一種為植被覆蓋度最大值最小值不能近似為100%與0時根據(jù)置信度值計算植被覆蓋度， 穆少杰^[10]計算內(nèi)蒙古植被覆蓋度時同樣采用了像元二分法，植被完全覆蓋區(qū)為NDVIveg，裸土地為NDVIsoil何海燕^[11]在基于雷達(dá)數(shù)據(jù)估算植被覆蓋度時通過設(shè)置置信度值排除水體、大于25°的山坡、陰影、不透水面并確定RVIveg和RVIsoil。

本文根據(jù)天峻縣的土地利用現(xiàn)狀圖^[12-13]確定植被覆蓋區(qū)域以及裸土地的分布情況選取植被指數(shù)置信度在95%與5%的值分別為NDVIveg與NDVIsoil。

2.2.4 ?研究區(qū)植被覆蓋度估算

通過上述計算分析的植被指數(shù)圖與土地利用現(xiàn)狀圖相結(jié)合，統(tǒng)計置信度95%出現(xiàn)的NDVI值與5%出現(xiàn)的NDVI值，NDVI的頻率統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2統(tǒng)計結(jié)果，確定NDVI_veg和NDVI_soil值，通過公式（4）計算植被覆蓋度圖如下圖所示。

2.3結(jié)果分析

通過計算，木里煤礦植被指數(shù)2016的平均植被覆蓋度分別為0.22，2017年的平均植被覆蓋度為0.43，2018年的平均植被覆蓋度為0.54。該礦區(qū)的植被在逐年恢復(fù)，2017年比2016年增長了48%，2018年比2017年增長了20%，根據(jù)3年的植被覆蓋度分析，2018年的增長速率相對于2017年較緩慢，從總體分析，這3年的植被覆蓋度呈逐漸增長的趨勢。

3??結(jié)論

研究區(qū)運用像元二分法對“高分一號”多光譜數(shù)據(jù)估算近3年的植被覆蓋度，得出了如下結(jié)論：

（1）礦區(qū)的開發(fā)嚴(yán)重影響植被的生長，礦區(qū)開采區(qū)，勘探區(qū)，礦物原料區(qū)植被覆蓋為零。從礦區(qū)向外延伸，植被覆蓋在逐漸增加，充分表明，礦物的開采嚴(yán)重影響了植被的生長，破壞了生態(tài)平衡。

（2）從研究區(qū)3年的植被覆蓋度情況分析，植被覆蓋度逐年上升，研究表明，木里煤礦的生態(tài)環(huán)境生態(tài)環(huán)境正在逐年恢復(fù)，也說明當(dāng)?shù)卣诜e極響應(yīng)黨的號召，積極治理礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

（3）通過“高分一號”估算植被覆蓋度信息，表明可以使用“高分一號”多光譜數(shù)據(jù)可以進(jìn)行大面積監(jiān)測植被生長，也可以用在林業(yè)監(jiān)測、土壤侵蝕、土地荒漠化等領(lǐng)域。

（4）NDVI_veg和NDVI_soil參數(shù)的選取具有主觀性，參數(shù)的取值會影響植被覆蓋度的計算精度。

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