安慶市植被覆蓋度時(shí)空變化研究

方 剛，金 俊*，陳 麗

(1.宿州學(xué)院環(huán)境與測(cè)繪工程學(xué)院，安徽宿州 234000; 2.宿州市第二中學(xué)，安徽宿州 234000)

0 引言

植被是陸地生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分，在陸地生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，是衡量生態(tài)環(huán)境狀況的一種指標(biāo)[1].植被覆蓋度是植被(枝、莖、葉)的地面垂直投影面積與研究區(qū)陸地面積的百分比[2]，是衡量區(qū)域地表植被覆蓋狀況的一個(gè)重要指標(biāo).隨著城市化進(jìn)程水平的加快和人類環(huán)保重視程度的提高，對(duì)城市植被覆蓋度的研究也越來(lái)越多.研究植被覆蓋度的方法有：傳統(tǒng)地面測(cè)量和遙感定量反演.傳統(tǒng)地面測(cè)量方法主要包括：目估法、儀器法和采樣法等[3].傳統(tǒng)地面測(cè)量具有精度較低且耗時(shí)長(zhǎng)的特點(diǎn)，如章文波[4]對(duì)密云和懷柔植被覆蓋度進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，目估法絕對(duì)誤差最高達(dá)40%，不宜用于植被覆蓋度的模擬計(jì)算.隨金明[5]提出：當(dāng)樣本量超過(guò)40個(gè)時(shí)，利用數(shù)碼照片提取植被覆蓋度才有更高的精度.

相比傳統(tǒng)地面測(cè)量方法而言，利用遙感技術(shù)進(jìn)行植被覆蓋度定量計(jì)算更加高效.利用遙感技術(shù)定量計(jì)算植被覆蓋度的方法有：經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头?、像元分解模型法、植被指?shù)法等決策樹分類法等[6].當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究植被覆蓋度的算法主要是利用像元分解模型法中的像元二分模型[7-8]，以NDVI指數(shù)作為參數(shù)來(lái)定量計(jì)算植被覆蓋度，在此基礎(chǔ)上對(duì)區(qū)域植被覆蓋度時(shí)空變化進(jìn)行分析.如：李鈺溦[9]利用MODIS-NDVI數(shù)據(jù)和像元二分模型估算了中國(guó)北方地區(qū)2000-2012年間的植被覆蓋度，結(jié)果表明：中國(guó)北方地區(qū)年最大植被覆蓋度增長(zhǎng)較緩慢，三北防護(hù)林區(qū)域植被覆蓋度明顯增長(zhǎng)；路廣[10]利用Landsat衛(wèi)星影像和像元二分模型方法估算了黃河三角洲1986-2015年的植被覆蓋度，得到黃河三角洲區(qū)域植被覆蓋度時(shí)空變化明顯；鄭朝菊[11]利用MODIS-NDVI數(shù)據(jù)和改進(jìn)的像元二分模型估算了西南地區(qū)植被覆蓋度，并探討了植被變化對(duì)氣候和人類的影響.

論文以Landsat 5 TM和Landsat 8 OLI影像為數(shù)據(jù)源，以ENVI 5.3軟件為平臺(tái)，利用像元二分模型[12]提取安慶市2004和2017年的植被覆蓋度，在此基礎(chǔ)上分析安慶市植被覆蓋度的時(shí)空變化.研究成果可為安慶市生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也可為其他城市研究植被覆蓋度變化提供參考和借鑒.

1 研究區(qū)概況

圖1 安慶市遙感影像圖Fig.1 Remote Sensing Image of Anqing

安慶市位于安徽省西南部，位于29°47′N～31°16′N和115°45′N～117°44′E之間，西部與湖北相鄰，南部與江西相鄰，西北倚大別山，東南連黃山余脈.屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候.全市轄3區(qū)(迎江區(qū)、大觀區(qū)和宜秀區(qū))和7縣(市)：岳西縣、望江縣、太湖縣、宿松縣、潛山市、懷寧縣、桐城市，面積為13 589.99 km2，其中市區(qū)面積為821 km2，是國(guó)家森林城市.2017年末，安慶市常住人口為464.3萬(wàn)人，生產(chǎn)總值為1 708.6億元，財(cái)政收入為290.9億元[13].論文以安慶市市區(qū)為研究區(qū)，研究區(qū)遙感影像如圖1所示.

2 數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)處理流程

2.1 數(shù)據(jù)源

研究區(qū)兩時(shí)相影像為2004年7月24日Landsat 5和2017年7月28日Landsat 8(影像波段參數(shù)見表1和表2)，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn)，條帶號(hào)為121/039.數(shù)據(jù)為L(zhǎng)evel 1T級(jí)，質(zhì)量良好.

2.2 數(shù)據(jù)處理流程

根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況和影像分辨率，以ENVI 5.3軟件為平臺(tái)，首先對(duì)兩時(shí)相遙感影像分別進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正[14]，然后分別計(jì)算研究區(qū)NDVI值和植被覆蓋度，最后分別對(duì)研究區(qū)植被覆蓋度進(jìn)行密度分割和時(shí)空變化分析.具體數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示.

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.2 Flow chat of the data processing

3 研究方法

3.1 NDVI指數(shù)的計(jì)算

歸一化植被指數(shù)(NDVI)可反映植物的生長(zhǎng)情況，在植被覆蓋度研究中起著重要作用[15]，計(jì)算公式[16]如公式(1)所示.

(1)

公式(1)中：R表示遙感影像中地物在紅色波段的反射值；NIR表示遙感影像中地物在近紅外波段的反射值.可通過(guò)ENVI5.3軟件計(jì)算研究區(qū)的NDVI值.由于影像波段運(yùn)算后存在一定的異常值(即計(jì)算后部分區(qū)域的NDVI值在[-1,1]之外)，需對(duì)異常值進(jìn)行去除.

3.2 像元二分模型

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究植被覆蓋度的算法主要是利用像元分解模型法中的像元二分模型，像元二分模型假設(shè)一個(gè)像元的地表由有植被覆蓋部分和無(wú)植被覆蓋部分組成[17].利用像元二分模型和NDVI指數(shù)提取研究區(qū)的植被覆蓋度(FVC)，其計(jì)算公式[12]如公式(2)所示：

(2)

公式(2)中：NDVI表示歸一化植被指數(shù)；NDVIsoil表示無(wú)植被覆蓋區(qū)域(裸地)的NDVI值；NDVIveg表示完全植被覆蓋區(qū)域的NDVI值；FVC表示植被覆蓋度.由公式(2)可見，NDVIsoil和NDVIveg的確定將直接影響到植被覆蓋度的精度.

論文根據(jù)研究區(qū)的土地利用實(shí)際情況，在參考前人研究成果的基礎(chǔ)上[8,18-19]，以5%置信度來(lái)設(shè)置NDVIsoil值和NDVIveg值，最后分別計(jì)算安慶市2004年和2017年植被覆蓋度，并利用ENVI 5.3軟件去除異常值.由于部分水體表面有綠藻等植被，植被覆蓋度估算精度仍受去除異常值后的水體影響.為了去除水體對(duì)植被覆蓋度的影響，在實(shí)際研究中對(duì)水體區(qū)域進(jìn)行掩膜，得到研究區(qū)陸地植被覆蓋度影像(如圖3和圖4所示).

圖3 2004年植被覆蓋度影像Fig.3 FVC image in 2004圖4 2017年植被覆蓋度影像Fig.4 FVC image in 2017

3.3 密度分割

依據(jù)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》和ENVI 5.3軟件將研究區(qū)植被覆蓋度密度分割為5類：低植被覆蓋度(0FVC<30%)、中低植被覆蓋度(30%FVC<45%)、中植被覆蓋度(45%FVC<60%)、中高植被覆蓋度(60%FVC<75%)、高植被覆蓋度(75%FVC100%)，安慶市植被覆蓋度分布圖如圖5和圖6所示.在此基礎(chǔ)上將密度分割結(jié)果輸出為分類影像，經(jīng)統(tǒng)計(jì)得到各區(qū)植被覆蓋面積(如表3所示).由表3知：2004年低植被覆蓋區(qū)面積為51.86 km2，占研究區(qū)陸地面積的8.70%；中低植被覆蓋區(qū)面積為33.79km2，占研究區(qū)陸地面積的5.67%；中植被覆蓋區(qū)面積為54.65 km2，占研究區(qū)陸地面積的9.17%；中高植被覆蓋區(qū)面積為109.61km2，占研究區(qū)陸地面積的18.39%；高植被覆蓋區(qū)面積為346.24km2，占研究區(qū)陸地面積的58.08%.2017年低植被覆蓋區(qū)面積為86.85km2，占研究區(qū)陸地面積的14.68%；中低植被覆蓋區(qū)面積為64.74km2，占研究區(qū)陸地面積的10.94%；中植被覆蓋區(qū)面積為93.18km2，占研究區(qū)陸地面積的15.75%；中高植被覆蓋區(qū)面積為124.48km2，占研究區(qū)陸地面積的21.04%；高植被覆蓋區(qū)面積為222.28km2，占研究區(qū)陸地面積的37.58%.

圖5 2004年植被覆蓋度分布圖Fig.5 FVC distribution figure in 2004圖6 2017年植被覆蓋度分布圖Fig.6 FVC distribution figure in 2017

表3 2004年和2017年不同植被覆蓋區(qū)的面積與百分比Tab.3 The area and percentage of the different vegetation regions in 2004 and 2017

圖7 2004年和2017年不同植被覆蓋區(qū)面積變化Fig.7 The area changes of the different vegetation regions in 2004 and 2017

4 結(jié)果與分析

4.1 植被覆蓋度的時(shí)間變化分析

由表3和圖7可知，2004年自高植被覆蓋區(qū)到低植被覆蓋區(qū)面積占研究區(qū)陸地面積比分別為58.08%、18.39%、9.17%、5.67%和8.70%；2017年從高植被覆蓋區(qū)到低植被覆蓋區(qū)面積占研究區(qū)陸地面積比分別為37.58%、21.04%、15.75%、10.94%和14.68%.2004-2017年研究區(qū)內(nèi)高植被覆蓋區(qū)面積顯著減少，減少了123.96 km2.低植被覆蓋區(qū)、中低植被覆蓋區(qū)、中植被覆蓋區(qū)以及中高植被覆蓋區(qū)面積是增加的，分別增加了34.99、30.95、38.53和14.87 km2.

4.2 植被覆蓋度的空間變化分析

由圖5和圖6可知，安慶市絕大部分地區(qū)植被覆蓋良好，其空間變化分布特征有：

(1)2004年，以高植被覆蓋區(qū)和中高植被覆蓋區(qū)面積為最大，主要集中分布在地勢(shì)較高的宜秀區(qū)山區(qū)、大觀區(qū)江心洲以及迎江區(qū)東部區(qū)域，呈片狀分布.中等及以下植被覆蓋區(qū)主要分布在菱湖風(fēng)景區(qū)周邊商業(yè)化較高區(qū)域以及部分農(nóng)業(yè)用地.

(2)2017年，高植被覆蓋區(qū)和中高植被覆蓋區(qū)主要分布在宜秀區(qū)山區(qū)，中等及中等以下植被覆蓋區(qū)主要分布在菱湖周邊區(qū)域以及迎江區(qū)中部區(qū)域，高植被覆蓋區(qū)呈片狀分布，中等及以下植被覆蓋區(qū)有碎片化趨勢(shì).

(3)2004-2017年，中低植被覆蓋區(qū)和低植被覆蓋區(qū)由菱湖向四周擴(kuò)展；東部植被覆蓋下降較多；菱湖周邊植被覆蓋得到明顯改善，由低植被覆蓋度變?yōu)橹兄脖桓采w度和中低植被覆蓋度.

5 結(jié)論

(1)2004-2017年，安慶市低植被覆蓋區(qū)面積增加了34.99 km2，中低植被覆蓋區(qū)面積增加了30.95 km2，中植被覆蓋區(qū)面積增加了38.53 km2，中高植被覆蓋區(qū)面積增加了14.87 km2，高植被覆蓋區(qū)面積減少了123.96 km2.

(2)2004年，高植被覆蓋區(qū)和中高植被覆蓋區(qū)主要分布在宜秀區(qū)山區(qū)、大觀區(qū)江心洲以及迎江區(qū)東部區(qū)域，呈片狀分布；中等及中等以下植被覆蓋區(qū)主要集中在菱湖風(fēng)景區(qū)周邊商業(yè)化較高區(qū)域以及部分農(nóng)業(yè)區(qū)域.2017年，高植被覆蓋區(qū)和中高植被覆蓋區(qū)主要分布在宜秀區(qū)山區(qū)，呈片狀分布；中等及中等以下植被覆蓋區(qū)分布在菱湖周邊區(qū)域以及迎江區(qū)中部區(qū)域；植被覆蓋呈碎片化分布.

(3)研究成果可為安慶市生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也可為其他城市研究植被覆蓋度提供參考和借鑒.