玉溪市紅塔區(qū)植被覆蓋時空變化與地形分異研究

郭鎖，楊海蘭，盛成藝，聶萍，吳廣，尚敏

（玉溪師范學(xué)院地理與國土工程學(xué)院，云南玉溪 653100）

玉溪市紅塔區(qū)位于滇中腹地，是連接昆明市與滇南地區(qū)和東南亞國家的“屏藩”之地，位于北緯24°08′30″～24°32′18″、東經(jīng)102°17′32″～102°41′37″之間。紅塔區(qū)境內(nèi)四面環(huán)山，地勢西北高東南低，自北向南依次傾斜，區(qū)內(nèi)植被覆蓋率達(dá)90%以上。東有龍馬山屏障、南有鳳凰山拱衛(wèi)、西有高魯山雄峙、北有大黑山橫亙，主要以有林地為主。除此之外，區(qū)內(nèi)還有疏林地和農(nóng)用地，其中，農(nóng)用地以種植水稻、玉米、蔬菜、小麥和烤煙為主。

本研究利用ENVI 5.3 軟件，分別提取2000 年、2009 年、2018 年三期Landsat TM/OLI 影像的NDVI 值，利用ARCGIS 10.5 軟件進(jìn)行數(shù)字地形分析，最終揭示了2000 年-2018 年間玉溪市紅塔區(qū)植被覆蓋變化與地形分異特征，以期為今后的生態(tài)保護(hù)和區(qū)域發(fā)展等提供參考依據(jù)。

1 研究方法

1.1 植被覆蓋度的提取

采用遙感監(jiān)測法，即以遙感影像為基礎(chǔ)提取植被覆蓋度，利用ENVI 軟件，采用歸一化植被指數(shù)（NDVI）和像元二分法進(jìn)行提取[1-3]。歸一化差值植被指數(shù)NDVI[4-6]的求取公式為：

式（1），NIR 為近紅外波段的反射值，R 為紅外波段的反射值[7]。通常情況下，-1≤NDVI≤1，在有NDVI 的基礎(chǔ)上，結(jié)合像元二分模型[8-10]提取植被覆蓋度，具體求取公式如下：

式（2），F(xiàn)VC 即代表植被覆蓋度，Ssoil為完全是裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI 值，Sveg代表完全被植被覆蓋像元的NDVI 值，即純植被像元的NDVI 值。但NDVIsoil和NDVIveg這2 個值會隨季節(jié)和氣候等外部環(huán)境的影響而發(fā)生改變，對結(jié)果的準(zhǔn)確性會有一定影響。因此，很多學(xué)者都采用置信度值，即Smin和Smax分別代表Ssoil和Sveg，根據(jù)具體情況，此時的Smin和Smax分別取5%和95%對應(yīng)的DNVI 值。

由圖1 可知，紅塔區(qū)三期植被覆蓋度（FVC）分為5個等級：≤30%為Ⅰ級，即低植被覆蓋；＞30%～45%為Ⅱ級，即中低植被覆蓋；＞45%～60%為Ⅲ級，即中度植被覆蓋；＞60%～75%為Ⅳ級，即中高植被覆蓋；＞75%為Ⅴ級，即高植被覆蓋。

圖1 紅塔區(qū)植被覆蓋等級特征分布圖

1.2 地形因子的提取

研究以ASTER GDEM 30m 分辨率為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 軟件提取高程、坡度、坡向信息。高程可在ArcGIS 軟件中直接由ASTER GDEM 提取，坡度和坡向是利用表面分析工具中的slope 和Aspect 進(jìn)行提取。

由圖2 可知，根據(jù)紅塔區(qū)的實地情況，將高程分為7 個等級：第1 級和第7 級分別為＜1500m、＞2500m，中間每隔200m 為1 個等級；坡度分為5 個等級：第1級和第5 級為＜15°、＞60°，中間每隔15°為1 個等級；坡向根據(jù)已有的研究，將其劃分為平地（-1°～0°）、陰坡（0°～45°，315°～360°）、半陰坡（45°～135°）、陽坡（135°～225°）、半陽坡（225°～315°）5個等級。

圖2 紅塔區(qū)高程、坡度、坡向圖

2 結(jié)果與分析

2.1 紅塔區(qū)植被覆蓋空間變化特征

利用ENVI 5.3 軟件提取植被覆蓋率，基于像元單元屬性計算得出，2000 年、2009 年、2018 年平均植被覆蓋率分別為70%、62%、65%，呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。由圖1 可知，紅塔區(qū)西部地區(qū)植被覆蓋率明顯高于其他區(qū)域，原因是西部區(qū)域大多是農(nóng)村及少數(shù)民族聚集地，植被覆蓋率高，而靠近中部地區(qū)是城市區(qū)域，人口集聚、植被覆蓋率較低。此外，2000-2018 年，紅塔區(qū)植被覆蓋呈現(xiàn)出高植被等級向較低級別植被等級變化，變化較快的地方集中在中部城市周邊及北部區(qū)域，整體變化方向是從中心向四周擴(kuò)張，這是由于中部地區(qū)城市擴(kuò)張、工業(yè)發(fā)展及北部區(qū)域有高速公路和鐵路建設(shè)造成。

2.2 植被覆蓋等級變化特征

利用ArcGIS 軟件，基于像元單元大小統(tǒng)計分析三期植被覆蓋不同等級面積，間接通過面積反映植被覆蓋等級變化特征。由表1 可知，紅塔區(qū)植被覆蓋是以高植被覆蓋和中高植被覆蓋為主，2000-2018 年高植被覆蓋面積和低植被覆蓋面積分別減少148.4km2、98.84km2；中低植被覆蓋面積、中度植被覆蓋面積、中高植被覆蓋面積分別增加47.82km2、170.90km2、28.52km2。總體上呈線性變化趨勢，高植被覆蓋減少速率最快，中度植被覆蓋增加速率最快。

表1 植被覆蓋度等級面積統(tǒng)計表（km2）

2.3 植被覆蓋地形分異

通過Arcgis 中的空間疊加分析功能，對紅塔區(qū)植被覆蓋與地形因子進(jìn)行疊加分析，最后得出以下結(jié)論：

2.3.1 不同高程植被覆蓋面積分布變化。由圖3 可知，隨著高程增加，植被覆蓋總面積呈倒“U”形曲線，即先增加后減少的趨勢，植被覆蓋最大面積集中在1700～1900m高程范圍內(nèi)，占全區(qū)總面積的32.39%，高程在＜1500m和＞2500m 范圍內(nèi)的植被面積分布較少。歷年不同高程下植被覆蓋面積在1700～1900m、1900～2100m、2100～2300m、2300～2500m 范圍內(nèi)的植被度等級主要為Ⅴ級，1500～1700m 高程范圍內(nèi)Ⅰ級植被覆蓋占主導(dǎo)地位。

圖3 不同高程植被覆蓋面積折線統(tǒng)計圖

2.3.2 不同坡度植被覆蓋變化。由圖4 可知，紅塔區(qū)植被覆蓋普遍集中在坡度＜30°的區(qū)域，隨著坡度的增加，Ⅴ級植被覆蓋面積先增加后減少，其余不同等級的植被覆蓋面積都是一直減少，整體上特別是從15°～30°過渡到30°～45°植被覆蓋面積下降的速度最快。

圖4 不同坡度植被覆蓋等級面積折線統(tǒng)計圖

2.3.3 不同坡向植被覆蓋變化。由圖5 可知，陰坡、半陰坡、陽坡、半陽破的植被覆蓋度等級都以高植被覆蓋為主，植被覆蓋在半陰坡的面積最大，陰坡、陽坡、半陽破的植被覆蓋面積相差較小，與現(xiàn)有研究的植被覆蓋面積一般是呈現(xiàn)陽坡＞半陽坡＞半陰坡＞陰坡＞平地的特征有所差異。出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是因為紅塔區(qū)地勢相對平坦，對太陽輻射能量重分配、氣候特征、土壤水分再分布等影響較小[11-12]。

圖5 不同坡向植被覆蓋等級面積條形統(tǒng)計圖

2.4 結(jié)論

（1）紅塔區(qū)從2000 年-2018 年平均植被覆蓋率整體下降5%，西部人類活動較少的區(qū)域植被覆蓋率高，中部和北部等人類活動頻繁的區(qū)域植被覆蓋率較低，特別是北部區(qū)域地形較為平坦的區(qū)域植被覆蓋變化的速度相對較快?？傮w來看，紅塔區(qū)從西到東植被覆蓋呈現(xiàn)下降趨勢。

（2）紅塔區(qū)2000 年、2009 年、2018 年三期植被覆蓋，主要都是以高植被覆蓋（Ⅴ級）和中高植被覆蓋（Ⅳ級）為主，低植被覆蓋（Ⅰ級）和高植被覆蓋（Ⅴ級）面積減少，其余等級植被覆蓋面積在增加。

（3）伴隨高程增加，植被覆蓋面積呈現(xiàn)先增加后減少的倒“U”型變化，植被覆蓋較高區(qū)域大多聚集在1700～2300m 高程范圍內(nèi)；植被覆蓋普遍集中在坡度＜30°的區(qū)域，并且隨著坡度的增加，不同等級的植被覆蓋呈現(xiàn)出下降趨勢；由于紅塔區(qū)地形較為平坦，對太陽輻射能量重分配、氣候特征、土壤水分再分布等影響較小，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)的植被覆蓋面積呈現(xiàn)出陰坡、半陰坡、陽坡、半陽坡面積分布相對均衡的特征，但平地植被覆蓋依然相較于其他坡向是最低的。

3 結(jié)語

利用RS/GIS 技術(shù)，采用像元二分法分別提取2000年、2009 年、2018 年三期Landsat TM/OLI 影像的植被指數(shù)（NDVI），通過分析不同時期的植被覆蓋狀況，得到紅塔區(qū)2000 年—2018 年期間的植被覆蓋空間變化特征。同時，研究充分利用玉溪市紅塔區(qū)的區(qū)位特點，結(jié)合30m 分辨率的ASTER GDEM 數(shù)據(jù)，從地形分異角度，進(jìn)一步研究了玉溪市紅塔區(qū)在不同地形條件下的植被覆蓋整體情況，其研究結(jié)果對地區(qū)未來的土地利用總體規(guī)劃和生態(tài)環(huán)境評估等具有重要意義。