張 超，余樹全，李土生

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 國際空間生態(tài)與生態(tài)系統(tǒng)研究中心，浙江 臨安 311300；2.浙江省林業(yè)廳 生態(tài)中心，浙江 杭州 310020）

植被是表征生態(tài)環(huán)境的主要因子[1]。植被覆蓋度是描述植被生長狀況和生態(tài)變化的重要參數(shù)。獲取地表植被覆蓋及其變化信息，對揭示區(qū)域生態(tài)過程與植被空間變化規(guī)律，探討變化的驅(qū)動因子，分析評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量具有重要意義[2]。利用遙感數(shù)據(jù)估算地表植被覆蓋率的主要方法可歸納為回歸模型法、像元分解法和植被指數(shù)轉(zhuǎn)換法。由于遙感影像幾何配準誤差、地面采樣大小與像元大小不一致以及像元的非均質(zhì)性等原因，利用回歸模型法精確建立植被蓋度的實測值與像元值之間的統(tǒng)計關(guān)系比較困難，另外同步實測植被覆蓋率數(shù)據(jù)的獲取也有較大難度[3-4]。線性光譜模型（linear spectral mixing model）是像元分解的常用方法。這種方法在干旱半干旱地區(qū)和城市及周邊等地區(qū)的研究工作中得到成功應(yīng)用[5-8]，但在陰影區(qū)植被與非陰影區(qū)植被的區(qū)分以及端元光譜的選取方面，仍需進一步深入研究和探索。植被指數(shù)轉(zhuǎn)換法中以像元二分模型使用最為廣泛，該方法在大尺度、植被覆蓋度高的區(qū)域有較好表現(xiàn)[9-10]。李苗苗等[11]根據(jù)植被指數(shù)估算植被覆蓋度的原理，建立了利用歸一化植被指數(shù)INDV定量估算植被覆蓋度的模型，對密云水庫上游植被覆蓋度進行了遙感估算和實地驗證。莫宏偉等[2]使用像元二分模型，生成了陜北榆陽區(qū)1978-2005年植被覆蓋度變化圖譜，分析了該區(qū)近30 a來植被覆蓋度的時空變化特征。蘇偉等[1]基于1975-2000年4期遙感影像，使用像元二分模型構(gòu)建植被覆蓋度指數(shù)，考察了遼寧省阜新市海州露天煤礦排土場25 a來植被生長狀況及時空變化特征。浙江省慶元縣是中國香菇Lentinus edodes的著名產(chǎn)地之一。20世紀90年代初期，由于香菇生產(chǎn)大量消耗森林資源，生態(tài)環(huán)境日益惡化。該縣從20世紀90年代中期開始，對香菇生產(chǎn)基質(zhì)進行調(diào)整，加大了森林植被恢復(fù)和保護的力度。筆者利用多時相陸地資源衛(wèi)星Landsat影像資料，使用像元二分模型提取植被覆蓋度，對慶元縣1994-2007年間的植被覆蓋情況及其動態(tài)變化進行研究，對植被覆蓋度的空間格局進行定量分析，旨在探索該模型在亞熱帶地區(qū)的應(yīng)用，從而為植被恢復(fù)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)監(jiān)測提供借鑒，亦為慶元縣的森林植被恢復(fù)和保護工作提供相關(guān)依據(jù)。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

1.1 區(qū)域概況

浙江省慶元縣地處東南沿海的閩浙丘陵區(qū)閩浙山地（27°25′～ 27°51′N，118°50′～ 119°30′E），氣候四季分明，季風(fēng)影響顯著，潮濕多雨，年平均氣溫為17.4℃。全縣土地總面積為1898.00 km2，其中林業(yè)用地1622.79 km2，占85.5%；農(nóng)業(yè)耕地106.29 km2，占5.6%；河流22.78 km2，占1.2%；房屋、道路及其他用地146.15 km2，占7.7%。土壤類型分布規(guī)律一般是海拔800 m以上山地為黃壤；800 m以下山地為紅壤，局部有黃紅壤；中、西部低山臺地的山壟、山坡及洪積地等開闊平緩地區(qū)多為水稻土。原生植被為亞熱帶常綠闊葉林，經(jīng)多次破壞及近幾十年的天然更新和人工更新后，現(xiàn)在的植被為人工植被和天然次生植被的混合體，主要類型有常綠闊葉林、針闊混交林、松林、竹林及人工栽植的杉木Cunninghamia lanceolata林等。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

研究選取了1994年9月12日Landsat/TM （thematic mapper），1999年9月23日Landsat/ETM（enhanced thematic mapper）和2007年9月13日Landsat/ETM共3期影像作為數(shù)據(jù)源。使用ENVI（the environment for visualizing images）4.7圖像處理軟件，利用慶元縣1∶1萬地形圖對3期遙感圖像進行幾何糾正，分別選取50個控制點，糾正后的誤差控制在0.5個像元以內(nèi)。為了準確提取植被信息，使用FLAASH模塊對3期遙感數(shù)據(jù)分別進行了大氣輻射校正。將經(jīng)過校正的圖像與研究區(qū)行政邊界圖疊加，裁剪出研究區(qū)的圖像，最終計算生成植被歸一化指數(shù)（INDV）圖像。INDV的計算公式為：INDV=（ρNIR-ρR）/（ρNIR+ρR）。其中，ρNIR，ρR分別為第4波段近紅外波段和第3波段可見光波段的地表反射率。

利用最大似然法將研究區(qū)域內(nèi)的土地覆蓋類型劃分為草地、農(nóng)田、林地、城鎮(zhèn)用地、水體和裸地共6大類。參考同期的地面資料，對分類結(jié)果進行精度檢驗，Kappa指數(shù)為0.8，由此獲得研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)。土壤數(shù)據(jù)來自全國第二次土壤普查中土類的信息。

2 基本原理和研究方法

2.1 植被覆蓋度遙感估算模型

像元二分模型是一種簡單實用的遙感估算模型，它假設(shè)一個像元的地表由有植被覆蓋部分與無植被覆蓋部分組成，而遙感傳感器觀測到的光譜信息也由這2個組分因子線性加權(quán)合成，各因子的權(quán)重是各自的面積在像元中所占的比率，其中植被覆蓋度可以看作是植被的權(quán)重。

歸一化植被指數(shù)（INDV）是一種由遙感傳感器接收的地物光譜信息推算而得的反映地表植被狀況的定量值，是植物生長狀態(tài)以及植物生長空間分布密度的最佳指示因子，與植物分布密度呈線形相關(guān)。根據(jù)像元二分模型，1個像元的INDV值也可表示為由有植被覆蓋部分地表與無植被覆蓋部分地表組成的形式。因此，計算植被覆蓋度（Fc）的公式可為：Fc=（INDV-INDVsoil）/（ INDVveg-INDVsoil）。其中，INDVsoil為完全是裸土或無植被覆蓋區(qū)域INDV值，INDVveg則代表完全植被所覆蓋的像元的INDV值，即純植被像元的INDV值。INDVsoil對于大多數(shù)類型的裸地表面，理論上應(yīng)該接近0，但由于受眾多因素的影響，INDVsoil的變化范圍一般在-0.1～0.2。INDVveg代表全植被覆蓋像元的最大值，由于植被類型的影響，INDVveg值也會隨著時間和空間而改變。因此，應(yīng)該把土地利用圖和土壤圖作為計算INDVveg和INDVsoil值的基礎(chǔ)。

2.2 植被覆蓋度計算及分類

分別提取每一土地利用和土類單元內(nèi)的INDV，針對每個單元計算INDV值的頻率累積值，根據(jù)頻率累積表，土類單元內(nèi)取頻率為5%的INDV值為INDVsoil，土地利用單元內(nèi)取頻率為95%的INDV值為INDVveg，之后使用土地利用數(shù)據(jù)和土壤類型數(shù)據(jù)疊加生成的土地利用-土壤圖對INDV圖進行分割，分別代入相應(yīng)的INDVsoil和INDVveg值計算植被覆蓋度。為了便于比較分析研究區(qū)內(nèi)植被生長空間分布情況，按照統(tǒng)計特征值將全區(qū)分為4個植被覆蓋類型：植被覆蓋面積大于75%為高覆蓋區(qū)，50%～75%為中高覆蓋區(qū)，25%～50%為中低覆蓋區(qū)，小于25%為低覆蓋區(qū)（圖1）。

圖1 慶元縣1994年、1999年和2007年植被覆蓋度空間分布Figure1 Spatial distribution of vegetation fraction of Qingyuan County in 1994，1999 and 2007

2.3 植被覆蓋度變化分析

①使用地理信息系統(tǒng)軟件ARCGIS 9.2對不同時期遙感圖像的植被覆蓋度分級結(jié)果進行轉(zhuǎn)移矩陣運算，得出1994-1999年和1999-2007年間慶元縣不同植被覆蓋度等級之間的轉(zhuǎn)移量和轉(zhuǎn)移率。②利用ARCGIS 9.2分區(qū)統(tǒng)計功能，計算各坡度級在各年度的平均植被覆蓋度。③將研究區(qū)植被覆蓋等級數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成GRID格式，利用景觀格局分析系統(tǒng)軟件FRAGTATS 3.3計算各年度不同植被覆蓋區(qū)的相關(guān)景觀指數(shù)。④為了更好地描述研究區(qū)植被生長變化的時空變異情況，利用公式計算植被覆蓋度變化情況，用D來表示較晚年份植被覆蓋度Ft與較早年份植被覆蓋度Ft-1的差值[12]，即：D=Ft－Ft-1。

基于上式的植被覆蓋度變化計算結(jié)果使用下式進行標準化分級，共分為負向變化（C＜-1）、正向變化（C＞1）和無顯著變化（-1≤C≤1）3 種情況[13]（圖 2）：。其中，Di為植被覆蓋度變化 i象元值，為植被覆蓋度變化平均值，DS為標準差。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度構(gòu)成與變化

從表1看出，1994年以中高覆蓋區(qū)和高覆蓋區(qū)為主，分別占總面積的38.01%和53.32%，中低覆蓋區(qū)域占總面積的8.18%；1999年和2007年則以高覆蓋區(qū)為主，分別占各自總面積的82.09%和90.77%；13 a間，高覆蓋區(qū)的面積有明顯提高，由1994年的1039.87 km2增加到2007年的1769.68 km2，增加了729.81 km2，其中以1994年到1999年增長最為顯著，高覆蓋區(qū)由原先的53.32%提高到82.09%，增加了561.84 km2；另外，13 a間，中高覆蓋區(qū)的面積有明顯降低，由1994年的741.39 km2減少到2007年的150.09 km2，減少了591.3 km2，其中1994年到1999年減少了421.16 km2。同時也可以看到，低覆蓋區(qū)雖然面積不大，但1994年到1999年有明顯減少，1999年到2007年有明顯增加。

表1 慶元縣不同時期、不同植被覆蓋度等級統(tǒng)計Table1 Statistical classification result of different vegetation coverage of Qingyuan County in 1994，1999 and 2007

3.2 不同植被覆蓋度等級變化的轉(zhuǎn)移趨勢

從表2和表3看出，1994-1999年間有4.19 km2的低覆蓋區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)橹械透采w區(qū)，轉(zhuǎn)移率為43.51%；有107.98 km2的中低覆蓋區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)橹懈吒采w區(qū)，轉(zhuǎn)移率為67.72%；有560.55 km2的中高覆蓋區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)楦吒采w區(qū)，轉(zhuǎn)移率為75.61%。1999-2007年間，有1.05 km2的低覆蓋區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)橹械透采w區(qū)，轉(zhuǎn)移率為37.50%；有9.85 km2的中低覆蓋區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)橹懈吒采w區(qū)，轉(zhuǎn)移率為38.33%；有212.68 km2的中高覆蓋區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)楦吒采w區(qū)，轉(zhuǎn)移率為66.46%。

表2 1994-1999年慶元縣植被覆蓋度等級轉(zhuǎn)移矩陣Table2 Transfer matrix of vegetation coverage of Qingyuan County in 1994-1999

表3 1999-2007年慶元縣植被覆蓋度等級轉(zhuǎn)移矩陣Table3 Transfer matrix of vegetation coverage of Qingyuan County in 1999-2007

綜合來看，慶元縣的植被覆蓋度水平13 a來保持了良好的增長勢頭，植被恢復(fù)明顯，植被覆蓋度等級以75%～100%的高覆蓋區(qū)為主體，而13 a來植被覆蓋度等級間的轉(zhuǎn)移方向也以中高覆蓋區(qū)向高覆蓋區(qū)的轉(zhuǎn)變?yōu)橹?，其中?994-1999年這段時期的變化最為顯著，1999-2007年間植被生長狀況逐漸步入穩(wěn)定階段。

3.3 植被覆蓋度坡度分布差異分析

將慶元縣地形坡度分為5級，其中0°～5°區(qū)域占全縣面積的5.08%，5°～15°區(qū)域占28.04%，15°～25°區(qū)域占36.02%，25°～35°區(qū)域占24.66%，35°以上區(qū)域占6.21%。對植被覆蓋度按坡度進行統(tǒng)計，結(jié)果如表 4所示。1994-2007年間慶元縣 0°～ 5°，5°～ 15°，15°～ 25°，25°～ 35°以及 35°以上區(qū)域的植被覆蓋度分別增加了15.79%，15.37%，12.55%，10.73%和10.10%。其中，1994-1999年間0°～5°和5°～15°坡度平緩區(qū)域的植被覆蓋度增長量相對較大，分別為11.66%和10.34%；1999-2007年間各坡度等級的植被覆蓋度增長量較為平均在5%左右，25°～35°和35°以上區(qū)域的增長量相對較大，分別為5.80%和6.65%。

表4 不同時期慶元縣植被覆蓋度及其變化分坡度級統(tǒng)計Table4 Statistical information of vegetation coverage in different slops of Qingyuan County in 1994，1999 and 2007

由此得知，13 a間，慶元縣各坡度等級的植被覆蓋度均有較大的增長幅度，其總體空間分布特征表現(xiàn)為植被覆蓋度隨地形坡度的加大而增加，就變化程度來說則是地形平緩的區(qū)域相對明顯。坡度較大的區(qū)域是水土流失的重點治理區(qū)，自然是植被撫育和恢復(fù)的重點區(qū)段，而坡度較小的區(qū)域作為經(jīng)濟建設(shè)和居民生活的主要地段，其植被覆蓋度的明顯增加體現(xiàn)了地方政府的生態(tài)發(fā)展意識。

3.4 植被覆蓋度空間變化分析

由圖2和表5可知，1994-1999年間，植被覆蓋度發(fā)生顯著性正向變化有251.77 km2，占總面積的12.91%，主要分布于東部的龍溪、舉水、嶺頭、荷地等坡度相對平緩的鄉(xiāng)鎮(zhèn)；植被覆蓋度發(fā)生顯著性負向變化有158.95 km2，占總面積的8.15%，主要分布于陳龍溪、后廣、白水際、楊朗坑、石記岱等坡度在25°以上的村鎮(zhèn)，分布比較零散。1999-2007年間植被覆蓋度發(fā)生顯著性正向變化有116.44 km2，占總面積的5.97%，主要分布于白水際、仙山、淤上等地；植被覆蓋度發(fā)生顯著性負向變化有121.35 km2，占總面積的6.22%，主要分布在松源、潘同塢、仙莊等坡度較為平緩的鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

圖2 慶元縣2個時期植被覆蓋度變化空間分布圖Figure2 Temporal variation of vegetation coverage in Qingyuan County in 2 phases

慶元縣地處山區(qū)，作為浙江省的重要林區(qū)，幾十年來所經(jīng)歷的是從林業(yè)經(jīng)濟到香菇經(jīng)濟再到竹木制品經(jīng)濟、旅游經(jīng)濟的發(fā)展轉(zhuǎn)變。東部地區(qū)包括龍溪、舉水、嶺頭、荷地等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，是該縣經(jīng)濟欠發(fā)達區(qū)，人口占全縣的60%，以香菇經(jīng)濟為主，20世紀90年代初期由于森林過度砍伐、毀林毀草開墾，生態(tài)環(huán)境問題非常嚴峻。從20世紀90年代中期開始，慶元縣對香菇生產(chǎn)基質(zhì)進行調(diào)整，加大了森林植被恢復(fù)和保護的力度，所以至1999年，該縣東部地區(qū)的植被恢復(fù)最為明顯。1998年編制的《慶元縣生態(tài)環(huán)境建設(shè)規(guī)劃》將百山祖、合湖2個鄉(xiāng)鎮(zhèn)與百山祖國家級自然保護區(qū)作為保護生物多樣性，發(fā)展生態(tài)旅游的重點區(qū)域，至2007年白水際等地的植被恢復(fù)較好。慶元縣西部地區(qū)包括黃田鎮(zhèn)、松源鎮(zhèn)等地，地勢較低，經(jīng)濟基礎(chǔ)相對較好，是重要的糧食產(chǎn)區(qū)和工業(yè)發(fā)展區(qū)，隨著近年來地方經(jīng)濟的高速發(fā)展其植被覆蓋度有所降低。

表5 慶元縣2個時期植被覆蓋度變化分級統(tǒng)計Table5 Statistical information of vegetation coverage change classification in Qingyuan County in 2 phases

3.5 植被覆蓋度景觀結(jié)構(gòu)變化分析

為了進一步定量分析1994－2007年間慶元縣植被覆蓋狀況的細節(jié)變化，研究借鑒景觀生態(tài)學(xué)知識，選取了景觀破碎度、最大斑塊指數(shù)、平均斑塊面積、斑塊面積變異系數(shù)、聚合度和香農(nóng)（Shannon）多樣性等6個指數(shù)從空間格局角度對植被覆蓋度的動態(tài)變化進行分析[14]。

13 a間，4類植被覆蓋區(qū)的景觀格局指數(shù)都有不同程度的改善，尤以面積最大的高覆蓋區(qū)的各項指數(shù)變化最為顯著。1994－2007年間高覆蓋區(qū)的破碎度指數(shù)降低了5.02，最大斑塊指數(shù)提高了63.05，平均斑塊面積由9.66 hm2增長到182.82 hm2增加了18倍，且變異系數(shù)減少了12.60，聚合度指數(shù)提高了10.75，說明13 a來高覆蓋區(qū)在總體面積大幅提高的同時，內(nèi)部斑塊面積趨于大型化，結(jié)構(gòu)趨于均一化和穩(wěn)定化（表6）。另外，中高覆蓋區(qū)作為面積比例占第1位的區(qū)域，各項指數(shù)也都有比較明顯的變化，以1994－1999年間的變化較為顯著。13 a間，中高覆蓋區(qū)的景觀破碎度雖有明顯降低，但一直是4類植被覆蓋區(qū)中最高的，從最大斑塊指數(shù)和平均斑塊面積來看，分別降低了10.50和2.70 hm2，是4類植被覆蓋區(qū)中減少量最大的。結(jié)合前文結(jié)論 “13 a來植被覆蓋度類型間的轉(zhuǎn)移方向以中高覆蓋區(qū)向高覆蓋區(qū)的轉(zhuǎn)變?yōu)橹鳌保芍懈吒采w區(qū)是植被恢復(fù)的過渡性區(qū)域，期間大量優(yōu)質(zhì)斑塊已逐漸變?yōu)楦吒采w區(qū)，剩余部分斑塊相對較小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多是地質(zhì)條件較差或人為活動干擾較頻繁的區(qū)域。13 a間，低、中低覆蓋區(qū)的各項指數(shù)變化相對不大，這與其所占面積比例微小有關(guān)，值得關(guān)注的是這兩類區(qū)域相比前期的正向變化趨勢在1999-2007年間出現(xiàn)了輕微的退化現(xiàn)象，原因自然是人為活動的干擾所致。慶元縣作為一個山地縣，是典型的 “九山半水半分田”地區(qū)，其經(jīng)濟發(fā)展和人居生活多受地勢坡度的限制，而低、中低覆蓋區(qū)的主要分布范圍正是低山平緩的建成區(qū)。據(jù)統(tǒng)計年鑒，1994年該縣的國內(nèi)生產(chǎn)總值為7.74億元，1999年為10.78億元，2007年為20.24億元，由此可知1999-2007年間的經(jīng)濟增長量是比較大的，建成區(qū)作為經(jīng)濟活動的承載體，其生態(tài)環(huán)境壓力也是巨大的，因此，相對來說，低、中低覆蓋區(qū)植被情況的輕微退化現(xiàn)象還是可以接受的。

表6 慶元縣不同時期、不同植被覆蓋度等級景觀指數(shù)計算結(jié)果Table6 Statistical information of landscape pattern index of vegetation coverage of Qingyuan County in 1994，1999 and 2007

4 結(jié)論

本研究對現(xiàn)行植被覆蓋度提取方法的優(yōu)缺點進行了總結(jié)，并基于多時相Landsat TM和ETM影像數(shù)據(jù)，使用像元二分模型提取植被覆蓋度，對慶元縣1994-2007年間的植被覆蓋情況及其動態(tài)變化進行了研究分析。結(jié)果表明：①慶元縣的植被覆蓋度水平13 a來保持了良好的增長勢頭，植被覆蓋度等級以75%～100%的高覆蓋區(qū)為主體，至2007年高植被覆蓋度區(qū)域占總體面積的90.77%，其植被覆蓋度等級間的轉(zhuǎn)移方向也以中高覆蓋區(qū)向高覆蓋區(qū)的轉(zhuǎn)變?yōu)橹?，其中?994-1999年這段時期的變化最為顯著。②13 a間慶元縣各坡度等級的植被覆蓋度均有較大的增長幅度，其總體空間分布特征表現(xiàn)為植被覆蓋度隨地形坡度的加大而增加，地形平緩區(qū)域的變化相對明顯增長幅度達15%以上。③對植被覆蓋度時空變化進行分級統(tǒng)計，結(jié)果顯示，1994-1999年間龍溪、舉水、嶺頭、荷地等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的植被恢復(fù)情況較為明顯，1999-2007年間白水際、仙山等地的植被恢復(fù)情況較好，這與慶元縣各時期的生態(tài)建設(shè)政策相吻合。④13 a間4類植被覆蓋區(qū)的景觀破碎度都有不同程度的降低，高植被覆蓋區(qū)在總體面積大幅提高的同時，內(nèi)部斑塊面積也趨于大型化，結(jié)構(gòu)趨于均一化和穩(wěn)定化。低、中低覆蓋區(qū)的各項指數(shù)在1999-2007年間出現(xiàn)了輕微的退化現(xiàn)象。

本研究使用的遙感影像來自不同的傳感器，在植被指數(shù)提取上會存在一定誤差，但并不影響植被覆蓋度變化的總體趨勢，這一點從慶元縣政府出臺的相關(guān)生態(tài)建設(shè)政策及林業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)上基本得到驗證。本研究的不足之處在于因條件限制，沒有選擇實測樣地對植被覆蓋度的估算值進行精度驗證，根據(jù)唐志光等[15]在三江源自然保護區(qū)的研究結(jié)果，使用植被歸一化指數(shù)INDV估算的植被覆蓋度與實測值的相關(guān)系數(shù)能夠達到0.89，平均精度達到78.53%。另外，針對INDV在高植被覆蓋度區(qū)域易飽和的缺點，在今后的研究中可以嘗試探索基于增強型植被指數(shù)IEV，重歸一化植被指數(shù)IRDV等指數(shù)的像元二分模型的應(yīng)用。

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