陳愛京，傅瑋東，肖繼東，張 旭，王 蕾，沙依然

（新疆維吾爾自治區(qū)氣候中心，新疆 烏魯木齊830002）

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，具有明顯的年際變化和季節(jié)變化的特點(diǎn)，并與一定的氣候、地貌、土壤條件相適應(yīng)，對(duì)全球能量平衡、生物化學(xué)循環(huán)以及水循環(huán)起著調(diào)控作用。植被變化主要是地球內(nèi)部（土壤母質(zhì)、土壤類型等）及外部（氣溫、降水等）綜合作用的結(jié)果，所以在全球變化研究中充當(dāng)著“指示器”［1－2］。傳統(tǒng)意義上植被覆蓋度指植被（包括葉、莖、枝）在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)面積的百分比［3－5］。伴隨著多角度傳感器的出現(xiàn)，植被覆蓋度又被定義為觀測(cè)方向上的植被覆蓋度面積，本研究中的植被覆蓋度指第二種含義。植被覆蓋度作為衡量植被狀況的重要指標(biāo)，對(duì)生態(tài)環(huán)境變化起到指示作用，因此植被的好壞是判斷生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境的重要依據(jù)。

植被覆蓋度測(cè)量的傳統(tǒng)方法是地面測(cè)量，最常用的方法有目估法、樣方法、樣帶法、樣點(diǎn)法等，以及借助于采樣儀器的測(cè)量方法，如空間定量計(jì)、移動(dòng)光量計(jì)等［6］。傳統(tǒng)的方法是一項(xiàng)人力、財(cái)力花費(fèi)巨大的工作，而遙感技術(shù)具有感測(cè)范圍廣、信息量大、獲取信息快、更新周期短等特點(diǎn)［7］。因此，遙感技術(shù)為監(jiān)測(cè)大面積區(qū)域植被覆蓋度，甚至全球的植被覆蓋度提供了可能［8］。近年來(lái)利用遙感資料估算大面積的植被覆蓋率已成為當(dāng)前建立全球及區(qū)域氣候、生態(tài)模型的基礎(chǔ)工作之一［9］。目前采用遙感技術(shù)測(cè)量植被覆蓋度的方法主要有回歸模型法、植被指數(shù)法與像元分解模型法。其中象元分解模型應(yīng)用最廣泛，對(duì)于植被覆被變化動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)效果最好［10］。

由于遙感技術(shù)具有宏觀、快速、周期性、多尺度、多層次、多譜段、多時(shí)相等優(yōu)點(diǎn)，遙感技術(shù)已成為大范圍植被覆蓋度估測(cè)的主要手段。使用中分辨數(shù)據(jù)（TM、ETM、MODIS）估測(cè)植被覆蓋度的研究較多［11］。MODIS是EOS系列衛(wèi)星的主要探測(cè)儀器，共有36個(gè)光譜通道，分布在0．4～14．0μm波譜范圍內(nèi)，空間分辨率分別為250、500和1 000m，掃描寬度為2 330km。在對(duì)地觀測(cè)過(guò)程中，每秒可同時(shí)獲得6．1Mb的來(lái)自大氣、海洋和陸地表面信息，每日或每?jī)扇湛色@取一次全球觀測(cè)數(shù)據(jù)。MODIS具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式（HDF）高效、信息豐富、數(shù)據(jù)獲取快和覆蓋范圍廣等特點(diǎn)［12］。分辨率為250m的第1波段（0．62～0．67μm）、第2波段（0．841～0．876 μm）對(duì)植被比較敏感［13］。因此，可以利用其數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率和光譜分辨率高的特點(diǎn)，準(zhǔn)確、快速地監(jiān)測(cè)植被的動(dòng)態(tài)變化。

本研究利用歸一化植被指數(shù)NDVI（Normal－ized Difference Vegetation Index）和像元二分模型，結(jié)合土地利用圖，建立植被覆蓋度的估算模型。運(yùn)用該方法對(duì)和布克賽爾縣的植被覆蓋度進(jìn)行計(jì)算，并分析其動(dòng)態(tài)變化特征及變化規(guī)律，這對(duì)于了解和掌握該區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

和布克賽爾蒙古自治縣位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地西北部，總面積3．06萬(wàn)km2，北與阿勒泰地區(qū)接壤，南與昌吉州相鄰，西南與克拉瑪依交界，西北與哈薩克斯坦共和國(guó)相望，隸屬塔城地區(qū)，距首府烏魯木齊495km。地理坐標(biāo)為84°37′～87°20′E，45°20′～47°12′N。和布克賽爾蒙古自治縣轄2個(gè)鎮(zhèn)（和布克賽爾鎮(zhèn)、和什托洛蓋鎮(zhèn)）、5個(gè)鄉(xiāng)（夏孜蓋鄉(xiāng)、莫特格鄉(xiāng)、巴音傲瓦鄉(xiāng)、查干庫(kù)勒鄉(xiāng)、鐵布肯烏散鄉(xiāng)）、4個(gè)牧場(chǎng)（那仁和布克牧場(chǎng)、巴嘎烏圖布拉格牧場(chǎng)、布斯屯格牧場(chǎng)、伊克烏圖布拉格牧場(chǎng)）。境內(nèi)有兵團(tuán)農(nóng)十師一八四團(tuán)、兵團(tuán)農(nóng)十師煤礦、兵團(tuán)農(nóng)七師一三七團(tuán)煤礦、一三七兵團(tuán)牧業(yè)營(yíng)。地勢(shì)北高南低，北部為低山、丘陵，南部為古爾班通古特沙漠，中部為山前沖積平原。全縣東西最長(zhǎng)210km，南北最寬207 km，屬北溫帶大陸性干旱氣候，年均氣溫3．0℃，年均降水量142mm，自然條件惡劣，具有冬長(zhǎng)夏短，春秋多大風(fēng)的特點(diǎn)，無(wú)霜期只有86～135d，每年8級(jí)以上大風(fēng)78d以上。

2 研究方法

2．1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理 本研究所用MODIS影像數(shù)據(jù)是由新疆維吾爾自治區(qū)氣象局接收的時(shí)間序列為2003－2010年8月、空間分辨率為250m×250 m的EOS／MODIS數(shù)據(jù)。為了更準(zhǔn)確地計(jì)算植被覆蓋度，所有數(shù)據(jù)都經(jīng)過(guò)預(yù)處理、輻射校正、大氣校正和幾何校正。

2．2 植被覆蓋度遙感估算模型

2．2．1 像元二分模型 像元二分模型［14－15］是假設(shè)一個(gè)像元的地表由有植被覆蓋部分地表與無(wú)植被覆蓋部分地表組成，而遙感傳感器觀測(cè)到的光譜信息也由這兩個(gè)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，如其中植被覆蓋度可以看作是植被的權(quán)重。

根據(jù)像元二分模型的原理，通過(guò)遙感傳感器所觀測(cè)到的信息（S）可以表達(dá)為由綠色植被部分所貢獻(xiàn)的信息（Sv）和由無(wú)植被覆蓋（裸土）部分所貢獻(xiàn)的信息（Ss）兩部分，即：

設(shè)一個(gè)像元中有植被覆蓋的面積比例為fc，即該像元的植被覆蓋度，則裸土覆蓋的面積比例為1－fc。如果全由植被所覆蓋的純像元所得的遙感信息為Sveg，則混合像元的植被部分所貢獻(xiàn)的信息Sv可以表示為Sveg與fc的乘積：

同理，如果全由裸土所覆蓋的純像元所得的遙感信息為Ssoil，混合像元的土壤成分所貢獻(xiàn)的信息Ss可以表示為Ssoil與1－fc的乘積：

將公式（2）與（3）代人公式（1），可得：

對(duì)公式（4）進(jìn)行變換，可得以下計(jì)算植被覆蓋度（Fc）的公式：

式中，Ssoil與Sveg是像元二分模型的兩個(gè)參數(shù)。因此，只要知道這兩個(gè)參數(shù)就可以根據(jù)公式（5）利用遙感信息來(lái)估算植被覆蓋度。本模型表達(dá)了遙感信息與植被覆蓋度的關(guān)系，其參數(shù)Ssoil與Sveg則具有實(shí)際含義，即土壤與植被的純像元所反映的遙感信息，這樣就削弱了大氣、土壤背景與植被類型等的影響，將大氣、土壤背景與植被類型等對(duì)遙感信息的影響降至最低，只留下植被覆蓋度的信息。

2．2．2 利用NDVI估算植被覆蓋度 歸一化植被指數(shù)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(zhǎng)狀態(tài)以及植物生長(zhǎng)空間分布密度的最佳指示因子，與植物分布密度呈線性相關(guān)。將歸一化植被指數(shù)作為反映像元信息的指標(biāo)帶入公式（5）得：

由此導(dǎo)出植被覆蓋度的計(jì)算公式：

式中，NDVIsoil為裸土或無(wú)植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，而NDVIveg則代表完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值。對(duì)于大多數(shù)類型的裸地表面，NDVI理論上應(yīng)該接近0，并且是不易變化的，但由于受眾多因素影響，NDVIsoil會(huì)隨著空間而變化，其變化范圍一般在－0．1～0．2［16］。NDVIveg代表著全植被覆蓋像元的最大值，由于NDVIveg值會(huì)隨著植被類型和植被的時(shí)空分布而變化，計(jì)算植被覆蓋度時(shí)，即使是對(duì)同一景影像，NDVIsoil和NDVIveg也不能取固定值。因此，本研究利用土地利用圖和土壤圖作為計(jì)算NDVIsoil和NDVIveg值的基礎(chǔ)。取NDVI最大值和最小值分別為NDVIsoil和NDVIveg［17］，即為：

NDVIsoil＝NDVImin；

NDVIveg＝NDVImax。

本研究利用MODIS數(shù)據(jù)，在C＋＋環(huán)境下計(jì)算出NDVI數(shù)據(jù)，應(yīng)用像元二分法，估算植被覆蓋度，計(jì)算2003－2010年8月和布克賽爾縣的植被覆蓋度，對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，揭示植被變化規(guī)律。

3 和布克賽爾縣植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化

3．1 和布克賽爾縣植被覆蓋度總體變化分析

和布克賽爾縣2003－2010年8月植被覆蓋度整體較高，為70%～90%，反映了良好的植被狀況（圖1、圖2）。從2003和2010年的植被覆蓋度圖看，8年間整體略有增加的趨勢(shì)，但不同年份之間植被覆蓋度有上升和下降，反映了植被覆蓋度在時(shí)間序列曲線上會(huì)發(fā)生變化。8年間植被覆蓋度總體變化不大，其中2005年植被覆蓋度最高，達(dá)到91．18%，為2003年以來(lái)最高；其次是2010年，植被覆蓋度為85．78%；其他年份在72．91%～79．50%。從植被覆蓋度圖可以看出，中、高植被區(qū)多集中在和布克賽爾縣北部區(qū)域，其中2005年和2007年中、高植被覆蓋度較大。

圖1 2003－2010年8月和布克賽爾縣植被覆蓋度圖Fig．1 Vegetation coverage at Hoboksar in August from 2003to 2010

3．2 和布克賽爾縣不同年份間植被覆蓋度變化分析 2003－2010年植被覆蓋度總體略有增加，其中2004－2005年，植被覆蓋度增加了22．38%，大部分地區(qū)植被長(zhǎng)勢(shì)增強(qiáng)，2003－2010年和2009－2010年植被面積增加了1 748．86和3 160．46km2，植被覆蓋度增加了7．90%和15．24%，植被長(zhǎng)勢(shì)變化不大，部分地區(qū)略有增加，2003－2004年、2007－2008年和2005－2006年植被面積略有減少，植被覆蓋度減少6．28%～15．50%，北部地區(qū)植被長(zhǎng)勢(shì)有所降低；2006－2007年和2008－2009年的植被覆蓋度基本持平，但2006－2007年北部地區(qū)的植被長(zhǎng)勢(shì)有所增加，2008－2009年變化不大（圖3、表1）。

圖2 2003－2010年8月和布克賽爾縣植被覆蓋度、降水量與溫度變化曲線Fig．2 Variation of vegetation coverage，precipitation and air temperature at Hoboksar in August from 2003to 2010

4 植被覆蓋度變化成因分析

4．1 植被覆蓋度與氣象因素之間的關(guān)系 引起植被覆蓋度發(fā)生變化的氣候因素一般包括溫度、降水等。植被生長(zhǎng)對(duì)降水量的響應(yīng)具有一定的滯后效應(yīng)，且不同時(shí)段的降水對(duì)不同生長(zhǎng)階段的植被影響程度也存在一定的差異。為了更精確分析和布克賽爾縣氣溫、降水對(duì)植被覆蓋度變化的影響，本研究采用MODIS數(shù)據(jù)，對(duì)2003－2010年中植被覆蓋最大的8月進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)，得到2003－2010年8月的植被覆蓋度，然后對(duì)2003－2010年4－7月的平均降水量和平均氣溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（圖2）。結(jié)果表明，和布克賽爾縣的植被覆蓋度與降水量具有正相關(guān)性，從兩者的變化趨勢(shì)可以看出，植被覆蓋度變化與降水量的總體趨勢(shì)較為相近，除2007年有較大的波動(dòng)外，其余年份二者的增減是一致的，但增減的幅度是有差異的，2007年的降水較2006年有大幅度的增加，但植被覆蓋度變化卻不大。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，植被覆蓋度與降水量的相關(guān)系數(shù)為0．256，植被覆蓋度和氣溫的變化趨勢(shì)是沒有規(guī)律、不具有一致性的。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得出，植被覆蓋度和氣溫的相關(guān)系數(shù)很小，說(shuō)明植被覆蓋度的變化受氣溫的影響很小。

4．2 人類活動(dòng)對(duì)植被覆蓋度的影響 引起植被覆蓋度變化的主要因素包括氣候和人類活動(dòng)。從植被覆蓋度與氣候因素（降水、氣溫等氣候條件的變化）的關(guān)系中可以看出，氣候因素對(duì)植被覆蓋度的變化會(huì)產(chǎn)生一定的影響，但不是很大，所以人類活動(dòng)對(duì)植被覆蓋度變化的影響占據(jù)著主導(dǎo)地位。前些年隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和對(duì)資源開發(fā)的不斷加深，人為亂挖藥草等對(duì)物種、植被的破壞，使和布可賽爾縣土地鹽漬化、沙漠化不斷擴(kuò)大。草地畜牧業(yè)長(zhǎng)期沿襲逐水草而居的傳統(tǒng)游牧方式，對(duì)草地資源缺乏有效的保護(hù)和科學(xué)的管理，片面追求牲畜存欄頭數(shù)，超載過(guò)牧和毀草開墾，導(dǎo)致草地生態(tài)環(huán)境惡化。以上方式不同程度地破壞了和布克賽爾縣的生態(tài)環(huán)境，所以2003年到2008年相鄰兩年植被覆蓋變化不大，生態(tài)沒有多少改善。但從2009年開始，和布克賽爾縣政府開始大力加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)，并制定了一系列的政策和法規(guī)來(lái)保護(hù)生態(tài)環(huán)境，2009年到2010年植被覆蓋度增加了15．24%（表1），這說(shuō)明在政府的干預(yù)下，和布克賽爾縣的生態(tài)環(huán)境得到了明顯的改善，這也是各界所期望的結(jié)果。

圖3 和布克賽爾縣植被覆蓋度差值圖Fig．3 Differential chart of vegetation coverage at Hoboksar from 2003to 2010

表1 和布克賽爾縣不同年份植被覆蓋變化Table 1 Changes of vegetation coverage at Hoboksar in different years

5 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)2003－2010年8月的MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，得到和布克賽爾縣的植被覆蓋度、植被覆蓋分布圖和不同年份植被指數(shù)差值圖。利用以上圖像對(duì)和布克賽爾縣近8年來(lái)的植被覆蓋度進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析。結(jié)果顯示，從空間上來(lái)看，和布克賽爾縣植被覆蓋度由北向南逐漸降低的趨勢(shì)，從時(shí)間上來(lái)講，2003至2010年植被覆蓋度整體略有增加，8年來(lái)植被面積增加了1 748．86km2，植被覆蓋度增加了7．9%。但不同年份之間呈現(xiàn)不同程度的波動(dòng)。

通過(guò)植被覆蓋變化成因分析，得出氣象因素中降水對(duì)植被覆蓋度的變化起到一定的作用，而受氣溫的影響卻很小，因此人類活動(dòng)是引起和布克賽爾縣植被覆蓋度變化的主導(dǎo)因子。

應(yīng)用像元二分法估算植被覆蓋度，方法簡(jiǎn)單易行，此方法可以快速、有效地分析不同時(shí)期植被覆蓋變化情況，使決策者了解植被的分布情況，可為區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)，合理開發(fā)利用資源提供有效的技術(shù)支持。近8年和布克賽爾縣植被總體呈現(xiàn)較穩(wěn)定和改善的狀態(tài)，對(duì)于揭示地表空間變化規(guī)律，為地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供決策，促進(jìn)區(qū)域生態(tài)建設(shè)與環(huán)境保護(hù)事業(yè)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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