王愛蕓，陸 馳(．云南大學資源環(huán)境與地球科學學院，云南昆明 65009;．西南林業(yè)大學林學院，云南昆明 6504)

植被是地球生態(tài)系統(tǒng)不可或缺的組成部分，植被覆蓋度是定量描述地表植被覆蓋情況的重要參數(shù)，是指示植被生長狀況的指示器。目前估算植被覆蓋度的方法也比較多，其中又以通過植被指數(shù)反演植被覆蓋度的應(yīng)用較為廣泛。

植物葉片在可見光的紅光波段具有一個強烈的吸收谷，在近紅外波段具有一個較高的反射峰，利用植被在不同波段反差較大的光譜特征，有效地綜合各有關(guān)光譜信號，把多波段反射率做一定的線性或非線性組合，構(gòu)建對地表植被生長狀況簡單、有效和經(jīng)驗的度量——植被指數(shù)，在增強植被信息的同時減少非植被信息［1－2］。目前，國內(nèi)外學者已定義了40多種植被指數(shù)，被廣泛應(yīng)用于全球與區(qū)域的森林資源管理、植被覆蓋度估算、干旱監(jiān)測、作物識別與預(yù)報、荒漠化、土地利用類型、生態(tài)環(huán)境等方面。如陳云浩等在對草地與農(nóng)牧交錯帶的研究中發(fā)現(xiàn)Ts(地表溫度)/NDVI所含信息最豐富，利用NDVI－Ts空間能夠揭示不同植被類型的特征空間，易于理解地表植被變化過程［3］。Rastmanesh等采用描述性統(tǒng)計和K－均值聚類分析方法研究空氣污染對植被退化的影響，結(jié)果表明NDVI能作為一個有價值的植被監(jiān)測工具，并且在植被稀疏區(qū)也能較好地應(yīng)用［4］。

筆者以1992年8月、2001年6月、2014年4月3個時相的Landsat遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以遙感、空間分析技術(shù)為手段，在 ENVI 5．1、ArcGIS 10．1 軟件的支持下，通過對影像數(shù)據(jù)的處理，提取NDVI(歸一化植被指數(shù))以及分析、統(tǒng)計等操作估算植被覆蓋度，從而監(jiān)測1992～2014年昆明市主城區(qū)及呈貢新區(qū)的植被覆蓋變化情況，為昆明市生態(tài)文明建設(shè)、城市規(guī)劃等工作提供參考，為該區(qū)域的建設(shè)和開發(fā)中的環(huán)境質(zhì)量綜合考核提供科學、準確、定量化的評價依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1．1 研究區(qū)概況 昆明市是云南省的省會城市，地處我國西南部的云貴高原中部，城市平均海拔1 891 m，市區(qū)三面環(huán)山，南面為滇池。地勢大致北高南低，中部隆起，東西兩側(cè)較低。屬北亞熱帶低緯高原山地季風氣候，冬無嚴寒、夏無酷暑、干濕分明，多年平均氣溫14．7℃。研究區(qū)地理坐標為102°20'～103°3'E、24°42'～25°27'N，面積2 750 km2。

1．2 數(shù)據(jù)來源 通過遙感手段研究植被覆蓋的變化情況，研究區(qū)4～9月為植物主要生長季，因此選擇植物生長旺盛季節(jié)的遙感影像進行植被覆蓋變化定量分析。該研究采用1992年8月16日的Landsat 5 TM、2001年6月14日的Landsat 7 ETM+、2014年4月23日的 Landsat 8數(shù)據(jù)，PATH/ROW為129/43，覆蓋研究區(qū)的影像均無云。

1．3 研究方法

1．3．1 數(shù)據(jù)預(yù)處理。主要對研究數(shù)據(jù)進行輻射定標、大氣校正處理。輻射定標的目的是消除傳感器本身的誤差，從而確定傳感器入口處的準確輻射值。大氣校正的目的是消除大氣散射、吸收、反射引起的誤差。目前，遙感影像的大氣校正方法很多，該研究采用FLAASH大氣校正工具，它是基于MODTRAN4+輻射傳輸模型，該算法支持的傳感器種類多且精度高，不依賴遙感成像時同步測量的大氣參數(shù)數(shù)據(jù)，并且可以有效地去除水蒸氣/氣溶膠散射效應(yīng)。利用昆明市行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)對處理后的影像進行裁剪。

1．3．2 歸一化植被指數(shù)(NDVI)提取。歸一化植被指數(shù)(NDVI)是由Rouse等在對比值植被指數(shù)(RVI)非線性歸一化處理后得到的植被指數(shù)［5］。由于NDVI可以消除大部分與儀器定標、太陽角、地形、云、陰影和大氣條件有關(guān)輻照度的變化，增強了對植被的響應(yīng)能力［1］，是目前已定義植被指數(shù)中應(yīng)用最廣的一種。

該研究中NDVI的計算式為:

式中，ρNIR為近紅外波段反射值;ρR為紅波段反射值。具體應(yīng)用到TM/ETM+遙感影像時，ρNIR為影像第三通道的反射值。ρR為影像第四通道的反射值;應(yīng)用到Landsat 8遙感影像時，ρNIR為影像第四通道的反射值;ρR為影像第五通道的反射值。

1．3．3 DN值二值化。在ENVI軟件中應(yīng)用下式對提取的NDVI進行DN值二值化處理:

式中，b1為提取的NDVI數(shù)據(jù);lt為小于(＜);ge為大于等于(≥);le為小于等于(≤);gt為大于(＞)。

1．3．4 估算植被覆蓋度。運用植被指數(shù)法［6］反演植被覆蓋度(VFC)，計算公式為:

式中，NDVIs為裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值;NDVIv為純植被像元的NDVI值。

式中，NDVImax和NDVImin分別為區(qū)域內(nèi)最大和最小的NDVI值。由于圖像中存在不可避免的噪聲，故NDVImax和NDVImin取一定置信度范圍內(nèi)的最大值和最小值。該研究依據(jù)前人研究的經(jīng)驗，在對影像進行統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，確定NDVImax、NDVImin分別在累積概率95%和5% 處，此時式(3)轉(zhuǎn)變?yōu)?

故在ENVI軟件中估算植被覆蓋度的公式為:

式中，b1為提取的NDVI數(shù)據(jù);lt為小于(＜);ge為大于等于(≥);le為小于等于(≤);gt為大于(＞)。

2 結(jié)果與分析

2．1 植被覆蓋度提取結(jié)果 根據(jù)VFC值及前人的研究經(jīng)驗將昆明市主城區(qū)及呈貢新區(qū)植被覆蓋度分為6個等級，分別為:無植被覆蓋(VFC=0)、極低植被覆蓋(0＜VFC≤0．1)、低植被覆蓋(0．1＜VFC≤0．3)、中等植被覆蓋(0．3＜VFC≤0．5)、中高植被覆蓋(0．5 ＜VFC≤0．7)和高植被覆蓋(0．7 ＜VFC)。各等級的面積和占所占面積的百分比見表1，植被覆蓋情況如圖1所示。

表1 昆明市主城區(qū)及呈貢新區(qū)植被覆蓋度分級統(tǒng)計

2．2 植被覆蓋度變化分析 為了分析昆明市主城區(qū)及呈貢新區(qū)不同植被覆蓋等級之間的轉(zhuǎn)換特征，在ArcGIS 10．1軟件中進行矢柵轉(zhuǎn)化，形成不同斑塊的矢量圖，在對3期植被覆蓋等級矢量數(shù)據(jù)做疊加分析之后，利用Excel透視表得到昆明市主城區(qū)及呈貢新區(qū)不同階段植被覆蓋等級變化轉(zhuǎn)移矩陣，得到研究區(qū)植被覆蓋度變化統(tǒng)計結(jié)果(表2)。

由表1、2可知:

(1)中等植被覆蓋屬于增加型，高植被覆蓋屬于減少型，而無植被覆蓋、極低植被覆蓋、低植被覆蓋和中高植被覆蓋處于一個波動變化的狀態(tài)。

(2)中等植被覆蓋面積持續(xù)增加，從1992年的242．27 km2增加到2001年的408．51 km2再到2014年的666．91 km2，相應(yīng)的年變化率為7．62%(第一階段)和4．87%(第二階段)，22年共增加了424．64 km2，為總面積的15．44%。在第一階段，從無、極低、低、中高和高植被覆蓋分別轉(zhuǎn)入4．95、4．85、10．75、23．46、122．24 和 166．25 km2，在第二階段，從低、中高和高植被覆蓋分別轉(zhuǎn)入 50．07、134．00、87．09 km2，同時向無植被覆蓋和極低植被覆蓋區(qū)分別轉(zhuǎn)出10．73、2．03 km2，導(dǎo)致了中等植被覆蓋區(qū)面積的擴大，可見低、中高和高植被覆蓋區(qū)是中等植被覆蓋區(qū)轉(zhuǎn)入的主要渠道。

表2 植被覆蓋度變化統(tǒng)計結(jié)果

(3)高植被覆蓋面積持續(xù)減少，從1992年的1 671．39 km2減少到2001年的1 267．16 km2再到2014年1 090．01 km2，22 年共損失了 581．38 km2，為總面積的 24．14%。主要從高植被覆蓋轉(zhuǎn)向低、中等和中高植被覆蓋區(qū)，其中在第一階段分別轉(zhuǎn)出 43．06、122．24 和241．30 km2，在第二階段分別轉(zhuǎn)出29．75、87．09 和 56．91 km2。城市擴張是造成高植被覆蓋面積減少的重要原因，據(jù)陳貴良等利用中國科學院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心提供的1990、2000、2008年昆明市土地利用現(xiàn)狀矢量數(shù)據(jù)研究結(jié)果［7］，該研究的西山區(qū)、官渡區(qū)、呈貢新區(qū)范圍內(nèi)，耕地、林地、草地的面積基本呈下降趨勢，而建設(shè)用地的面積卻大幅度增加，大面積的耕地被征用為建設(shè)用地。

(4)無植被覆蓋和極低植被覆蓋處于一個波動變化的狀態(tài)，前者先增后減，后者先減后增;且前者在1992～2001年、2001～2014年2個階段的變化面積不大，分別為增加11．26 km2、減少7．89 km2;后者在2個階段的變化面積相差較少，分別為減少 45．93 km2、增加 49．08 km2。

(5)1992～2014年研究區(qū)低植被覆蓋和中高植被覆蓋面積先增加后減少，并且總體較1992年都為增加。前者22年共增加61．04 km2，為總面積的2．22%，主要由高、中等、極低植被覆蓋區(qū)轉(zhuǎn)入，22 年來分別轉(zhuǎn)入 72．81、49．65、2．97 km2，同時向無植被覆蓋和中等植被覆蓋區(qū)分別轉(zhuǎn)出3．56、60．83 km2;后者22年共增加89．17 km2，為總面積的3．24%，主要由高、極低植被覆蓋區(qū)轉(zhuǎn)入，22年來分別轉(zhuǎn)入298．21、1．22 km2，同時向中等、低、無植被植被覆蓋區(qū)分別轉(zhuǎn)出157．46、49．65、3．15 km2，可見，高植被覆蓋區(qū)是中高植被覆蓋區(qū)轉(zhuǎn)入的主要渠道。

2．3 植被覆蓋時空演變分析 由圖1可知，昆明市主城區(qū)及呈貢新區(qū)植被覆蓋空間變化情況主要如下:

(1)城市中心區(qū)由低植被覆蓋向中等植被覆蓋轉(zhuǎn)變，并且呈爆發(fā)式向四周擴增。

(2)高植被覆蓋區(qū)變化顯著，1992年該區(qū)主要分布在城市中心區(qū)的四周的山地地區(qū)，隨著時間的推移，城市的發(fā)展，研究區(qū)的西南和東南部以中等和中高植被覆蓋為主。

(3)研究區(qū)的南部為滇池，極低植被覆蓋在該部分變化明顯，1992年極低植被覆蓋主要分布在湖中央及西山與海埂公園的交界處;2001年湖中央無植被覆蓋，但可見靠近如今的環(huán)湖東路一側(cè)的湖邊為低植被覆蓋及中等植被覆蓋;2014年湖中央為極低植被覆蓋?？梢姡搮^(qū)域的植被覆蓋是一個波動變化的過程。

3 結(jié)論

(1)昆明市主城區(qū)及呈貢新區(qū)植被覆蓋等級以高植被覆蓋為主，其次為中高、中等、低、無、極低植被覆蓋。1992～2014年中等和高植被覆蓋區(qū)的變化幅度最大，前者為增加型，后者為減少型，其余植被覆蓋等級處于波動變化狀態(tài)。

(2)高植被覆蓋區(qū)分布最為廣泛，在第一階段主要分布在城市中心區(qū)的四周的山地地區(qū)，在第二階段西南和東南部以中等和中高植被覆蓋為主。植被覆蓋等級與區(qū)域土地利用類型密切相關(guān)，即林地比例越多，植被覆蓋等級越高。

(3)從植被覆蓋等級相互轉(zhuǎn)換特征來看，1992～2001年以中等→中高、高→中等、高→中高為最主要的轉(zhuǎn)換類型;2001～2014年以低→中等、中等→中高、高→中等、高→中高為最主要的轉(zhuǎn)換類型;1992～2014年以高→中等、高→中高為最主要的轉(zhuǎn)換類型。

(4)植被覆蓋等級與環(huán)境、農(nóng)業(yè)、城市建設(shè)政策息息相關(guān)。研究表明，環(huán)境保護力度越大，對農(nóng)業(yè)、林業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟扶持較好，生態(tài)環(huán)境就越好，植被覆蓋等級呈現(xiàn)較高趨勢;反之，新建城市力度越大，大量耕地、林地被征用，植被覆蓋等級就會從高級別轉(zhuǎn)向低級別。該研究通過遙感影像監(jiān)測昆明市主城區(qū)及呈貢新區(qū)的植被變化，對昆明市的生態(tài)文明建設(shè)和城市規(guī)劃具有一定的參考意義。

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