雷亞君+++張永福

（新疆大學(xué)，a.資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院；b.綠洲生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046）

摘要：基于新疆維吾爾自治區(qū)察布查爾錫伯自治縣2000、2006和2013年的Landsat遙感影像，利用ENVI5.0和ArcGIS9.3軟件對(duì)其進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、植被覆蓋度提取，對(duì)比了察布查爾錫伯自治縣14年來(lái)的植被動(dòng)態(tài)變化，分析了其變化趨勢(shì)，并探討了植被覆蓋度變化驅(qū)動(dòng)機(jī)制。結(jié)果表明，2000-2013年，察布查爾錫伯自治縣植被覆蓋度明顯增加，高植被覆蓋度面積也明顯擴(kuò)張，尤其是人為退耕還林、退耕還草增長(zhǎng)比較明顯。

關(guān)鍵詞：植被覆蓋度；ENVI5.0；ArcGIS9.3；察布查爾錫伯自治縣

中圖分類(lèi)號(hào)：F323.22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）21-5492-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.21.014

Dynamic Monitoring of Vegetation Coverage Evolution Based on the Remote Sensing Technology：A Case Study of Qapqal Xibo Autonomous County

LEI Ya-juna，b，ZHANG Yong-fua，b

（a.School of Resources and Environment Science；b.Key Laboratory of Oasis Ecology，Ministry of Education，

Xinjiang University，Urumqi 830046，China）

Abstract： Based on landsat remote sensing image of Qapqal Xibo autonomous country in Xinjiang Uygur autonomous region in 2000，2006 and 2013，using ArcGIS9.3 and ENVI 5.0 software for radiometric calibration，atmospheric correction and vegetation coverage extraction，the study was carried out to contrast the dynamic changes and trend of vegetation coverage， and its driving mechanism were discussed. The results showed that vegetation coverage of Qapqal Xibo autonomous country had significantly increased from 2000 to 2013，and the high vegetation coverage area also had the obvious expansion， especially for returning farmland to forest and grassland.

Key words：vegetation coverage；ENVI5.0；ArcGIS 9.3；Qapqal Xibo autonomous country

植被覆蓋了陸地表面將近3/4的面積[1]，植被在陸地表面的能量交換、生物地球化學(xué)循環(huán)和水文循環(huán)過(guò)程中扮演著重要角色。作為全球生態(tài)系統(tǒng)和氣候系統(tǒng)的重要組成部分，植被覆蓋變化的研究是全球變化研究的重要內(nèi)容之一[2，3]，其動(dòng)態(tài)變化對(duì)全球能量轉(zhuǎn)化和物質(zhì)循環(huán)都有重要的影響。歸一化植被指數(shù)（NDVI）是反映農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)和營(yíng)養(yǎng)信息的重要參數(shù)之一[4，5]。NDVI以其卓越的植被信息表達(dá)能力以及數(shù)據(jù)提取和處理過(guò)程中較強(qiáng)的抗干擾能力，在檢測(cè)植被生長(zhǎng)狀態(tài)、植被覆蓋度和消除部分輻射誤差等方面起到重要作用。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)植被覆蓋的時(shí)空演變對(duì)深入研究植被與氣候變化和人類(lèi)參與的關(guān)系有著重要的意義。

察布查爾錫伯自治縣位于新疆伊犁河谷中西部，屬大陸性北溫帶溫和干旱氣候，年均氣溫7.9 ℃，極端最高氣溫39.5 ℃，極端最低氣溫-43.2 ℃。境內(nèi)南高北低，相對(duì)高差達(dá)3 181 m，自然條件隨高度變化明顯，資源條件和開(kāi)發(fā)利用在伊犁地區(qū)很有代表性。

目前，已有一些學(xué)者對(duì)該區(qū)域開(kāi)展了相關(guān)的研究。2007年顏亮等[6]利用察布查爾縣綠洲1975年和2005年2個(gè)不同時(shí)期的遙感影像分析了察布查爾錫伯自治縣綠洲30多年來(lái)的動(dòng)態(tài)變化；2009年張宏業(yè)等[7]分析了察布查爾縣的自然條件、農(nóng)林牧業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，探討了察布查爾錫伯自治縣土地開(kāi)墾和灌區(qū)擴(kuò)大對(duì)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)林牧業(yè)生產(chǎn)的影響。2010年馬鵬等[8]在對(duì)察布查爾錫伯自治縣2000-2005年農(nóng)業(yè)土地利用變化分析的基礎(chǔ)上，對(duì)其農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了估算。但現(xiàn)有研究對(duì)察布查爾錫伯自治縣植被覆蓋度的演變研究較少，因此本研究基于2000、2006和2013年Landsat遙感影像和GIS空間分析方法研究察布查爾錫伯自治縣植被覆蓋度演變情況。

1 研究區(qū)域概況與方法

1.1 研究區(qū)域概況

察布查爾錫伯自治縣是新疆維吾爾自治區(qū)伊犁哈薩克自治州直屬縣之一（圖1），地處西天山支脈烏孫山北麓，伊犁河以南，與伊犁哈薩克自治州首府伊寧市隔河相望，西與哈薩克斯坦國(guó)接壤。地理坐標(biāo)為東經(jīng)80°31′-81°43′，北緯43°17′-43°57′。察布查爾錫伯自治縣成立于1954年，是全國(guó)惟一以錫伯族為主體的多民族聚居的自治縣。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究所用數(shù)據(jù)為察布查爾錫伯自治縣2000、2006和2013年3個(gè)時(shí)相的遙感影像數(shù)據(jù)，這3景遙感影像數(shù)據(jù)都是從網(wǎng)站（http：//glovis.usgs.gov/）下載，遙感影像數(shù)據(jù)的基本特征如表1所示。

1.3 研究方法

1.3.1 輻射定標(biāo) 輻射定標(biāo)是將傳感器記錄的電壓或數(shù)字值轉(zhuǎn)換成絕對(duì)輻射亮度的過(guò)程[9]，消除傳感器本身產(chǎn)生的誤差，更加真實(shí)地反映地物信息。使用ENVI5.0軟件下Radiometric Correction工具對(duì)3景遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)。

1.3.2 大氣校正 由于大氣輻射的存在，直接使用未處理的遙感影像計(jì)算的NDVI比實(shí)際的低，因此要進(jìn)行校正，利用黑暗像元法對(duì)各時(shí)相影像的紅外波段與紅波段做大氣輻射校正，以提高植被變化檢測(cè)的精度。為了消除可見(jiàn)光和近紅外波段電磁輻射在傳輸?shù)倪^(guò)程中受到大氣分子、水氣、氣溶膠和云粒子等大氣成分的吸收與散射的影響，使用ENVI5.0軟件下FLAASH工具對(duì)影像進(jìn)行大氣校正，獲取地表的真實(shí)反射率。根據(jù)研究需要，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行裁剪。利用ENVI5.0軟件下的ROI Tool進(jìn)行不規(guī)則裁剪，得到研究區(qū)的遙感影像如圖2所示。

1.4 植被覆蓋度反演

1.4.1 NDVI提取 植被指數(shù)又稱(chēng)光譜植被指數(shù)，是指由遙感傳感器獲取的多光譜數(shù)據(jù)，經(jīng)線(xiàn)性和非線(xiàn)性組合而構(gòu)成的對(duì)植被有一定指示意義的各種數(shù)值[10]。植物葉子的細(xì)胞結(jié)構(gòu)在近紅外波段具有高反射率，其葉綠素在紅光波段具有強(qiáng)吸收，因此通常用紅外波段和近紅外波段通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算進(jìn)行線(xiàn)性或非線(xiàn)性組合，得到的數(shù)值用以表現(xiàn)地表植被的數(shù)量分配和質(zhì)量情況。本研究選用NDVI進(jìn)行植被覆蓋度的提取，定義為

NDVI= （1）

式中，NIR為位于近紅外波段的遙感通道所得到的反射率；R指的是可見(jiàn)光波段的通道得到的反射率。

此計(jì)算過(guò)程通過(guò)ENVI5.0遙感影像處理軟件來(lái)完成，利用Band math計(jì)算出NDVI，得到不同時(shí)相NDVI灰度圖（圖3）。

1.4.2 植被覆蓋度信息提取 NDVI作為獲得植被覆蓋度的中間變量，一般情況下，植被指數(shù)與植被覆蓋度具有較強(qiáng)的正相關(guān)性，當(dāng)生態(tài)環(huán)境條件較好時(shí)，水土條件適合，植被生長(zhǎng)茂盛，其覆蓋度較高，植被指數(shù)相應(yīng)也較高；當(dāng)生態(tài)環(huán)境惡化時(shí)，植被生長(zhǎng)稀少，覆蓋度較低，其植被指數(shù)相應(yīng)也較低[11]。本研究采用像元二分模型[12]反演植被覆蓋度，即假設(shè)遙感影像上每個(gè)像元所對(duì)應(yīng)的地表單元上僅存在植被和裸地兩種覆蓋類(lèi)型，每個(gè)像元的NDVI是植被和裸地所對(duì)應(yīng)的NDVI值的加權(quán)和，其權(quán)值即為這兩種覆蓋類(lèi)型在像元內(nèi)的面積百分比。因此，計(jì)算植被覆蓋度的公式可表示為：

fc= （2）

式中，fc為植被覆蓋度；NDVIsoil為完全是裸地或無(wú)植被覆蓋區(qū)域的NDVI；NDVIveg則代表完全由植被所覆蓋的像元的DNVI，即純植被像元的NDVI。對(duì)于大多數(shù)類(lèi)型的裸地，NDVIsoil理論上應(yīng)該接近于0，考慮到遙感影像中存在的不可避免的干擾因素，在取值時(shí)結(jié)合裸地和全覆蓋植被樣地實(shí)際情況選定NDVIsoil為0.03，NDVIveg為0.99。

通過(guò)公式計(jì)算植被覆蓋度，并且進(jìn)行分級(jí)，將植被覆蓋度分為4級(jí)，具體見(jiàn)表2。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被覆蓋度演變分析

2.1.1 不同時(shí)期植被覆蓋度總體變化趨勢(shì) 對(duì)研究區(qū)各植被覆蓋等級(jí)的面積及所占比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表3和圖4所示。從表3和圖4可以看出，察布查爾錫伯自治縣整體植被覆蓋度呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。在4個(gè)等級(jí)中1級(jí)裸地面積在2000-2013年變化不明顯；2級(jí)低植被覆蓋面積呈現(xiàn)較大幅度下降，2000-2013年面積減少了833.67 km2，所占比例下降了18.7個(gè)百分點(diǎn)；3級(jí)植被面積略有上升；4級(jí)植被面積明顯增加，從2000年的519.76 km2增加到2013年的1 273.29 km2，所占比例上升了16.9個(gè)百分點(diǎn)。

2.1.2 不同時(shí)期植被覆蓋度等級(jí)變化趨勢(shì) 分別對(duì)3個(gè)時(shí)相的植被覆蓋度等級(jí)變化進(jìn)行矩陣分析，生成轉(zhuǎn)移矩陣（表4、表5、表6）。從表4可以看出，2000-2006年植被覆蓋度為1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)的面積都在減少，4級(jí)植被面積明顯增加，從2000年的519.76 km2增長(zhǎng)到905.51 km2，主要是2級(jí)、3級(jí)轉(zhuǎn)移到4級(jí)。從表5可以看出，2006-2013年植被覆蓋度為1級(jí)、3級(jí)的面積略有增加；2級(jí)面積由2006年的2 305.18 km2減少到2013年1 807.36 km2，主要原因是2級(jí)向3級(jí)、4級(jí)轉(zhuǎn)移；4級(jí)植被面積明顯增加，由2006年905.50 km2增長(zhǎng)到2013年1 273.29 km2。由表4、表5、表6可以得出，2000-2013年4級(jí)植被呈上升趨勢(shì)，并且增長(zhǎng)速度較快，主要是由2級(jí)、3級(jí)轉(zhuǎn)移而來(lái)；3級(jí)植被面積變化不明顯；2級(jí)植被在2000-2013年呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì)。對(duì)2000-2006、2006-2013、2000-2013年進(jìn)行比較得出，2000-2006年植被覆蓋度負(fù)增長(zhǎng)較多，2006-2013正增長(zhǎng)占較大比例，總體來(lái)看2000-2013年植被覆蓋度呈現(xiàn)增加趨勢(shì)（圖5）。

2.2 植被覆蓋度演變的驅(qū)動(dòng)力分析

2.2.1 氣候因素對(duì)植被覆蓋度的影響 植被覆蓋度變化和氣候變化的響應(yīng)關(guān)系研究一直是全球變化研究的主要內(nèi)容。NDVI的變化和降水相關(guān)性極高，植被生長(zhǎng)和氣溫關(guān)系密切。

伊犁地區(qū)2000-2010年氣溫持續(xù)緩慢增長(zhǎng)，突出表現(xiàn)是持續(xù)暖冬，且偏暖趨勢(shì)還在繼續(xù)[13，14]。2000-2010年伊犁地區(qū)年均氣溫在8～10 ℃浮動(dòng)，變化不明顯[15]。由于察布查爾錫伯自治縣氣溫增長(zhǎng)緩慢，所以對(duì)植被的長(zhǎng)勢(shì)影響不明顯。

伊犁地區(qū)2000-2006年降水先增加后減少，最高降水量480 mm，最低降水量310 mm；2006-2010年降水先增長(zhǎng)再下降然后上升，最高降水量為500 mm，最低降水量為260 mm[14]。察布查爾錫伯自治縣屬溫帶亞干旱氣候區(qū)，年均氣溫7.9 ℃，年降水量小于200 mm，冬季寒冷，夏季炎熱，相對(duì)伊犁地區(qū)降水少，蒸發(fā)量大。察布查爾錫伯自治縣降水差異較大，平原地區(qū)降水較少，南部山區(qū)降水較多，在450 mm以上，植被長(zhǎng)勢(shì)較好。

2.2.2 人為因素對(duì)植被覆蓋度的影響 氣候變化對(duì)新疆植被覆蓋的時(shí)空變化具有重要影響，但不斷加強(qiáng)的人類(lèi)活動(dòng)也是不容忽視的驅(qū)動(dòng)因素之一。察布查爾錫伯自治縣總?cè)丝谟?003年的16.48萬(wàn)增長(zhǎng)到2013年的19.2萬(wàn)，人口增長(zhǎng)增加了對(duì)土地的利用和對(duì)糧食的需求。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)水平的提高以及國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境的重視，植被覆蓋同樣會(huì)受到很大的影響。

通過(guò)遙感技術(shù)與地理信息技術(shù)相結(jié)合，從圖2可以得出，2級(jí)低覆蓋度植被多為荒地，4級(jí)高覆蓋度植被多為耕地與林地?；牡販p少，耕地與林地增加，這與伊犁地區(qū)政府的政策有關(guān)。伊犁地區(qū)一直以來(lái)就是退耕還草和退耕還林等生態(tài)建設(shè)工程的重點(diǎn)實(shí)施區(qū)域。據(jù)資料顯示，2000-2007年，伊犁河谷共退耕還林696.00 km2，耕地面積也在2000-2008年新增了1 259.00 km2，呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)狀態(tài)[16]。由此可見(jiàn)，人類(lèi)活動(dòng)在一定程度上提高了察布查爾錫伯自治縣植被覆蓋度，對(duì)生態(tài)改善有著積極的意義。

3 小結(jié)與討論

本研究基于多期遙感影像，在GIS技術(shù)的支持下，得出察布查爾錫伯自治縣歸一化植被指數(shù)和植被覆蓋等級(jí)圖，并定量分析了察布查爾縣近14年的植被覆蓋變化，由此得到以下3個(gè)結(jié)論：①利用遙感技術(shù)與地理信息技術(shù)不僅可以有效地分析不同時(shí)期的植被覆蓋變化，而且節(jié)約時(shí)間、經(jīng)費(fèi)和人力。通過(guò)植被覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣可以很好地描述植被覆蓋度變化趨勢(shì)。②察布查爾錫伯自治縣在2000-2013年植被覆蓋度在明顯增加，1級(jí)（無(wú)植被覆蓋）基本無(wú)變化；2級(jí)（低覆蓋度植被）面積主要正向轉(zhuǎn)移到3級(jí)、4級(jí)，逆向轉(zhuǎn)移較少；3級(jí)（中覆蓋度植被）面積主要正向轉(zhuǎn)移到4級(jí)較多，3級(jí)植被面積無(wú)明顯變化；4級(jí)（高覆蓋度植被）面積明顯增加，而且區(qū)域位置由南北向中部擴(kuò)散。③察布查爾錫伯自治縣水資源豐富，為植被良好生長(zhǎng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2000-2013年1級(jí)（無(wú)植被覆蓋）面積變化不明顯，2級(jí)（低覆蓋度植被）面積明顯減少，4級(jí)（高覆蓋度植被）面積增長(zhǎng)的主要原因是人類(lèi)活動(dòng)太頻繁。由于退耕還草和退耕還林政策的實(shí)施，該區(qū)域生態(tài)環(huán)境有所恢復(fù)。

本次研究雖然得到了察布查爾錫伯自治縣植被覆蓋的變化，但是也存在著不足。第一，鑒于遙感數(shù)據(jù)的可獲取性，本研究遙感影像的獲取月份雖都在植被生長(zhǎng)期，但對(duì)于山區(qū)植被和平原區(qū)耕地作物的變化識(shí)別有部分掩蓋或放大，這對(duì)計(jì)算植被覆蓋度的精度有一定的影響。第二，植被覆蓋度演變驅(qū)動(dòng)力分析中自然因素?cái)?shù)據(jù)（比如氣溫、降水等）不足，對(duì)分析結(jié)果的論據(jù)不夠充分。

參考文獻(xiàn)：

[1] SARKAR S，KAFATOS M. Interannual variability of vegetation over the Indian sub-continent and its relation to the different meteorological parameters[J].Remote Sensing of Environment， 2004，90（2）：268-280.

[2] 韓秀珍，李三妹，羅敬寧，等.近20年中國(guó)植被時(shí)空變化研究[J].干旱區(qū)研究，2008，25（6）：753-759.

[3] 李軍媛，晏利斌，程志剛.陜西省植被時(shí)空演變特征及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)[J].中國(guó)水土保持，2011（6）：29-32.

[4] 包安明，張小雷，方 暉，等.MODIS數(shù)據(jù)在新疆生態(tài)環(huán)境建設(shè)中的應(yīng)用[J].干旱區(qū)地理，2004，27（2）：256-260.

[5] 李寶明，楊 遼，朱長(zhǎng)明，等.額爾齊斯河流域中亞段植被覆蓋遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[J].干旱區(qū)地理，2010，33（2）：203-209.

[6] 顏 亮，高敏華，劉光宇.基于RS/GIS的新疆察布查爾縣綠洲動(dòng)態(tài)變化研究[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2008（11）：25-28.

[7] 張宏業(yè)，張 偉，王秀紅，等.伊犁地區(qū)農(nóng)林牧業(yè)平衡發(fā)展與生態(tài)保護(hù)——以察布查爾縣為例[J].資源科學(xué)，2009，31（12）：2035-2041.

[8] 馬 鵬，李志忠.新疆伊犁察布查爾縣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化分析[J].亞熱帶水土保持，2010（4）：31-35.

[9] 梁順林.定量遙感[M].范聞捷，譯.北京：科學(xué)出版社，2009.

[10] 陳述彭，趙英時(shí).遙感地學(xué)分析[M].北京：測(cè)繪出版社，1990.

[11] FUNG T，SIU W.Environmental quality and its changes an analysis is using NDVI[J].International Journal of Remote Sensing，2000，21（5）：1011-1024.

[12] 李苗苗，吳炳方，顏長(zhǎng)珍，等.密云水庫(kù)上游植被覆蓋度的遙感估算[J].資源科學(xué)，2004，26（4）：153-159.

[13] 張家寶，史玉光.新疆氣候變化及短期氣候預(yù)測(cè)研究[M].北京：氣象出版社，2002.

[14] 李 聰，曹占洲，丁 林，等.新疆伊犁河谷地區(qū)50a來(lái)氣候變化特征分析[J].陜西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（5）：508-514.

[15] 許嬌媚.伊犁河谷氣候變化及其對(duì)農(nóng)業(yè)影響初探[D].烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

[16] 馬 鵬，李志忠，靳建輝，等.基于土地利用的新疆伊犁河谷生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)[J].浙江師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2010，33（3）：331-335.