牛莉婷,周 波,陳建榮,吳玉鋒 ,金 毅
(1.甘肅省水土保持科學(xué)研究所,甘肅 蘭州 730020)
基于NDVI的蘭州市城關(guān)區(qū)植被覆蓋度變化研究
牛莉婷1,周 波1,陳建榮1,吳玉鋒1,金 毅1
(1.甘肅省水土保持科學(xué)研究所,甘肅 蘭州 730020)
基于遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù), 利用2000年Landsat5 TM和2015年Landsat8 OLI兩期遙感影像,提取蘭州市城關(guān)區(qū)不同時(shí)期的歸一化植被指數(shù)(NDVI),運(yùn)用像元二分模型估算了植被覆蓋度(FVC),分析了2000~2015年城關(guān)區(qū)的植被覆蓋狀況及動(dòng)態(tài)變化情況。結(jié)果表明,15 a間城關(guān)區(qū)低植被覆蓋度(0<FVC≤15%)和中植被覆蓋度(15%<FVC≤40%)分別增加9%和15%,中高植被覆蓋度(40%<FVC≤70%)和高植被覆蓋度(70%<FVC≤100%)分別減少17%和9%;植被覆蓋度增加面積約10 km2,減少面積約21 km2。
遙感;地理信息系統(tǒng);植被覆蓋度;蘭州市城關(guān)區(qū)
本文利用2000年Landsat5 TM影像和2015年Landsat8 OLI影像,基于ENVI5.1軟件提取蘭州市城關(guān)區(qū)2000年和2015年的歸一化植被指數(shù)(NDVI);運(yùn)用像元二分模型估算植被覆蓋度,并對(duì)其劃分等級(jí),根據(jù)差值法分析城關(guān)區(qū)15 a來(lái)植被覆蓋度的變化情況,從整體上了解該區(qū)域植被的生長(zhǎng)和分布狀況,為評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)的生態(tài)建設(shè)效果提供參考[1-6]。
城關(guān)區(qū)是蘭州市的政治、經(jīng)濟(jì)、文化、科研、交通及商貿(mào)等的中心,地理坐標(biāo)為103°45'37"~103°59'00"E、 35°57'50"~36°09'32" N ;東西長(zhǎng) 20.02 km,南北寬22.6 km,總面積約 220 km2,海拔為 1 600~2 171 m 。黃河由西向東貫穿整個(gè)城關(guān)區(qū),并將其分割為南北兩部分。黃河以北是丘陵溝壑區(qū),以南是主城區(qū)和皋蘭山山地。整個(gè)區(qū)域氣候干燥,溫差大,降水稀少,蒸發(fā)量大,光照充足,太陽(yáng)輻射強(qiáng),生態(tài)環(huán)境脆弱。
城關(guān)區(qū)南北兩山城郊植被包圍,綠地沿河、溝、路分布,公園、游園植被綠化,形成點(diǎn)、線(xiàn)、面相結(jié)合的植被建設(shè)體系;并且城關(guān)區(qū)擁有豐富的低丘緩坡溝壑等未利用土地資源,大量的荒山溝壑土地比較貧瘠。
本文采用的數(shù)據(jù)是空間分辨率為30 m的2000-09-21 Landsat5 TM遙感影像和2015-09-15 Landsat8 OLI 遙感影像及蘭州市城關(guān)區(qū)的矢量邊界數(shù)據(jù)。兩期遙感影像來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站 (http://www.gscloud.cn),數(shù)據(jù)級(jí)別為L(zhǎng)1T,已經(jīng)做過(guò)幾何糾正,精度滿(mǎn)足要求。兩期遙感影像數(shù)據(jù)都攝于植被生長(zhǎng)比較良好的時(shí)期,對(duì)比較區(qū)域的植被變化情況具有一定的可行性。
首先采用ENVI5.1遙感軟件對(duì)兩期影像數(shù)據(jù)作輻射定標(biāo)和大氣校正處理,消除因大氣散射引起的輻射誤差,然后對(duì)蘭州市城關(guān)區(qū)的矢量邊界數(shù)據(jù)作投影轉(zhuǎn)換處理,最后利用矢量邊界數(shù)據(jù)裁剪兩期遙感影像,得到城關(guān)區(qū)的影像數(shù)據(jù)。
2.2.1 歸一化植被指數(shù)計(jì)算
歸一化植被指數(shù)(NDVI)定義為近紅外波段(NIR)與可見(jiàn)光紅波段(R)數(shù)值之差和這兩個(gè)波段數(shù)值之和的比值[7]:
歸一化植被指數(shù)(NDVI)既能部分消除由天氣變化、觀察姿態(tài)所造成的誤差,又能較好地反映地表植被的分布狀況,在植被指數(shù)中占居非常重要的位置[8],是遙感估算植被覆蓋度研究中最常用的一種植被指數(shù)。
利用Landsat5 TM影像,公式(1)可表示為:
利用Landsat8 OLI影像,公式(1)可表示為:
根據(jù)公式(2)、(3),用 ENVI5.1 軟件提取蘭州市城關(guān)區(qū)2000-09和2015-09的歸一化植被指數(shù)(NDVI),見(jiàn)圖 1、2 。
計(jì)算 2000-09 的 NDVI值為 -0.579~0.773,2015-09 的 NDVI值為 -0.664~0.935,負(fù)值表示地表覆蓋為黃河、其他水域等;0表示為無(wú)植被覆蓋;正值表示為有植被覆蓋,NDVI值越大,植被覆蓋越好。
圖1 2000年城關(guān)區(qū)NDVI圖
圖2 2015年城關(guān)區(qū)NDVI圖
2.2.2 植被覆蓋度估算
像元二分模型不受地域限制、不依賴(lài)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),且能削弱大氣、植被類(lèi)型及土壤等影響,在采用遙感量測(cè)植被覆蓋度的方法中應(yīng)用十分廣泛[9,10],故本文采用像元二分模型計(jì)算植被覆蓋度。像元二分模型假定一個(gè)像元的地表由植被和土壤兩部分組成,每個(gè)像元的NDVI是完全被植被覆蓋的NDVI(NDVIveg)和裸地覆蓋的NDVI(NDVIsoil)的線(xiàn)性加權(quán)值。利用像元二分模型計(jì)算植被覆蓋度的公式為[11,12]:
NDVIveg和NDVIsoil隨地表濕度、土壤類(lèi)型、植被類(lèi)型等的變化而變化。本文選擇5%的置信度,在置信度范圍內(nèi)取最大值和最小值,見(jiàn)表1。
表1 NDVIveg和NDVIsoil的取值表
將 表1中2000年、2015年 的NDVIveg和NDVIsoil代入公式(4),計(jì)算城關(guān)區(qū)的植被覆蓋度。
2.2.3 植被覆蓋度分級(jí)
將計(jì)算得到的植被覆蓋度分為5個(gè)等級(jí)[2]:無(wú)植被覆蓋(FVC=0) 、低植被覆蓋度(0<FVC≤15%)、中植被覆蓋度(15%<FVC≤40%) 、中高植被覆蓋度(40% <FVC≤70%)和高植被覆蓋度(FVC>70%)。在ArcGIS10.2軟件下,根據(jù)上述分級(jí)方法對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行重分類(lèi),得到2個(gè)時(shí)期的植被覆蓋度分級(jí)圖,見(jiàn)圖3、4。
圖3 2000年城關(guān)區(qū)植被覆蓋度圖
圖4 2015年城關(guān)區(qū)植被覆蓋度圖
統(tǒng)計(jì)2000年和2015年城關(guān)區(qū)各級(jí)植被覆蓋度的像元數(shù)以及像元所占整個(gè)區(qū)域的比例,見(jiàn)表2、3和圖5。
表2 2000年城關(guān)區(qū)各級(jí)植被覆蓋度像元比例統(tǒng)計(jì)表
表3 2015年城關(guān)區(qū)各級(jí)植被覆蓋度像元比例統(tǒng)計(jì)表
圖5 2000年、2015年各級(jí)植被覆蓋度所占像元數(shù)
根據(jù)圖3、4、5和表2、3,城關(guān)區(qū)2000年主要以中高植被覆蓋度為主,占總面積的38%,主要分布在黃河以北海拔較高的山地及黃河以南海拔較高、人為干擾較少的皋蘭山山地;無(wú)植被覆蓋度占5%,主要分布在黃河和黃河以南地勢(shì)比較平緩、人口聚集的主城區(qū);低植被覆蓋度占11%,主要分布在主城區(qū);中植被覆蓋度占24%,主要分布在黃河以北海拔較高的山地;高植被覆蓋度占23%,主要分布在皋蘭山山地、主城區(qū)的雁灘區(qū)域和黃河以北的低丘緩坡區(qū)域。2015 年主要以中植被覆蓋度為主,占總面積的39%,主要分布在黃河以北海拔較高的山地;無(wú)植被覆蓋度占5%,主要分布在黃河及主城區(qū);低植被覆蓋度占20%,主要分布在主城區(qū)和黃河以北的山地;中高植被覆蓋度占21%,主要分布在皋蘭山山地;高植被覆蓋度占14%,主要分布在皋蘭山山地和黃河以北的低丘緩坡區(qū)域。
由此看出,城關(guān)區(qū)從2000~2015年,無(wú)植被覆蓋的總面積無(wú)明顯變化;低植被覆蓋度和中植被覆蓋度有所增加,增加幅度分別為9%、15%;中高植被覆蓋度和高植被覆蓋度有所減少,減少幅度分別為17%、9%。
通過(guò)ENVI5.1的變化檢測(cè)(change detection)工具和ArcGIS10.2的空間分析功能,提取城關(guān)區(qū)2000~2015年植被覆蓋度的動(dòng)態(tài)變化情況,見(jiàn)圖6。
如圖6所示,綠色區(qū)域?yàn)橹脖桓采w度增加的區(qū)域,紫色區(qū)域?yàn)橹脖桓采w度減少的區(qū)域。15 a間城關(guān)區(qū)植被覆蓋度增加的面積約10 km2,減少的面積約21 km2,增加的區(qū)域主要分布在黃河以北。
圖6 城關(guān)區(qū)2000~2015年植被覆蓋度變化圖
城關(guān)區(qū)2000~2015年的植被覆蓋狀況既有改善也有退化。植被覆蓋狀況得到改善的原因主要有:1)在國(guó)家和甘肅省的大力支持下,蘭州市建設(shè)了南北兩山綠化工程,增加了植被覆蓋,鞏固和提高了兩山的生態(tài)建設(shè);2)退耕地造林、荒山造林、封山育林等退耕還林工程的實(shí)施,增大了城關(guān)區(qū)的植被覆蓋;3)公園、游園的植被綠化及黃河、道路兩側(cè)的植被建設(shè)等有效改善了主城區(qū)的植被覆蓋。植被覆蓋狀況退化的原因主要有:1) 蘭州市2012~2016年實(shí)施的低丘緩坡溝壑等未利用地綜合開(kāi)發(fā)利用試點(diǎn)項(xiàng)目中的青白石未利用地綜合開(kāi)發(fā)利用項(xiàng)目、碧桂園項(xiàng)目和三條嶺未利用地開(kāi)發(fā)利用項(xiàng)目都位于城關(guān)區(qū)黃河以北,項(xiàng)目的實(shí)施有效拓展了城關(guān)區(qū)發(fā)展的空間,但也不同程度地降低了黃河以北區(qū)域的植被覆蓋;2)建筑業(yè)和房地產(chǎn)業(yè)等的飛速發(fā)展,導(dǎo)致主城區(qū)特別是雁北街道和高新開(kāi)發(fā)區(qū)的植被退化。
綜上分析,建議城關(guān)區(qū)在今后的植被建設(shè)中加強(qiáng)對(duì)中高植被覆蓋和高植被覆蓋的植被保護(hù),合理開(kāi)發(fā)未利用地,快速恢復(fù)植被退化區(qū)域中的植被,促進(jìn)低植被覆蓋、中植被覆蓋向中高植被覆蓋、高植被覆蓋的轉(zhuǎn)化。
本文基于RS和GIS提取蘭州市城關(guān)區(qū)的NDVI,采用像元二分模型估算植被覆蓋度,分析15 a間植被覆蓋度的變化情況,技術(shù)路線(xiàn)簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)。整體了解城關(guān)區(qū)的植被覆蓋狀況,對(duì)評(píng)估該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境、水土流失綜合治理效果具有重要意義,同時(shí)有助于推進(jìn)城關(guān)區(qū)的植被恢復(fù)。
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P237.9
B
1672-4623(2017)12-0028-03
10.3969/j.issn.1672-4623.2017.12.009
2016-09-27。
甘肅省科技支撐計(jì)劃社會(huì)發(fā)展類(lèi)基金資助項(xiàng)目(1504KFCA074)。
牛莉婷,碩士,主要從事3S技術(shù)在水土保持中的應(yīng)用研究。