毛 英，原作強，高清明，胡進耀*，胡連通，王 新，周大松

(1.綿陽師范學(xué)院，四川 綿陽 621000；2.中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，遼寧 沈陽 110000；3.四川大學(xué)，四川 成都 610000；4.四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川 成都 610000)

植被覆蓋度(植被的垂直投影面積與單位面積之比)是反映濕地植物生長狀況的重要生態(tài)學(xué)參數(shù)，在評估和監(jiān)測生態(tài)環(huán)境方面有著重要的作用。因此獲取地表植被覆蓋度及其變化信息，對于歸納地表植被變化規(guī)律，分析監(jiān)測區(qū)生態(tài)環(huán)境具有現(xiàn)實意義[1～2]。

植被覆蓋度的測量方法可分為地表實測和遙感監(jiān)測兩類。由于遙感具有能夠反映不同空間尺度的植被覆蓋信息的優(yōu)勢，因而利用遙感數(shù)據(jù)估算植被覆蓋是主要方法。隨著定量遙感的迅速發(fā)展，為林業(yè)資源和植被變化監(jiān)測提供了一種有效手段。其中歸一化植被指數(shù)(NDVI)是目前最為廣泛應(yīng)用的表征植被狀況的指數(shù)。國內(nèi)學(xué)者針對不同空間尺度的植被覆蓋開展了大量研究，例如，劉洋等[3]利用高質(zhì)量MODIS觀測約束歷史AVHRR數(shù)據(jù)的反演，生成全球1981—2012年葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)。劉振波等[4]基于MODIS BRDF遙感模型參數(shù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，估算植被指數(shù)，并將其與實測葉面積指數(shù)構(gòu)建小興安嶺五營林區(qū)冠層葉面積指數(shù)反演模型。也有不少學(xué)者提出新的遙感數(shù)據(jù)處理方法來研究植被覆蓋度，如楊繪婷等[5]基于植被覆蓋度，提出了一種新的遙感數(shù)據(jù)提取方法——植被信息季節(jié)變換方法，將MODIS低分辨率遙感數(shù)據(jù)的時間分辨率優(yōu)勢與中高分辨率遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率優(yōu)勢相結(jié)合，并將其應(yīng)用到了福建省連江縣的研究中。賈坤等[6]綜合分析了用于植被覆蓋度估算的遙感數(shù)據(jù)源，指出未來植被覆蓋度遙感估算研究的主要方向是：高時空分辨率長時間序列的全球植被覆蓋度數(shù)據(jù)集，多源遙感數(shù)據(jù)融合和同化技術(shù)；

作為長江上游生態(tài)屏障的重要組成部分，在2016年9月，國務(wù)院批復(fù)同意新增布拖縣為國家重點生態(tài)功能區(qū)。樂安濕地位于布拖縣境內(nèi)，處于大涼山區(qū)，海拔 2 500 m～3 000 m,是全球同緯度地區(qū)少有的亞熱帶高原濕地,具有涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、凈化水體、保護生物多樣性等多種生態(tài)功能。研究該區(qū)域的植被變化，對于研究區(qū)域氣候、生物多樣性、當?shù)匦竽翗I(yè)的發(fā)展和生態(tài)平衡以及維護區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要價值。近年來，四川西部生物多樣性調(diào)查隊[7]對布拖樂安地區(qū)的植物、植被、真菌、魚類、兩棲爬行類、獸類多樣性及影響干擾因素進行了全面詳細的調(diào)查?；趯钒矟竦氐牡孛嬲{(diào)查分析，桂林華等[8]提出了初步的濕地恢復(fù)建議，但是缺乏針對植被覆蓋的相關(guān)研究。本文采用時間序列2011—2015年的MODIS-NDVI (Moderate-resolutionImaging Spectroradiometer-normalized Difference Vegetation Index，基于中分辨率成像光譜儀的歸一化植被指數(shù))數(shù)據(jù)，參考了李苗苗[9]的像元二分模型，定量研究樂安濕地保護區(qū)植被覆蓋空間分布及變化趨勢。

1 研究區(qū)概況

樂安濕地保護區(qū)(27°27’05”～27°42’27”N，102°52’30”～103°03’05”)又稱樂安黑鸛自然保護區(qū)，位于四川省西南部，青藏高原向云貴高原過渡的涼山山脈，屬長江上游的金沙江流域，在行政上隸屬于四川省涼山彝族自治州布拖縣，由樂安、四棵、烏衣、地洛等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的部分區(qū)域組成，距縣城30余km，距西昌市114 km；濕地保護區(qū)平均海拔 2 690 m，屬亞熱帶滇北氣候區(qū)，氣候垂直變化大，具有明顯的立體氣候，降水主要集中在夏秋兩季，年平均降水量 1 100 mm～1 400 mm，境內(nèi)年平均氣溫10.1℃，大于等于10℃積溫約 2 367.8℃[7]。樂安保護區(qū)面積 21 358.9 hm2，保護區(qū)的森林主要分布于海拔 1 800 m～3 000 m，主要有喬木馬尾松、云南松、樟樹、樺木等，林帶上下分布著黃荊、馬桑、杜鵑、禾草、莎草、蒿類等植被物種。保護區(qū)內(nèi)植被屬于川西偏干性常綠闊葉林,并具有明顯的垂直地帶性,海拔 1 000 m以下為稀疏草叢,海拔 1 000 m～1 800 m為常綠闊葉林,海拔 1 800 m～2 600 m為針闊混交林帶，海拔 2 600 m～3 400 m為亞高山針葉林帶和灌叢草地。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源及遙感數(shù)據(jù)處理

本文研究數(shù)據(jù)包括遙感數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)包括2011、2012、2013、2014、2015年5個時相的MODND1M中國500M NDVI月合成產(chǎn)品，時間選取植被生長旺盛的8月，以便準確地監(jiān)測植被覆蓋度。該數(shù)據(jù)由MODND1D計算得來，計算方法為取月內(nèi)每天最大值。其他數(shù)據(jù)包括：1∶55000地形圖、樂安濕地保護區(qū)邊界矢量數(shù)據(jù)等。

研究中運用ENVI5.1對遙感數(shù)據(jù)進行預(yù)處理及植被覆蓋度計算，用Arc GIS10.2進行地形分析及制圖。

2.2 NDVI計算與異常值處理

歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)是目前用來反映植被生長狀態(tài)的重要指標因子，通常被定義為近紅外波段NIR(0.7 μm～1.1 μm)與可見光紅光波段R(0.4 mm～0.7 mm)反射率之差與反射率之和的比值，即

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(1)

經(jīng)過(1)計算得到的NDVI數(shù)據(jù)，由于NDVI值被限定在[-1,1]之間，陰影區(qū)域的NDVI在[-1,1]之外的則被稱為異常值，可以通過ENVI5.1Band Math將這一部分的NDVI值變成背景值，即零值。

2.3 植被覆蓋度提取

基于像元二分模型提取植被覆蓋度(Fractional Vegetation Cover,FVC)，消除了地域的限制，易推廣且精度較高。其原理[10]就是假設(shè)一個像元的信息可分為植被覆蓋像元與裸土覆蓋像元兩部分，即Sv代表植被信息，Ss代表裸土信息，則

S=Sv+Ss

(2)

Sv=FVCxSveg

(3)

Ss=(1-FVC)xSsoil

(4)

因此，將公式(3)和(4)帶入(2)，得到植被覆蓋度FVC的計算公式：

FVC=(S-Ssoil)/(Sveg-Ssoil)

(5)

該模型引入?yún)?shù)Sveg和Ssoil削弱了植被類型、土壤背景和大氣等對獲取信息的影響，對植被覆蓋度信息進行最大的保留。

根據(jù)研究，植被覆蓋度與NDVI之間存在極顯著的線性關(guān)系，由此，根據(jù)像元二分法原理，將NDVI代入公式，變換得到:

FVC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(6)

式中，NDVIveg為純植被覆蓋像元的NDVI值，NDVIsoil為裸土覆蓋像元的NDVI值。

由于大氣、地表狀況、年份、季節(jié)和區(qū)域等條件影響，本研究采用李苗苗的簡化模型，以NDVI累計頻率5%和95%的為置信度區(qū)，確定研究區(qū)域的有效純植被值和裸土覆蓋值。表1為樂安濕地保護區(qū)2011—2015年的裸土和純植被的NDVI取值。

表1研究區(qū)土壤和植被的NDVI取值

Tab.1ThevalueofNDVIsoilandNDVIveginthestudyarea

年份YearNDVIsoilNDVIveg20110.6610.87320120.6460.87920130.5300.85420140.2260.89220150.6150.838

2.4 植被覆蓋度等級劃分

為便于分析對植被覆蓋動態(tài)變化，在對研究區(qū)2011—2015年植被覆蓋度計算的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際情況，將FVC劃分為5個等級[11～13]，即Ⅰ級低植被覆蓋度(0～0.2)、Ⅱ級中低植被覆蓋度(0.2～0.4)、Ⅲ級中植被覆蓋度(0.4～0.6)、Ⅳ級中-高植被覆蓋度(0.6～0.8)、Ⅴ級高植被覆蓋度(0.8～1.0)通過拉伸生成植被覆蓋度分布圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度動態(tài)變化

2011—2015年每年8月樂安濕地的中高度+高植被覆蓋區(qū)分別占研究區(qū)總面積的43.82%、41.70%、52.30%、68.55%、44.52%，其中中-高植被覆蓋區(qū)占研究區(qū)的比重較大，超過20%，反映了植被覆蓋狀況良好。雖然保護區(qū)內(nèi)植被覆蓋度總體上呈穩(wěn)定狀態(tài)(見圖1)，但是不同等級、不同時段的植被覆蓋變化趨勢存在差異。2011—2014年低、中-低(Ⅱ級)植被覆蓋度面積變化呈先上升，然后下降，持續(xù)下降至2015年呈上升趨勢。中等(Ⅲ級)植被覆蓋度面積變化在2011—2012年呈下降趨勢；2012—2013年呈上升趨勢；2013—2014年呈下降趨勢；2014—2015年呈上升趨勢。中高(Ⅳ級)植被覆蓋度面積變化經(jīng)歷先下降后上升再下降的過程，總體上該級植被覆蓋度面積呈現(xiàn)增加。高(Ⅴ級)植被覆蓋度面積變化在2011—2015年總體上呈現(xiàn)下降趨勢，2011—2013年間呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢，僅2013—2014呈現(xiàn)上升趨勢，但是2014—2015年呈現(xiàn)急劇下降趨勢(見表2)。

圖1 樂安2011—2015年平均植被覆蓋度(FVC)的年際變化Fig.1 Interannual variation of Le’an average fraction vegetation cover (FVC) in 2011—2015

表2樂安濕地不同時期植被覆蓋度分級統(tǒng)計

>Tab.2 Statistics of fractional vegetation cover in different periods at the wetland of Le’an

注：面積km2，比例%。

圖2 樂安2011—2015年植被覆蓋分布圖Fig.2 Distribution of FVC at wetland of Le’an from 2011 to 2015

3.2 植被覆蓋空間格局變化

從樂安濕地保護區(qū)2011—2015年8月的植被覆蓋分布圖(見圖2)可以看出，植被覆蓋度在空間上呈現(xiàn)以萬噸山、四棵鄉(xiāng)一線向兩側(cè)降低的總體趨勢。中高度、高度植被覆蓋區(qū)主要集中在萬噸山的南部及東部、浪珠鄉(xiāng)、四棵鄉(xiāng)、樂安鄉(xiāng)東北部，主要是該區(qū)域的山區(qū)，以及水熱條件的影響；中等植被覆蓋區(qū)受水熱條件的限制，主要分布于中高度、高度植被覆蓋區(qū)的外圍；低、中低植被覆蓋區(qū)主要分布于萬噸山的西北部和樂安濕地的人口聚居區(qū)，主要受地形地勢和人為因素的影響。建筑用地、未經(jīng)開發(fā)的或者植被破壞嚴重的裸地以及長勢后期耕地區(qū)域低植被覆蓋區(qū)與中低植被覆蓋區(qū)的出現(xiàn)，導(dǎo)致在保護區(qū)域范圍內(nèi)中出現(xiàn)大面積空白區(qū)域或淺色區(qū)域(見圖2)。

4 討論分析

樂安濕地保護區(qū)與若爾蓋濕地均為長江上游地區(qū)重要的水源涵養(yǎng)區(qū)。兩者都是高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)的典型區(qū)域[14]，但是兩者的海拔高度不同，若爾蓋濕地的海拔在 3 400 m～3 800 m，樂安濕地的海拔在 2 500 m～3 000 m。采用2011—2015年的MODND1M中國500M NDVI月合成遙感數(shù)據(jù)經(jīng)相同方式處理后，得到的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，若爾蓋濕地植被以中高和中等的植被覆蓋度等級為主[15]，而樂安濕地的則以高和中高植被覆蓋度等級為主；2011—2015年若爾蓋濕地的平均植被覆蓋度為0.72，而樂安濕地在這5年間的平均植被覆蓋度僅為0.54；經(jīng)分析2011—2015年間兩者平均植被覆蓋度的變化趨勢不同，兩者植被覆蓋度的影響因素也不一致，若爾蓋濕地的植被覆蓋度分布影響因素有氣象因素的氣溫降水因子、地形因素的高程坡度和坡向、草原鼠和蟲害因素以及社會因素的經(jīng)濟發(fā)展和地方政策等[16]，而樂安濕地的植被覆蓋分布受水熱、地形限制；近年來兩者植被覆蓋度降低的原因也不一樣，若爾蓋濕地草原退化、土壤沙化問題導(dǎo)致其植被覆蓋度的降低，樂安濕地則是因為人為因素導(dǎo)致其植被覆蓋度的降低。其人為原因主要是經(jīng)濟建設(shè)開發(fā)，如開工建設(shè)G356縣城至昭覺三灣河段公路升級改造、S464普格至特木里鎮(zhèn)段公路改建工程、包谷坪至羅家坪通鄉(xiāng)油路工程，完成“十一五”遺留6個鄉(xiāng)40.6 km通鄉(xiāng)油路建設(shè)任務(wù)、麻地灣復(fù)建公路主體工程；基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，2015年完成6.63億元，建設(shè)補爾、樂安風(fēng)電場和包谷坪，合井光伏發(fā)電建設(shè)、城鎮(zhèn)污水處理廠建設(shè)；投入 1 857.6萬元實施奔誠礦業(yè)螢石采礦；投入608萬元實施沙洛電站增效擴容等[17]。

本文基于MODIS-NDVI遙感數(shù)據(jù)，應(yīng)用像元二分模型估算出樂安濕地保護區(qū)植被覆蓋度，具有便捷、適應(yīng)性強等優(yōu)勢，但是由于植被類型、生長狀況和下墊面的復(fù)雜性和多樣性，NDVIseg和NDVIsoil的確定是成為像元二分模型反演植被覆蓋度的關(guān)鍵，雖然用置信域消除異常值的影響，但是僅是基于NDVIseg和NDVIsoil這兩個調(diào)節(jié)因子的線性拉伸，其FVC估算值與實測值很難做到完全一致。且本文并未探究將混合像元分為等密度、非密度和混合密度的亞像元的模型，因此還需對此模型做進一步探索和改進。