陕北地区植被覆盖度变化监测研究.docx

陕北地区植被覆盖度变化监测研究 智1郭玉芳2 杨立国3张( 1 国家测绘地理信息局陕西基础地理信息中心 陕西西安 710054; 2 国家测绘地理信息局测绘标准化研究所 陕西西安 710054; 3 潍坊市勘察测绘研究院 山东潍坊 261041)on vegetation coverage change monitoring in northern shaanxi provincezhang zhiguo yufangyang liguo摘 要: 植被覆盖度是反映地表植被群落生长态势的重要指标和描述生态系统的重要基础数据，对区域生态环境变化有着重要的指示作用。基于 2000 2012 年间 modis 遥感数据，获取较长时 间序列下不同植被覆盖度等级的定量化数据，定量分析陕北地区植被覆盖度的发展和演化的时空 特征，为区域性生态环境保护、资源可持续利用及相关决策提供科学依据。关键词: 生态环境; 植被覆盖度; 植被指数; 环境监测中图法分类号: p237 9近 10 多 年 来，我国社会经济处于高速发展时 期，然而，由 于 人 们 对资源的不合理开发利用对环 境造成了破坏，水土流失、土地荒漠化、环境污染等 一系列生态 环 境 问 题 日 益 突 出，严重制约了社会、 经济和生态环境的协调发展。植被覆盖度是指单位面积内植被地上部分 ( 包 括叶、茎、枝) 在地面的垂直投影面积占统计区总面 积的百分比，是反映地表植被群落生长态势的重要 指标，也是描 述 生 态系统的重要基础数据，对 区 域 生态环境变化有着重要的指示作用。植被覆盖度能够反映陕北地区生态环境的整 体状况，本文基于 2000 2012 年间 modis 遥感数 据，获取了该地区较长时间序列不同植被覆盖等级 的定量化数据，揭示了近年来陕北地区生态环境的 变化和特征，为 区 域性生态环境保护、资 源 可 持 续 利用及相关决策提供科学依据。1 2数据来源及预处理遥感数据来源于美国国家航空航天局( nasa)提供的 2000 年、2002 年、2004 年、2006 年、2008 年、2010 年和 2012 年的 modis 植被指数( ndvi) 产品， 对 modis 数据进行投影转换和数据裁切。每 个 监 测年份有 8 期 modis 的 ndvi 产品，通过计算 8 期 数据 ndvi 的平均值合成得到该监测年份 的 ndvi 数据，并利用陕西省行政区划图裁切得到陕北地区 各监测年份的 ndvi 栅格数据。数据的预处理还包括对水体信息的提取，主要用于 统计不同植被覆盖类型面 积时剔除水域的 面积。植被覆盖度的计算植被覆盖度和 ndvi 之间存在极显著的线性相 关关系，通常 通 过 建立二者之间的转换关系，提 取 植被覆盖 度 信 息。采用像元二分模型估算植被覆 盖度，假设每个像元的 ndvi 值由植被和土 壤 两 部 分组成，混合像元的 ndvi 值为两部分植被 指 数 值的加权 平 均 和，权 重 为 各 部分在像元中的面积比 例，其公式如下:1 3研究地区与研究方法研究区概况陕北地区位于黄土高原中 部，海 拔 50011 12 000 m，气候属暖温带大陆性季风半湿润气候向温带半干旱气 候 过 渡，黄 土 层 深 厚，土壤侵蚀作用强 烈，降水量相 对 较 少且时空分布不均等，特 殊 的 地 质、地貌和 气 候 条 件形成了独特的自然地理特征。 陕北地区生态环境问题较为突出，是国家生态环境 治理的重点区域之一。从 1999 年起，相继组织实施 了退耕还林还草、天然林保护和陕北防护林等一批 重点生态建设工程，使陕北地区的植被覆盖有了明 显改善，生态环境逐步好转。ndvi = fveg ndviveg + ( 1 fveg ) ndvisoil( 1)式中，ndvi 为混合像元的植被指数值，ndviveg 为 纯植被像元的植被指数值，ndvisoil 为纯土壤像元的植 被指数值，fveg 为植被覆盖度。根据公式( 1) ，植被覆盖度的计算公式如下:f = ( ndvi ndvi ) / ( ndvi ndvi )( 2)vegsoilvegsoilndvisoil 和 ndviveg 的取值是像元二分模型计算 测绘标准化standardization of surveying and mappingdec 2014，30( 4)9植被覆盖 度 的 关 键。 对于大多数类型的裸地面，ndvisoil 理论上应接近 0，但实际上受地表湿度、土壤 类型、太阳光照条件等因素的影响，ndvisoil 会 随 时 空而变化，其变化范围通常为 0 1 0 2。ndviveg 代表纯植被覆盖像元的最大值，其 理 论 值应为 1，但植被类型及其构成、植被生长的季相变 化等因素都会造成 ndviveg 值随时空而变化。目前 在 实 际 应 用 中，不 同 研 究 对 ndvisoil 和 ndviveg 的取值方法有较大差异。本 文 在 实 际 计 算 时采用一种被研究者广泛应用的方法: 根据整幅影 像上 ndvi 的 灰 度 分 布，计 算 modis 数 据 的 直 方 图，根 据直方图的累积 量，选 择 最 接 近 0 5% 和99. 5% 的值近似的代表 ndvisoil 和 ndviveg ，即分别用 植被 ndvi 最大值和最小值代替 ndviveg 和 ndvisoil ， 植被覆盖度公式如下:fveg = ( ndvi ndvimin ) / ( ndvimax ndvimin )( 3)式中，ndvimin 、ndvimax 分 别 为 ndvi 的 最 大 值 和 最 小值。1 4 植被覆盖度的分级通过分析研究区实际情况并参考国内其他相 关研究成果，将 植 被覆盖度划分为劣覆盖度、低 覆 盖度、中覆盖度和高覆盖度 4 种类型，具体见表 1。 在 edas image 9 2 软 件 下 ，依 据 植 被 覆 盖度 灰 度 值 进 行 密 度 分 割 ，可 得 到 不 同 时 期 的 植 被 覆 盖 度 等 级 图 ; 然后再将水体信息与植 被 覆 盖 度 等级图进行叠加整 合 处 理 ，在 arcgis 9 3 软 件 下 对 整 合 后 的 栅格数据进行矢量化处理 ; 最 后 分 别 统 计 不 同 植 被覆盖类型的面积 ，并 进 行 数 据 对 比 分 析 。表 1 植被覆盖度分类体系类型地表植被覆盖度 / %地表景观特征劣覆盖度 1010 30表现为裸岩、裸土、裸沙地表主要由沙和砾石组成，植物有枯死芦苇、零星灌木和杂草 植物有灌木等，长势较好 植被有大量的草本、灌、乔木植物，长势较好低覆盖度中覆盖度30 60高覆盖度6022 1结果与分析植被覆盖的变化趋势从所获监测结果可知，2000 年到 2012 年间，陕表 2 给出了监测期间不同植被覆 盖 度 等 级 的年变化率。从 表 2 可 知: 2002 年 陕 北 地 区 的 植 被 覆盖度等 级年变化较为剧烈，中 覆盖度植被增加 显著，年 变 化 率 为 69 03 % ，劣覆盖度和低覆盖 度均有较明 显 的 减 少; 2004 、2006 、2008 和 2010 年， 劣覆盖度 在波动中呈现逐步递减 的 趋 势，高 覆 盖 度则保持持续小幅增加; 2010 年出现了轻微波动，面积又有所下降，年变化率 为 3 47 % ; 到 2012 年，高覆盖度 植被有较大幅度的增长，年 变 化 率 达 到19. 82 % 。2 2植被覆盖变化的空间分布特征2000 年到 2012 年 间，陕北地区大部分区域的 植被覆盖度都有明显改善，其中榆林市的植被覆盖改善状况最为显著，延安市北部的植被覆盖也有明显改善，延安市南部的大部分区域植被覆盖并无明 显变化，这是因为该区域的原植被覆盖大部分已达 到了高覆盖度水平。通过对各监测年份陕北地区植被覆盖度数据 的统计分 析，可 以 看 出: 2000 年 至 2012 年 间，陕 北 地区植被覆盖由低覆盖度变为中覆盖度的最多，约北地区的植被覆盖度基本保持 了稳步持续上升的 态势，生态环境状况有了显著的改善。从图 1 可知，2000 年到 2002 年 间，陕北地区的植被覆盖 度 变 化 较为显著，由 31 21% 上升至 41 51% ; 在 2004、2006 和 2008 年 间，陕 北 地 区 植 被 覆 盖 度 分 别 为 41. 97% 、43 27% 、45 78% ，表现为稳步小幅增长态 势; 2010 年与上 一 监 测 年 份 相 比，植被覆盖度略有 下降，为 44 83% ，但 降 幅 很 小; 到 2012 年，植 被 覆 盖度上升 为 52 84% ，有 较 显 著 的 增 加，与 2000 年 相比，植被覆盖度有较大幅度的上升。图 1 20002012 年陕北地区植被覆盖度变化特征测绘标准化standardization of surveying and mappingdec 2014，30( 4)10占植被覆盖度 变 化 面 积 的 51 45% ，变 化 区 域 主 要集中在榆林市及延安市北部; 其次由中覆盖度变为 高 覆盖度的也较 多，约占覆盖度变化 面 积 的17. 95% ，变化区 域 主 要 集中在延安市北部及中南 部，少量变化区域在榆林北部及中部零星地带。陕北地区植被覆盖度在这 10 多年间的稳步改善，表明 该区域的退耕还林还草与天然 林区保护工程等重 点生态建设工程的成效已经显现。表 2 陕北地区植被覆盖度年变化率 / %类型2002 年2004 年2006 年2008 年2010 年2012 年劣覆盖度低覆盖度 中覆盖度高覆盖度 38 21 25 9369 038 581 218 01 8 656 654 791 25 5 966 50 1 58 15 5510 534 26 12 505 390 91 3 47 13 58 27 572 9919 822) 陕北地区植被覆盖结构有显著改善。2000年至 2012 年，陕北地区的植被覆盖结构明 显 转 好， 高覆盖度和中覆盖度植被面积 总体呈持续增加趋 势，劣覆盖度 植 被面积在逐步减少，2012 年 劣 覆 盖 度植被面积下降至 3 057 24 km2 。3) 陕北 地区植被覆盖变化的空间分布 特 征 明 显。2000 年至 2012 年，陕 北 地区植被覆盖变化最 显著的区域主要集中分布在榆林市和延安市北部， 变化 较显著的区域主要集中在 延安市北部及中 南部。参考文献2 3各植被覆盖类的变化类型与结构2000 年至 2012 年，陕北地区的高覆盖度植被 面积总体呈持续增加趋势，2000 年该区域高覆盖度km2 ，到植 被 面 积13 402 612012年 增 加 到29 647 km2 ; 中覆盖度植被所占的面积呈显 著 上 升趋势，面积由 2000 年的 12 949 05 km2 上升到 2012 年的 36 033 82 km2 ; 低覆盖度植被所占的面积呈极 显著下降趋势，面积由 2000 年的 40 646 83 km2 下 降到 2012 年的 11 084 55 km2 ; 劣覆盖度植被所占 的面积下降明 显，面 积 由 2000 年 的 12 854 28 km2 下降到 2012 年的 3 057 24 km2 。本文在进行植被 覆盖度等级划分时，剔除了水体信息。以上一系列的数据均表明: 2000 年 到 2012 年 间，陕北地区 的 植 被覆盖结构转好，高 覆 盖 度 植 被 面积呈持续显著增加趋势，中覆盖度植被的变化尤 为明显，增幅最为显著，低、劣覆盖度植被面积在逐 步减少。1穆少杰，李 建 龙，陈 奕 兆，等 2001 2010 年 内 蒙 古 植被覆盖度时空 变 化 特 征j 地 理 学 报，2012，67 ( 9 ) :1 255 1 268李登科，范建忠，王 娟 陕西省植被覆盖度变化特征 及其成因j 应 用 生 态 学 报，2010，21 ( 11 ) : 2 896 2 903王 朗，傅 伯 杰，吕 一 河，等 生态恢复背景下陕北地 区植被覆盖的时空变 化j 应 用 生 态 学 报，2010，21( 8) : 2 109 2 116孙天华，刘晓茹，傅 桦 浅评我国生态环境监测现状j 首都师范大学学报: 自 然 科 学 版，2006，27 ( 3 ) :78 81刘 静，银 山，张国盛，等 毛乌素沙地 17 年间植被 覆盖 度 变 化 的 遥 感 监 测j 干旱区资源与环 境，2009，23( 7) : 162 167彭筱峻，袁文芳，朱艳芳 生态环境监测的现状及发展 趋势j 江西化工，2009( 2) : 25 29233结 语植被覆盖变化是生态环境变化的直接体现，在很大程度 上 反 映 了生态环境的总体情况。本 文 基于 modis 遥 感 数 据 反演了陕北地区 2000 20