基于NDVI的植被覆盖度的变化分析_以甘肃省张掖市甘州区为例

1、基于NDVI的植被覆盖度的变化分析以甘肃省张掖市甘州区为例周兆叶,储少林,王志伟,陈全功(兰州大学草地农业科技学院农业部草地农业生态系统学重点实验室,甘肃兰州730020摘要:为了分析张掖市甘州区自1987-2006年19年间的植被覆盖的变化,以归一化植被指数(NDVI和植被覆盖度遥感定量模型为基础,以1987年、2006年2期的T M影像和张掖市1B10万地形图为数据基础,提取两期的植被覆盖等级图,定量的分析该地区植被覆盖度的变化情况。结果表明:近19年来,该区的植被盖度总体略呈下降趋势,荒漠化草地等植被覆盖状况较差的地区植被退化较为严重,绿洲地区的植被覆盖较为稳定,部分地区植被盖度呈上升趋

2、势。关键词:甘州区;NDV I;植被覆盖;遥感中图分类号:T P79文献标识码:A文章编号:1001-0629(200812-0023-07植被对生态环境具有指示作用,美国植物生态学家克勒门认为,/每一个植物或群落可以判断它们生长其中的条件的尺度01。在自然诸因素中,植被是依赖性最大的一个因素,它对其它因素(气候、地形、地貌、土壤、水文条件等的改变最敏感,所以它能很好的指示绿洲地区生态环境的变化2。因此,研究绿洲地区植被覆盖度的变化对于了解该区域的生态环境变化具有重要的现实意义。提取植被信息的传统方法是样本估算法,即在研究区内抽取一定数量的样本区域,通过测算样本区域的植被覆盖度来推算整个区域的

3、植被覆盖度。但植被覆盖度存在明显的时空差异,这种传统的方法既耗时耗力又容易产生较大的误差,不利于大范围、多时相植被信息的提取。而采用遥感量测法可以快速的、大范围的提取植被信息。遥感量测法即利用遥感技术提取研究区的植被光谱信息,再将其与植被覆盖度建立相关关系,进而获得植被覆盖度3。归一化植被指数(the Nor-m alized Difference Vegetation Index,NDVIND-V I=(NIR-VIS/(N IR+VIS中,NIR表示近红外波段的反射率,VIS表示可见光波段的反射率。越健康的植物,红光反射值越小,红外反射值越大,其比值越大。以河西最大的内陆河黑河流域中游地区

4、的张掖市甘州区为研究区域,采用多时相T M遥感影像数据,参考地面资料,借助遥感图像处理软件ERDAS IM AGINE9.0图像分析软件ArcGIS 9.1,提取张掖市不同时期的植被指数,把植被指数的值归一到0255,根据土地利用类型图及灰度值与植被覆盖度的对应关系得到不同时期的植被覆盖等级图,定量分析该区植被覆盖度的多年变化,以期为进一步的生态恢复和重建工作提供参考和借鉴。1研究区概况张掖市甘州区位于甘肃省河西走廊中部,地处东经100b6c100b52c,北纬38b32c39b24c,南枕祁连山,北依合黎、龙首二山,是西部丝绸之路上重要的历史文化名城。该区总面积3698km2。张掖绿洲是河西

5、最大的内陆河黑河流域中游地区,张掖绿洲是河西著名的三大农牧绿洲(武威绿洲、酒泉绿洲、张掖绿洲之一,既属于西北绿洲又属于北方农牧交错带的典型地区4。其植被覆盖变化会影响全流域的生态环境,黑河流域下游孕育着额济纳绿洲,它肩负着中国北方生态环境保护的重任。甘州区绿地面积占整个张掖绿洲面积的20%,主要耕作土壤为绿洲灌淤土,耕地土25卷12期Vo l.25.No.12草业科学PRATA CU LT U RAL SCIENCE2312/2008*收稿日期:2008-01-08作者简介:周兆叶(1982-,女,甘肃靖远人,在读硕士生。EËmail:zhouzhaoye2006通讯作者:陈全功壤养

6、分居全国中等水平,对发展农业生产具有得天独厚的条件5。所以对张掖甘州区的植被覆盖变化进行动态监测有着重要的生态及现实意义。2 研究方法2.1数据来源 主要包括1987年8月、2006年8月的TM 影像、甘州区1B 10万地形图。上述2个时期的遥感影像数据均摄于植被生长比较好的时期,能够较好的代表研究区植被的生长状况。1B 10万地形图用于纠正影像。不同时相影像的选取使植被状况具有可比性。2.2遥感图像预处理 预处理主要包括几何纠正、投影转换、研究区域的裁切、不同时相遥感影像直方图匹配等工作。几何纠正:根据甘州区1B 10万地形图,运用ERDAS IM AGINE 9.0软件下的自动精纠正工具对

7、遥感影像进行几何纠正,采用二次多项式拟合法进行影像配准,然后运用临近点插值法进行重采样,均方根误差控制在0.5个像元以内。投影转换:为了使陆地卫星数据资料与地面辅助图形的空间参考信息一致,必须进行投影转换,本文采用横轴墨卡托投影。研究区域裁切:根据研究需要,用ArcMap9.1空间分析模块下的掩膜工具以张掖市甘州区行政区划图的边界作为掩膜图层,提取甘州区行政范围内的影像数据。直方图匹配:对图像查找表进行数学变换,使一幅图像某个波段的直方图与另一幅图像对应波段相似,或使一幅图像的所有波段的直方图与另一幅图像所有对应波段相似,常用于多时相遥感图像动态变化研究的预处理工作6。研究将2006年的影像与

8、1987年的影像匹配。2.3NDVI 的计算及其与土地利用类型转换2.3.1NDVI 的计算 NDVI 是目前应用最广泛的一种植被指数,NDVI 的变化在一定程度上能代表地表植被覆盖变化情况7。NDVI 的值在-1+1变动,无植被的裸土地区,NDVI 值很低,近于0;而植被密度较高的区域,NDVI 的值较高,大于0.7;水域为负值7。NDVI 是植被生长状况及植被空间分布密度的最佳指示因子,与植被覆盖分布呈线性相关8,9。因此,研究采用NDVI 。在ERDAS IMAGINE 9.0软件的光谱增强模块中用indices 命令对TM 影像进行NDV I 计算,得到研究区不同时相的NDVI 灰度图

9、(如图1所示 。图1 甘州区植被指数灰度图24P RA T A CU L T U RA L SCIEN CE(Vo l.25.N o.1212/20082.3.2NDVI 值与植被覆盖等级的转换 要使植被指数能够定量的反映植被信息,必须赋予ND -V I 值以相应的植被覆盖含义10。由于植被指数既反应了特定景观中群落面积同景观总面积的比例关系,也反映了植物群落层片结构的特点,既反映了植被的盖度分布,同时也间接反映了植物的生物量高低11,12。把植被指数转换为植被覆盖等级,实际上是对植被指数进行综合和简化,对于植被生态景观面积变化的定量评价更为直观13。为了便于显示和计算,利用公式MD VI 0

10、255=N D VI -N D VI minN D VI max -N D VI min255式中,N D VI 0255表示归一为0255的植被指数值;N D VI min 、N D VI max 分别表示最小、最大归一化植被指数值。把NDVI 的值归一到0255。N DVI 0255的值在0128时,近红外波段对植被的反射值很低,地物类型基本为:荒漠、戈壁、水域和居民区等无植被的地区;N D VI 0255的值在129255时,像元灰度值与植被覆盖程度正相关,像元灰度值越大,植被覆盖程度越高14,15。根据国家环保局2005年生态遥感监测与评价工程成果之一甘州区土地利用类型矢量图及图像灰度

11、值直方图,以及国家/土地利用现状调查技术规程0,全国/草场资源调查技术规程0,/全国沙漠类型划分原则0的有关条款为指导16,17,并结合干旱区植被特有的生态特征18,将像元灰度值分级并使其与土地利用类型相对应。根据表1中像元灰度分段值,将0255的NDVI 值灰度图进行分级,如图2。表1 像元灰度值与植被覆盖等级对应表级别像元灰度值分段植被覆盖度土地利用类型覆盖等级一级191255>60%密灌木地、密林地、灌木林地等优等覆盖二级15619030%60%优良耕地、潜在退化土地、高盖度草地、林地等良等覆盖三级13915515%30%中低产草地、固定沙地、滩水地等中等覆盖四级1291385%1

12、5%荒漠草地、稀林地、零星植被等差等覆盖五级128以下5%以下荒漠、戈壁、水域和居民区等 劣等覆盖图2 甘州区植被覆盖等级图2512/2008草 业 科 学(第25卷12期2.2计算各级各时相植被覆盖的面积各时相影像的灰度图的栅格值被赋予15的属性值,为了统计各类的面积,将其转换为矢量图层,在ArcM ap9.1软件中计算各图层的面积。各时相各类别的面积统计见表2。表2的数据表明:19年间,该区各类别植被面积发生较大的变化,其平均变化量达46.08%,其中二级、五级植被面积增加,其变化率分别为36.32%、53.51%。一级、三级、四级植被面积均减少,其变化率分别为54.81%、37.01%和

13、46.32%。说明植被状况的退化与好转并存,人类活动的破坏与改善并举。但变化量只能衡量总体变化情况,并不能说明各类别之间的转移情况。2.3不同等级植被覆盖的动态变化在ArcM ap9.1空间分析模块下运用T abulate Area 工具,对2期植被盖度等级图进行运算,得到1987-2006年各植被覆盖等级面积的转移矩阵。转移矩阵可定量地描述各类别之间的相互转移情况。表21987、2006年各级植被覆盖的面积及所占比例级别1987年面积(km2百分比(%2006年面积(km2百分比(%变化量面积(km2百分比(%一级139.24 3.7762.92 1.70-76.3254.81二级600.8

14、216.25819.0722.15218.2536.32三级493.9213.36311.128.41-182.8137.01四级1279.9934.61687.0518.58-592.9546.32五级1184.2232.021817.8649.16633.6353.51表3、表4的数据表明:一级植被主要转移为二级,也有部分植被由二级转为一级,但后者仅有前者的1/3,说明对灌木等优良植被的破坏大于治理。二级植被主要转出为三级植被,转移面积为106.97km2,但小于主要由三级转入的173.19 km2。三级植被主要由二级植被转入,占其转入量的48.75%,但162.50km2的三级植被转出为

15、五级,说明三级植被的退化比较严重。四级植被主要转出为五级植被,转移量达760.56km2,荒漠草地等植被覆盖很差的地区极易退化为荒漠等。五级植被中有101.76km2转出为四级植被。表31987-2006年各植被覆盖等级面积的转移矩阵级别一级面积(km2百分比(%二级面积(km2百分比(%三级面积(km2百分比(%四级面积(km2百分比(%五级面积(km2百分比(%一级11.047.936.03 6.011.52 2.3 4.370.3 2.430.2二级104.9576.4394.5465.7173.1935.192.047.351.85 4.4三级14.0211.1106.9717.893

16、.2918.756.50 4.441.93 3.5四级 3.89 2.849.218.2162.5032.7364.1428.5101.768.6五级 2.50 1.814.16 2.355.3211.2760.5659.5986.9283.3表41987-2006年各级别转出、转入情况类项一级二级三级四级五级转出面积(km2125.36206.37402.53913.47197.96转入面积(km254.35422.03219.42317.3683.25主要转出面积(km2104.95106.97173.19760.56101.76百分比(%83.7251.8343.0383.2651.40

17、主要转入面积(km236.03173.19106.97162.50760.52百分比(%66.2941.0448.7551.2091.3526P RA T A CU L T U RA L SCIEN CE(Vo l.25.N o.1212/20083结果分析3.1各时相各覆盖等级的总体变化不同等级植被覆盖的变化既有正向变化也有负向变化,但计算总体变化数据,负向变化略强于正向变化,该区植被覆盖总体略呈下降趋势。表2的统计结果表明:减少幅度最大的是优等覆盖的植被,从1987年的139.24km2减少到2006年的62.92 km2,降幅达到54.81%。全区劣等植被覆盖的面积由1987年的1184

18、.22km2增加到2006年的1817.86km2,增幅达到53.51%,高于该区的平均变化率,其变化的面积占全区变化面积的37.19%。从植被覆盖等级图上可看出差等植被覆盖主要转移为劣等植被覆盖,转移量最大的位于平山湖蒙古族地区,该区位于甘州区的北部地区,主要地貌类型为戈壁滩和沙漠。正向转移地区主要为甘州区的绿洲地区,优等植被覆盖面积增加了218.25km2,增幅达到36.32%,从植被覆盖等级图上可看出,该等植被覆盖主要由中等植被覆盖转移而来。3.2不同等级植被覆盖变化的动态分析各等级植被覆盖面积变化的转移矩阵统计的结果表明:¹以密灌木、灌木林地等为典型景观的优等植被覆盖主要转移

19、为以优良耕地、高盖度草地为主要景观的良等植被覆盖,转移面积占1987年优等植被覆盖面积的76.4%。º良等植被覆盖主要分布在绿洲地区,耕地相对比较稳定,其转移量相对较少,有34.3%的发生转移,以负向转移为主,其中17.8%转移为中等植被覆盖,发生转移的主要是花寨乡和安阳乡,由于其附近酥油口河的干涸,植被覆盖状况有所下降。»中等植被覆盖有81.3%发生转移,正负向转移相当,有35.1%转移为良等植被覆盖,主要为黑河流域及山丹河流域的各乡镇,植被状况有明显的好转。32.7%转移为差等植被覆盖,主要为甘州区西南部的花寨乡和安阳乡。¼差等植被覆盖有71.5%发生转移,以

20、负向转移为主,其中向劣等转移59.5%,主要为研究区北部的平山湖蒙古族地区,该区戈壁、荒漠占其面积的一半以上。½劣等植被覆盖仅有16.7%发生转移。4原因分析4.1自然因素4.1.1自然灾害使土地沙漠化甘州区的荒漠绿洲存有大量的砾石、黄土和沙质土壤,荒漠植被稀疏,土质疏松,一遇大风,沙粒经风力搬运,移入绿洲,掩埋土地,使绿洲土地丧失生产力而引起土地沙漠化。近50年来,我国北方地区气温显著升高,暖冬年份连续出现的气候特征又加速了这种可能19。4.1.2降水量的影响负向转移量最大的是由差等转移为劣等,转移面积达760.56km2,占整个研究区面积的21%,统计19872001年甘州区年降

21、水量见表5。表51987-2006年甘州区年降水量mm 年份年降水量年份年降水量1987143. 8199776.6 1988156.41998149.91989109.4199987.71990138.32000126.2199185.62001114.91992130.72002148.21993195.52003127.81994128.8200482.41995127.02005165.41996136.42006121.4根据年降水量做出其趋势线,如图3。图31987-2006年甘州区年降水量趋势线趋势线表明,1987-2001年,降水量略呈下降趋势,这是引起植被状况较差且远离河流区

22、域2712/2008草业科学(第25卷12期P RA T A CU L T U RA L SCIEN CE( Vo l. 25. N o. 12 12/ 2008 2 植被退化的主要原因之一。其中, 甘州区北部的 平山湖地区草地退化最为典型, 该区的荒漠化草 地退化为戈壁、 荒漠。 代中期的 10 年间, 甘州区毁林开荒 1 600 hm 。 其二是过牧。过牧是指超过天然草场承载力 的放牧活动。因近年畜产品价格持续上涨, 受市 场利益的驱动, 牧民们开始盲目增加牲畜头数, 导 致了草场的严重超载放牧。超载的结果一是由于 牲畜的过度啃食, 牧草变得矮小稀少; 其次是由于 牲畜的过度践踏, 地表结

23、构受到破坏, 草地质量下 降, 盖度降低 19 。 主要分布在研究区北部的平山湖蒙古区、 东 南部、 西南部差等、 劣等植被, 其类型主要为荒漠 化草地, 自然生态环境比较脆弱, 更易遭受人口更 快增长、 滥垦滥樵及过牧等人为因素的影响, 其退 化程度及速度较其它地区更为严重、 急剧。劣等 植被面积由 1987 年的 1 184. 22 km 增加到 2006 年的 1 817. 86 km , 增幅达 53. 51% 。沙井子等 地的沙窝也均非大规模的流沙侵入, 而是过度利 用水资源, 大量破坏植被和河流改道等造成环境 失衡所致的典型现代人为荒漠化 20 。 4. 3. 2 政策的影响 张掖

24、市 位于黑河流域中游, 自 1999 年实施黑河流域生态补偿政策以来, 绿洲 地区退耕还林效果明显, 2002 年张掖市退耕还林 1. 385 万 hm 2 , 其植被覆盖状况未发生恶化, 而且 相当一部分地区发生正向转移。 2 2 4. 2 河流的影响 河流的灌溉对植被覆盖正、 负向转移的影响也是较明显的。正向转移主要发 生在黑河、 山丹河流域的绿洲地区, 黑河的年径流 量虽然落差比较大, 在 12. 87 23. 12 亿 m 3 间变 化, 但其趋势线比较稳定, 流域内的植被生长状况 良好。小满、 梁家墩、 龙渠、 和平、 长安等乡镇的变 化较为典型。中等转移为良等, 以及中等、 良等转

25、 移为优等都主要集中在这些地区。负向转移主要 发生在研究区西南部的花寨乡和安阳乡, 其植被 退化主要是因酥油口河的干涸引起。 表6 年份 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 黑河 1987- 2006 年年径流量 年径流量 15. 7 17. 3 23. 1 15. 9 12. 9 13. 1 18. 0 年份 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 亿 m3 年径流量 14. 1 15. 4 18. 1 13. 9 21. 6 16. 2 14. 6 5 讨论 分析的结果符合研究区的实际情况, 说明遥 感监测植被覆盖的动态变化是

26、切实可行、 快捷、 准 确的。自然生态环境脆弱、 植被状况较差的地区 更易受到自然灾害、 降雨、 灌溉、 人类活动等因素 的影响, 更易遭到破坏, 而耕地等中、 良等植被覆 盖状况较为稳定。研究区内植被盖度的变化是因 水资源短缺、 口增长过 快、 牧等诸多 因素引 人 过 起, 为此, 提出如下建议: 保护和合理利用水资源、 图4 黑河 1987- 2000 年年径流量统计趋势线 建立节水型农业; 坚持封山育林、 退耕还林还草; 控制人口数量使人与自然和谐相处; 以草定畜, 加 快草原建设。以期为该区进一步的生态恢复和重 建工作提供参考和借鉴。 参考文献 1 北京大学. 植物 地理 学( 附植

27、 物学 基础 M . 北京: 人民教育出版社, 1980. 139 145. - 4. 3 人类活动及其政策的影响 4. 3. 1 人类活动的影响 其一是滥 垦滥樵。据统计, 1987 年, 甘州 区 人口为 40. 698 万, 2006 年增至 50. 655 8 万, 增幅 达 24. 5% , 人口的增加必然引起对资源需求量的 增加, 因而出现了漠视生态环境承载力而追求经 济快速发展的滥垦滥樵。20 世纪 80 年代至 90 年 28 12/ 2008 2 草 业 科 学( 第 25 卷 12 期 ternatio nal Jo unnal o f Biometeo rolog y,

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