基于rs和gis的植被覆盖度变化分析

基于rs和gis的植被覆盖度变化分析

毛乌苏沙地南部是湖北平原与洛杉矶高原之间的过渡地带。这是一个典型的农业和畜牧业过渡区，生态环境脆弱。区内陕西省定边县是毛乌素沙地扩展南进的屏障之地,县境北部属于毛乌素沙地南缘,土地风蚀沙化,南部丘陵沟壑区,地貌破碎水土流失。植被作为生态系统的初级生产者,不仅提供系统所需有机物质和生物化学能量,还可改善和调节环境服务于生态系统。植被变化是荒漠化发展和逆转最直观的表现,也是气候和人文因素对生态环境影响的敏感指标。植被覆盖度刻画地表植被数量,是监测与评价沙地发展程度的重要指标。定边县地理位置特殊,植被在水土保持以及沙漠化防治中的作用尤为突出,区内地表植被格局特征为植被保护及恢复重建提供科学依据,也可判别沙地发展状况。景观生态学方法应用于植被景观研究,通过植被格局分析植被变化过程。毛乌素沙地植被研究中,植被资源调查、某植被种群及个体特性研究、植被恢复技术等文献居多,利用遥感和地理信息系统技术对沙地进行景观格局研究的也较多,但对植被进行景观格局研究的较少,多为植被覆盖度提取和变化研究。本文以定边县为例,按地貌分区,分析不同地貌上植被覆盖度的结构和景观格局变化特征。1阴山丘陵阴土地区的植物群落定边县地处陕西省榆林地区最西端,东经107°15′—108°22′,北纬36°49′—37°53′,总面积69.20×104hm2(如图1)。该区属温带半干旱大陆性季风气候,春季多风、夏季干旱、秋季阴雨、冬季严寒,日照充足。雨季迟且雨量年际变化大,年均气温7.9℃,年均日照2743.3h,年均降雨量316.9mm,年均无霜期141d左右,绝对无霜期110d。全县海拔1303—1907m。县境中部白于山横亘东西,辐射南北,将全县分为两大地貌类型:南部为白于山区的黄土丘陵沟壑区,北部为毛乌素沙地南缘风沙滩区。区内植物种类少,植被覆盖度低,风蚀沙化和水土流失严重。自然植被由南向北从森林草原向干草原、荒漠草原过渡。区内有草原、灌丛植被;固定和半固定沙丘上有沙生灌丛,滩地上分布草甸、盐土与沼泽植被。主要植物种类:碱茅(Puccinelliadistans)、白草(Pennisetumcentrasiaticum)、甘草(Glycyrrhizauralensis)、软毛虫实(Corispermumpuberulum)、沙珍棘豆(Oxytropispsammocharis)、盐蒿(Artemisiahalodendron)、沙蒿(Artemisiasphaerocephalla)、杆柳(Periplocasepium)、寸草(Carexstenophylla)、芦苇(Phragrnitascmnmunis)等。人工植被有陕蒙边界防风固沙林带、长城防护林带、307国道防护林带,白于山区北麓环山林带、农田以及农田防护林网,主要人造乔木树种有杨树(PopulussimoniiCarr.,P.pseudo-simonii)、旱柳(Salixmatsudana)、榆树(UlmuspumilaL.)、油松(Pinustabulueformis)、樟子松(Pinussylverstrisvar.mongolica),人造灌木及草类沙打旺(Astragalusadsurgens)、苜蓿(Medicagosativa)、踏郎(Hedysarumleave)、花棒(Hedysarumscoparium)等。2学习方法2.1—数据源及预处理三期LandsatTM/ETM遥感数据:1991年8月23日、1999年9月22日、2007年9月20日,轨道号128/034,分辨率30m×30m。研究区7—9月份降雨集中植被生长良好,利于植被信息的准确提取。遥感数据预处理的几何精度控制在1个像元以内。辅助数据有数字高程图、行政区划图、统计年鉴等。2.2地形地貌分区较大时间尺度上,地貌是区域景观格局形成的主要因素,尺度较小时地貌为景观格局的制约因素,研究区地貌南北差异较大,对植被覆盖度结构和格局影响不同。通过分析地形特点,以高程为1450m的等高线作为主要分界线,将研究区分为A、B两区:海拔高度小于1450m的北部风沙区和海拔大于1450m的南部丘陵沟壑区(图1),两区面积比约为1∶2。A区地形起伏小,荒漠化土地分布广泛,土壤结构疏松易风化,沙丘间交错分布有滩地和海子。B区地形起伏大,地貌破碎,有较大的河流和水库分布。2.3植被覆盖度分析研究区植被覆盖度提取采用像元二分模型植被覆盖度提取方法,假设像元由裸土和植被两部分构成,推导得出植被覆盖度计算公式:式中,Fc为植被覆盖度;NDVI为影像中像元的归一化植被指数;NDVIsoil为全裸土覆盖区域的NDVI值;NDVIveg为茂密植被覆盖像元的NDVI值。利用ERDAS9.1提取NDVI,经过反复对比分析选定NDVIsoil和NDVIveg的数值,计算植被覆盖度。参照水利部颁布的《土壤侵蚀分类分级标准SL190—2007》和国家林业局颁布的《第四次全国荒漠化和沙化监测技术规定》,将研究区植被覆盖度分为6级。统计发现第6级极高植被覆盖度的面积很小,最大面积比例小于0.5个百分点,所以将比例微小的第6等级植被并入第5等级,将植被覆盖度等级修正为5个级别:Ⅰ级(Fc≤0)为无植被区;Ⅱ级(0<Fc≤10)为极低植被覆盖度;Ⅲ级(10<Fc≤30)为低植被覆盖度;Ⅳ级(30<Fc≤50)为中等植被覆盖度;Ⅴ级(Fc≥50)为高植被覆盖度。两区植被覆盖度分级见图2和图3。2.4空间粒度效应景观指数反映景观结构和空间配置,从斑块、类型和景观3个水平定量描述景观格局特征。根据景观指数的生态学意义和指数间相关性,结合研究区植被覆盖特点,选取类型水平指数斑块占景观面积的比例(PLAND)、斑块密度(PD)和斑块内聚力(COHESION);选取景观水平指数斑块密度(PD)、景观形状指数(LSI)、香农多样性指数(SHDI)、香农均匀度指数(SHEI)、散布与并列指数(IJI)。景观指数对空间尺度(幅度和粒度)有显著依赖性,幅度为研究区的空间范围,粒度为最小可辨识单元,遥感数据粒度对应像元大小。空间粒度小景观描述细微,但信息数据量过大,掩盖格局中一些重要信息,同时景观指数计算机时过长。通过分析景观格局指数的空间粒度效应,结合研究区特点,将数据粒度定为60m×60m。利用ERDASIMAGE9.1将30m×30m的植被数据重采样为60m×60m,ArcGIS9.2将数据转为Grid文件,通过Fragstats3.3计算景观指数。3结果分析3.1景观结构特征3.1.1、丘陵区植被分布特征植被覆盖度的面积比例变化图(图4和图5)显示,两区五类植被的10条折线中9条在1999年后发生反向变化,说明1999年是两区植被景观结构变化的重要拐点。数据点位高低表明,1991、1999和2007年两区占绝对优势的植被覆盖度等级相同:Ⅱ、Ⅲ级—Ⅱ、Ⅲ级—Ⅲ、Ⅳ级。1991—1999年风沙区Ⅱ、Ⅲ级植被面积比例从55%增为70%;丘陵区从大于70%增为80%。2007年两区占绝对优势的级别提升为Ⅲ、Ⅳ级,风沙区面积比例55%,丘陵区则超70%。两区Ⅴ级植被面积最小,数值极小,属稀有类型,但风沙区的比例明显大于丘陵沟壑区,这与长期以来人们对沙地治理的重视和林场多分布在风沙区有关。第一时段风沙区Ⅴ级植被比例5%,丘陵区2%,微弱减小;2007年风沙区为10%,丘陵区为5%。两区Ⅳ级植被变化较大,风沙区19%—15%—27%,丘陵区15%—10%—40%。风沙区Ⅲ级植被比例持续增加:27%—29%—30%;丘陵区比例先减小后增大:32%—30%—37%。两区Ⅱ级植被变化最大,风沙区变化30%—40%—20%,丘陵区为40%—50%—15%。风沙区Ⅰ级无植被区比例在20%—10%之间先大幅减小后微弱增大,丘陵区在10%—5%之间持续减少,幅度先小后大。整体上来看,两区1991—1999年较低级别植被比例增加,高级别比例降低,植被覆盖状况持续恶化;1999—2007年植被变化逆转,覆盖状况好转。但占绝对优势的植被仍以较低级别为主,全区植被状况整体较差。风沙区各研究点数据点间距离小分布较集中,等级间面积差异较小分布较均匀;丘陵区反之,面积比例差异大。图中折线起伏程度反映植被稳定性或脆弱性,幅度大较脆弱,抗干扰性差,反之稳定性强。两区极低和中等植被稳定性差,而低级和高级稳定性强。这与植被等级和所处生境有密切关系。高级植被多为林地,稳定性强;中等植被在外界干扰下易向两端发展。3.1.2植被密度及厚度斑块密度是单位面积上植被块数,一定程度上反映植被破碎度。纵观图6柱体高度,丘陵区多数高于风沙区,说明丘陵区植被破碎度高,风沙区整体性较好。风沙区Ⅰ、Ⅴ级植被密度小整体性较好,因Ⅰ级为盐池及湖盆等水体、流动沙地、建筑用地,面积变化几率大,分隔几率小;Ⅴ级植被多以防风林带及林场形式存在,短时间内不会分隔。中间级别斑块密度较大破碎度较强,这与风沙区沙地的分布格局有关。丘陵区Ⅴ级植被密度小整体性好,其余级别破碎化程度都较大强。Ⅴ级植被多为农田防护林带和四旁种植的条带状林地斑块,外界干扰小整体性好。两区Ⅴ级植被,2007年面积最大,但破碎化程度也最强,说明外界对其干扰逐年增强。3.1.3级年龄更大,关联植被连通性差斑块内聚力指数(0≤COHESION<100)度量植被覆盖度的自然连通度,比例降低且不断细化,连通性降低,数值趋近于0;比例提高,连通性提高,数值增加。风沙区各级植被内聚力指数均大于40,植被连通性较高,扩展性好。该区1991和2007年植被连通规律相同,Ⅲ级植被隔离度大,两端植被斑块连通性高。丘陵区植被的连通性低,1991和1999年植被连通规律相同,植被区连通度,级别越高连通性越差。两区1999年的折线变化规律相同,1991—1999年高级别植被向低级别转变,Ⅱ级植被增多,连接几率高,连通性强;其它级别植被的连通性随级别提高而降低。风沙区Ⅴ级斑块的连通性较大,因为全区林场大多分布在该区,包括乱井子、长茂滩等20世纪五六十年代建设的大林场。图6线、柱的变化显示,风沙区Ⅰ—Ⅲ级斑块密度加大连通性减弱;Ⅲ—Ⅴ级斑块密度减小结合度增强。说明该区植被密度和结合度呈负相关,密度增大破碎化程度加强,植被聚集性被打破,连通性下降。丘陵区密度和连通性关系不明显。3.2景观结构的特征和变化1991—1999年和1999—2007年两区景观水平指数动态变化见图7。3.2.1不同风沙区的shdi分析景观多样性指数(SHDI≥0)表征各级植被面积比重和景观异质性,数值增大面积比重均衡化,异质性程度加强,反之亦然。研究点上风沙区SHDI值均高于丘陵区,说明风沙区异质性强,类型间面积比重较均衡,与之前面积分析结果一致。时段内景观多样性变化一致,先减弱后增强,且两区2007年的末端值越过了1991年的起始值。说明1991—1999年两个亚区内少数斑块对景观的支配程度加强,景观多样性下降;1999—2007年各类斑块的支配均衡化发展并超过1991的水准,景观异质性加强,稳定性提高。3.2.2两区分布特征香农均匀度指数(0≤SHEI≤1)描述各级植被配置的均匀程度,数值越大类型分布越均匀。两区SHEI值在0.8附,变化微小,各级植被分布较均匀。同一时间风沙区植被类型配置均匀度优于丘陵区,两个时段内两区SHEI折线先下降后增强,植被景观向均匀化发展。3.2.3丘陵区景观破碎化的趋势丘陵区PD折线整体高于风沙区,且在研究期间持续上扬,而风沙区PD线先上扬后回落,未探及1991年的初始值。说明丘陵区的破碎化程度强烈,景观破碎化趋势明显,1999年之后破碎化速度加快,干扰日益增强,生态愈加脆弱。风沙区破碎化程度1999年之前增强,而后下降,与1999年之后Ⅱ、Ⅲ级斑块面积增大,集中连片有一定关系。总的来看,两区景观破碎化差异较大,与两区地貌不同有关。两区景观的密度变化表明,景观破碎化不可能消除但可以控制在一定范围之内。3.2.4风沙区的lsi变化和丘陵区的变化景观形状指数(LSI≥0)度量景观复杂程度,数值越大形状越复杂。两区LSI数值差别大,风沙区在120上下,丘陵区在200左右,丘陵区的景观形状复杂程度远大于风沙区,是地貌基低破碎的结果。风沙区LSI变化较大,第一时段形状复杂化,第二时段趋向简单。,丘陵区变化微小,前段几乎没有变化,第二时段复杂化。说明外界对风沙区的干扰大于丘陵区,沙地治理措施是干扰的主要因素。散布与并列指数(0<IJI≤100)表征不同级别植被的混杂程度。两区斑块的IJI指数值均大于50,植被混杂程度较大,景观异质性大,风沙区尤甚。1999年之前两区IJI折线下降,之后数值反弹并高于1991年,说明2007年两区植被混杂程度高,景观异质性大,植被格局稳定。3.3风沙区核心斑块的排列图2和图3局部放大的A、A+、B和C小图显示,两区植被覆盖度的分布模式为多核心式。图A和A+局部景观的核心为Ⅰ级无植被覆盖斑块,此处为流动沙地,外围依次环绕排列Ⅱ—Ⅴ级斑块。B图核心为Ⅴ级高植被覆盖度,外围依次排列Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ级植被覆盖度斑块。C图核心为树枝状Ⅰ级非植被覆盖斑块,此处是带支流的河流,外围条带状分布Ⅱ—Ⅳ级斑块。其它区域的分布格局相似,研究区景观为多核心式分布模式(图8),核心外围依次升序或降序排列各级植被斑块,不同核心外围重叠于Ⅱ或Ⅲ级制备。重叠部分可看作景观的基质,与之前面积比例分析结果一致,景观中面积比例最大的植被覆盖度斑块为Ⅱ或Ⅲ级植被覆盖度。风沙区核心以Ⅰ级斑块居多,丘陵区Ⅴ级斑块较多。核心斑块形状取决于具体地物,影响外围斑块的分布排列。植被格局演变过程中,核心斑块的面积、形状、甚至类型会发生变化(图A和A+),外围斑块随之发生相应变化。4结论和讨论4.1植被景观格局应用遥感及地理信息系统技术和景观生态学方法,对毛乌素沙地南缘植被景观格局进行对比研究,了解了敏感地区植被景观的变化过程。(1)1999年是1991—2007年植被景观结构变化的转折点,两区变化趋势相同但程度不同,前一时段恶化后一时段明显好转。第一时段极低和低级植被覆盖度比例占优势且继续增强,风沙区55%—70%,丘陵区70%—80%,丘陵区植被覆盖状况比风沙区差;第二时段优势类型提升为低级和中等植被覆盖度,风沙区比例55%,丘陵区大于70%,丘陵区植被覆盖度优于风沙区。丘陵区各级植被覆盖度破碎、分布不均且连通性差;风沙区则相反。各等级植被覆盖度的稳定性和脆弱性不同。极低和中等植被覆盖度的稳定性最差,低级和高级的稳定性最强,不同区域稳定性有差别。(2)1999年是两区植被景观格局演变的转折点,之前格局稳定向劣势发展,之后驱向良性。两区植被景观格局差异显著。风沙区植被景观格局优于丘陵区,整体性好多样性高,植被类型均匀异质性高。但外界对风沙区的干扰大,而丘陵区的景观破碎度强。两区景观变化趋势基本相同,程度不同,说明短时间内,外界对两区的干扰作用是植被格局质变过程中量变的微小积累。(3)植被覆盖度景观格局为多核心模式,外围植被分布具有一定的梯度性,核心之间以中间等级植被覆盖度相连。风沙区核心多为无植被区,丘陵区核心以高植被覆盖度为主。不同时间段内模式相同,但随植被覆盖的好转,核心的面积、形状和类型向优势类型转变。1991和1999年,两区核心间相连的植被覆盖度以极低植被覆