蔡胡霖　駱　熠

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基于GIS的東川地區(qū)植被指數(shù)季節(jié)變化研究

蔡胡霖1駱熠2

摘要：文章以昆明市東川區(qū)2000至2012年的MODIS遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過提取歸一化植被指數(shù),分析了多年來東川區(qū)植被指數(shù)的季節(jié)變化。研究結(jié)果表明：2000至2012年東川區(qū)植被季節(jié)變化逐漸增大，植被的覆蓋率正逐漸減少，論文的研究對(duì)實(shí)現(xiàn)東川地區(qū)的合理開發(fā)、利用，保護(hù)植被資源及促進(jìn)東川地區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：植被指數(shù)；季節(jié)變化；植被覆蓋；GIS；遙感

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，地表植被的變化，會(huì)直接影響到地表能量的收支平衡，從而導(dǎo)致地表景觀的變化。由于植被具有很明顯的年際變化和季節(jié)變化特征,因此植被的變化在一定程度上可以反映氣候和土地覆蓋的變化,植被覆蓋度作為反映植被基本情況的指數(shù),在很多研究中被用作基本參數(shù)。對(duì)東川地區(qū)植被指數(shù)季節(jié)變化的研究，可以快速準(zhǔn)確地將東川區(qū)植被生長現(xiàn)狀及演變趨勢表達(dá)出來，研究成果對(duì)該區(qū)域的經(jīng)濟(jì)建設(shè)及生態(tài)研究具有一定的參考意義。

一、緒論

研究意義：近年來，遙感和GIS技術(shù)迅速發(fā)展，并在植被覆蓋研究方面廣泛應(yīng)用。GIS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能，為充分獲取地理信息提供了廣闊的平臺(tái)，而隨著遙感對(duì)地觀測技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者用其進(jìn)行了大量的植被覆蓋研究，因而，結(jié)合RS與GIS技術(shù)能夠有效地獲取和分析植被變化信息[2]。

植被指數(shù)是遙感監(jiān)測地面植物生長和分布的一種方法，但由于植被指數(shù)受植被本身、環(huán)境、大氣等條件的影響，因而具有明顯的地域性和時(shí)效性。NDVI是目前使用得最為廣泛的植被指數(shù),是反映植被生長狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指示因子[1],同時(shí)還用于檢測植被生長狀態(tài)、植被覆蓋度和消除部分輻射誤差等。

近年來，昆明市東川區(qū)水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境迅速退化，也制約了東川地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。而植被指數(shù)作為衡量植被的重要指標(biāo)，也是改善東川區(qū)生態(tài)環(huán)境問題的主要依據(jù)，因而對(duì)東川區(qū)進(jìn)行植被指數(shù)季節(jié)變化的研究顯得尤為重要。

二、研究區(qū)基本概況

自然地理概述：東川地處云貴高原北部邊緣，屬川滇經(jīng)向構(gòu)造帶與華夏東北構(gòu)造帶結(jié)合過度部位。境內(nèi)山高谷深，地勢陡峻，以小江為界，東側(cè)為烏蒙山系，西部為拱王山系，海拔均4000多米，而東川境內(nèi)金沙江與小江的交匯處，海拔僅為695米。由于東川境內(nèi)為世界深大斷裂帶，地質(zhì)侵蝕強(qiáng)烈，形成了典型的深切割高山峽谷地貌，加之境內(nèi)氣流、降雨、土壤、植被等方面的差異，具有典型的“一山分四季、十里不同天”的立體氣候。

三、數(shù)據(jù)來源及分析

(一)植被指數(shù)

植被指數(shù)是遙感監(jiān)測地面植物生長和分布的一種方法，其計(jì)算方法很多,主要有比值植被指數(shù)(RVI)和歸一化植被指數(shù)(NDVI)。由于NDVI對(duì)綠色植被表現(xiàn)敏感，它可以對(duì)農(nóng)作物和半干旱地區(qū)降水量進(jìn)行預(yù)測，該指數(shù)常被用來進(jìn)行區(qū)域和全球的植被狀態(tài)研究。雖然NDVI對(duì)于低密度植被覆蓋的觀測和照明幾何非常敏感，但在農(nóng)作物生長的初始季節(jié)，對(duì)植被覆蓋百分比估計(jì)過高；在農(nóng)作物生長的結(jié)束季節(jié)，易產(chǎn)生估計(jì)低值。因而,本文將各波段反射率以不同形式進(jìn)行組合來消除外在的影響因素，采用計(jì)算公式如下：NDVI=(NIR-RED)/(NIR+RED)，以此來獲取東川區(qū)的植被指數(shù)。

(二)數(shù)據(jù)來源

MODIS數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)下載的2000至2012年云南省昆明市東川區(qū)的遙感數(shù)據(jù),分辨率為1km的3級(jí)，處理軟件為ENVI,ArcGIS,EXCEL。MODIS在紅光和近紅外波段地面空間分辨率為250m,且探測波段較窄,避開了近紅外波段的水汽吸收帶，由于紅色通道較窄對(duì)葉綠素的吸收敏感,提高了對(duì)稀疏植被探測能力。

(三)數(shù)據(jù)處理

本文以昆明市東川區(qū)作為研究范圍，需要東川區(qū)相關(guān)的遙感數(shù)據(jù)及地理信息數(shù)據(jù)，獲取研究時(shí)間段2000年、2004年、2007年、2010年、2011年、2012年六年中每個(gè)季節(jié)的代表數(shù)據(jù)，利用ENVI和ArcGIS分析數(shù)據(jù)、總結(jié)得出其季節(jié)變化的規(guī)律。

(四)遙感圖像處理

根據(jù)已獲得的行政區(qū)劃圖利用ArcGIS進(jìn)行數(shù)字化處理，設(shè)置投影坐標(biāo)等獲取研究區(qū)的邊界，利用ENVI軟件對(duì)MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，幾何校正，獲取NDVI值等操作處理遙感數(shù)據(jù)，之后轉(zhuǎn)存影像并加載到ArcGIS中進(jìn)行編輯，可得到研究區(qū)域的植被覆蓋圖(見圖3至圖8)。

(五)NDVI數(shù)據(jù)處理

在ENVI中根據(jù)裁剪后的到的東川區(qū)的MODIS數(shù)據(jù)，獲取東川區(qū)不同年份不同月份的歸一化植被指數(shù)，由于MODIS數(shù)據(jù)本身就有分析的NDVI值，因而只需要對(duì)其進(jìn)行NDVI值的計(jì)算便可得到NDVI最大、小值，和平均值。

四、植被季節(jié)變化

(一)植被覆蓋分析

植被覆蓋是用來描述一個(gè)地區(qū)生長植被的多少，根據(jù)云南省昆明市東川區(qū)2000年,2004年,2007年,2010年,2011年,2012年六年中六月份的植被覆蓋圖來分析東川區(qū)2000年來植被覆蓋的一個(gè)變化。其中，顏色越深，植被的覆蓋度就越高，反之，則越低。東川地區(qū)山高谷深，坡度較陡，東川植被分布較少。泥石流等自然災(zāi)害的頻繁發(fā)生導(dǎo)致東川區(qū)可長年生長的植被也逐漸減少，2010年大旱植被的覆蓋度更低。在分析東川區(qū)植被覆蓋時(shí)，定義：0：無植被覆蓋區(qū)；0-0.2：極少植被覆蓋區(qū)；0.2-0.4：少植被覆蓋區(qū)；0.4-0.6：中度植被覆蓋區(qū)；0.6-0.8：較高植被覆蓋區(qū)；0.8-1：高植被覆蓋區(qū)。2010年，中度植被覆蓋區(qū)面積占很大的比例，而較高植被覆蓋區(qū)和高植被區(qū)所占比例比較小，這主要由于干旱導(dǎo)致。從2004開始中度植被覆蓋區(qū)的面積在增大，而較高植被覆蓋區(qū)的面積卻在減少，這種植被覆蓋結(jié)構(gòu)的變化從一方面說明了：東川覆蓋的植被在逐漸減少。

(二)植被指數(shù)的季節(jié)變化

本文研究主要依據(jù)研究區(qū)NDVI的平均值代表植被生長狀況來進(jìn)行研究，以東川區(qū)3、6、9、12月份的NDVI平均值來代表該區(qū)不同季節(jié)的NDVI平均值。

植被的季節(jié)變化規(guī)律反映著植被的不同季節(jié)的長勢，東川區(qū)不同年份NDVI值的季節(jié)變化，從NDVI平均值年際變化可看出東川植被覆蓋較少，其中9月前后植被覆蓋最高，3月前后植被覆蓋最低，這與東川區(qū)農(nóng)作物的種植有很大的關(guān)系。東川區(qū)同年份不同季節(jié)的NDVI平均值來表示同一年中，不同季節(jié)東川區(qū)的植被覆蓋的多少。

總體而言，東川區(qū)春季到冬季NDVI平均值先增大后減小，植被指數(shù)的季節(jié)變化較明顯。在2000年，植被覆蓋最高月份NDVI平均值為0.171453，而最低月份為0.08668，植被指數(shù)季節(jié)變化比較明顯。2004年，最高月份NDVI平均值為0.17799，而最低月份為0.083989，相較2000年而言，最高月份比2000年高，最低月份比2000年低，說明2004年植被的季節(jié)變化比2000年更為明顯。而2012年植被的季節(jié)變化比2007年明顯，但總的植被覆蓋量卻沒有2007年多。假若忽略2010年云南遭到的百年一遇的大旱氣候，從2000年到2012年NDVI平均值最大、最小之差分別為:0.084785、0.094001、0.083648、0.060624、0.088037，值差有差距逐漸拉大的趨勢，尤其是在2007年之后，值差越大，季節(jié)變化幅度也就越大,這說明林地面積在逐漸的變成耕地面積或建設(shè)用地面積等。

表1　東川地區(qū)不同年份3,6,9,12月NDVI平均值及最大、小值之差

(三)植被指數(shù)年季節(jié)變化

根據(jù)不同年份東川地區(qū)同一季節(jié)NDVI值變化，可分析出不同年份同一季節(jié)植被覆蓋的變化情況。數(shù)據(jù)顯示，東川區(qū)同一月份的植被覆蓋在逐漸減少。由于東川區(qū)地處亞熱帶地區(qū)，干熱河谷地帶，農(nóng)作物可一年兩熟，所以在冬季也種植作物，在干旱的年份，NDVI值反而會(huì)增大?？傮w而言，9月份前后NDVI值在逐漸增大，而在3月份，從2000年到2007年NDVI值逐漸增加，但從2007年到2012年NDVI值卻在逐漸減少。3月份農(nóng)作物種植最少的時(shí)候，這時(shí)的NDVI值主要反映長年生長植被狀況，也就說明：東川區(qū)長年植被逐漸減少，這些原本長年植被覆蓋的地區(qū)變成了農(nóng)作物種植區(qū)或其他用地。

(四)結(jié)論

東川區(qū)多年來的植被季節(jié)指數(shù)的反映著東川區(qū)植被的變化，根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知東川區(qū)的植被覆蓋在逐漸減少，造成植被覆蓋季節(jié)的變化除了東川地區(qū)滑坡、泥石流、干旱等自然災(zāi)害外，還有很多人為因素。東川地區(qū)在同一年中各個(gè)季節(jié)的植被覆蓋變化越來越大，表明東川區(qū)植被覆蓋不穩(wěn)定。在相同的月份，東川區(qū)的植被指數(shù)最大值越來越大，而最小值都相同，這種現(xiàn)象在9月份表現(xiàn)最為明顯，這說明東川區(qū)長年覆蓋的植被喬木、灌木等逐漸在減少，這些林地很可能被開墾來作為耕地或建設(shè)用地等，這影響了東川地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

五、結(jié)語與展望

東川地區(qū)植被覆蓋率低且分布不均，森林群落調(diào)節(jié)生態(tài)平衡功能降低，植被呈逆行演替方向發(fā)展，除局部地段保持森林群落外，以稀疏灌叢或灌木草為主，嚴(yán)重地段退化為半荒漠化的次生裸地。本文應(yīng)用遙感和GIS技術(shù)對(duì)東川植被指數(shù)季節(jié)變化的研究。研究結(jié)果表明：東川地區(qū)植被覆蓋較低，且在逐年減少。而植被是調(diào)節(jié)區(qū)域生態(tài)平衡的重要環(huán)節(jié)，東川地區(qū)植被覆蓋低，環(huán)境質(zhì)量較差，自然災(zāi)害頻繁，不僅影人們的生活，也制約東川的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，這些都需要相關(guān)部門引起重視，早日提出解決方案。(作者單位：1.云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院；2.南昌航空大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院)

參考文獻(xiàn)：

[1]趙英時(shí).遙感應(yīng)用分析原理與方法[M].北京:科學(xué)出社,2003:1387-1398.

[2]馮露,岳德鵬,郭祥.植被指數(shù)的應(yīng)用研究綜述[M].北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,北京100083.

[3]孫睿,劉昌明,朱啟疆.黃河流域植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化與降水的關(guān)系[N].地理學(xué)報(bào).2001.56(6):667-672.

[4]趙彩霞,鄭大偉,何文清.植被覆蓋度的時(shí)間變化及其防風(fēng)蝕效應(yīng)[N].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2005,29(1):68-73.

[5]Sto lz,Ro switha.A fuzzy appr oach fo r impro ving landcov er classica tions by integr ating r emo te sensing and GIS dat a[J].Pr og ress in envir o nmental r emote sensing resear ch and applications Ro tterdam,1996.33-41.

[6]田貴全,曲凱.遙感和GIS支持下的山東省植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化分析[J].山東師范大學(xué),濟(jì)南.250014.

[7]劉少軍,黃彥彬,陳匯林等.海南島植被指數(shù)季節(jié)性變化及植被覆蓋分析[J].海南省氣象局氣象科學(xué)研究所,海口570203.

作者簡介：蔡胡霖(1991-)，男，漢族，湖南人，碩士研究生，云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，研究方向:區(qū)域生態(tài)與土地規(guī)劃。 駱熠(1991-)，女，漢族，重慶人，碩士研究生，南昌航空大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，研究方向：城市設(shè)計(jì)。