譚 瑩,徐 軍,毛華英

(浙江省森林資源監(jiān)測中心,杭州 310020)

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,是覆蓋地表的植物群落的總稱,在生態(tài)系統(tǒng)中扮演著物質(zhì)能量循環(huán)流動的樞紐。植被覆蓋度不僅能反映地表植被分布特征,也能在一定程度上反映區(qū)域的生態(tài)環(huán)境狀況,因此獲取地表植被覆蓋度現(xiàn)狀并監(jiān)測其動態(tài)變化,對于發(fā)現(xiàn)地表植被空間分布變化,研究分析變化原因,進(jìn)一步評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境有重要意義[1-6]。目前,歸一化植被指數(shù)(NDVI)作為監(jiān)測植被動態(tài)變化的常用指標(biāo),已被應(yīng)用在各種級別的尺度上,研究植被覆蓋動態(tài)變化[7-11]。隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn),大規(guī)模城市開發(fā)建設(shè)給城市的生態(tài)環(huán)境帶來了前所未有的壓力[7-11]。在這樣的形勢下,海寧市積極響應(yīng)浙江省建設(shè)“森林浙江”的號召,大力推進(jìn)平原綠化工程建設(shè)。本文對海寧市開展平原綠化工程前后(2010—2016年)的植被變化進(jìn)行了研究,利用歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù),采用線性像元二分模型計算海寧市植被覆蓋度,并分析其空間變化特點(diǎn)及變化原因,以期掌握海寧市生態(tài)現(xiàn)狀,為生態(tài)環(huán)境建設(shè)規(guī)劃和布局提供參考。

1 研究區(qū)概況

海寧市地處長江三角洲杭嘉湖平原,內(nèi)陸面積668km2,其中平原占87.94%,山丘占1.81%,水域占10.25%。地形狹長,東西長 51.65km,南北寬28.94km。地勢平坦,自西南向東北傾斜。其中高陽山最高,海拔253.3m,其他在200m以下。海寧地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,冬夏較長,春秋較短,降水季節(jié)變化明顯。境內(nèi)除東南部丘地和沿江高地外,平原地域氣候差異較小,氣候條件優(yōu)越。海寧市自2010開展平原綠化建設(shè)工程以來,全市累計投入綠化資金10多億元,全市創(chuàng)建省級森林城鎮(zhèn)2個、森林村莊5個、綠化示范村31個和嘉興市級綠化示范村63個。先后獲得“全國綠化先進(jìn)集體”、“全國平原綠化先進(jìn)單位”、“全國林業(yè)生態(tài)建設(shè)先進(jìn)縣市”、“國家園林城市”和“省級森林城市”等稱號。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)源

由于海寧市平原綠化工程跨度時間6年,即2010—2016年。因此使用兩期遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù),分別為2010年Landsat-5 TM和 2016年的Landsat-8 OLI,軌道號為118039,119038和119039的影像(海寧市涉及3景影像)。兩期數(shù)據(jù)時相均為5月份,其平均云量均低于10%,且正值植物生長旺季,符合本次研究的要求。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

采用的Landsat-5 TM 及Landsat-8 OLI數(shù)據(jù)已經(jīng)做過輻射校正和幾何校正,根據(jù)需求需對影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、拼接、裁剪等處理。首先,利用ENVI 5.1中輻射定標(biāo)工具,進(jìn)行定標(biāo)類型、輻射亮度值、大氣表觀反射率設(shè)置,輸出輻射定標(biāo)后的影像；其次,用ENVI 5.1中的FLAASH工具對輻射定標(biāo)后的影像進(jìn)行大氣校正,得到地表反射率,主要的輸入?yún)?shù)包括傳感器類型、成像日期及時間、中心經(jīng)緯度、海拔高度、大氣模型、氣溶膠模型、初始能見度等；然后,用ENVI 5.1的Mosaic工具將研究區(qū)涉及的兩期3景影像分別進(jìn)行拼接,再根據(jù)海寧市的矢量行政界線進(jìn)行裁剪得到研究區(qū)的2010年和2016年兩期影像[12]。

2.3 植被覆蓋度(FVC)計算

采用線性像元二分模型來計算海寧市的植被覆蓋度(FVC)[13-18]。線性像元二分模型的原理是假設(shè)任一像元由純土壤和純植被兩部分組成,則像元的 NDVI值為兩部分NDVI值以面積為比例的加權(quán)平均和,而純植被所占的面積比即為研究區(qū)的FVC值,由此得出公式(1),并推演得到估算FVC的模型即公式(2)[13-18]。

NDVI=NDVIsoil×(1-FVC)+NDVIveg×FVC

(1)

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

(2)

式中:NDVIsoil為純土壤像元的NDVI值,NDVIveg為純植被像元的NDVI值。像元二分模型的應(yīng)用關(guān)鍵是如何確定NDVIsoil和NDVIveg值。對于純裸地像元,NDVIsoil值理論上應(yīng)該是接近于0,且不容易變化。但現(xiàn)實(shí)中由于受眾多因素影響,區(qū)域上的NDVIsoil值在-0.1～0.2 之間變化。NDVIveg代表著全植被覆蓋像元的最大值,由于植被類型等的影響,NDVIveg值也會隨著時間和空間而改變。這2個值的計算公式分別為:

NDVIsoil=(FVCmax×NDVImin-FVCmin×

NDVImax)/(FVCmax-FVCmin)

(3)

NDVIveg=((1-FVCmin)×NDVImax-

(1-FVCmax)×NDVImin)/(FVCmax-FVCmin)

(4)

1)當(dāng)區(qū)域內(nèi)可以近似取FVCmax=100%,FVCmin=0%時,式(3)可變?yōu)?

FVC=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-

NDVImin)

(5)

式中,NDVImax和NDVImin分別為區(qū)域內(nèi)最大、最小的NDVI值。由于不可避免地存在噪聲,一般取一定置信度范圍內(nèi)的最大值與最小值,置信度的取值根據(jù)具體圖像來定。

2)當(dāng)區(qū)域內(nèi)不能近似取FVCmax=100%,FVCmin=0%時,根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)作為FVC的最大值與最小值,對應(yīng)圖像的NDVI作為NDVImax和NDVImin。當(dāng)沒有實(shí)測數(shù)據(jù)時,取一定置信度范圍內(nèi)的NDVImax和NDVImin,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算FVCmax和FVCmin。

根據(jù)影像的具體情況,對兩期影像分別取置信區(qū)間[5%,95%]之間的NDVI的最大值和最小值作為參數(shù)代入公式(5)進(jìn)行運(yùn)算,利用ENVI的band math模塊計算輸出兩期植被覆蓋度灰度圖,如圖1所示。再將得到的植被覆蓋度劃分為5個等級,即FVC<0.2為極低覆蓋度,0.2≤FVC< 0.4為低覆蓋度、0.4≤FVC<0.6為中覆蓋度、0.6≤FVC<0.8為高覆蓋度和FVC≥0.8為極高覆蓋度[19-20]。使用ENVI軟件中的color slices對已經(jīng)獲得的植被覆蓋度灰度圖(圖1)分別做密度分割,得到研究區(qū)兩期植被覆蓋度等級圖(圖2)。

圖1 植被覆蓋度灰度圖

圖2 植被覆蓋度等級圖

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度總體變化

對海寧市兩期植被覆蓋等級圖進(jìn)行統(tǒng)計,得到全市植被平均覆蓋度、各覆蓋度等級的面積、占全市面積比例以及變化情況,結(jié)果如表1和圖3所示。

表1 2010—2016年海寧市植被覆蓋度變化統(tǒng)計表Tab.1 The statistics of vegetation coverage from 2010 to 2016 in Haining City

圖3 2010—2016年海寧市植被覆蓋度等級面積對比圖

總體來看,海寧市2010—2016年6年間平均植被覆蓋度由0.26上升到0.29,提升了11.5%,平均植被覆蓋度顯著增加。反映了海寧市自2010年來大力開展平原綠化工程建設(shè),成效顯著,植被覆蓋度得到提升。從2010—2016年,海寧市極低覆蓋度植被的面積略有減少,低覆蓋度和中覆蓋度被植被的面積減少較多,其所占全市土地面積的比例在6年間分別降低了0.55%,5.13%和8.03%。而高覆蓋度和極高覆蓋度植被的面積則分別增加了3 589.88 hm2和8 284.05 hm2,占全市土地面積比例在6年間分別增加了4.14%和9.56%。低、中覆蓋度被植被的面積減少及高、極高覆蓋度植被的面積的增加,說明海寧市的植被覆蓋度不僅是量的提升,也是質(zhì)的提升。

3.2 植被覆蓋度轉(zhuǎn)移分析

為了進(jìn)一步摸清海寧市6年間各級植被覆蓋度的相互轉(zhuǎn)移面積和比例,對兩期植被覆蓋度等級圖進(jìn)一步分析計算,得到兩期轉(zhuǎn)移矩陣(表2)。

從表2可以看出,6年間變化率比較大的是低覆蓋度、中覆蓋度和高覆蓋度植被,分別變化了95.89%,83.12%和57.69%。其中,低覆蓋度植被主要轉(zhuǎn)向中、高覆蓋度植被,分別轉(zhuǎn)移了38.54%和38.20%；中覆蓋度植被主要轉(zhuǎn)向高、極高覆蓋度植被,分別轉(zhuǎn)移了47.27%和33.80%；高覆蓋度植被除了主要轉(zhuǎn)向極高覆蓋度植被,轉(zhuǎn)移了47.22%,還有很大一部分仍為高覆蓋度植被,有42.31%未轉(zhuǎn)移。極低覆蓋度植被絕大部分(94.13%)未轉(zhuǎn)移,且極低覆蓋度植被主要是水體造成的；極高覆蓋度植被也是大部分(66.09%)未轉(zhuǎn)移,轉(zhuǎn)移部分也主要轉(zhuǎn)向高覆蓋度植被?？傮w來說,在2010—2016年間海寧市的植被類型是從中、低覆蓋度植被轉(zhuǎn)向高、極高覆蓋度植被。

表2 2010—2016年海寧市植被覆蓋度等級轉(zhuǎn)移矩陣Tab.2 The vegetation coverage grade transition matrix from 2010 to 2016 in Haining City

4 討論與結(jié)論

利用不同時期遙感影像數(shù)據(jù)獲取NDVI 值,運(yùn)用線性像元二分模型計算出研究區(qū)各時期的植被覆蓋度,將植被覆蓋度分級后,對研究區(qū)植被覆蓋變化情況進(jìn)行統(tǒng)計、分析和評價,進(jìn)而監(jiān)測研究區(qū)地表植被覆蓋的變化過程。本研究利用上述方法對2010—2016年間海寧市植被覆蓋度進(jìn)行監(jiān)測,監(jiān)測結(jié)果表明,海寧市平均植被覆蓋度增加顯著,且植被類型是主要是從中、低覆蓋度植被向高、極高覆蓋度植被轉(zhuǎn)移。這些都表明海寧市在開展平原綠化的6年間植被覆蓋度有了較大的提升。在對平原綠化、植被生態(tài)化修復(fù)等工程項(xiàng)目進(jìn)行評價時,可將植被覆蓋度的動態(tài)變化結(jié)果作為參考因素進(jìn)行評定,也可作為下一輪平原綠化工作的目標(biāo)成效推算數(shù)據(jù)。

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