張永，楊自輝，郭樹江，王強強，詹科杰，張劍揮，魏懷東

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學林學院，甘肅 蘭州730070；2.甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，甘肅 民勤733300)

綠洲防護帶(農(nóng)田防護林，防風固沙林)固定沙丘、防止流沙向綠洲蔓延、消減沙塵暴發(fā)展，是保護綠洲的生態(tài)屏障。因此，綠洲防護帶植被的動態(tài)監(jiān)測與評價，是探討綠洲生態(tài)安全的重要手段，傳統(tǒng)的監(jiān)測，主要通過人工實地考察，建立定量觀測樣地調(diào)查等，不適合較大范圍定量監(jiān)測。近幾年，隨著國內(nèi)外爭相發(fā)射資源衛(wèi)星，如國產(chǎn)高分系列，資源衛(wèi)星系列，歐洲航空局哨兵衛(wèi)星系列，利用衛(wèi)片和航拍進行荒漠化動態(tài)監(jiān)測成為首選的方法之一。

植被覆蓋度(fractional vegetation cover，F(xiàn)VC)是指植被冠層的垂直投影面積占區(qū)域總面積的百分比,是描述防護帶(包括天然林和人工林)長勢與密度的重要指標。目前通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行植被覆蓋度的研究，主要從數(shù)據(jù)源的選擇、計算指數(shù)的選取、變化成因3個方面開展。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)源主要是中低分辨率數(shù)據(jù)，如Modis、Landsat系列數(shù)據(jù)[1-2]。近幾年，隨著高分數(shù)據(jù)[3]存量的增加，以及小型無人機[4]的快速發(fā)展，高分辨率數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源成為熱點。此外，利用ASD光譜儀，野外實測獲取光合、非光合植被、裸土、陰影的端元光譜信息，使用線性光譜模型計算覆蓋度[5]。計算指數(shù)的選擇關系到覆蓋度估算的精度。因此，基于NDVI[6](normalized difference vegetation index)歸一化植被指數(shù)、EVI[7](enhanced vegetation index)增強型植被指數(shù)、TAVI[8](terrain adjust vegetation index)地形調(diào)節(jié)植被指數(shù)等基于像元二分模型[9-10]計算植被覆蓋度被廣泛采用。

土地利用變化遙感監(jiān)測，能夠定量反演研究區(qū)各土地利用類型在時間和空間上的動態(tài)變化。利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行土地類型分類，其精度成為關鍵。目前，主要從分類數(shù)據(jù)源、分類方法和分類器選擇等方面提高分類質(zhì)量。對于大尺度區(qū)域來說Modis、Landsat[11]成為首選數(shù)據(jù)。中小尺度區(qū)域利用高分數(shù)據(jù)、無人機航片[12]比較適合?；贑ART決策樹[13-15]、面向?qū)ο蠓诸惙椒╗16]、支持向量機法[17]等分類器可以提高分類精度。此外,利用紋理和地形[18]、歷史土地利用數(shù)據(jù)[19]作為輔助，也成為分類過程中的重要參考指標。

本研究以民勤綠洲區(qū)及綠洲邊緣防風固沙林為研究對象，通過植被覆蓋度和基于CART自動決策樹分類技術組合多源數(shù)據(jù)進行土地利用分類，開展防護林帶監(jiān)測與評價，探討民勤綠洲防護帶植被變化趨勢，為綠洲防護帶建設提供基礎數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

民勤綠洲位于甘肅河西走廊東段，是石羊河延伸到沙漠腹地出現(xiàn)的非地帶性景觀，是指石羊河下游紅崖山水庫以下沖積成的狹長而平坦的綠洲帶。甘肅民勤縣東西北三面被巴丹吉林和騰格里沙漠包圍，近九成面積為荒漠化土地，是中國重要的沙塵暴策源地之一。民勤綠洲像插入沙漠中的楔子，阻擋兩大沙漠的合攏。20世紀50年代，民勤綠洲邊緣(這里指主要受西北風危害的綠洲西北邊緣一線)地下水位為1～3 m，主要植被為紅柳(Tamarixramosissima)，俗稱柴灣，植被生長旺盛，綠洲有石羊河多條水系的地表徑流滋潤，生態(tài)環(huán)境良好。1958年建紅崖山水庫，流域終端湖青土湖來水斷流。而后，隨著流域農(nóng)業(yè)發(fā)展，耕地面積逐步擴大，地表徑流不能滿足流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，綠洲內(nèi)來水逐漸減少，靠打井提灌滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，地下水位逐漸下降,時至今日，地下水位下降至25 m左右，植被無法利用，造成衰敗死亡。在這個過程中，為了綠洲不受風沙危害，20世紀60年代，開始不間斷在民勤綠洲邊緣大面積治沙造林，2007年石羊河流域重點治理工程實施，促進綠洲防護帶建設進展，幾十年的防護帶建設，綠洲植被如何變化，需要有一個量化的說明。本研究主要探討該區(qū)20年來植被變化。研究區(qū)范圍是結(jié)合衛(wèi)星遙感圖，通過綠洲外圍分布的固沙林實地調(diào)查生長狀況，包括植被的蓋度、密度等來確定，見圖1。

圖1 民勤綠洲與固沙林區(qū)Fig.1 Minqin oasis and sand-fixing forest

1.2 數(shù)據(jù)預處理

Landsat TM數(shù)據(jù)分辨率為30 m，這種數(shù)據(jù)對于中尺度區(qū)域開展遙感定量監(jiān)測，具有成本低，處理周期短，效率高等優(yōu)點。因此，本研究選擇1996、2006和2016年Landsat TM、OLI影像。云覆蓋均小于10%，成像質(zhì)量較好，時間范圍為7月末至8月初，每期3景。由于選用的數(shù)據(jù)屬于未經(jīng)處理的原始數(shù)據(jù)，因此，先對9景數(shù)據(jù)進行輻射校正和大氣校正，并采用二次多項式進行幾何校正，將校正誤差控制在一個像元以內(nèi)。

選用12景2016年8 m多光譜、2 m全色高分1號數(shù)據(jù)，時間范圍在6-9月，通過大氣校正、正射校正等處理最后融合為2 m多光譜影像。對比兩種分辨率下計算結(jié)果的誤差大小。所有數(shù)據(jù)經(jīng)過鑲嵌和裁剪處理，獲得研究區(qū)影像。

1.3 研究方法

1.3.1植被覆蓋度的計算 在原有沙地、裸地的基礎上栽植人工固沙林，以及在低覆蓋度土地栽植固沙林恢復植被，在衛(wèi)星遙感圖上表現(xiàn)為植被覆蓋度的增加。因此利用遙感影像反演植被覆蓋度，監(jiān)測和評價綠洲防護帶的植被變化。本研究采用基于NDVI的像元二分模型[9]計算植被覆蓋度。計算公式為：

(1)

式中：fc為植被覆蓋度，NDVI是通過計算得到的3期研究區(qū)NDVI實際值，NDVIveg和NDVIsoil分別對應研究區(qū)范圍內(nèi)純植被的NDVI值和土壤的NDVI值。根據(jù)研究區(qū)NDVI值的分布范圍，以置信度5%分別獲取3期NDVI上下閾值，作為NDVIveg和NDVIsoil。最后利用Arcgis中的重分類工具，結(jié)合民勤綠洲植被類型實際分布和荒漠化地區(qū)土地利用類型劃分方法，將植被覆蓋度劃分為5級(包括低植被覆蓋度0～5%、中低植被覆蓋度5%～15%、中等植被覆蓋度15%～30%、中高植被覆蓋度30%～60%、高植被覆蓋度60%以上)。此種分類方法，較為精確的反映干旱荒漠地區(qū)各覆蓋度類型空間分布和面積變化。

1.3.2基于CART決策樹分類與面積變化統(tǒng)計 CART決策樹分類技術，是通過對測試變量和目標變量構(gòu)成的訓練數(shù)據(jù)集的循環(huán)二分形成二叉樹形式的決策樹結(jié)構(gòu)[20]。本研究結(jié)合野外實測數(shù)據(jù)選取訓練樣本和多源數(shù)據(jù)，基于ENVI 5.3的CART計算工具，對民勤綠洲進行土地利用類型分類。并對分類后結(jié)果進行面積統(tǒng)計，最后建立3期影像各地物類型面積轉(zhuǎn)移矩陣。多源數(shù)據(jù)[14]相應計算公式為：

圖2 1996年植被覆蓋分布Fig.2 Vegetation cover distribution in 1996

圖3 2006年植被覆蓋分布Fig.3 Vegetation cover distribution in 2006

圖4 2016年植被覆蓋分布Fig.4 Vegetation cover distribution in 2016

(2)

(3)

(4)

式中：NDVI為歸一化植被指數(shù)；NDWI為歸一化差異水體指數(shù)(normalized difference water index)；NDBI為歸一化裸露指數(shù)(normalized difference bare index)。bandgreen和bandswir1、bandnir、bandred分別對應TM影像中的綠波段、中紅外波段、近紅外波段和紅波段。NDVI可以消除地形和大氣的影響，對植被信息較為敏感。NDWI可以較好地消除土壤和植被背景的影響，從而突出水體信息；NDBI可以有效地分辨裸地信息。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋度類型的空間分布與面積變化

根據(jù)植被覆蓋度計算方法，利用Arcgis進行密度分割和制圖，獲得3期植被覆蓋度圖(圖2～4)。

根據(jù)3期植被覆蓋度圖，利用Arcgis重分類工具，對各覆蓋度類型的面積計算統(tǒng)計。統(tǒng)計結(jié)果見表1。

根據(jù)圖2和表1可以看出：1996年民勤綠洲防護帶的低覆蓋度植被主要分布在綠洲外圍，占總面積的50.57%。中低覆蓋度植被主要分布在中部、西南部地區(qū)，占總面積的25.90%。中等覆蓋度植被主要分布在西南部、中西部、東南部地區(qū)，占總面積的6.48%。中高覆蓋度植被主要分布在農(nóng)田周邊和西南部地區(qū)，占總面積的5.49%。高覆蓋度植被主要分布在中部農(nóng)田附近，占總面積的11.56%。

根據(jù)圖3和表1可以看出：2006年民勤綠洲防護帶的低覆蓋度植被主要分布在綠洲外圍且面積較大，范圍較廣，占總面積的67%，中低覆蓋度植被主要分布在中部農(nóng)田附近和東南部地區(qū)，所占比例8.73%，中等覆蓋度植被分布在東南部、西南部、中部地區(qū)，所占比例5.32%，中高覆蓋度植被分布在東南部、中部綠洲內(nèi)部，所占比例5.35%，高覆蓋度植被主要呈條帶狀分布在中部農(nóng)田附近，所占比例3.62%。

圖4和表1看出2016年各覆蓋度類型：低覆蓋度植被主要分布在西南部和中南部，所占比例49.39%，中低覆蓋度植被主要分布在東部、中部、北部、東南部，范圍較廣，所占比例26.68%，中等覆蓋度植被分布在東南部和中部，所占比例5.53%，中高覆蓋度植被分布在東南部、西南部、中部地區(qū)，所占比例4.06%，高覆蓋度植被主要分布于東南部和西南部農(nóng)田附近以及中部地區(qū)，所占比例5.22%。

表1 1996、2006和2016年植被覆蓋度等級面積及所占比例Table 1 1996, 2006, 2016 vegetation coverage area and proportion

表2 1996、2006和2016年不同植被覆蓋度等級面積變化及所占比例Table 2 1996, 2006 and 2016 different vegetation coverage grade area changes and the proportion

結(jié)合圖1～4和表2可以發(fā)現(xiàn)，1996-2006年10年間，低覆蓋度和高覆蓋度面積有所增加，分別增加32.48%和27.65%。中低覆蓋度、中等覆蓋度、中高覆蓋度面積有所減少，分別減少66.28%、17.94%、2.61%，重點監(jiān)測樣區(qū)中，劉家地和老虎口由原來的中低覆蓋度退化為低覆蓋度，南湖鄉(xiāng)部分區(qū)域由中低覆蓋度轉(zhuǎn)變?yōu)榈透采w度。2006-2016年10年間，低覆蓋度和中高覆蓋度面積有所減少，分別減少26.28%和24.00%。中低覆蓋度、中等覆蓋度、高覆蓋度面積增加，分別增加了205.47%、4.12%、44.22%。重點監(jiān)測樣區(qū)中，青土湖區(qū)由低覆蓋度改善為中低覆蓋度和中等覆蓋度，劉家地和老虎口由低覆蓋度轉(zhuǎn)變?yōu)橹械透采w度，南湖鄉(xiāng)由低覆蓋度轉(zhuǎn)變?yōu)橹械透采w度。總體來看1996-2016年20年間植被覆蓋度總體呈現(xiàn)上升趨勢，整個主綠洲區(qū)生態(tài)環(huán)境朝著良性發(fā)展。

圖5 1996年土地利用Fig.5 Land use in 1996

2.2 綠洲防護林帶空間分布和面積變化

本研究主要監(jiān)測綠洲防護帶的空間分布和面積變化，因此將民勤綠洲土地利用類型分為3類：農(nóng)田防護林[新疆楊(Populusalbavar.pyramidalis)]、防風固沙林[梭梭(Haloxylonammodendron)、白刺(Nitrariatangutorum)、檉柳(Tamarixchinensis)]、其他地類(農(nóng)田、水域、裸巖、鹽堿地、沙地)。此外，利用本研究采用的土地利用分類方法得到分類結(jié)果(圖5～7)。

對各土地利用類型面積進行計算統(tǒng)計，結(jié)果見表3和表4。

根據(jù)圖5和表3可知1996年各土地利用類型的空間分布和具體面積。其中農(nóng)田防護林主要呈條帶狀零星分布在綠洲中部、中北部地區(qū)，占總面積的0.29%，防風固沙林主要分布在綠洲外圍，分布范圍較廣，占總面積的63.64%，其他地類主要呈狹長形分布于綠洲區(qū)外圍和綠洲中部地區(qū)，占總面積的36.07%。

圖6 2006年土地利用Fig.6 Land use in 2006

圖7 2016年土地利用Fig.7 Land use in 2016

結(jié)合圖6和表3可以看出，2006年各土地利用類型：農(nóng)田防護林主要分布于中部和中北部地區(qū)，分布范圍較小，占總面積的0.72%，防風固沙林主要分布于綠洲西北部、東部邊緣地帶，東南部有小范圍集中分布，所占比例74.10%，其他地類主要分布在綠洲中部、北部、東部邊緣地帶，東南部有少量分布，所占比例25.18%。

結(jié)合圖7和表3可以看出，2016年各土地利用類型中，農(nóng)田防護林主要分布于綠洲中部、中北部，占總面積的0.47%。防風固沙林主要分布于中部農(nóng)田外圍大部分地區(qū)，分布范圍較廣，面積較大，占總面積的76.73%。其他地類小范圍分布于綠洲中部、北部、東南部、西部地區(qū)，占總面積的22.79%。

根據(jù)圖1、5～7和表4看出，1996-2006年農(nóng)田防護林面積增加了25.75 km2，增幅148.68%，說明在這10年間，阻止沙漠侵吞農(nóng)田，開展農(nóng)田防護林建設，取得一定成果。防風固沙林分布范圍明顯向綠洲邊緣擴大，增加面積630.12 km2，增幅達16.47%。此外，老虎口和南湖鄉(xiāng)，防風固沙林面積增加明顯，青土湖和劉家地以沙地等其他地類為主，沒有較大變化。2006-2016年的10年間，農(nóng)田防護林面積出現(xiàn)減少，分布范圍發(fā)生萎縮，實際減少14.64 km2，減少比例33.99%。防風固沙林面積分布范圍進一步擴大，實際增加面積有158.38 km2，增幅3.55%。此外，青土湖、劉家地、老虎口，由裸地改善為防風固沙林地，南湖鄉(xiāng)也有部分裸地轉(zhuǎn)變?yōu)榉里L固沙林?？傮w上看，1996-2016年的20年間，農(nóng)田防護林出現(xiàn)先快速增長后小幅減少趨勢。防風固沙林分布范圍和面積出現(xiàn)先快速增長后緩慢增長的趨勢，說明民勤綠洲，20年來人工造林工程成果顯著，有效遏制沙漠向綠洲推進。

表3 1996-2016年土地利用面積統(tǒng)計Table 3 Land use area statistics from 1996 to 2016

表4 1996-2016土地利用面積變化Table 4 Change of land use area from 1996 to 2016

通過表5可以發(fā)現(xiàn)，2006年較1996年，農(nóng)田防護林面積有52.53%保持不變，有近一半的面積發(fā)生轉(zhuǎn)移，其中大部分面積轉(zhuǎn)化為防風固沙林和其他地類，所占比例分別為26.57%和20.90%；防風固沙林有88.97%的面積保持不變，其余主要轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌仡悾急壤?0.36%。2016年較2006年，農(nóng)田防護林只有10.87%的面積保持不變,主要轉(zhuǎn)變?yōu)榉里L固沙林和其他地類，所占比例65.77%和23.38%；防風固沙林有82.33%面積保持不變，其余主要轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌仡悾急壤?7.42%。

2.3 植被覆蓋度和土地利用分類精度驗證

高分1號融合后的2 m多光譜數(shù)據(jù)，較中低分辨率數(shù)據(jù)，具有地物紋理和輪廓更加清晰的優(yōu)點，可以較為準確的判斷地物類別以及更加準確的獲取純植被和純土壤的NDVI值。因此，適合基于像元二分模型求取植被覆蓋度結(jié)果和中低分辨率土地利用分類結(jié)果的精度驗證。本研究將處理后的高分1號數(shù)據(jù)利用ENVI進行波段計算，獲取研究區(qū)NDVI值的范圍，計算植被覆蓋度用于對Landsat TM/OLI數(shù)據(jù)處理結(jié)果的精度驗證。同時在高分1號影像均勻選取每類地物的樣點(可以彌補中尺度區(qū)域選點困難，時間和人力成本高的缺點)，結(jié)合野外實測數(shù)據(jù)建立驗證樣本，對基于CART決策樹分類方法得到的土地利用分類結(jié)果進行精度驗證。

根據(jù)表6植被覆蓋度精度驗證，可以看出，低覆蓋度、中低覆蓋度和中等覆蓋度分別有83.14%、87.83%和84.47%被正確分類。中高和高覆蓋度分類精度較低，有79.17%和73.42%被正確分類。總體分類精度為81.62%，Kappa系數(shù)為0.78。說明基于二分像元模型計算植被覆蓋度，總體分類精度良好，但是由于TM數(shù)據(jù)分辨率較低，混合像元的存在對于提取純植被和純裸地NDVI值有一定的干擾。

根據(jù)表7土地利用分類精度可以發(fā)現(xiàn)，防風固沙林分類精度最高，有91.58%被正確分類。農(nóng)田防護林分類精度最低，只有65.21%被正確分類，這是因為農(nóng)田防護林為零星分布，一般寬度為1～3 m，而TM數(shù)據(jù)單位像元的邊長為30 m，所以很難有純凈的農(nóng)田防護林像元存在，只有范圍較大的林區(qū)和經(jīng)濟林田可以較好地被分離出來。總體分類精度為74.95%，Kappa系數(shù)為0.71.說明總體分類精度較好。

表5 綠洲防護帶面積轉(zhuǎn)移矩陣Table 5 Oasis protection zone area transfer matrix (%)

表6 植被覆蓋度精度驗證Table 6 Verification of vegetation coverage accuracy (%)

注：總體分類精度81.62%，Kappa系數(shù)：0.78。

Note：Overall accuracy 81.62%; Kappa coefficient 0.78.

表7 土地利用分類精度驗證Table 7 Land use classification accuracy verification (%)

注：總體分類精度74.95%，Kappa系數(shù)：0.71。

Note：Overall accuracy 74.95%; Kappa coefficient 0.71.

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

甘肅民勤地區(qū)處于石羊河下游，三面受巴丹吉林和騰格里沙漠包圍，是中國四大沙塵源區(qū)之一。特殊的地理環(huán)境，迫使民勤人民長期開展綠洲生態(tài)環(huán)境治理，2007年以來石羊河流域重點治理規(guī)劃實施，治理效果、生態(tài)環(huán)境變化趨勢等是人們關注的熱點問題，本研究利用Landsat TM結(jié)合高分1號數(shù)據(jù)，探討20年來防護林帶面積及其植被覆蓋度變化，研究結(jié)果與滑永春等[21]、韓濤等[22]、王紅霞等[23]的研究結(jié)論基本一致。

利用中等分辨率遙感數(shù)據(jù)，基于光譜特征進行監(jiān)督分類，在建立分類樣本時容易出現(xiàn)“同物異譜”、“同譜異物”現(xiàn)象，導致各類別可分離度低，最終影響分類結(jié)果的精度。尤其是在荒漠地區(qū)，植被稀疏，覆蓋度低，獲取的植被NDVI值會低于一般理論值。因此，單一數(shù)據(jù)輔助分類效果不佳。CART決策樹分類，通過組合多源數(shù)據(jù)和目視解譯建立分類樣本進行土地利用分類，較傳統(tǒng)分類方法，精度容易把握，分類結(jié)果質(zhì)量較高。

3.2 結(jié)論

1996-2016 年間，民勤綠洲及其外圍防護林帶各等級植被覆蓋度中，低覆蓋度植被的面積先增后減，整體稍有減少，實際減少面積比例為2.33%，這一類型為流動沙丘、稀疏白刺群落以及一些沙地草本植物。中低覆蓋度(增加面積比例3.00%)、高覆蓋度(增加面積比例84.10%)植被的面積整體處于增加趨勢；中等覆蓋度(減少的面積比例14.56%)、中高覆蓋度(減少的面積比例25.98%)植被面積整體處于減少趨勢。民勤綠洲地下水位持續(xù)降低，1996、2006、2016年地下水位分別為14、21、23 m左右，已處于民勤生態(tài)地下水位臨界范圍(7～12 m)[24]，靠地下水生長的植物(如檉柳、人工梭梭林)衰退死亡，一些種群(白刺)逐步適應依靠降水生長。低覆蓋度植被生長主要受降雨的影響，20年來變化不大；受地下水位下降的影響，原先營造的梭梭林退化，靠地下水位生長的檉柳林死亡，是中等覆蓋度和中高覆蓋度植被面積減少的原因；大面積營造固沙林、封沙育林育草、退耕還林等工程措施促進了低覆蓋度和高覆蓋度植被面積增加。

總體來看，20年來，民勤綠洲農(nóng)田防護林面積先增加后減少，整體處于增加趨勢，增幅64.09%，面積增加了11.10 km2；防風固沙林面積整體在增加，先快速增長，后緩慢增長，增加了20.58%，增加面積為788.50 km2。隨著石羊河流域綜合治理規(guī)劃的實施，節(jié)水灌溉工程減少了綠洲防護林的生態(tài)用水量，農(nóng)田防護林衰敗死亡，但大面積的生態(tài)經(jīng)濟林建設，綠洲防護林面積增加。民勤生態(tài)環(huán)境建設，大面積固沙造林，綠洲外圍形成了近10 km寬的防風固沙林帶，防風固沙林面積增加。

在綠洲防護帶面積轉(zhuǎn)移變化中：1996-2006年10年間，有47.47%農(nóng)田防護林轉(zhuǎn)變?yōu)榉里L固沙林和其他地類，所占比例分別為26.57%和20.90%。2006-2016年的10年，有89.13%農(nóng)田防護林轉(zhuǎn)變?yōu)榉里L固沙林和其他地類，所占比例為65.77%和23.38%。1996-2006年的前10年，防風固沙林主要轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌仡?，所占比例?0.36%；2006-2016年的后10年，防風固沙林有17.42%轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌仡悺?/p>

利用同期高分1號數(shù)據(jù)計算植被覆蓋度，對Landsat TM數(shù)據(jù)結(jié)果進行精度驗證。植被覆蓋度精度驗證: 總體分類精度為81.62%，Kappa系數(shù)為0.78。說明基于二分像元模型計算植被覆蓋度，總體分類精度良好。土地利用分類精度驗證：防風固沙林達91.58%，農(nóng)田防護林只有65.21%。