胡德陛

(青海省有色地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，青海 西寧 810004)

隨著城市人口不斷增加，城市化成為了發(fā)展的必然趨勢(shì)，由此產(chǎn)生的建筑用地?cái)U(kuò)展，農(nóng)用地、其他地類(lèi)的減少是不可扭轉(zhuǎn)的過(guò)程。20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著改革開(kāi)放和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市化進(jìn)程尤為迅速，合理利用土地是該城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)有序發(fā)展的必要前提，要保持城市擴(kuò)展與保護(hù)耕地兩者之間的平衡，必須對(duì)區(qū)域土地地表覆蓋類(lèi)型及其變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究，及時(shí)準(zhǔn)確地獲取城市擴(kuò)張的最新動(dòng)態(tài)信息[1]。

遙感技術(shù)伴隨著航空、航天技術(shù)的發(fā)展而不斷提高與完善，在近幾十年內(nèi)得到了迅速、全面的發(fā)展，越來(lái)越多地應(yīng)用在了農(nóng)業(yè)、氣象、軍事、城市監(jiān)測(cè)等方面，顯示出極其廣泛的應(yīng)用價(jià)值，良好的經(jīng)濟(jì)效益和巨大的生命力，是地球科學(xué)和資源環(huán)境學(xué)科開(kāi)展研究的基礎(chǔ)技術(shù)、信息科學(xué)的主要組成部分[2]。運(yùn)用遙感的方法，對(duì)城區(qū)植被提取分析并進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)有效的反映城市植被的生長(zhǎng)狀況，為城市植被的整體規(guī)劃提供可用于分析的科學(xué)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，從而使得城市植被可以更好的用于服務(wù)城市。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

青島市地處山東半島南部，太平洋黃海西岸，位于東經(jīng)119(°)30(′)～121(°)00(′)、北緯35(°)35(′)～37(°)09(′)之間，全市地形主要為丘陵，地勢(shì)東部高西部低，南北兩部突起(丘陵區(qū))，中間稍低(平原區(qū))，其土地覆蓋類(lèi)型以林地、耕地、草地、建筑用地和裸土為主，其中耕地面積約為4 988 km2，林地面積約為1 353 km2，裸土面積約為722 km2。

本文利用2006-2014年同時(shí)期(3月底4月初)的landset5/landset8遙感影像[3]，以4年左右為一個(gè)周期研究該區(qū)域的植被覆蓋和變化情況。Landsat數(shù)據(jù)均來(lái)源于中科院遙感地球所數(shù)據(jù)共享中心，數(shù)據(jù)詳情見(jiàn)表1。

表1 陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)特征

2 研究方法

2.1 歸一化植被指數(shù)

在獲取遙感影像的過(guò)程中，傳感器成像會(huì)受到成像時(shí)大氣狀況、太陽(yáng)高度角和衛(wèi)星軌道等不同因素的影響，使得遙感圖像中記錄的信號(hào)與目標(biāo)實(shí)際信號(hào)之間存在一定差別，為了能夠準(zhǔn)確地表達(dá)目標(biāo)區(qū)域地物的實(shí)際反射特征，再獲取到目標(biāo)區(qū)域的遙感影像之后，首先需要對(duì)遙感圖像進(jìn)行輻射定標(biāo)等預(yù)處理，消除大氣差異等不良因素對(duì)數(shù)據(jù)處理和信息提取帶來(lái)的不利影響[4]。本文中在綜合考慮了不同常用的遙感影像處理軟件的情況下，選擇了處理效率高且算法集成度高的ENVI對(duì)本文采用的遙感影像進(jìn)行相關(guān)的預(yù)處理，通過(guò)大氣校正和輻射校正等一系列的數(shù)據(jù)校正等預(yù)處理過(guò)程，初步完成對(duì)研究區(qū)遙感影像預(yù)處理，為后續(xù)準(zhǔn)確估算植被覆蓋做好相應(yīng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

在植被遙感中，NDVI應(yīng)用廣泛，由于其對(duì)植被覆蓋較為敏感，因此適用于植被類(lèi)型變化的檢測(cè)[5]。NDVI的定義為，近紅外波段與紅光波段數(shù)據(jù)之差與兩者數(shù)據(jù)之和的比值，公式如下：

其中，NIR表示地物在近紅外波段的反射率，R表示地物紅光波段的反射率；NDVI的值是從-1到1之間的連續(xù)實(shí)數(shù)，負(fù)值表示地面有云、水、雪等對(duì)可見(jiàn)光高反射的物體；0值表示地面覆蓋類(lèi)型為巖石或是裸土等，NIR和R的值近似相等；正值表示地面覆蓋類(lèi)型為植被，且覆蓋度越大，正值越大。

本文利用的Landsat衛(wèi)星的遙感影像的光譜所對(duì)應(yīng)的波段見(jiàn)表2，圖1為青島市2006年和2010年的NDVI分布圖。

表2 波段光譜對(duì)應(yīng)表

圖1 各時(shí)期NDVI分布

2.2 植被覆蓋度

植被覆蓋度是指植被群落投影在地面上的面積占研究區(qū)域總面積的百分比。植被覆蓋度是描述植被群落及生態(tài)系統(tǒng)的重要參數(shù)，在植被覆蓋變化研究、生態(tài)環(huán)境調(diào)查以及其它研究領(lǐng)域，都有廣泛的應(yīng)用[6]。

依據(jù)像元二分模型，植被覆蓋度的計(jì)算可根據(jù)以下公式：

其中，VFC表示由歸一化植被指數(shù)計(jì)算得到的植被覆蓋度，取值范圍是0～1，NDVIsoil代表完全是裸土或是無(wú)植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，NDVIveg代表完全被植被所覆蓋區(qū)域的NDVI值。

NDVIsoil在理論上來(lái)說(shuō)應(yīng)是零，并且不隨地表覆蓋類(lèi)型和時(shí)間發(fā)生變化，NDVIveg代表著土地覆蓋類(lèi)型為全植被的區(qū)域的最大值，但考慮到植被的類(lèi)型和覆蓋程度，可以發(fā)現(xiàn)NDVIveg的值會(huì)受到時(shí)空的較大影響。在實(shí)際的應(yīng)用中，對(duì)于特定類(lèi)型的土地覆蓋類(lèi)型，NDVIveg的值可以根據(jù)土壤類(lèi)型加以確定，NDVIveg的值也可以根據(jù)植被覆蓋類(lèi)型計(jì)算確定。因此，由NDVI計(jì)算植被覆蓋度的公式可近似的表達(dá)為：

考慮到遙感影像由于不可去除的外界影響而存在誤差，NDVImax和NDVImin的值一般由一定置信度內(nèi)的NDVI值確定，而置信度的選擇則取決于遙感影像的實(shí)際使用情況。參考其他案例并根據(jù)所選取的遙感影像，本文中，NDVImin取值5%的置信區(qū)間，NDVImax取值95%的置信區(qū)間。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 青島市植被覆蓋度

利用上文描述的方法，能夠得到研究區(qū)不同時(shí)期的植被覆蓋度分布圖。為了使圖像效果更易于解讀，我們把植被覆蓋度進(jìn)行分級(jí)顯示(圖2)，劃分為0～0.1、0.1～0.3、0.3～0.45、0.45～0.6、0.6～1這5個(gè)級(jí)別，分別表示建筑用地和裸地、低等覆蓋區(qū)域、中低等覆蓋區(qū)域、中等覆蓋區(qū)域以及高等覆蓋區(qū)域。從圖中我們可以快速的發(fā)現(xiàn)2006-2014年間植被覆蓋度的分布區(qū)域和變化。

圖2 各時(shí)期植被覆蓋度分布

3.2 各區(qū)域植被覆蓋度

為了分析青島市植被覆蓋度的區(qū)域變化，在計(jì)算完青島市的整體植被覆蓋度之后，需要分別計(jì)算青島市各區(qū)域各時(shí)期的植被覆蓋度。為此，我們直接使用青島市七個(gè)分區(qū)域的矢量圖，得到了青島市各個(gè)區(qū)域不同時(shí)期的植被覆蓋度分布圖(見(jiàn)圖3以黃島區(qū)為例)，在此基礎(chǔ)上對(duì)各個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算得到了2006-2014年青島市各個(gè)區(qū)平均植被覆蓋度(表3)。

3.3 植被分布空間特征

由表3，我們得知，青島市各區(qū)域的平均植被覆蓋度有所差異，其中平度市植被覆蓋度最高，平均植被覆蓋度為0.523，萊西市和膠州市的植被覆蓋度次之，平均植被覆蓋度分別為0.478和0.472，即墨市和黃島市的植被覆蓋度屬于中低等，平均植被覆蓋度分別為0.422和0.379，嶗山市的植被覆蓋度較低，平均植被覆蓋度為0.286，青島市區(qū)植被覆蓋度最低，平均植被覆蓋度僅為0.259。

表3 2006-2014年青島市平均植被覆蓋度統(tǒng)計(jì)

圖3 黃島區(qū)各時(shí)期植被覆蓋度分布

在整體區(qū)域內(nèi)，裸地區(qū)域和低等植被覆蓋度的區(qū)域面積將會(huì)在接下來(lái)的一定時(shí)期內(nèi)保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，中低等和中等植被覆蓋度區(qū)域的面積則會(huì)有一個(gè)減少的趨勢(shì)，但中等植被覆蓋度的面積減少量應(yīng)該較小，同時(shí)高等植被覆蓋度區(qū)域的面積將以進(jìn)一步擴(kuò)大。

平度、嶗山、黃島、膠州四市的植被覆蓋度表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，且平度和嶗山將會(huì)有較大幅度的增加；青島市區(qū)和即墨市的植被覆蓋度將會(huì)有減少的趨勢(shì)，青島市區(qū)則會(huì)出現(xiàn)較大幅度的較少；萊西市的植被覆蓋度將會(huì)保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)。

3.4 植被年際變化特征

2006-2014年間，青島市各區(qū)域平均植被覆蓋度發(fā)生了較大變化：黃島、膠州、平度、嶗山四市的平均植被覆蓋度均表現(xiàn)為在2006-2010年間減小、在2010-2014年間增大的情況。即墨、萊西兩市的平均植被覆蓋度在2006-2010和2010-2014年間持續(xù)減小，并沒(méi)有改善的跡象。青島市區(qū)則是出現(xiàn)了平均植被覆蓋度在2006-2010年間增大，在2010-2014年間減小的情況，但由于前者的增大量小于后者的減小量，使得青島市區(qū)平均植被覆蓋度在2006-2014年間的整體趨勢(shì)是減小的。

盡管研究區(qū)域的植被覆蓋度狀況總體上是退化的，但這并不表明研究區(qū)域的植被覆蓋度狀況一直處在退化狀態(tài)；相反，我們從數(shù)據(jù)上分析后發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)歷了植被覆蓋度狀況的嚴(yán)重退化之后，研究區(qū)域的地表覆蓋度呈現(xiàn)了改善的趨勢(shì)，說(shuō)明城市在發(fā)展的過(guò)程中已經(jīng)開(kāi)始認(rèn)識(shí)到城市綠地的重要性，已開(kāi)始著手改善城市植被覆蓋度狀況。同時(shí)各級(jí)植被覆蓋度的面積變化也說(shuō)明了在各時(shí)期植被狀況的退化與轉(zhuǎn)好并存，也從另一個(gè)方面說(shuō)明了人類(lèi)活動(dòng)對(duì)植被狀況的改善與破壞并存。

4 結(jié) 論

本研究利用三期的Landsat遙感數(shù)據(jù)，分析了2006-2014年間青島市的植被覆蓋度空間分布特征以及年際變化特征，并分析了產(chǎn)生這種變化的原因，總的來(lái)說(shuō)，分析結(jié)果與實(shí)際情況符合程度較高。研究表明：

1)青島地區(qū)植被覆蓋度2006-2010年間呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，2010-2014年間植被覆蓋度開(kāi)始恢復(fù)。植被覆蓋度空間分布不均勻，差異性較大，總體說(shuō)來(lái)，青島市區(qū)退化程度最強(qiáng)，即墨和萊西市退化程度次之，黃島、膠州、平度和嶗山在經(jīng)歷了退化期之后恢復(fù)較好，到2014年，黃島、膠州和嶗山地區(qū)已經(jīng)接近了2006年的植被覆蓋水平，平度地區(qū)甚至超過(guò)了2006年的植被覆蓋水平；

2)植被覆蓋度的變化受到多重因素的影響，其中城市化作用和城市的實(shí)施政策是造成植被覆蓋度變化的主要因素，氣候也會(huì)影響植被覆蓋度的變化，同時(shí)，衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)的局限性也會(huì)對(duì)植被覆蓋度的變化產(chǎn)生影響；

另外，本文雖然直接利用Landsat遙感影像分析植被覆蓋度的變化，但由于影像分辨率有限，未能進(jìn)一步分析青島市的植被類(lèi)型和植被類(lèi)型的空間分布特征和年際變化，同時(shí)由于數(shù)據(jù)資料的限制，未能進(jìn)一步詳細(xì)分析植被覆蓋度和氣候的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系，將在后續(xù)研究中考慮以上因素，完善相關(guān)研究。