龔文峰 曹凱華 周瑩

摘要：基于2006、2011和2016年的Landsat TM/OLI影像數(shù)據(jù)，反演農牧過渡區(qū)植被覆蓋度。借助于RS和GIS技術，以黑龍江省甘南縣為研究對象，采用歸一化植被指數(shù)及像元二分模型，定量獲取研究區(qū)域植被覆蓋度，基于轉移矩陣模型定量分析10年間植被覆蓋度時空變化特征和演變進程。結果表明，研究區(qū)植被覆蓋度整體狀況較好，2006、2011、2016年3期數(shù)據(jù)高覆蓋度和中高覆蓋度面積比例之和分別為87.29%、87.18%和87.10%。2006—2011年植被覆蓋度主要由高覆蓋度和中覆蓋度轉換為中高覆蓋度，轉換率分別為76.83%和55.49%，2011—2016年中高覆蓋度和高覆蓋度之間轉換強烈，相互間的轉換率分別為10.87%和83.00%。10年間，2006—2011、2006—2016年植被變化穩(wěn)定區(qū)的面積比例分別為64.32%和65.54%。2011—2016年較2006—2011年植被退化面積減少257 km2，植被改善面積增加199 km2，植被仍以退化為主。

關鍵詞：植被覆蓋度;農牧交錯帶;時空演變;甘南縣

中圖分類號：TP79? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）12-0052-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.12.013? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： In order to invert the vegetation coverage of the farming-pastoral transition zone by using the Landsat TM/OLI image data of 2006， 2011 and 2016 ，the Gannan county of Heilongjiang province was taken as the study region， based on the RS and GIS technology， the models of normalized difference vegetation index（NDVI） and dimidiate pixel were quantitatively obtained the vegetation coverage of the study area， and the transfer matrix model was used to analyze the temporal and spatial variation characteristics and evolution process of vegetation coverage within 10 years. The results showed that the overall coverage of vegetation cover in the study area was good. The sum of the data coverage and the medium-high coverage area of the three phases in 2006，2011，2016 was 87.29%，87.18% and 87.10%， respectively. In 2006—2011， the vegetation coverage was mainly converted from high coverage and middle coverage to medium and high coverage， and the conversion rates was 76.83% and 55.49%， respectively. In 2011—2016， the conversion between medium and high coverage and high coverage was strong， and the conversion rate was 10.87% and 83.00%， respectively. In the past 10 years， the area ratio of the vegetation change stable area was 64.32% and 65.54%， respectively. 2011—2016 compared with 2006—2011， the area of vegetation degradation decreased by 257 km2， while the area of vegetation improvement increased by 199 km2， and the vegetation was still dominated by degradation.

Key words： vegetation coverage; farming-pastoral transition zone; spatio-temporal evolution; Gannan county

收稿日期：2018-10-12

基金項目：國家科工局高分辨率對地重大觀測項目（民用部分：72-Y20A08-9002-16/17）;黑龍江省自然科學基金項目（QC2017036）

作者簡介：龔文峰（1976-），男，河南南陽人，教授，博士，主要從事RS和GIS在資源與環(huán)境監(jiān)測上的應用，（電話）13796674248（電子信箱）

gwf101@163.com。

植被覆蓋度是指植被（包括葉、莖、枝）在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計區(qū)總面積的百分比[1，2]，它反映了植被在水平方向上的密度情況，是描述生態(tài)系統(tǒng)的重要基礎數(shù)據(jù)[3]，也是控制土壤侵蝕的關鍵因素和指示生態(tài)系統(tǒng)質量變化的一個重要指標[4，5]。樣本估算法是提取植被信息常用的傳統(tǒng)方法[6]，該方法不僅成本高、誤差大，且不適用于大面積監(jiān)測植被生長狀況。然而遙感技術的不斷發(fā)展為大區(qū)域植被覆蓋甚至全球的植被覆蓋監(jiān)測提供了可能?；谶b感數(shù)據(jù)計算出的植被指數(shù)可以直接反映地表植被狀況，且植被指數(shù)與植被覆蓋度具有密切的相關關系[7]，已被廣泛應用于植被覆蓋度的定性、定量估算，逐漸成為相關領域研究的一種新趨勢[8]。目前，基于植被指數(shù)估算植被覆蓋度模型的研究主要集中在植被覆蓋度時空演變及其發(fā)展趨勢[9，10]、基于二分模型探究植被覆蓋度[11，12]、城市化進程與植被覆蓋度的定量分析[13，14]、植被覆蓋度變化的影響因素分析[15]、植被覆蓋度與土地利用的分析[16]等，但這些研究多集中在流域、湖泊及城市區(qū)域，而在東北農牧過渡地區(qū)的研究相對較少。

農牧交錯帶是中國北方農業(yè)區(qū)與草原區(qū)之間存在的一種寬窄不一的過渡地帶，其生態(tài)系統(tǒng)結構較為簡單，生態(tài)環(huán)境十分脆弱且對全球變化高度敏感[17]，區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展方式一直是該區(qū)域的研究主題。基于此，以位于農牧交錯區(qū)域的甘南縣為研究對象，以2006—2016年Landsat TM和OLI為主要數(shù)據(jù)源，借助于RS和GIS技術，基于NDVI及像元二分模型定量反演研究區(qū)域的植被覆蓋度，借助轉移矩陣模型，研究分析甘南縣10年間植被覆蓋度時空變化特征，探求研究區(qū)植被覆蓋情況及其變化規(guī)律，以期為該區(qū)域草地保護、土地利用優(yōu)化和生態(tài)環(huán)境保護提供理論依據(jù)，對該區(qū)域的農業(yè)發(fā)展、生態(tài)建設和可持續(xù)發(fā)展具有一定借鑒意義。

1? 研究區(qū)概況

甘南縣位于黑龍江省西部，嫩江中游右岸，地理坐標為122°54′—124°28′E，47°35′—48°32′N，地處大興安嶺南麓與松嫩平原過渡地帶，西部、北部是丘陵漫崗區(qū)，南部和東南部是地勢平坦的開闊平原。地形西北高，東南低，海拔為160～380 m，屬于寒溫帶大陸性季風氣候，四季冷暖干濕分明：春季風大雨少，易于發(fā)生干旱;夏季高溫多雨;秋冬季急劇降溫，大地封凍。年均氣溫2.6 ℃，年均降水量為455.2 mm，無霜期在120～132 d。甘南縣屬半農半牧區(qū)域，是國家扶貧開發(fā)工作重點縣之一。土壤類型以黑土和黑鈣土為主，適合多種作物生長。甘南縣自然資源豐富，林木主要有松樹、楊樹、榆樹、果樹等。

2? 數(shù)據(jù)與方法

2.1? 數(shù)據(jù)來源

選取2006、2011和2016年Landsat 5 TM和Landsat 8 OLI的遙感數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源（http：//www.gscloud.cn/）。所選取3期影像的時間均為8月，正是植被長勢旺盛的時期，該時期遙感影像既能較好地反映植被生長狀況，同時云量又相對較少。此外，收集到研究區(qū)域1∶50 000的行政區(qū)劃圖、DEM、部分野外GPS調查數(shù)據(jù)和其他相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

2.2? 數(shù)據(jù)處理

2.2.1? 數(shù)據(jù)預處理? 基于遙感軟件ENVI 5.3對3期數(shù)據(jù)進行輻射定標、幾何校正、快速大氣校正、鑲嵌、拼接等預處理，圖像的投影方式為橫軸墨卡托投影UTM（Zone51N），然后利用行政邊界完成遙感影像的裁剪。

2.2.2? 植被指數(shù)獲取? 歸一化植被指數(shù)（Normalized difference vegetation index，NDVI）是應用最廣泛的一種植被指數(shù)[18]，NDVI的變化在一定程度上能代表地表覆蓋度變化[19]，計算公式如下：

式中，Bnir代表近紅外波段的反射值;Bred代表紅光波段的反射值;NDVI是植物生長狀態(tài)及植被空間分布密度的最佳指示因子。

2.2.3? 植被覆蓋度獲取? 像元二分模型是目前植被覆蓋度反演的有效方法[20]，其原理為通過遙感傳感器所觀測到的信息S，可表達為由綠色植被成分所貢獻的信息Sveg和由土壤成分所貢獻的信息Ssoil這兩部分組成[21]，植被覆蓋度Fc就是像元中植被覆蓋所占的面積，計算公式如下：

將歸一化植被指數(shù)NDVI代入相元二分模型，得到植被覆蓋度轉化公式：

式中，NDVImin和NDVImax分別代表無植被覆蓋和全植被覆蓋的NDVI。結合本研究狀況，NDVImin和NDVImax分別取NDVI圖像直方圖5%處和95%處NDVI，并利用式（3）對植被覆蓋度進行求解。

2.2.4? 植被覆蓋度分類? 按照水利部1996年頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》及相關研究成果[22，23]，結合研究區(qū)的實際情況及一類森林清查資料、野外調查點數(shù)據(jù)及高分辨率Google Earth影像，對分類的結果進行了精度驗證[24]，在此基礎上，基于ArcGIS 10.3將植被覆蓋度進行等級劃分，具體結果見表1。

2.2.5? 轉移矩陣模型? 轉移矩陣模型法來源于系統(tǒng)分析中對系統(tǒng)狀態(tài)與形態(tài)轉移的定量描述[25]。此模型能綜合考慮第i類植被覆蓋類型轉變?yōu)槠渌莍類植被覆蓋類型與其他非i類植被覆蓋類型在該研究時期內由其他空間區(qū)位上同時轉變?yōu)榈趇類植被覆蓋類型的變化過程，可以更精細和準確地測算植被覆蓋度變化的空間過程。其表達式如下：

式中，Sij表示植被覆蓋度由i類轉為j類的面積;n表示植被覆蓋度類型數(shù)目;i、j分別表示研究初期與末期的植被覆蓋度類型。

3? 結果與分析

3.1? 植被覆蓋度時間變化動態(tài)分析

基于RS和GIS獲取研究區(qū)域的植被覆蓋度和面積統(tǒng)計數(shù)據(jù)（圖1和表2）。由表2分析可知，2006、2011、2016年高覆蓋度和中高覆蓋度面積之和最大，分別為4 174.22、4 168.87和4 165.15 km2。其中，中高覆蓋度面積占比最大，分別為70.84%、77.19%、73.16%，呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，2011年面積達到最大，為3 691.31 km2。中高覆蓋度所對應的土地利用類型為部分耕地、稀疏林地和高產草地，且該區(qū)域土地類型主要以耕地和草地為主，符合研究區(qū)的土地利用結構特征。高覆蓋度植被的面積變化趨勢和中覆蓋度植被相反，呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，減少和增加的面積分別為309.08和189.06 km2。中覆蓋度和低覆蓋度面積變化較小，中覆蓋度植被面積呈波動式增長趨勢，面積先減少后增加，總體增加了58.56 km2，而低覆蓋度植被面積呈波動式下降趨勢，面積先增加后減少，總體減少了11.84 km2。極低覆蓋度植被面積逐年減少，由2006年的183.56 km2減至2016年的145.90 km2。

總體來看，研究區(qū)植被覆蓋度整體狀況較好。10年間中高覆蓋和高覆蓋面積變化較明顯，中高覆蓋度面積增加了2.32%。高覆蓋度面積減少了2.51%。中覆蓋度、低覆蓋度和極低覆蓋度植被面積的變化量較小，基本處于小波動變化狀態(tài)。其中，低覆蓋度植被面積變化最小，由2006年的3.00%變?yōu)?016年的2.75%，變化量僅減少了0.25%。

3.2? 植被覆蓋度空間動態(tài)變化分析

為了更真實地反映植被覆蓋度的空間變化特征，本研究選用轉移矩陣模型定量分析各植被類型空間動態(tài)變化特征。基于ArcGIS的空間分析，將2006、2011、2016年3個數(shù)據(jù)疊加分析，并將10年間植被變化特征分為兩個階段，即2006—2011年為第一階段，2011—2016年為第二階段，在此基礎上獲取不同植被覆蓋度等級面積轉移數(shù)據(jù)（圖2）。

由表3可知，2006—2011年，高覆蓋度植被面積轉換最大，為683.43 km2，且有97.53%轉化為中高覆蓋度植被，主要發(fā)生在中興鄉(xiāng)、阿倫河流域及東陽鎮(zhèn)東部，主要由密林地和優(yōu)質耕地變?yōu)橐话愀?，該轉變源于在經濟利益的驅使下，當?shù)鼐用駷榱俗非蟾蟮慕洕б?，加大了對林地的破壞力度，區(qū)域生態(tài)環(huán)境趨于惡化，土地利用呈現(xiàn)出一定的不合理化;其次是中高覆蓋度植被，轉換面積為610.7 km2，其中366.93 km2轉換為高覆蓋度植被，主要發(fā)生在寶山鄉(xiāng)東部、查哈陽鄉(xiāng)中南部和甘南鎮(zhèn)南部，源于國家推行退耕還林（草）等生態(tài)措施，部分耕地變?yōu)槊芰值鼗蛘邇?yōu)質耕地，區(qū)域生態(tài)環(huán)境趨于好轉。在一定程度上表明中高覆蓋度和高覆蓋度植被間的轉換是該時期的主要轉換類型。中覆蓋度植被轉為中高覆蓋度植被的面積為169.14 km2，發(fā)生地點在查哈陽鄉(xiāng)北部、興十四鎮(zhèn)東部和巨寶鎮(zhèn)西部區(qū)域，對應的土地利用類型為草地轉為耕地，該轉變源于人類對草地的不合理開墾，且在開發(fā)過程中沒有顧及生態(tài)保護問題，加之受氣候條件的影響，局部出現(xiàn)了草地沙漠化的現(xiàn)象，區(qū)域生態(tài)環(huán)境不斷惡化。低覆蓋度植被轉變?yōu)橹懈采w度和中高覆蓋度的面積分別為34.33和53.52 km2，發(fā)生地點在諾敏河周邊、查哈陽鄉(xiāng)北部和巨寶鎮(zhèn)的西部，土地利用類型由荒地（灘涂地）轉為耕地，主要源于周邊農民干擾，填湖開荒，使?jié)竦孛娣e減少，區(qū)域生態(tài)環(huán)境進一步惡化。極低覆蓋度植被面積轉變最小，共有84.17 km2發(fā)生轉變，主要轉變?yōu)榈透采w度和中高覆蓋度，轉換面積分別為40.36和25.22 km2，發(fā)生地點在太平湖水庫、音河水庫、音河流域、諾敏河流域，水域轉為灘涂地（水田）是其主要轉換地類，除了受氣候影響河流水位下降外，在經濟利益驅使下，周邊農民在河流周圍圍湖造田，不合理的土地利用使局部生態(tài)環(huán)境不斷惡化，今后應加大對水域濕地的保護，促使區(qū)域土地合理使用。該時期極低覆蓋度是低覆蓋度和中高覆蓋度的主要轉入來源，源于人類對耕地及優(yōu)質耕地需求增多及受城鎮(zhèn)化進程的加速影響。

由表4可知，2011—2016年，中高覆蓋度植被的轉出面積最大，為827.82 km2，其中553.28 km2轉化為高覆蓋度，主要零星分布在中興鄉(xiāng)、巨寶鎮(zhèn)和甘南鎮(zhèn)，對應的地類變化是耕地轉為密林地，這主要得益于國家退耕還林、還草工程等生態(tài)措施推行，促使局部生態(tài)環(huán)境質量好轉，在一定程度上表明積極生態(tài)政策已經取得成效，區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化趨勢得到緩解。高覆蓋度植被和中覆蓋度植被轉化為中高覆蓋度植被面積分別為380.17和148.46 km2，是中高覆蓋度植被的主要轉入來源，發(fā)生地點主要在甘南鎮(zhèn)南部、雙河農場、查哈陽農場及查哈陽鄉(xiāng)西北部、甘南鎮(zhèn)局部，對應的轉換地類是林地（草地）轉為耕地，源于當?shù)剞r民為了追求更多的經濟利益，加大了對林地（草地）的干擾和破壞力度，出現(xiàn)了毀草開荒等現(xiàn)象，使得局部生態(tài)環(huán)境遭到一定程度破壞，人為因素在環(huán)境惡化過程中處于主導作用。對于低覆蓋度植被而言，其轉換面積相對較小，為135.9 km2，地點集中在太平鎮(zhèn)東部和阿倫河下游，土地轉換類型是灘涂地轉為耕地，在經濟利益的驅使下，當?shù)剞r民加大了對灘涂地的改造利用，在造成部分濕地消失的同時，進一步惡化了局部生態(tài)環(huán)境。極低覆蓋度植被轉換面積變化最小，僅為85.38 km2，其中44.58 km2轉化為低覆蓋度，主要發(fā)生在諾敏河流域、音河水庫西部及太平湖水庫北部，水域轉為耕地是該區(qū)域主要土地利用轉變方式，主要源于人為因素使水域面積減少并加大了對濕地的改造利用?？傮w來看，2011—2016年，中高覆蓋保留率最高，達到81.85%，低覆蓋度和極低覆蓋度植被轉入率略小于轉出率，變化不是很明顯。受國家林業(yè)生態(tài)等政策的影響，呈現(xiàn)出了中高覆蓋度向高覆蓋度轉變的局面。

3.3? 植被覆蓋度時空演變分析

基于ArcGIS 10.3的空間分析，根據(jù)式（5），完成3期數(shù)據(jù)的疊加分析，在獲取2006—2016年疊加數(shù)據(jù)的基礎上，并對植被覆蓋度等級變化進行定量分析，以期有助于深究該區(qū)域植被覆蓋度的時空演變特征。

式中，T是疊加結果;T1、T2表示要參與疊加的數(shù)據(jù);n表示參與運算的數(shù)據(jù)期數(shù)。對于運算結果而言，如果前后植被覆蓋度等級未發(fā)生變化的則定義為穩(wěn)定區(qū)，植被覆蓋度等級由低等轉為高等則為改善區(qū)，覆蓋度等級由高等轉為低等則視為退化區(qū)，并依次計算各個植被變化類型面積，探究植被覆蓋度變化總體特征（圖3）。

由圖3可知，2006—2011年穩(wěn)定區(qū)占據(jù)一定的優(yōu)勢地位，面積占比為64.32%，主要分布在中興鄉(xiāng)西南部區(qū)域、巨寶鎮(zhèn)、興十四鎮(zhèn)大部分區(qū)域、平陽鎮(zhèn)東部區(qū)域、寶山鄉(xiāng)及查哈陽鄉(xiāng)北部區(qū)域。2011—2016年穩(wěn)定區(qū)占研究區(qū)面積的65.54%，分布區(qū)域沒有發(fā)生太明顯的改變，增加的穩(wěn)定區(qū)面積在長山鄉(xiāng)、查哈陽鄉(xiāng)西北部，源于這些區(qū)域主要分布著大量的耕地，土地利用結構沒有發(fā)生改變。2006—2011年改善區(qū)域主要零星分布在中興鄉(xiāng)、巨寶鎮(zhèn)西北部、東陽鎮(zhèn)南部、查哈陽鄉(xiāng)北部區(qū)域，其區(qū)域面積約為714 km2，2011—2016年改善區(qū)面積為913 km2，面積增加了199 km2，增加的區(qū)域主要集中在興十四鎮(zhèn)南部、平陽鎮(zhèn)北部、太平湖流域及阿倫河中下游區(qū)域，受地形和林業(yè)生態(tài)政策因素的影響，植被覆蓋度增加，區(qū)域生態(tài)環(huán)境有所好轉。2006—2011年退化區(qū)的面積為991 km2，而2011—2016年退化區(qū)的面積為734 km2，面積減少了257 km2。退化區(qū)主要分布在甘南鎮(zhèn)、雙河農場和查哈陽農場及部分河流附近，主要由于城鎮(zhèn)化進程的加速，使得部分耕地（草地）轉化為建筑用地，加之受經濟利益驅使，當?shù)剞r民加大了對草地和林地的干擾力度，使得草地面積退化，部分區(qū)域出現(xiàn)沙化現(xiàn)象，區(qū)域生態(tài)環(huán)境遭到一定程度的破壞。

上述分析表明，2006—2016年，植被覆蓋度總體穩(wěn)定。10年間植被覆蓋度退化面積為1 725 km2，改善面積為1 627 km2，植被仍以退化為主，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境已被破壞，今后需要加強退耕還林還草及封山育林等措施的實施，保護甘南縣生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展。

4? 小結

基于RS和GIS支持，以2006、2011和2016年的Landsat TM和Landsat 8 OLI影像為主要數(shù)據(jù)源，以甘南縣為研究區(qū)，運用歸一化植被指數(shù)及相元二分模型，獲取植被覆蓋度數(shù)據(jù)，并定量分析10年間植被覆蓋度時空變化特征，結論如下。

1）2006—2016年，極低覆蓋度面積逐年減少，減少了37.66 km2;低覆蓋度和中高覆蓋度面積都呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢，其中，低覆蓋度減少了11.84 km2;中覆蓋度和中高覆蓋度分別增加了58.56和110.95 km2;高覆蓋度面積減少最多，為120.02 km2。

2）甘南縣植被覆蓋度整體較好，主要以中高覆蓋度和高覆蓋度為主，2006—2011年低覆蓋度、中高覆蓋度植被面積均減少，極低覆蓋度、中覆蓋度和高覆蓋度植被面積均增加，高覆蓋度面積變化最大，共增加309.08 km2。2011—2016年中覆蓋度和高覆蓋度植被面積減少，極低覆蓋度、低覆蓋度、中高覆蓋度植被面積均增加，中高覆蓋度面積變化最大，共增加192.77 km2。

3）10年間研究區(qū)植被覆蓋度總體穩(wěn)定，2006—2011、2006—2016年穩(wěn)定區(qū)域面積比例分別為64.32%和65.54%。2011—2016年較2006—2011年退化面積減少257 km2，改善面積增加199 km2。2006—2016年植被退化區(qū)域大于改善區(qū)域，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境趨于惡化。

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