王一富， 袁 磊,2*

(1.云南師范大學(xué)信息學(xué)院，昆明 650000; 2.西部資源環(huán)境地理信息技術(shù)教育部工程研究中心，昆明 650000)

在山地地理系統(tǒng)中，植被(vegetation)可以說是系統(tǒng)中最重要、最敏感的部分，同時(shí)也是區(qū)域覆蓋植物群落的總稱[1]。它不但能夠保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)和自然環(huán)境，而且在防止水土流失、減緩徑流方面也起著非常關(guān)鍵的作用[2-3]。眾所周知，植被覆蓋度(vegetation fractional cover，VFC)是在一定區(qū)域內(nèi)對(duì)植被覆蓋狀況的關(guān)鍵衡量指標(biāo)[4-5]，其變化是研究山區(qū)自然地理格局以及分析山地自然地理過程變化的關(guān)鍵[6-8]。

植被是遙感影像上重要的地物信息[9]。遙感數(shù)據(jù)獲取速度快、周期短、覆蓋范圍廣、分析便捷等特點(diǎn)，使遙感技術(shù)在大范圍植被監(jiān)測方面具備特別的優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)成為對(duì)植被覆蓋變化進(jìn)行監(jiān)測的重要手段。近幾年，在植被遙感監(jiān)測方面的研究已經(jīng)有了非常多的分析方法[10-14]。在眾多方法之中，由于歸一化植被指數(shù)在時(shí)空上具有連續(xù)性特點(diǎn)，所以經(jīng)常用于監(jiān)測植被生長狀況[15]。如廖春貴等[16 ]對(duì)北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)植被覆蓋變化的特征及驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行研究；阿拉努爾·艾尼娃爾等[17]利用MODIS陸地專題產(chǎn)品(MODIS/terra vegetation indices 16-Day L3 Global 250 m SIN Grid.，MOD13Q1)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)研究了哈密市近17年來歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI) 的空間變化特征以及與氣候因素的關(guān)系。同時(shí)，歸一化植被指數(shù)能很好地反映植物狀態(tài)和植物覆蓋度，是衡量區(qū)域生態(tài)環(huán)境和地理系統(tǒng)的重要指標(biāo)[18-19]。例如，郭秀麗等[20]基于NDVI像元二分法, 利用Landsat-TM數(shù)據(jù)反演了內(nèi)蒙古自治區(qū)杭錦旗植被覆蓋度；陳建軍等[21]基于NDVI 與野外實(shí)測數(shù)據(jù)建立了植被覆蓋度回歸模型, 估算了疏勒河源區(qū)的植被覆蓋度。目前中外相關(guān)研究已有很多，但對(duì)于高原地區(qū)的植被覆蓋度研究相對(duì)較少，其海拔高、氣候惡劣的特點(diǎn)使其在監(jiān)測過程中有較大困難。

蒼山位于大理自治州中部，其垂直分帶性明顯具有十分豐富的生物多樣性，但其生態(tài)環(huán)境極其脆弱，生態(tài)地位極為重要，被譽(yù)為“世界屋脊的屋檐”?；谙裨帜Ｐ偷脑恚蒙n山保護(hù)區(qū)四期的landsat 5 TM遙感影像，并且結(jié)合NDVI計(jì)算植被覆蓋度進(jìn)而分析植被覆蓋度的變化。這對(duì)研究大理蒼山保護(hù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及維護(hù)生物多樣性具有重要的意義,同時(shí)也可為云貴高原、青藏高原高寒植被覆蓋度監(jiān)測和保護(hù)提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

蒼山平均海拔在3 500 m以上，位于云南省大理白族自治州的中部地區(qū)，被人們譽(yù)為“世界屋脊的屋檐”。蒼山地理位置獨(dú)特，面積廣闊，總面積為57 710 hm2(1 hm2=10 000 m2)，其植被類型多樣，主要有云南松、冷杉、杜鵑等，并且已經(jīng)有7種植被被列入了國家重點(diǎn)保護(hù)野生植物名錄。

大理蒼山保護(hù)區(qū)的生物系統(tǒng)環(huán)境復(fù)雜多變，蒼山相對(duì)高差較大，垂直分帶性明顯，使其具備差異較大的生態(tài)環(huán)境，致使其保護(hù)區(qū)內(nèi)植物種類繁多，野生瀕危動(dòng)植物和特有物種眾多。大理蒼山于2012年1月12日成為候選世界公園，正式被列為世界地質(zhì)公園是在2014年9月13日。

2 數(shù)據(jù)來源與處理

采用landsat 5 TM影像數(shù)據(jù)，以2001、2005、2009以及2011年的影像為數(shù)據(jù)源，這些數(shù)據(jù)都是空間分辨率為30 m，時(shí)間分辨率為16 d的影像。數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云。使用遙感圖像處理平臺(tái)(environment for visualizing images,ENVI)ENVI4.8和ARCGIS10.3進(jìn)行圖像處理。在處理過程中，對(duì)遙感影像進(jìn)行了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、輻射定標(biāo)及大氣校正，并且根據(jù)大理蒼山自然保護(hù)區(qū)的矢量數(shù)據(jù)，對(duì)遙感圖像進(jìn)行了相應(yīng)的裁剪。通過對(duì)大理蒼山自然保護(hù)區(qū)的遙感圖像進(jìn)行分析，從而為植被覆蓋度的計(jì)算提供相應(yīng)的依據(jù)。研究技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線Fig.1 Technology route

2.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

研究選用Landsat TM數(shù)據(jù)為D_WGS_1984投影坐標(biāo)系，矢量數(shù)據(jù)為GCS_Xian_1980地理坐標(biāo)系，因此，需要轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系，將兩種數(shù)據(jù)的坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一定義，將坐標(biāo)統(tǒng)一定義為D_WGS_1984坐標(biāo)系。

2.2 輻射定標(biāo)

輻射定標(biāo)的目的是為了將遙感器得到的測量值轉(zhuǎn)變成與地表反射率等有關(guān)的相對(duì)值的轉(zhuǎn)變過程。輻射定標(biāo)是根據(jù)從下載的數(shù)據(jù)中的MTL文件中在ENVI中的landsat calibration中輸入各種參數(shù)來進(jìn)行的。

2.3 大氣校正

為了進(jìn)一步消除大氣對(duì)地物反射所造成的影響，要對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正[22]。在大氣校正的環(huán)節(jié)中，主要采用黑暗像元法(利用ENVI中的dark subtract)。這是通過從其他像元中減去黑暗像元值以及黑暗像元增加的像元值來進(jìn)一步減小大氣對(duì)遙感圖像的影響的過程。

2.4 影像裁剪

圖像裁剪的目的是為了將研究區(qū)域范圍之外的部分去除。根據(jù)對(duì)研究區(qū)的矢量數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)范圍進(jìn)行不規(guī)則裁剪。主要采用在ENVI中用矢量數(shù)據(jù)生成感興趣區(qū)來完成圖像的裁剪(圖2)。

圖2 影像裁剪Fig.2 Video clipping

3 研究方法

在數(shù)據(jù)源處理的基礎(chǔ)上，運(yùn)用NDVI計(jì)算植被指數(shù)，并通過采用改進(jìn)的像素二分模型估算出大理蒼山保護(hù)區(qū)的植被覆蓋度。根據(jù)植被覆蓋度計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步分析了大理蒼山保護(hù)區(qū)植被覆蓋度的變化及其原因。

3.1 NDVI計(jì)算

歸一化植被指數(shù)(NDVI)是現(xiàn)在應(yīng)用最為普遍的植被指數(shù)[23]。這個(gè)指數(shù)能夠?qū)χ脖坏纳L狀況進(jìn)行良好的反饋，同時(shí)還能夠更加直觀地顯示植被的分布情況。對(duì)于植被在不同時(shí)期的動(dòng)態(tài)變化也能夠分析得比較全面。由于本研究主要是對(duì)在不同時(shí)間段蒼山保護(hù)區(qū)的植被覆蓋度整體的變化情況進(jìn)行相應(yīng)的分析，所以在計(jì)算時(shí)選擇歸一化植被指數(shù)較為適宜，計(jì)算公式為

(1)

式(1)中：NIR代表的是近紅外波段；Red代表的是紅光波段。

計(jì)算蒼山的NDVI時(shí)，Landsat TM對(duì)應(yīng)的是4波段和3波段，計(jì)算公式為NDVI=(B4-B3)/(B4+B3)。

3.2 植被覆蓋度遙感估算

植被覆蓋度主要是指植被的垂直投影面積在統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積中所占的百分比[24]。采用像元二分模型法對(duì)大理蒼山自然保護(hù)區(qū)植被覆蓋度進(jìn)行估算。

利用像素二分模型估算植被覆蓋率的方法簡單可靠，這種植被遙感估算模型具有很強(qiáng)的實(shí)用性[25]。目前，遙感技術(shù)已廣泛應(yīng)用于植被覆蓋度的測量，但植被指數(shù)是計(jì)算植被覆蓋度最常用的方法之一。NDVI的使用比較常見，以下模型的使用是通過像元二分模型衍生而來。

VFC=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(2)

用NDVIsoil代表無植被區(qū)域的NDVI；NDVIveg代表純植被區(qū)域的NDVI。計(jì)算NDVIsoil和NDVIveg的公式為

(3)

NDVIveg=

(4)

運(yùn)用式(2)模型來估算植被覆蓋度，就要確定NDVIsoil和NDVIveg。

在確定最大和最小值時(shí)，要分兩種情況來討論：

(1)當(dāng)VFCmax=100%，VFCmin=0%時(shí)，式(2)可變?yōu)?/p>

VFC=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(5)

式(5)中：NDVImax為區(qū)域內(nèi)最大的NDVI值；NDVImin為最小值。

(2)當(dāng)不能取VFCmax=100%，VFCmin=0%時(shí)，如果有實(shí)測數(shù)據(jù)，則VFCmax和VFCmin的值則是在實(shí)測數(shù)據(jù)里取其中的最大值以及最小值。如果沒有實(shí)測數(shù)據(jù)，則取一定置信度范圍內(nèi)的NDVImax和NDVImin。

4 研究結(jié)果與分析

圖3 4期NDVI影像Fig.3 NDVI images of 4 stages

圖4 4期植被覆蓋度的圖像Fig.4 Vegetation coverage images of 4 stages

研究是利用ENVI4.8進(jìn)行計(jì)算的，根據(jù)式(1)，得到了4期NDVI影像(圖3)。對(duì)于大理蒼山保護(hù)區(qū)植被覆蓋度的研究是在沒有實(shí)測數(shù)據(jù)的情況下進(jìn)行的，需要在計(jì)算出來的NDVI中確定一個(gè)置信區(qū)間進(jìn)行研究，置信區(qū)間設(shè)定的目標(biāo)是為了排除異常值。理論上來說，對(duì)于純裸土和純植被而言，NDVIsoil和NDVIveg取值分別為0和1，但是在實(shí)際中，這兩個(gè)值一般不會(huì)是一個(gè)確定值，這主要是氣候、光照以及其他環(huán)境因素所導(dǎo)致的結(jié)果，它們會(huì)隨著環(huán)境和圖像質(zhì)量的情況而有所變化。為了避免圖像的影響，在研究中不直接使用NDVI分布值中的最大值和最小值，在選擇這兩個(gè)值時(shí)采用NDVI概率分布的方法，得到表1所示的NDVI取值。然后把這些值運(yùn)用到式(4)中，并且在ENVI中的Band math進(jìn)行運(yùn)算得到圖4所示的4期植被覆蓋度影像。

植被覆蓋度是研究區(qū)每個(gè)像元所占總像元的比例。將4期的植被覆蓋圖從ENVI中用標(biāo)簽圖像文件格式(tag image file format,TIFF)保存，然后導(dǎo)入ArcMap中，在ArcMap中將圖像進(jìn)行重分類，將植被歸為一類，非植被歸為另一類，打開屬性表，屬性表里直接顯示出植被像元數(shù)和非植被像元數(shù)，統(tǒng)計(jì)整理數(shù)據(jù)如表2所示。

根據(jù)表2統(tǒng)計(jì)出來的各個(gè)年度像元的數(shù)量來計(jì)算年平均植被覆蓋度，結(jié)果如表3所示。

表1 NDVI的取值Table 1 The NDVI value

表2 各年份像元的個(gè)數(shù)Table 2 The number of picture element per gear

植被覆蓋度的動(dòng)態(tài)變化能夠直接反映研究區(qū)內(nèi)植被生長狀況的優(yōu)劣，植被覆蓋度增加和減少表明研究區(qū)域的植被在整體上呈現(xiàn)出增加和減少的趨勢(shì)。根據(jù)表3的數(shù)據(jù)制成折線圖，可以清楚地觀測出植被覆蓋度地年際變化趨勢(shì)(圖5)。

表3 植被覆蓋度Table 3 Vegetation coverage

圖5 4期的植被覆蓋度Fig.5 Vegetation coverage of 4 stages

由圖3和圖4可以看出，蒼山東側(cè)的植被覆蓋度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出西側(cè)。這是由于蒼山東側(cè)臨近洱海受到水氣等條件的影響，氣候相對(duì)濕潤，使得蒼山東側(cè)更適宜植被生長。從圖5結(jié)合表3可以看出，2001—2005年的植被覆蓋度的值呈上升趨勢(shì)，且上升幅度較大，植被覆蓋度由2001年的0.32增加到2005年的0.38，增加了0.06，2005—2009年有所下降，但下降幅度較小，僅由0.38下降到0.35，減少了0. 03，植被覆蓋度變化較小。2009—2011年，從0.35上升到0.45，增加了0.1，漲幅明顯增大。因此，從整體上看，2001—2010年植被覆蓋度仍然處于上升狀態(tài)，說明植被的長勢(shì)較好。由于在2007年蒼山斜陽峰發(fā)生大規(guī)?；馂?zāi)，毀壞植被面積達(dá)到2 000多畝，從而導(dǎo)致在2005—2009年這段時(shí)間植被覆蓋度下降比較嚴(yán)重。這使得蒼山的植被在很長一段時(shí)間內(nèi)得不到恢復(fù)，因此在2005—2009年這個(gè)時(shí)期植被覆蓋度呈下降的趨勢(shì)。而在后來的4年間植被覆蓋度的值增加較大，是由于蒼山植被的良好長勢(shì)，植被得到了很好的恢復(fù)。

5 結(jié)語

利用landsat5 TM遙感影像數(shù)據(jù)，采用基于歸一化植被指數(shù)結(jié)合像元二分模型的方法估算出2001、2005、2009和2011年大理蒼山研究區(qū)的植被覆蓋度，并獲得了研究區(qū)植被覆蓋度的遙感圖像。從研究結(jié)果分析得出，2001—2011年的植被覆蓋度大體上呈上升趨勢(shì)。這是多種因素綜合作用的結(jié)果。因此通過對(duì)大理蒼山保護(hù)區(qū)植被覆蓋度的動(dòng)態(tài)變化遙感監(jiān)測，能夠看出近年來植被覆蓋度的年際變化，對(duì)保護(hù)蒼山的植被和生物多樣性具有重要應(yīng)用價(jià)值。