朱學(xué)山，江 濤，魏顯虎，張宗科

(1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.中國(guó)科學(xué)院 遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101；3.中國(guó)科學(xué)院 中-非聯(lián)合研究中心，湖北 武漢 430074 )

?

基于遙感衛(wèi)星的肯尼亞2000—2013年植被覆蓋度研究

朱學(xué)山1,3，江 濤1，魏顯虎2,3，張宗科2,3

(1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.中國(guó)科學(xué)院 遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101；3.中國(guó)科學(xué)院 中-非聯(lián)合研究中心，湖北 武漢 430074 )

基于MODIS-NDVI遙感數(shù)據(jù)，采用像元二分模型，反演肯尼亞地區(qū)2000—2013年植被覆蓋度，結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空變化的相關(guān)分析。結(jié)果表明,肯尼亞全國(guó)的植被覆蓋度由東北部向西南部逐漸增加，其中肯尼亞山周邊及西南部維多利亞湖周圍植被覆蓋度較高。2000—2013年植被覆蓋度總體變化不大，平均50%，其中2007年植被覆蓋度達(dá)到最高，為55.8%。雨季對(duì)肯尼亞植被覆蓋度的影響較大，長(zhǎng)短雨季期間植被覆蓋度明顯高于旱季，特別是2006年5月長(zhǎng)雨季比2月旱季植被覆蓋度高出23.3%。

肯尼亞；植被覆蓋度；像元二分模型；雨季

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(jì)區(qū)域總面積的百分比[1]。植被覆蓋度是植被茂密程度及植物進(jìn)行光合作用面積大小，是反映地表植被群落生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)的重要指標(biāo)，對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境變化具有重要指標(biāo)作用[2]。目前，測(cè)量植被覆蓋度的方法主要分為地面測(cè)量和遙感測(cè)量?jī)纱箢怺3]：①地面測(cè)量方法即傳統(tǒng)測(cè)量方法，包括目測(cè)法、采樣法、儀器法等[4-5]。這些傳統(tǒng)測(cè)量方法耗時(shí)、耗力，且具有難以獲取連續(xù)時(shí)間等缺點(diǎn)[6]。隨著遙感技術(shù)的日趨成熟，對(duì)大范圍區(qū)域尺度上的植被覆蓋研究大都是基于遙感來(lái)進(jìn)行。其中，應(yīng)用較為廣泛的遙感方法有植被覆蓋度與光譜指數(shù)相關(guān)分析方法、回歸模型方法等，但上述方法具有操作過(guò)程復(fù)雜、測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、受限制條件多、效率不高等缺點(diǎn)，因此不易推廣；②遙感測(cè)量，包括經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头?、植被指?shù)法、像元分解法和光譜梯度法等，具有較高精度和較好適用性，可以推廣到大范圍地區(qū)。

近年來(lái)，隨著中國(guó)對(duì)非洲的大力支持，使得中國(guó)在非洲的影響力與日俱增?？夏醽喿鳛闁|非重要國(guó)家，國(guó)家地勢(shì)復(fù)雜氣候條件多變，尤其是最近十幾年降雨的相對(duì)減少和時(shí)空分布不規(guī)律造成眾多自然災(zāi)害。因此，研究2000—2013年肯尼亞植被覆蓋度及其變化情況，對(duì)肯尼亞部分區(qū)域的農(nóng)業(yè)發(fā)展，整體的生態(tài)建設(shè)，以及自然環(huán)境的保護(hù)和開(kāi)發(fā)利用都具有重要意義。

本文利用肯尼亞2000—2013年MODIS歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)，應(yīng)用像元二分模型，估算肯尼亞的植被覆蓋度，計(jì)算不同時(shí)期數(shù)值，然后進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，揭示其變化的原因和規(guī)律，為合理利用和保護(hù)土地資源提供幫助。

1 研究區(qū)概況

肯尼亞位于非洲東部，地理位置04°40′S～05°02′N，33°56′E～41°34′E，瀕臨印度洋，赤道橫貫中部，東非大裂谷縱貫?zāi)媳?，?guó)土面積58.3萬(wàn) km2，其中陸地面積569 250 km2，水域面積13 400 km2[7]。東鄰索馬里，北與埃塞俄比亞、蘇丹接壤，西連烏干達(dá)，南與坦桑尼亞相連，東南瀕臨印度洋，海岸線長(zhǎng)536 km。全國(guó)平均海拔超過(guò)1 500 m，其中位于中部的肯尼亞山巴蒂安峰海拔5 199 m，為非洲第二高峰。

肯尼亞土地利用/土地覆蓋受自然條件的影響，具有明顯地帶分布特點(diǎn)，總體來(lái)看，中西部高原為主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，東南地區(qū)主要為草灌分布，北部地區(qū)地表大多為裸巖石礫或稀疏的草原，森林植被覆蓋比較分散，主要分布在肯尼亞山、阿伯德?tīng)柹矫}等山地上，除維多利亞湖以外，境內(nèi)湖泊大部分沿東非大裂谷谷底分布。全境位于熱帶季風(fēng)區(qū)，但受地勢(shì)較高的影響為熱帶草原氣候。肯尼亞年平均溫度24℃，年平均降水量500～1 200 mm，且降水季節(jié)明顯，每年有兩個(gè)雨季，3—6月為長(zhǎng)雨季，10—12月為短雨季，其余月份為旱季。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 相關(guān)數(shù)據(jù)

2.1.1 MODIS數(shù)據(jù)

MODIS是TERRA和AUQA衛(wèi)星裝載的中分辨率成像光譜儀，具有36個(gè)光譜通道，分辨率有3種，分別為250、 50、 1 000 m，掃描寬度2 330 km。美國(guó)航空航天局(national aeronautics and space administration，NASA)將MODIS數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格算法和處理形成44種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品。本文采用的遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品MODIS13Q1是MODIS陸地2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，數(shù)據(jù)來(lái)自NASA數(shù)據(jù)中心(http://wist.echo.nasa.gov/api)。數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率為16 d，數(shù)據(jù)格式是HDF，包括NDVI、EVI、藍(lán)、紅、近紅、中紅和VI質(zhì)量文件等12層數(shù)據(jù)，并且每層數(shù)據(jù)都使用MVC(maximum value composite)法對(duì)16 d數(shù)據(jù)進(jìn)行最大值合成。MODIS數(shù)據(jù)投影為正弦曲線投影，在實(shí)際應(yīng)用中需要將EOD-HDF格式轉(zhuǎn)換為大多數(shù)軟件都支持的Tiff格式，投影方式轉(zhuǎn)換為WGS84/Albers Equal Area Conic投影，通過(guò)MRT(MODIS reprojection tools)軟件來(lái)完成的，同時(shí)可以完成圖像的空間拼接和重采樣，將16 d數(shù)據(jù)采用最大合成法(MVC)得到月NDVI數(shù)據(jù)，并利用肯尼亞國(guó)家邊界矢量文件裁剪出肯尼亞國(guó)家2000—2013年NDVI柵格數(shù)據(jù)。

2.1.2 土地利用數(shù)據(jù)

采用肯尼亞1∶10萬(wàn)土地利用數(shù)據(jù)以2010年TM影像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)人工目視解譯得到數(shù)據(jù)，其平均精度達(dá)90%以上。參照國(guó)際地圈-生物圈計(jì)劃(IGBP)全球土地覆蓋分類系統(tǒng)和中國(guó)土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)，將肯尼亞土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水體、建筑用地和其他用地6個(gè)一級(jí)類型和18個(gè)二級(jí)類型，同時(shí)可用支持向量機(jī)的方法對(duì)影像進(jìn)行分類，分類結(jié)果較為準(zhǔn)確[8-9]。土地分類的數(shù)據(jù)主要用于不同土地類型植被覆蓋度的變化分析，探究其變化的原因，然后就整體變化進(jìn)行深入研究。

圖1 肯尼亞土地利用圖Fig.1 Map of land use in Kenya

2.2 研究方法

2.2.1 像元二分模型

像元二分模型[10-12]是一種非常簡(jiǎn)單的線性加權(quán)計(jì)算的定量遙感估算模型，原理是在單個(gè)像元上所表達(dá)的信息R有兩部分組成：一部分為純植被覆蓋的信息RV，另外一部分為非植被覆蓋(裸土)的信息RS，單個(gè)像元上的信息可表示為兩者的線性加權(quán)之和：

R=RV+RS，

(1)

假設(shè)影像上一個(gè)像元中有植被覆蓋的面積比例為fc，即該像元的植被覆蓋度，那么非植被覆蓋(裸土)所占的面積比例為1-fc。如果該像元全部被植被所覆蓋，那么得到的遙感信息為Rveg，則混合像元的純植被覆蓋部分所貢獻(xiàn)的信息RV可以表示為Rveg與fc的乘積：

RV=Rveg×fc，

(2)

而非植被覆蓋(裸土)部分所貢獻(xiàn)的信息RS可以表示為Rsoil與1-fc的乘積：

RS=Rsoil×(1-fc)，

(3)

通過(guò)式(1)～(3)可以解得植被覆蓋度公式：

fc=(R-Rsoil)/(Rveg-Rsoil)。

(4)

其中,Rveg與Rsoil是像元二分模型的2個(gè)參數(shù)。因此，只要知道這2個(gè)參數(shù)就可以根據(jù)式(4)利用遙感信息來(lái)估算植被覆蓋度。

2.2.2 由NDVI估算植被覆蓋度

植被覆蓋度和NDVI之間存在極顯著的線性相關(guān)關(guān)系，通過(guò)建立兩者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以直接提取植被覆蓋度的信息[13]。根據(jù)像元二分模型的原理，一個(gè)像元的NDVI值同樣可以表示為有植被覆蓋的部分和無(wú)植被覆蓋的部分組成的形式。植被覆蓋度的計(jì)算公式可表示為：

fc=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)。

(5)

其中：NDVIsoil表示為像元中完全是裸土或者是無(wú)植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，而NDVIveg則表示像元中完全由植被所覆蓋區(qū)域的NDVI值。對(duì)于大多數(shù)類型裸地來(lái)說(shuō)，NDVIsoil值在理論上應(yīng)等于0，并且是不變的，但在實(shí)際獲取數(shù)據(jù)過(guò)程中，受到眾多因素的影響，使得NDVIsoil發(fā)生變化，范圍一般在-0.1～0.2之間[14]。同樣，由于NDVIveg受到植被類型和植被時(shí)空分布的影響，數(shù)值發(fā)生改變。因此，即使對(duì)于同一影像在計(jì)算植被覆蓋度時(shí)，NDVIsoil和NDVIveg的值也不能使用固定值[15]。因此，本文在沒(méi)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，利用圖像在給定的置信區(qū)間內(nèi)的最大值和最小值作為NDVImax與NDVImin的值。其中，NDVIveg值取影像中全覆蓋植被土地的NDVImax值作為理想植被全覆蓋地表，NDVIsoil值取影像中裸露土地的NDVImin值[16]。

3 結(jié)果分析與結(jié)論

3.1 肯尼亞多年平均植被覆蓋度的空間格局

從2000—2013年平均植被覆蓋度空間分布可以看出(圖2)，肯尼亞植被覆蓋度總體呈東北低西南高、由東北向西南遞減的特征。另外，肯尼亞中西部高原地區(qū)及東南沿海地區(qū)植被覆蓋度較高，北部地區(qū)植被覆蓋度較低?？夏醽?4年間平均植被覆蓋度為0.495，其中林地平均植被覆蓋度最高，草地植被覆蓋度居中，而裸地是除了冰雪之地外最低的，由此可見(jiàn)其空間差異非常明顯。

圖2 肯尼亞14年間平均植被覆蓋度Fig.2 Average vegetation coverage in Kenya during the 14 years

圖3 2000—2013年的年平均植被覆蓋度Fig.3 Annual average vegetation coverage during 2000—2013

肯尼亞林地2000—2013年平均植被覆蓋度達(dá)0.807，主要集中在肯尼亞山、阿伯德?tīng)柹矫}等山地上，由于海拔較高，一般以雪松、竹林、柱子紅樹(shù)、羅漢松等為主要樹(shù)種，且森林植被覆蓋較分散，森林覆蓋率約8%。

肯尼亞草地2000—2013年平均植被覆蓋度達(dá)0.541，東南地區(qū)為草灌分布，北部地區(qū)大部分為稀疏草原，草地較多，占全國(guó)面積的40%以上，且具有典型東非高原稀樹(shù)草原的分布格局。

肯尼亞裸地在2000—2013年平均植被覆蓋度達(dá)0.283，裸地主要集中在北部東非大裂谷兩側(cè)，裸地上主要是裸巖石礫，還有少量荒漠植被?？夏醽喡愕丶s占全國(guó)面積的7%。

3.2 肯尼亞植被覆蓋度的年際變化及空間格局

2000—2013年肯尼亞植被覆蓋度總體變化不大，年平均植被覆蓋度呈波浪式變化(圖3)，2000年全國(guó)平均植被覆蓋度最低為0.445，2007年最高為0.558，由線性分析可以看出肯尼亞植被覆蓋度總體稍有下降，并且年平均植被覆蓋度值與年份無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系。

由圖4可以看出，肯尼亞不同區(qū)域植被覆蓋度變化趨勢(shì)不同，東南部地區(qū)呈減少趨勢(shì)，部分地區(qū)顯著減少；中西部高原除小部分地區(qū)外，總體呈增加趨勢(shì)；北部地區(qū)呈增加趨勢(shì)，特別是西北地區(qū)和東北局部地區(qū)均呈顯著增加趨勢(shì)。根據(jù)土地利用圖可知，西北和東北林地的植被覆蓋度明顯增加，而東南方向草地的植被覆蓋度則明顯減少，維多利亞湖周圍耕地的植被覆蓋度部分明顯增加、而其他部分則明顯減少。

3.3 肯尼亞植被覆蓋度的雨季和旱季變化

肯尼亞全境為熱帶草原氣候，但西南部高原除大裂谷谷底地區(qū)較為干熱外，屬于亞熱帶森林氣候，年降水量750～1 000 mm。東南沿海平原地區(qū)炎熱濕潤(rùn)，年降水量500～1 200 mm，主要集中在5月份。北部和東半部是半沙漠區(qū)，氣候干熱少雨，年降水量250～500 mm[17]?？夏醽?—6月為長(zhǎng)雨季，10—12月為短雨季，其余月份為旱季。

由以上可知，肯尼亞植被和農(nóng)作物的生長(zhǎng)大部分需要在長(zhǎng)短雨季進(jìn)行，因此，雨季對(duì)植被覆蓋度的影響巨大，特別是草原和耕地等區(qū)域。這里只對(duì)具有代表性的4個(gè)月份進(jìn)行研究：長(zhǎng)雨季5月、短雨季11月以及旱季2月和8月。2000—2013年這4個(gè)月份的肯尼亞植被覆蓋度的變化情況如圖5，可以看出雨季的5月和11月的植被覆蓋度明顯高于旱季的2月和8月。旱季的2個(gè)月份的植被覆蓋度變化較一致，2月份植被覆蓋度最高值是0.551，最低為0.372，8月份的植被覆蓋度最高值為0.514，最低為0.378，總體來(lái)說(shuō)波動(dòng)不是很大；雨季的2個(gè)月份的植被覆蓋度變化較大，5月份植被覆蓋度的最高值為0.681，最低為0.351，11月份的植被覆蓋度最高值為0.63，最低為0.364，可能與降雨量有直接關(guān)系，由于目前沒(méi)有收集到更詳細(xì)的肯尼亞降雨數(shù)據(jù)，就不進(jìn)行推測(cè)，下一步將進(jìn)行更深入定量研究。

圖4 肯尼亞植被覆蓋度變化趨勢(shì)Fig. 4 Vegetation coverage change trend in Kenya

圖5 4個(gè)月份的植被覆蓋度變化Fig.5 Vegetation coverage changes during four months

4 結(jié)論

選用能較好反映植被生長(zhǎng)狀況的MODIS13Q1-NDVI影像來(lái)做累計(jì)，基于像元二分模型計(jì)算肯尼亞植被覆蓋度，進(jìn)而分析肯尼亞植被覆蓋度的變化情況。研究發(fā)現(xiàn)，在2000—2013年肯尼亞年平均植被覆蓋度變化不大，但局部植被覆蓋度變化很大，在維多利亞湖周圍、首都內(nèi)羅畢周邊以及東南沿海人類居住較多區(qū)域植被覆蓋度明顯減少，而西北大部和東北局部人類活動(dòng)較少區(qū)域植被覆蓋度明顯增加，而雨季和旱季植被覆蓋度的變化表明降雨對(duì)植被的影響。

肯尼亞植被覆蓋度受土地類型、不同區(qū)域以及不同季節(jié)和月份等因素影響，數(shù)據(jù)分析表明近年來(lái)肯尼亞的植被覆蓋度發(fā)生很大變化，特別是人類和降雨量影響較大，下一步可進(jìn)行定量化研究。

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(責(zé)任編輯：高麗華)

Study of Vegetation Coverage During 2000—2013 in Kenya Based on Remote Sensing Satellite

ZHU Xueshan1,3, JIANG Tao1, WEI Xianhu2,3, ZHANG Zongke2,3

(1. College of Geomatics, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China;2. Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China;3. Sino-African Joint Research Center, Chinese Academy of Sciences, Wuhan, Hubei 430074, China)

Inversion of vegetation coverage in Kenya during 2000—2013 was first conducted based on MODIS-NDVI remote sensing data and dimidiate pixel model. Then relevant analyses of temporal and spatial variations were made by combining with land-use data. The results show that the vegetation coverage of Kenya increases gradually from northeast to southwest and higher vegetation coverage is found around Mount Kenya and around the Lake Victoria in the southwest. There is little change in overall vegetation coverage during 2000—2013 and the average vegetation coverage is 50%. The vegetation coverage in 2007 reaches 55.8%, the highest during this period. Rainy season has a greater impact on vegetation coverage in Kenya. The vegetation coverage during the long and short rainy seasons is significantly higher than that during the dry seasons. In 2006, the vegetation coverage during the long rainy season in May was 23.3% higher than that during the dry season in February.

Kenya; vegetation fraction; dimidiate pixel model; rainy season

2016-01-19

中國(guó)科學(xué)院海外科教基地建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目(SAJC201314)

朱學(xué)山(1989—)，男，山東棗莊人，碩士研究生，主要從事資源與環(huán)境遙感研究. E-mail:510572787a@163.com 江 濤(1961—)，男，山東濟(jì)南人，教授，博士，主要從事遙感信息處理與分析、資源與環(huán)境遙感等方面研究，本文通信作者. E-mail:tjiang@126.com

Q948

A

1672-3767(2016)06-0024-06