王 斌
(天津市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,天津 300191)
基于遙感和GIS的京津風(fēng)沙源區(qū)地表植被覆蓋變化研究
王 斌
(天津市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,天津 300191)
本文以京津風(fēng)沙源區(qū)地表植被作為研究對(duì)象,利用遙感和GIS分析手段,開(kāi)展了2005年~2009年風(fēng)沙源區(qū)地表植被土地利用狀況及變化趨勢(shì)、植被指數(shù)變化等方面的分析研究。結(jié)果表明,京津風(fēng)沙源區(qū)植被面積呈上升趨勢(shì),其中耕地總面積減少2635.59 km2,林地總面積增加13218.43 km2,草地總面積增加13332.62 km2。通過(guò)SPOT-VGT NDVI計(jì)算發(fā)現(xiàn),2005年~2008年風(fēng)沙源區(qū)年最大植被指數(shù)呈波動(dòng)上升趨勢(shì),各年份月季最大NDVI均在8月達(dá)到峰值。區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量正在穩(wěn)步提高。
遙感;GIS;風(fēng)沙源;植被覆蓋
2000年6月經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn),我國(guó)政府開(kāi)展了大規(guī)模的京津風(fēng)沙源治理工程,在北京、天津、河北、山西、內(nèi)蒙古五省區(qū)市的65個(gè)縣旗進(jìn)行試點(diǎn),2001年,試點(diǎn)范圍由65個(gè)縣旗增加到75個(gè),試點(diǎn)面積進(jìn)一步擴(kuò)大。2002年3月,國(guó)務(wù)院正式批復(fù)工程規(guī)劃,工程全面啟動(dòng)。為分析風(fēng)沙源區(qū)地表植被覆蓋變化,參照林業(yè)部門對(duì)京津風(fēng)沙源治理工程范圍,選取內(nèi)蒙古自治區(qū)、河北省、北京市、天津市4個(gè)省市的62個(gè)市旗區(qū)縣作為研究區(qū)域。
采用2005年、2009年兩個(gè)年份分辨率為30米的美國(guó)陸地資源衛(wèi)星Landsat TM5遙感影像作為數(shù)據(jù)源,經(jīng)人工目視解譯,開(kāi)展耕地、林地、草地在內(nèi)的植被類型土地利用變化分析。選用2005年~2008年SPOT-VGT NDVI,開(kāi)展風(fēng)沙源區(qū)域植被指數(shù)定量化研究,評(píng)估區(qū)域植被覆蓋狀況。
3.1 土地利用狀況提取
TM影像數(shù)據(jù)獲取月份為當(dāng)年6月至9月,單景云量小于10%,受人為干擾影響比較大易發(fā)生態(tài)變化的區(qū)域沒(méi)有云覆蓋。影像波段組合為432 RGB類型。幾何糾正投影類型采用Albers Conical Equal Area,橢球體為Krasovsky,中央經(jīng)線為東經(jīng)110°,雙標(biāo)準(zhǔn)緯線為北緯25°和北緯47°,投影起始緯度12°,中央經(jīng)線偏差和起始點(diǎn)偏差都為0。影像再經(jīng)圖像增強(qiáng)、顏色匹配處理,參照原國(guó)家環(huán)保總局“中國(guó)中東部地區(qū)生態(tài)環(huán)境遙感調(diào)查”中土地利用/土地覆蓋類型的分類系統(tǒng),在地理信息系統(tǒng)軟件支持下進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化的人工判讀及地面數(shù)據(jù)的對(duì)比核查;建立經(jīng)過(guò)線狀地物和細(xì)小地物扣除、轉(zhuǎn)換的土地利用/土地覆蓋動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)庫(kù)。
3.2 植被指數(shù)處理
地表植被對(duì)氣候變化反應(yīng)非常明顯,歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)是評(píng)估植被狀況的最有效參數(shù)之一,能很好地反映植被生長(zhǎng)狀態(tài)和植被覆蓋度,也是衡量區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)變化的重要信息。選用2005年~2008年SPOT-VGT NDVI植被指數(shù),該數(shù)據(jù)包含每10天合成的四個(gè)波段的光譜反射率及10天最大化NDVI,空間分辨率為1km,時(shí)間分辨率為逐旬。該數(shù)據(jù)集已被國(guó)內(nèi)很多學(xué)者用于植被及生態(tài)環(huán)境的研究,都取得了比較好的應(yīng)用效果。
預(yù)處理包括大氣校正,輻射校正,幾何校正,生產(chǎn)10天最大化合成的NDVI數(shù)據(jù),并將-1到-0.1的值設(shè)置為-0.1,再通過(guò)公式轉(zhuǎn)換到0-250的DN值。主要處理流程如下:
(1)圖像裁切利用遙感圖像處理軟件ENVI 4.2掩膜功能及京津風(fēng)沙源區(qū)域境界,裁剪出SPOT-VGT NDVI植被指數(shù)圖。
(2)植被指數(shù)反算
根據(jù)如下公式:NDVI=DN×0.004-0.1
將遙感影像中每個(gè)像元的DN值轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的NDVI值,即可得研究區(qū)的實(shí)際NDVI數(shù)據(jù)圖。
(3)植被指數(shù)合成
SPOT-VGT NDVI數(shù)據(jù)的合成因地理位置不同,方法也不同。一般所在區(qū)域的降水量、氣溫、干濕狀況以及作物生長(zhǎng)期等條件決定合成方法的選擇。對(duì)于自然條件惡劣、生態(tài)環(huán)境脆弱的干旱半干早區(qū)域,為突出植被覆蓋狀況,可取全年NDVI的最大值;對(duì)于自然條件一般、植被生長(zhǎng)季不到一年的半濕潤(rùn)地區(qū),可取植被生長(zhǎng)季內(nèi)NDVI的累加值;對(duì)于自然條件優(yōu)越、全年都有植被覆蓋的濕潤(rùn)區(qū),可取全年NDVI的平均值。針對(duì)京津風(fēng)沙源所在區(qū)域,選擇合成最大化植被指數(shù),來(lái)客觀反映區(qū)域植被生長(zhǎng)狀況。
(4)最大化植被指數(shù)(MNDVI)計(jì)算
MVC(Maximum Value Composite)是目前國(guó)際上通用的最大化合成法,該方法可以進(jìn)一步消除大氣、云和太陽(yáng)高度角的部分干擾。每月的NDVI數(shù)據(jù)通過(guò)最大值合成法(MVC)獲得,其計(jì)算公式為:
NDVI i= Max(NDVIij)
NDVI 是第i個(gè)月的NDVI值,NDVIij是第i月第j旬的NDVI的值,以使NDVI更為貼近實(shí)際的反映每月地表植被覆蓋的狀況。
由于年最大NDVI可以較好地反映年度植被長(zhǎng)勢(shì)最好季節(jié)地表植被覆蓋程度,因此將全年12個(gè)月的遙感數(shù)據(jù)按最大值合成得到各年最大NDVI,以生成代表當(dāng)年植被生長(zhǎng)最旺盛時(shí)期NDVI的最大值,合成之后的NDVI數(shù)據(jù)消除了不同地區(qū)季節(jié)變化對(duì)植被覆蓋變化的影響。其公式如下:
NDVIm= Max(NDVImn)
NDVI 是第m年的NDVI值,NDVI 是第m年第n月的NDVI的值。
(5)年均NDVI的計(jì)算
研究自2005年以來(lái)風(fēng)沙源區(qū)域植被生長(zhǎng)狀況,采用均值法統(tǒng)計(jì)全區(qū)的NDVI,即對(duì)單位時(shí)間內(nèi)區(qū)域年最大NDVI數(shù)據(jù)所有像元的NDVI值進(jìn)行平均,用該值來(lái)反映全區(qū)植被覆蓋狀況。
2009年,風(fēng)沙源區(qū)耕地62998.96 km2,林地87666.27 km2, 草 地265917.71 km2, 水 域13270.60 km2,城鄉(xiāng)工礦居民用地7387.12 km2,未利用地20586.08 km2。在土地利用結(jié)構(gòu)中,草地、林地、耕地等植被類型所占比重較大,分別占國(guó)土總面積的58.1%、19.1%和13.8%。植被總面積416582.94 km2,占91.0%。與2005年相比,耕地總面積減少2635.59 km2,林地總面積增加13218.43 km2,草地總面積增加13332.62 km2,植被總面積增加23915.46 km2。
2005~2008年間,京津風(fēng)沙源區(qū)域年最大植植被指數(shù)各像元平均值呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)。其中分為兩個(gè)階段,2005~2006年間,NDVI值由0.508上升至0.526;2007~2008年間,NDVI值由0.404上升至0.492,這主要是與風(fēng)沙源區(qū)域重點(diǎn)林業(yè)工程實(shí)施后,地區(qū)生態(tài)環(huán)境發(fā)生了極為明顯的變化,地表植被覆蓋面積有較大程度的增長(zhǎng)有關(guān)。2006~2007年,NDVI值有所下降,這主要是與年氣候因素對(duì)區(qū)域植被生長(zhǎng)影響有關(guān)。各年份月季最大NDVI均在8月達(dá)到峰值,表明植被生長(zhǎng)在8月達(dá)到最旺盛季節(jié),其中在2006年達(dá)到最大值。
圖2 京津風(fēng)沙源區(qū)年均NDVI、月最大NDVI變化趨勢(shì)
利用遙感和GIS手段分析京津風(fēng)沙源區(qū)地表植被覆蓋變化表明,通過(guò)風(fēng)沙源區(qū)域一系列林業(yè)生態(tài)工程、退耕還林、還草工作的實(shí)施,區(qū)域地表植被覆狀況有了明顯的提高。2005~2009年風(fēng)沙源區(qū)林地、草地面積有所增長(zhǎng),耕地面積處于減少態(tài)勢(shì);區(qū)域年最大植被指數(shù)像元平均值呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì),各年份月季最大NDVI均在8月達(dá)到峰值。區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量正在穩(wěn)步提高。
王斌,1982年生,男,天津市人,工程師,主要從事生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)方面的研究工作。