于 惠,吳玉鋒,金 毅,牛莉婷
(甘肅省水土保持科學(xué)研究所,甘肅 蘭州 730020)
植被覆蓋度 (vegetation fractional coverage,VFC)是生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)的一個(gè)重要參量,是指示土地退化和沙漠化的一個(gè)敏感指標(biāo),對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定及環(huán)境變化具有重要的影響[1-2]。因此,及時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)植被覆蓋度的時(shí)空變化,對(duì)資源可持續(xù)利用、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)恢復(fù)具有重要應(yīng)用價(jià)值。
植被覆蓋度估算方法主要包括地面測(cè)量和遙感監(jiān)測(cè)兩種。地面測(cè)量方法易受時(shí)間、天氣和交通等狀況的影響,很難在大范圍內(nèi)開(kāi)展,且該方法都是以多個(gè)稀疏離散的樣方和樣點(diǎn)的平均值代替整個(gè)區(qū)域的植被覆蓋度,不能快速、準(zhǔn)確、客觀地反映區(qū)域的植被覆蓋度變化情況。遙感技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,為大范圍的植被覆蓋度估算提供了新的思路。目前,常用的遙感監(jiān)測(cè)方法主要有經(jīng)驗(yàn)?zāi)P头ê突旌舷裨纸夥ǖ?。?jīng)驗(yàn)?zāi)P头ㄊ腔跀?shù)理統(tǒng)計(jì)原理,通過(guò)建立遙感光譜值與實(shí)測(cè)植被覆蓋度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系來(lái)反演植被覆蓋度[3]。該方法所需參數(shù)較少,易于實(shí)現(xiàn),因此廣泛應(yīng)用于植被覆蓋度的估算,并達(dá)到了較好的反演效果[4-10]。但其缺點(diǎn)在于使用該方法提取植被覆蓋度時(shí),需要大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)做支撐,且普適性相對(duì)較差?;旌舷裨纸夥ㄕJ(rèn)為遙感影像中一個(gè)像元通常包含多種地物類(lèi)型,而每種地物對(duì)傳感器獲取的光譜信息都有貢獻(xiàn),通過(guò)分析像元中各種典型地物所占比例,加權(quán)得到植被覆蓋度[11]。此類(lèi)方法中應(yīng)用最為廣泛的是像元二分模型法,它假定傳感器所觀測(cè)到的每個(gè)像元信息是綠色植被覆蓋和無(wú)植被覆蓋兩部分的線(xiàn)性組合。該模型參數(shù)簡(jiǎn)單、計(jì)算方便,能夠在一定程度上消除土壤等背景因素的影響,在不同區(qū)域的應(yīng)用中表現(xiàn)出較高的精度和穩(wěn)定性,但其難點(diǎn)在于區(qū)域內(nèi)純植被和純土壤像元光譜值的確定[12-16]?;谙裨帜P?,唐世浩等[17]提出了三波段梯度差法 (three band gradient difference vegetation index, TGDVI),TGDVI是根據(jù)地物的光譜特性,提出的一種根據(jù)綠、紅、近紅外3個(gè)波段梯度差與全植被覆蓋之比來(lái)估算植被覆蓋度的方法。相較于像元二分模型,該方法飽和點(diǎn)較高,但在低覆蓋區(qū)域的反演精度偏低。根據(jù)三波段梯度差法,古麗等[18]研究干旱區(qū)荒漠植被的光譜特征發(fā)現(xiàn),除了近紅外和紅波段外,在短波紅外波段植被和非植被也有顯著的差別,因此采用短波紅外波段代替綠波段提出了改進(jìn)的三波段最大梯度差法 (modified TGDVI,MTGDVI)。該方法進(jìn)一步增大了植被與非植被區(qū)的差異,在不同尺度上估算的植被覆蓋度與實(shí)測(cè)值的一致性較好,然而在土壤濕度增加時(shí),反演精度有所下降[18-23]。
河西地區(qū)位于我國(guó)西北氣候干旱區(qū),植被覆蓋稀疏、破碎。河西地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)是我國(guó)北方重要的生態(tài)屏障,阻擋著騰格里、巴丹吉林和庫(kù)姆塔格三大沙漠入侵內(nèi)陸的步伐。研究該區(qū)植被覆蓋度的變化,對(duì)于維護(hù)區(qū)域生態(tài)平衡和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)等方面都具有重要的科學(xué)指導(dǎo)意義。因此,有必要比較不同干旱區(qū)植被覆蓋度估算方法在河西地區(qū)的應(yīng)用效果,以此準(zhǔn)確獲取該區(qū)的植被覆蓋度。本研究以河西地區(qū)為試驗(yàn)區(qū),利用MODIS數(shù)據(jù)和野外樣地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),系統(tǒng)分析經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?、像元二分模型和修正的三波段最大梯度差法在區(qū)域內(nèi)的適用性,從而找到適用于該區(qū)草地植被覆蓋度的估算方法,并分析2001-2015年干旱區(qū)草地植被覆蓋度時(shí)空動(dòng)態(tài)特征,以期為干旱區(qū)草地資源和生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)提供科學(xué)基礎(chǔ)。
河西地區(qū)位于甘肅省西北部,東起烏鞘嶺,西與新疆維吾爾自治區(qū)相連,南依祁連山、阿爾金山分水嶺北坡,北接騰格里和巴丹吉林沙漠。地理位置為 92°12′-103°54′ E,37°09′-42°48′ N。東西長(zhǎng)約 1 000 km,南北寬 40~120 km,平均海拔1 500 m左右。該區(qū)具有大陸性氣候和青藏高原氣候綜合影響的特點(diǎn),屬于干旱少雨、蒸發(fā)強(qiáng)烈的強(qiáng)沙塵暴多發(fā)地區(qū)。年平均氣溫為5~10 ℃,年平均降水量138 mm,個(gè)別地區(qū)在50 mm以下。年日照時(shí)數(shù) 3 000~4 000 h,多年平均太陽(yáng)總輻射量值約為 7 161 MJ·(m2·a)-1, ≥0 ℃ 年積溫多年平均值為 3 564 ℃·d,平均蒸發(fā)量超過(guò) 1 000 mm[24]。區(qū)域內(nèi)土壤大區(qū)為西北干旱漠土,走廊西部分布有棕色荒漠土,中部為灰棕荒漠土,東部則為灰漠土、淡棕鈣土和灰鈣土[25]。
河西地區(qū)擁有各類(lèi)天然草地面積9.8萬(wàn)km2,占該區(qū)土地總面積的35.6%。其中可利用草地面積8.7 萬(wàn)km2,山區(qū)草地面積占草地總面積的38.7%。受地形和氣候等因素的影響,草地類(lèi)型呈多樣性(圖1)。
MODIS數(shù)據(jù)采用來(lái)自NASA地表過(guò)程數(shù)據(jù)中心(LP DAAC)L3級(jí)的地表反射率產(chǎn)品MOD09A1,
圖 1 河西地區(qū)草地類(lèi)型和野外采樣點(diǎn)分布圖Figure 1 The distribution of grassland types and field sampling sites in Hexi arid area
涵蓋了可見(jiàn)光、近紅外和短波紅外1~7 波段的地表反射率等數(shù)據(jù)。投影方式為正弦曲線(xiàn)投影,時(shí)間分辨率為8 d,空間分辨率為500 m。本研究采用的是空間位置在全球正弦投影系統(tǒng)中編號(hào)為h25v04、h25v05和h26v05的影像,數(shù)據(jù)格式是EOS-HDF,版本為V005,時(shí)間序列為2001-2015年5-10月15 個(gè)生長(zhǎng)季。使用 MRT (MODIS Reprojection Tools)和ArcGIS軟件,對(duì)下載的MOD09A1產(chǎn)品進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、拼接和地圖投影轉(zhuǎn)換等預(yù)處理。
外業(yè)調(diào)查集中在2005、2006、2014和2015年7-8月草地生長(zhǎng)季期間。采用路線(xiàn)監(jiān)測(cè)的方法,選擇交通能夠到達(dá),草地相對(duì)均質(zhì),面積大于1 km ×1 km的草地作為代表性樣地,每個(gè)樣地內(nèi)設(shè)置3 個(gè) 0.5 m × 0.5 m 的樣方。樣地調(diào)查內(nèi)容包括樣地所隸屬草地類(lèi)型、地形、坡度、坡向、土壤質(zhì)地、經(jīng)緯度、海拔高度、植被覆蓋度等指標(biāo)。2005、2006、2014和 2015年分別設(shè)置樣地 18、36、30和22個(gè)。將每個(gè)樣地內(nèi)3個(gè)樣方的平均值作為1條數(shù)據(jù)記錄,最終得到樣本記錄106條(圖1)。輔助數(shù)據(jù)包括研究區(qū)1∶50萬(wàn)草地類(lèi)型圖、行政分區(qū)等相關(guān)空間數(shù)據(jù)庫(kù)。
2.3.1 植被覆蓋度反演方法
本研究共使用了經(jīng)驗(yàn)?zāi)P头ā⑾裨帜P头ê透倪M(jìn)的三波段最大梯度差法3種基于遙感的干旱區(qū)植被蓋度計(jì)算方法,結(jié)合實(shí)測(cè)樣方數(shù)據(jù),比較這些方法提取河西地區(qū)草地植被蓋度的準(zhǔn)確性,找出適用于該區(qū)的植被蓋度計(jì)算方法。
經(jīng)驗(yàn)?zāi)P头ㄊ抢霉庾V值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)關(guān)系來(lái)反演植被覆蓋度。本研究選擇包括NDVI、NDTI、DVI、TVI等在內(nèi)的10種不同的植被指數(shù),結(jié)合地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立植被指數(shù)與植被覆蓋度之間的線(xiàn)性回歸模型,用以估算研究區(qū)植被蓋度。將106個(gè)樣點(diǎn)隨機(jī)分為兩部分,其中72個(gè)樣點(diǎn)用于模型構(gòu)建,34個(gè)樣點(diǎn)用于驗(yàn)證模型的精度。
像元二分模型法在估算植被覆蓋度時(shí)多采用NDVI值,其計(jì)算公式如下:
改進(jìn)的三波段最大梯度差模型:
式中:A為植被覆蓋度,、和分別代表紅、近紅和短波紅外波段的反射率,、和
2.3.2 植被覆蓋度精度驗(yàn)證
為了綜合衡量不同植被覆蓋度估算方法的精度,利用34個(gè)驗(yàn)證樣本的野外實(shí)測(cè)結(jié)果與影像估算值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用平均絕對(duì)誤差δ、均方根誤差RMSE及預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值之間的相關(guān)系數(shù)r作為驗(yàn)證模型精度的指標(biāo)[10, 21],以此來(lái)評(píng)價(jià)不同方法在河西地區(qū)植被覆蓋度監(jiān)測(cè)中的適應(yīng)性。
利用已建立的草地植被覆蓋度反演模型以及MODIS 地表反射率產(chǎn)品,結(jié)合研究區(qū)草地類(lèi)型圖,分析研究區(qū)2001-2015年生長(zhǎng)季草地植被覆蓋度的空間分布狀況和年際動(dòng)態(tài)變化等特征。為分析河西地區(qū)草地植被覆蓋度年際變化情況,采用線(xiàn)性擬合的方法分析植被覆蓋度變化趨勢(shì),即用線(xiàn)性擬合的斜率()表示年變化率,通過(guò)顯著性分析將植被覆蓋度變化情況劃分為5個(gè)等級(jí)[20]:極顯著退化 (<-0.1%,P≤ 0.01)、顯著退化<-0.1%,0.01<P≤ 0.05)、保持不變 (P>0.05)、顯著恢復(fù) (>0.1%,0.01<P≤ 0.05)、極顯著恢復(fù) (
利用未參與建模的34個(gè)驗(yàn)證樣本對(duì)不同植被覆蓋度模型進(jìn)行驗(yàn)證。采用平均絕對(duì)誤差δ、均方根誤差RMSE和相關(guān)系數(shù)r來(lái)評(píng)價(jià)模型準(zhǔn)確度,將野外實(shí)測(cè)樣本與不同模型的估算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。比較不同植被覆蓋度模型的計(jì)算精度,檢驗(yàn)不同方法在河西地區(qū)的適用性(表1)??傮w而言,經(jīng)驗(yàn)?zāi)P头ǖ墓浪憔茸罡撸蟛糠纸?jīng)驗(yàn)?zāi)P偷钠骄^對(duì)誤差和均方根誤差較其他兩種方法小,相關(guān)系數(shù)較大。其次為改進(jìn)的三波段最大梯度差法,反演效果最差的為像元二分模型法,平均絕對(duì)誤差和均方根誤差均為所有方法中最大的,相關(guān)系數(shù)較小。說(shuō)明基于MODIS NDVI的像元二分模型并不適用于干旱區(qū)草地植被蓋度的估算,特別是在純植被和裸土閾值的選擇上還存在很大的不確定性。改進(jìn)的三波段最大梯度差法在新疆荒漠植被區(qū)反演效果較好,但對(duì)河西地區(qū)草地植被覆蓋度的估算精度并不理想,這一結(jié)果與該方法在其他地區(qū)的應(yīng)用效果相一致[20-22]。雖然經(jīng)驗(yàn)?zāi)P头▽?duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的依賴(lài)性大,但對(duì)于有大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的研究區(qū)而言,其估算模型的可靠性更高。
表 1 植被覆蓋度估算方法精度分析結(jié)果Table 1 The results of accuracy analysis for estimation methods of vegetation fractional coverage
經(jīng)驗(yàn)?zāi)P头ㄖ惺褂肨VI植被指數(shù)的估算模型精度最高,估計(jì)值和實(shí)測(cè)值之間的平均絕對(duì)誤差和均方根誤差在10種植被指數(shù)中均最小,分別僅為0.102和0.123,相關(guān)系數(shù)則高達(dá)0.893。因此,確定轉(zhuǎn)換植被指數(shù)TVI和植被覆蓋度之間建立的回歸模型為最優(yōu)的覆蓋度反演模型,利用SPSS軟件統(tǒng)計(jì)分析反演模型的參數(shù),各參數(shù)均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn),河西地區(qū)草地植被覆蓋度的監(jiān)測(cè)模型為:
3.2.1 植被覆蓋度空間分布格局
利用建立的植被覆蓋度反演模型和TVI指數(shù),估算2001-2015年生長(zhǎng)季最大植被覆蓋度多年平均值(圖2)。2001-2015年河西地區(qū)草地生長(zhǎng)季植被最大覆蓋度均值為42.6%,且空間分布差異明顯。由東南向西北植被覆蓋度逐漸降低,東南部草地植被覆蓋度最大可達(dá)100%,西部和北部植被覆蓋度最低僅為8.3%。研究區(qū)超過(guò)一半的草地生長(zhǎng)季最大覆蓋度多年平均值小于40%,主要分布在研究區(qū)北部地區(qū)??梢?jiàn)當(dāng)?shù)貒?yán)酷的自然條件不利于草地植被的生長(zhǎng)發(fā)育。其中,植被覆蓋度小于20% 的草地占草地總面積的4.25%,集中分布在黑河和疏勒河流域的下游地區(qū);植被覆蓋度在20%~30%的草地占草地總面積的37.40 %,主要分布在石羊河和黑河流域下游地區(qū)、疏勒河北岸的馬鬃山一帶及阿爾金山東段地區(qū);植被覆蓋度在30%~40%的草地占草地總面積的18.63%,大面積分布在研究區(qū)西部的祁連山西段區(qū)域。植被覆蓋度在40%~60%的草地占草地總面積的19.58%,主要分布研究區(qū)中部的平原地帶和祁連山的中西段;覆蓋度大于60%的草地占草地總面積的20.14%,集中分布在研究區(qū)東南部的祁連山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)境內(nèi)。
圖 2 2001-2015 年生長(zhǎng)季草地植被最大覆蓋度多年平均值空間分布格局Figure 2 The spatial distribution pattern of annual average coverage during growing season from 2001 to 2015
表 2 2001-2015 年不同草地類(lèi)型生長(zhǎng)季最大覆蓋度多年平均值Table 2 The annual average coverage of different grassland types during growing season from 2001 to 2015
統(tǒng)計(jì)各草地類(lèi)型植被覆蓋度(表2)發(fā)現(xiàn),河西地區(qū)植被覆蓋度最高的草地為山地草甸,多年平均覆蓋度為90.2%,標(biāo)準(zhǔn)偏差為12.1%;其次為高寒草甸和溫性草原,平均植被覆蓋度分別為74.7%和73.6%,不同的是溫性草原的標(biāo)準(zhǔn)差較高寒草甸小。其余幾類(lèi)草地植被覆蓋度均在50%以下,其中,溫性荒漠植被覆蓋度最低,平均植被覆蓋度僅為30.6%,標(biāo)準(zhǔn)差為12.5%。植被覆蓋度較高的幾類(lèi)草地,都分布在降水較為豐富的祁連山麓一帶。
3.2.2 草地植被覆蓋度年際變化特征
2001-2015年河西地區(qū)草地植被覆蓋度總體上呈現(xiàn)極顯著的上升趨勢(shì),年增加率在0.36%(R2=0.552,P<0.01)。覆蓋度最低的年份出現(xiàn)在 2001 年(37.7%),最高年份出現(xiàn)在2012年(45.6%)??梢?jiàn)退耕還林還草、封禁等政策的實(shí)施,在當(dāng)?shù)厝〉昧艘欢ǖ某晒?。分析不同草地?lèi)型植被覆蓋度變化趨勢(shì)(圖3),除溫性草原、溫性荒漠草原和山地草甸呈顯著增加趨勢(shì)外,其余草地類(lèi)型植被覆蓋度都呈極顯著增加趨勢(shì)。呈顯著增加趨勢(shì)的草地中溫性草原增加速率最快,年增加率為0.51%(R2=0.302,P<0.05);山地草甸增加速率最低,每年增加 0.28%(R2= 0.394,P<0.05)。極顯著增加的草地中低地草甸增加速率最快,年增加率0.50% (R2= 0.919,P<0.01);其次為溫性草原化荒漠,年增加率為 0.49% (R2= 0.497,P<0.01);高寒草原年增加率也較大為 0.46% (R2= 0.465,P<0.01);作為研究區(qū)分布范圍最廣的草地類(lèi)型,溫性荒漠植被覆蓋度也呈現(xiàn)極顯著增加趨勢(shì),年增加率為0.30% (R2=0.579,P<0.01);高寒草甸年增加率最低為 0.27%(R2= 0.541,P<0.01)。
圖 3 2001-2015年不同草地類(lèi)型植被覆蓋度年際變化特征Figure 3 Inter-annual variation of vegetation fractional coverage in different grassland types from 2001 to 2015
15年間河西地區(qū)草地植被覆蓋度年變化率介于-1.23~0.27。變化率為正值表示植被覆蓋度逐年增加,負(fù)值則表示逐年降低。雖然研究區(qū)草地植被覆蓋度總體上呈增加趨勢(shì),但在空間分布上存在一定的異質(zhì)性。根據(jù)植被覆蓋度年變化率,統(tǒng)計(jì)分析了研究區(qū)植被覆蓋度變化趨勢(shì)(圖4)。15年間研究區(qū)絕大部分草地植被覆蓋度基本保持不變,占草地總面積的62.51%;三分之一以上的草地植被覆蓋度呈逐年增加的趨勢(shì),其中極顯著恢復(fù)的草地占19.28%,集中分布在中部黑河流域的中下游地區(qū),以及疏勒河沿岸地帶;顯著恢復(fù)的草地占草地總面積的17.79%,主要分布在西部疏勒河流域內(nèi)的馬鬃山南部、阿爾金山和祁連山一帶。僅有個(gè)別地區(qū)的草地呈退化趨勢(shì),其中顯著退化草地占0.29%,極顯著退化的草地占0.14%,退化草地主要分布在馬鬃山北部和石羊河流域西部地區(qū),在祁連山東段區(qū)域也有零星分布。由此可見(jiàn),河西地區(qū)草地生長(zhǎng)狀況整體上有一定程度的改善,但局部地區(qū)的草地仍呈惡化趨勢(shì),究其
圖 4 2001-2015年植被覆蓋度年變化趨勢(shì)分布格局Figure 4 The distribution pattern of annual variation trend of vegetation fractional coverage from 2001 to 2015
原因可能是由于長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)草地不合理的利用(如過(guò)度放牧)或大規(guī)模探、采礦活動(dòng),對(duì)局部地區(qū)植被造成了破壞。
分析15年間不同草地類(lèi)型的植被變化狀況,低地草甸植被變化最為明顯,退化和恢復(fù)的草地所占面積比例都是所有草地類(lèi)型中最高的,植被狀況以恢復(fù)為主(50%以上)。溫性荒漠有40%以上的區(qū)域植被得到改善。除低地草甸和溫性荒漠外,其余幾類(lèi)草地的植被覆蓋度基本保持不變(60%以上),其中溫性荒漠草原最穩(wěn)定,其他依次為高寒草甸、溫性草原、山地草甸、溫性草原化荒漠、高寒荒漠和高寒草原(表3)。
表 3 不同草地類(lèi)型植被變化面積比例Table 3 Statistical results of the area ratio of vegetation change in different grassland types%
本研究針對(duì)干旱區(qū)草地植被,探討了經(jīng)驗(yàn)?zāi)P头?、像元二分模型法和改進(jìn)的三波段最大梯度差法3種干旱區(qū)植被覆蓋度估算方法在河西地區(qū)的估算精度,發(fā)現(xiàn)基于TVI植被指數(shù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)P涂傮w精度最高,適用于河西地區(qū)草地植被覆蓋度的估算。在此基礎(chǔ)上,統(tǒng)計(jì)分析了近15年來(lái)草地植被蓋度時(shí)空分布格局。結(jié)果表明,河西地區(qū)草地生長(zhǎng)季植被最大覆蓋度均值為42.6%,且空間分布差異明顯,由東南向西北植被覆蓋度逐漸降低;超過(guò)一半的草地生長(zhǎng)季最大覆蓋度小于40%,主要分布在研究區(qū)西北部地區(qū),植被覆蓋度最高的區(qū)域集中分布在東南部的祁連山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)境內(nèi)。河西地區(qū)草地植被覆蓋度總體上呈現(xiàn)極顯著增加趨勢(shì),但在空間分布上存在一定的異質(zhì)性;絕大部分草地植被覆蓋度基本保持不變;30%以上的草地植被呈恢復(fù)趨勢(shì),集中分布在研究區(qū)中、西部地區(qū);個(gè)別地區(qū)的草地呈退化趨勢(shì),零星分布在馬鬃山北部、石羊河流域西部及祁連山東段地區(qū)。
總體而言,在有大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支持的區(qū)域,經(jīng)驗(yàn)?zāi)P头▽?duì)植被覆蓋度的估算精度更高,但缺點(diǎn)在于不易在別的地區(qū)進(jìn)行推廣。在今后的工作中可以考慮結(jié)合多源衛(wèi)星遙感資料及新型技術(shù)(如無(wú)人機(jī)),著重研究利于在其他地區(qū)推廣的植被覆蓋度估算模型(如混合像元分解模型),改進(jìn)干旱區(qū)植被覆蓋度估算方法。