王琰麟

摘要：植被是生態(tài)系統(tǒng)中非常重要且不可或缺的一個環(huán)節(jié)，是地球表面覆蓋的重要組成部分， 更是反映地表植被狀況的一個非常重要的特征。本文以定西市為靶區(qū)，利用2000年、2006年的TM影像和定西市1：10萬地形圖，運用RS和ArcGIS技術，對定西市植被覆蓋格局變化進行研究。結果表明：2000-2006這六年間，定西市的較低植被覆蓋和低植被覆蓋在地理空間上發(fā)生明顯變化，植被覆蓋度總體呈上升趨勢，草地等植被覆蓋狀況良好，山地區(qū)域的植被進化較為樂觀，森林區(qū)的植被覆蓋穩(wěn)步提升，本地區(qū)植被蓋度基本呈上升趨勢。

關鍵詞：RS ?定西市 ?植被覆蓋格局

引言

隨著社會經濟的發(fā)展，科技水平的提高，生態(tài)系統(tǒng)與人類活動的關系變得日益緊密，植被覆蓋是生態(tài)系統(tǒng)中最為敏感的其中一個因素，植被覆蓋度是表征地表植被的重要指標，也是水土流失、土地沙漠化評價、分布式水文模型的重要輸入參數(shù) [1]。國外研究開始較早，Purevdorj[2]、SellersPJ[3]、AsrarGE[4]等國外學者運用植被指數(shù)法、植被覆蓋度與光譜指數(shù)的相關分析法等方法結合地理技術，對國外植被覆蓋度的相關問題進行了一系列研究。隨后，國內學者運用綜合技術，聯(lián)系經濟學、物理學等領域的知識逐漸涉獵植被研究，李苗苗[1]等建立植被覆蓋度的評價模型，估算了密云水庫的植被覆蓋狀況;李成范等[5]運用ArcGIS軟件，通過提取重慶市的歸一化植被指數(shù)（NDVI），對該市的植被覆蓋度的變化進行了研究。綜合來看，已有研究為植被覆蓋相關研究建立了較為完善的理論基礎和成熟的研究方法，但是，以往研究都集中于森林面積占比較大的區(qū)域或者沿海發(fā)達城市，定西市深居內陸，海上運輸濕氣難以到達，氣候惡劣，植被覆蓋面積較小。因此，揭示定西市植被覆蓋密度變化，對進一步加強該市的生態(tài)系統(tǒng)保護具有重要的現(xiàn)實意義。

當前，隨著地理技術的廣泛應用，利用遙感技術監(jiān)測是我國對地表植被覆蓋及景觀格局變化研究的主要手段之一。植被指數(shù)法基于實測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星傳感器，因此，本文采用植被指數(shù)法建立研究模型，對定西市植被覆蓋進行研究。本研究以2000年、2006年兩個不同時期的TM遙感影像圖為數(shù)據(jù)來源，借助已有模型，從而得到地表植被覆蓋度和地表植被覆蓋等級的變化圖，進而對定西市在2000 -2006年地表植被覆蓋及景觀格局變化進行相對應的分析，企圖研究定西市2000-2006年地表植被覆蓋動態(tài)變化的過程，從植被覆蓋圖中，揭示其變化趨勢，以期為定西市的環(huán)境評價、植被規(guī)劃管理、景觀的設計和當?shù)卣嚓P部門研究提供科學的決策依據(jù)，并為解決定西市生態(tài)環(huán)境治理的困境提供參考。

1研究區(qū)域概況

定西市隸屬于甘肅省，地跨東經103°52′-105°13′，北緯34°26′-35°35′，被譽為“蘭州的東大門”，是我國東、南部通往西、北部的重要節(jié)點城市之一，擁有得天獨厚的區(qū)位優(yōu)勢和豐富的資源。東邊和平涼市、天水市相鄰;西邊與臨夏州、甘南州相鄰;南邊毗鄰隴南市;北與蘭州市、白銀市接壤。定西市屬于黃土高原丘陵溝壑區(qū)，地勢呈西南-東北走向，定西市盤踞甘肅南部高原、隴南山地、黃土高原的交匯地帶。定西市的氣候類型屬于半濕潤半干旱區(qū)，干旱少雨[6]。圖1為研究區(qū)概況圖。

2數(shù)據(jù)源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源

本文的數(shù)據(jù)主要有2000年7月、2006年7月的 TM 影像數(shù)據(jù)和定西市1/100000地形圖，其它數(shù)據(jù)均來源于定西市2001-2007年統(tǒng)計年鑒、定西市2000-2006年國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報。研究中用到的軟件主要有遙感圖像處理軟件ErdasImagine8.4和ArcGIS10.2等。

2.2數(shù)據(jù)處理

2.2.1波段合成

我們將2000年7月、2006年7月的 TM 影像數(shù)據(jù)利用Erdas軟件圖像處理功能對定西市6年的TM圖像進行波段合成，借助Erdas軟件，把單波段的遙感影像合成多波段的彩色圖像。借鑒已有的研究成果，TM影像的7、4、3波段分別表示紅、綠、藍色合成假彩色圖像。TM影像的優(yōu)點是兼容中紅外、近紅外和可見光波段信息，此外，圖面色彩也較豐富，具有良好的層次感，具有極為豐富的地表環(huán)境信息，而且清晰度高，干擾信息少[7]。故本次研究融合7、4、3波段來到達提高準確度，降低誤差的目的。

2.2.2幾何校正

首先，對單波段TM遙感影像處理為多波段彩色圖像，然后，對圖形進行幾何校正。幾何校正需要注意準確的選取圖中的關鍵點，并且要選取具有十分強烈的代表性質的地點作為參照，選點校正時需要認真仔細，微小的差錯就會導致最后結果誤差的變大，所以在進行稽核校正時應該保持耐心與細心[8]。

2.2.3圖像的裁剪

在幾何校正完成之后，接下來進行圖像的裁剪，由于本人找到了定西市帶有行政邊界線的高清遙感影像圖，所以在該圖進行校正后直接利用erdas中的Erdas軟件的圖像處理功能對TM圖像進行波段合成，把單波段遙感影像合成為多波段的彩色圖像AOI功能裁剪出了邊界線，然后將兩張不同年份的定西市TM影像圖導入新建的view中并添加已完成的邊界線進行二次裁剪，大大提高了效率以及對圖像裁剪的精確度（利用ArcGIS裁剪后的圖像易出現(xiàn)分辨率降低等導致誤差變大的影像）[9]。完成遙感影像裁剪之后，建立NDVI計算模型是通過Erdas軟件中的Modeler工具來完成的，最后，借助模型計算植被歸一化指數(shù)。

2.3歸一化植被指數(shù)（NDVI）的計算

歸一化植被指數(shù)（the Normalized Difference Vegetation Index，NDVI），在NDVI= （NIR-R）/（NIR+R）中，影像近紅外波段的反射率通過NIR 值表示，影像紅波段的反射率通過R表示。越是成長繁茂的植物，它的紅光反射值與紅外反射率成正比，若紅光的反射值越小，紅外反射值則越大，因此其比值就會越大[10]。長期以來，NDVI作為RS估算植被覆蓋研究的植被指數(shù)，植被變化情況也采用NDVI來監(jiān)測 [11]。NDVI的計算結果，其數(shù)值分布于0-1之間，簡而言之，NDVI的值越高，說明該地區(qū)植被覆蓋狀況越好。構建NDVI計算模型如下圖：

在下方圖形中確定輸出路徑，分別得出2000年與2006年定西市植被歸一化指數(shù)，NDVI的值在-1～+1變動，對于裸地區(qū)域，NDVI值非常低，趨近于0;而在植被覆蓋分布密度較高的地域，則NDVI的值普遍較高，通常情況下，他的值大于 0.7。 NDVI值對揭示植被的生長狀態(tài)，反映植被空間分布密度具有指示作用，因此，NDVI值是以上兩方面相關研究的重要因子。依據(jù)理論基礎，數(shù)據(jù)處理可得研究區(qū)域不同時相的NDVI灰度圖：

2.4植被覆蓋度（Fcover）計算

我們把植被（包括葉、莖、枝）在地面的垂直投影面積所占研究區(qū)總面積的比例稱為植被覆蓋度。NDVI作為在地域或全球尺度中，測度植被或生態(tài)環(huán)境變化的重要指標，應用廣范[12]，本研究基于NDVI的計算值，得出定西市的植被覆蓋度，其表達式為：

其中，NDVI soil即使相對于大多數(shù)類型的裸地表面，至不會伴隨時間而發(fā)生任何變化，在理論上，其值幾乎等于零。但是，考慮到該區(qū)域的環(huán)境受大氣的一定影響，地表濕度條件也隨之發(fā)生一定程度的變化，NDVIsoil值不但因時間而發(fā)生改變，除此之外，NDVIsoil值隨著地表土壤的類型、地表的濕度及該區(qū)域土壤的粗糙度等自然條件的不同，NDVIsoil值也將會隨空間的變化而發(fā)生相應變化，NDVIveg值則代表全地表植被覆蓋像元的最大值。自然界植被覆蓋屬于自然界的不同植被類型，因此，存在季節(jié)性變化，葉冠背景圖通常受到雨雪、葉子的病變及地面的潮濕程度等因素的影響，確定NDVIveg值與NDVIsoil值的計算情景類似，因此，NDVIveg值也會隨著時間和空間的變化而發(fā)生一定程度的改變[13]。

2.5植被景觀格局評價指數(shù)計算

植被覆蓋隨著時間呈動態(tài)變化趨勢，因此，地理空間分布格局也隨之變化，為了研究這一變化趨勢，本文主要借鑒李成范等已有的研究成果，采用景觀區(qū)域優(yōu)勢度、景觀區(qū)域多樣性指數(shù)和景觀均勻度三個研究方法來進行評價計算[14]。

通常，對于景觀格局中一種或幾種主導型景觀，運用景觀區(qū)域優(yōu)勢度測度，如果優(yōu)勢度指數(shù)大，則說明組成景觀中的各景觀類型所占比例差異較大，也可以說明占優(yōu)勢的景觀類型是某一種或者少數(shù)景觀 [15]。景觀區(qū)域優(yōu)勢度的計算公式為：

3植被覆蓋度景觀格局研究

3.1植被覆蓋度等級結構

借助Fcover的計算，多次取具體值進行計算，最后可得到準確的植被覆蓋度指數(shù)，但是由于缺乏完整的資料，則近似的取NDVI計算后的最大值與最小值進行Fcover的計算，所以小節(jié)定義為植被覆蓋度的估算[17]?；谡鶊D像中定西市植被指數(shù)的灰度值分布格局，從其選取上下限閾值，其結果約為：

本文采用ARCGIS軟件的柵格計算器（Spatial Analyst-Raster Calculator），借鑒植被覆蓋度的估算公式進行計算所有影像的植被覆蓋度分布情況。

將計算的植被覆蓋度（FC），借鑒已有的研究成果，劃分為5個等級：其中，較低植被覆蓋度取值為（FC<10%）、低植被覆蓋度取值為（10%≤FC<30%）、中度植被覆蓋度取值為（30%≤FC<50%）、較高植被覆蓋度取值為（50%≤FC<70%）和高植被覆蓋度為（FC≥70%），并將分級圖像彩色顯示[18]：

從圖9分析可得，在2000-2006年間，定西市的較低植被覆蓋較其他植被覆蓋度而言，其面積變化幅度最大，由2000年19%下降到2006年的1%，主要原因是由于這部分地區(qū)河流的經過，水資源儲量較為豐富，促進植被的繁育旺盛，進而使得植被高覆蓋度面積呈逐年增加趨勢;圖7、圖8可以明顯看出定西市東南部區(qū)域植被覆蓋度由中度大面積提升為較高度，面積變化比較大，植被覆蓋度較2000年明顯提高，主要原因是定西市東南部與天水市相接，容易受秦嶺山脈過度來的暖濕氣流影響，加之定西市各類植被的生存與生長環(huán)境優(yōu)渥，因此，植被生長更加茂盛，隨之，植被覆蓋度變化趨勢呈良好態(tài)勢;定西市北部地區(qū)以及西北部地區(qū)在2000年至2006年這6年來植被覆蓋度基本無明顯變化，植被也比較稀少，荒漠化比較嚴重，主要原因是由于該地區(qū)已進入黃土高原板塊，氣候較東南部比較干旱，年降水量明顯不充足，且多為山地溝壑地帶，交通極不便利，且地理位置縱深較大，使得定西市東面的暖濕氣流不易到達該區(qū)域，從而導致該區(qū)域植被覆蓋度變化比較輕微;由圖7、圖8可清晰看到，定西市輕度覆蓋區(qū)域的植被覆蓋度與中度覆蓋區(qū)域的植被覆蓋度較接近，且分布于定西市的西部，但較高度覆蓋區(qū)域與高度覆蓋區(qū)域基本保持并未發(fā)生大的變化，主要原因是由于定西市西部地區(qū)地形多為山地丘陵，自然生長的植被面積較大，由于受西部地區(qū)地形地貌的局限，導致該區(qū)域畜牧業(yè)發(fā)展較為困難，人為的砍伐林木也較為困難，退耕還林及植樹造林工程亦十分困難，因此，定西市西部區(qū)域形成了既不會被破壞，又無法進行保護養(yǎng)護的局面，任由該區(qū)域植被自然生長，從而在2000年到2006年六年時間下來，該區(qū)域植被覆蓋度變化不大;從而定西市西部地區(qū)植被覆蓋度變化以輕度變中度為主要變化，而且還可以明顯看出中度覆蓋轉較高覆蓋度的趨勢，主要原因是由于定西市西鄰甘南藏族自治區(qū)卓尼縣，甘南藏族自治區(qū)素以水草豐美著稱，氣候適宜植被的生長，外加地方出臺政策的約束，將牲畜等的放養(yǎng)型逐漸轉型為圈養(yǎng)型，使得一些牲畜等對該區(qū)域植被覆蓋度的破壞也在逐步減傷，所以定西市西部地區(qū)植被覆蓋度變化也在向有利的趨勢發(fā)展。

3.2植被覆蓋變化的空間格局分析

本研究為了準確深入的分析定西市6年來植被覆蓋變化的空間格局，首先，基于定西市的植被覆蓋等級結構圖，進行矢量轉換;其次，對于不同圖斑的邊界予以勾繪，初步顯示為矢量圖;最后，借助Arc GIS10.2 和Excel表，對定西市的植被覆蓋面積和相關指數(shù)進行數(shù)據(jù)處理 [19]。

由表1可以看出，在2000-2006年間，較低植被覆蓋的變化幅度較大，其變化面積由初期的468793 km2減少至2006年的221201km2;同時期，低植被覆蓋變化幅度較不顯著，從2000年到2006年，植被覆蓋面積由717657km2遞減為692436km2;相較而言，定西市中等植被和高植被的覆蓋在2000-2006年呈明顯遞增趨勢，發(fā)展態(tài)勢較好，原因是定西市政府積極響應國家號召，大力推進植樹造林;從2000年到2006年，雖然定西市較高植被覆蓋變化幅度不大，但是植被覆蓋面積從406335km2增加為488940km2，說明定西市在這六年期間的綠地景觀生態(tài)系統(tǒng)狀況發(fā)生了明顯的改善;區(qū)域優(yōu)勢度方面，定西市在2000-2006年間較低植被覆蓋變化幅度最大，由2000年的1.16增加到2006年的9.90，定西市中等植被覆蓋、較高植被覆蓋、高植被覆蓋雖然有所減少，但減少變化趨勢微弱，在總體區(qū)域優(yōu)勢度方面，由2000年的1.34增加到2006年的2.89，增幅明顯增大，說明定西市在這六年間的綠地景觀生態(tài)系統(tǒng)狀況態(tài)勢向好;從均勻度方面來看，定西市的較低植被覆蓋、低植被覆蓋為減少型，中等植被覆蓋、較高植被覆蓋、高植被覆蓋則呈增加型，但是多年下來，定西市的總體景觀均勻度由2000年的0.202降至2006年的0.20，結合數(shù)據(jù)分析，雖然下降幅度不大，但在一定程度上表明定西市景觀植被覆蓋有下降的趨勢，所以定西地方政府應積極推行國家“退耕還林”政策，同時，結合甘肅省的林業(yè)相關政策，對現(xiàn)有植被的覆蓋面積加以重點保護與治理，通過宣傳教育，提高轄區(qū)內居民的環(huán)保意識，強化該區(qū)域生態(tài)治理體系和隊伍，促進定西市的生態(tài)文明建設以及可持續(xù)發(fā)展[20]。