2000-2012年鄂尔多斯禁牧区植被覆盖度变化监测

佟斯琴， 刘桂香， 包玉海

(1.内蒙古师范大学 地理科学学院， 内蒙古 呼和浩特 010022;

2.中国农业科学院 草原研究所， 内蒙古 呼和浩特 010022;

3.内蒙古师范大学 内蒙古自治区遥感与地理信息系统重点实验室， 内蒙古 呼和浩特 010022)

2000-2012年鄂尔多斯禁牧区植被覆盖度变化监测

佟斯琴1， 刘桂香2， 包玉海3

(1.内蒙古师范大学 地理科学学院， 内蒙古 呼和浩特 010022;

2.中国农业科学院 草原研究所， 内蒙古 呼和浩特 010022;

3.内蒙古师范大学 内蒙古自治区遥感与地理信息系统重点实验室， 内蒙古 呼和浩特 010022)

摘要：[目的] 评估鄂尔多斯实施禁牧、休牧政策以来获得的成效。[方法] 以MODIS长时间序列的植被指数产品为数据源，利用像元二分模型研究了2000—2012年植被生长期5—9月份鄂尔多斯禁牧区的植被覆盖度及其时空变化特征。并采用转移矩阵的方法，分析了年度间植被覆盖度高低变化的方向。[结果] 研究区植被覆盖度自东向西逐渐减小，东部高于西部，北部高于南部；2000—2012年研究区植被覆盖度总体呈上升趋势,均有低等级植被覆盖度向高等级植被覆盖度转化的趋势；2008—2012年植被恢复状况比2000—2004年和2004—2008年这两个阶段更优。[结论] 禁牧政策使研究区植被长势逐年改善，禁牧、休牧政策对草原生态恢复起到了良好的作用。

关键词：鄂尔多斯禁牧区; 植被覆盖度； MODIS; 像元二分模型

植被是干旱区生态建设中的重要部分，而覆盖度是评判生态环境状况的重要指标[1]。土壤风蚀已成为干旱半干旱区农牧业发展的限制因素之一[2]。植被覆盖度作为重要的生态参数，不仅与区域水土流失、水资源储备有关，还与土壤风蚀等密切相关[3-4]。因此，如何准确快速地监测、估算植被覆盖度和提高植被覆盖度对区域生态建设有着举足轻重的作用。

遥感观测为研究大尺度、长时间序列的植被覆盖变化状况提供了一种有效的手段。其中，归一化植被指数(normal difference vegetation index, NDVI)是目前最为广泛应用的表征植被状况的指数，利用NDVI数据分析植被覆盖度变化趋势，国内学者[5-9]已针对不同空间尺度的植被覆盖开展了大量研究，并取得了良好的效果。就内蒙古地区而言，陈效逑等[10]利用NOAA/AVHRR NDVI数据对内蒙古地区植被带进行了分时段的划分，并以典型草原植被带为例，分析了植被覆盖度时空变化及其与水热因子的关系。张宏斌等[11]利用MODIS NDVI数据，研究了内蒙古草原7种草地类型的主要植被类型9 a来年度NDVI空间变化趋势、波动程度、出现时间等植被指数时空特征。王海梅等[12]利用上世纪NOAA/AVHRR数据和2002—2007年MODIS数据以NDVI值得消长变化分析了草原植被覆盖的分布状况及年代间的变化规律。李营等[13]利用SPOT_VGT数据、土地利用数据，采用时间序列植被指数(NDVI)动态变化监测方法，分析了研究区植被覆盖的时空演变特征。姚雪茹等[14]利用1982—2006年的NOAA/AVHRR NDVI数据和当地同期气象资料，研究了鄂尔多斯高原地区植被覆盖变化及其与气象因子的关系。然而，上述对内蒙古地区的研究都是直接用NDVI值分析，未将NDVI进一步转化为植被覆盖度直观地展示草原植被覆盖状况，且未对植被覆盖等级变化进行量化分析。同时，对实施禁牧、休牧后的区域草原植被覆盖研究较少。针对以往研究的不足，本研究采用较长时间序列(2000—2012年)的MODIS-NDVI数据，定量研究鄂尔多斯市禁牧区植被覆盖度空间分布及时间动态变化规律，探讨禁牧政策实施以来的成效，进而为禁牧、休牧政策的实施提供科学依据。

1研究区概况

鄂尔多斯高原地处内蒙古自治区西南部，西、北、东3面为黄河围绕，地理坐标为北纬37°35′24″—40°51′40″，东经106°42′40″—111°27′20″。属于温带半干旱至干旱强大陆性气候，年平均气温为5～8 ℃，≥10 ℃活动积温为2 600～3 200 ℃，降水量为160～400 mm，自东向西有规律降低。鄂尔多斯高原是我国土地荒漠化最严重的地区之一，高原的南北部分别有库布齐沙漠和毛乌素沙地，是我国东部沙尘源地之一。该区为沙漠和黄土交接地带，农牧镶嵌分布，生态环境脆弱，对全球气候变化敏感[15]。从2000年起，鄂尔多斯市实行了禁牧、休牧、划区轮牧政策[16]，使草原生态快速恢复，取得了明显的生态效益、社会效益和经济效益。因此，本研究选取全面实行禁牧令的东胜、准格尔、达拉特、伊金霍洛4个旗(区)为研究区域。

2资料与方法

2.1　数据来源和预处理

研究所用的数据为16 d最大值合成的MODIS植被指数产品(MOD12 A2)，空间分辨率为1 km，时间跨度为2000年5月至2012年9月。采用MODIS植被指数产品中的NDVI产品作为计算植被覆盖度的数据源。利用ENVI图像处理软件对MODIS数据产品进行子集提取、数据格式转换和投影转换等，得到NDVI数据。选取可更好解释植被生长状况的5—9月份(第129至第273 d合成的NDVI数据)作为研究时间段。在此基础上，通过ENVI软件波段运算实现背景赋值为NaN(Not a Number)、消除研究区负值影响，计算年平均NDVI等操作，然后进行研究区边界裁剪，最终得到13 a该区的NDVI值。

2.2　植被覆盖度计算方法

植被覆盖度是指植被(包括叶、茎、枝)在地面的垂直投影面积占统计区总面积的百分比，是描述生态系统的重要基础数据。采用基于NDVI的像元二分模型反演植被覆盖度。其基本原理为：假设每个像元都可分解为纯植被和纯土壤两个部分，所得到的光谱信息(如NDVI)也是两种纯组分的以面积比例加权的线性组合；其中，纯植被所占的面积百分比即为研究区的植被覆盖度，计算公式为：

VFC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(1)

式中：VFC——植被覆盖度； NDVI，NDVIsoil，NDVIveg——任意像元、纯土壤像元和纯植被像元的NDVI。也可得：

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

(2)

式中：NDVImax，NDVImin——区域内最大值和最小值。

由于不可避免存在噪声，NDVImax，NDVImin一般取一定置信度范围内的最大值与最小值，置信度的取值主要根据图像实际情况来定。参考李苗苗[17]提出的估算NDVImax和NDVImin的方法，提取研究区统计结果中NDVI值的累积概率为5%和95%的NDVI值作为NDVImin和NDVImax。根据上述方法计算得到各时期植被覆盖度分布图，同时将计算结果分为5个等级，即0～0.2(极低覆盖度)，0.2～0.4(低覆盖度)，0.4～0.6(中覆盖度)，0.6～0.8(高覆盖度)，0.8～1(极高覆盖度)。

3结果与分析

3.1　研究区2000-2012年平均植被覆盖度空间分布

图1为2000—2012年研究区平均植被覆盖度分布图。图1表明，研究区植被覆盖度整体变化趋势为自东向西逐渐减小，东部高于西部，北部高于南部。极高覆盖度和极低覆盖度均出现在达拉特旗，其中极低覆盖度出现是由于库布齐沙漠的存在。东胜市、伊金霍洛旗和准格尔旗主要以中覆盖度和高覆盖度为主。

图1　研究区2000-2012年平均植被覆盖度分布

3.2　植被覆盖度动态变化分析

为分析植被覆盖度的年际变化，每隔4 a计算研究区的植被覆盖度。从2000，2004，2008和2012年各等级植被覆盖度的空间分布图(图2)和面积统计表(表1)可知，极低覆盖度面积在4个监测年里持续减少，2000年为22.88%，2004年为14.94%，下降了7.94%；2004—2008年该面积没有明显变化；2008—2012年由14.43%下降到11.01%。减少面积主要分布在研究区西北部达拉特旗。低覆盖度面积同样呈下降趋势，从2000年的32.41%减少到2012年的14.03%，下降了18.38%；下降面积主要分布在研究区中部。中覆盖度面积先增后减，由2000年的26.10%增加到2004年的31.93%，2004年以后出现下降，2008年下降到26.66%，2012年下降到24.18%。高覆盖度面积持续增加，由2000年的9.96%增加到2012年的31.38%。极高覆盖度面积同样呈增加的趋势，从2000—2012年增加了10.73%。分析表明，2000—2012年极低覆盖度面积和低覆盖度面积呈现持续下降趋势；高覆盖度面积和极高覆盖度面积呈增加趋势；中覆盖度面积先增后减，可能是由于极低覆盖度和低覆盖度转化为中覆盖度致其面积增加，2004年后出现减少是由于更多的中覆盖度面积转为高覆盖度和极高覆盖度面积。

表1　研究区2000，2004，2008和2012年

3.3　不同等级植被覆盖度动态变化

在ENVI 4.2软件中运用决策树分类和波段运算功能，对不同时期的植被覆盖度等级结果进行运算，得到2000—2004年、2004—2008年和2008—2012年研究区各植被覆盖度等级的转移量，其中位于对角线上的表示等级未发生转移(表2—4)。

由表2可以看出，2000—2004年期间极低覆盖度有57.49%未转移，主要转为低植被覆盖度，转移率为33.04%；低覆盖度有44.27%未转移，43.58%转移为中覆盖度；中覆盖度有54.08%未转移，主要转为高覆盖度34.59%，有极少的8.73%转为低覆盖度；高覆盖度有61.59%未转移，15.74%转为中覆盖度，仅次于向极高覆盖度转化的量(21.26%)；极高覆盖度有86.65%未转移，主要转移为高覆盖度，占2000年极高覆盖度面积的11.68%。

由表3可以看出，2004—2008年期间极低覆盖度的78.54%未发生变化，19.82%转为低覆盖度；低覆盖度48.47%未转移，主要转为中覆盖度(37.80%)；中覆盖度有44.34%未转移，40.86%转移为高覆盖度；高覆盖度有45.72%未转移，36.80%转为极高覆盖度，15.36%转为中覆盖度；极高覆盖度有80.59%未转移，有15.56%转为高覆盖度。

转移矩阵中对角线上的转移率表明(表4)，2008—2012年期间，各等级未发生转移的面积几乎在1/2以上。除去未转移的，极低覆盖度主要转为低覆盖度，占2008年极低覆盖度面积的37.07%；低覆盖度主要转移到中覆盖度，占2008年低覆盖度面积的50.04%；中覆盖度主要转化为高覆盖度，占2008年中覆盖度面积的44.60%；高覆盖度主要转为极高覆盖度，占2008年高覆盖度面积的25.13%；极高覆盖度主要转移为高覆盖度，占2008年极高覆盖度面积的23.99%。

图2　研究区2000，2004，2008和2012年植被覆盖度等级分布图

总体而言，2000—2004年植被迅速恢复，禁牧政策在初期就取得了明显的成效。

相对于2000—2004年的植被状况，2004—2008年和2008—2012年的植被长势更好。表明随着禁牧实施年限的增加，研究区植被长势逐年变好。2000—2004年、2004—2008年和2008—2012年三个时期植被覆盖度呈现出由低等级向高等级转移的趋势。由极低覆盖度和低覆盖度向高等级植被覆盖度转换的转移率2008—2012年相对显著，表明2008—2012年覆盖度较低的植被恢复比2000—2004年和2004—2008年好。

研究区较差的植被有改善的趋势，研究区植被长势逐年改善，禁牧、休牧政策对草原生态恢复、沙化土地的改善起到了良好的作用。

表2　研究区2000-2004年植被覆盖度等级转移矩阵　km2

注：表中括号外数字表示转移面积，括号内的数字表示转移率(%)。下同。

表3　研究区2004-2008年植被覆盖度等级转移矩阵　km2

表4　研究区2008-2012年植被覆盖度等级转移矩阵　km2

4结 论

(1) 研究区植被覆盖度变化趋势是自东向西逐渐减小，东部高于西部，北部高于南部；2000—2012年研究区植被覆盖度总体呈上升趋势。

(2) 2000—2004年，2004—2008年和2008—2012年3个时期植被覆盖度有低等级向高等级转移的趋势。3个时期里极低覆盖度向低覆盖度，低覆盖度转为高覆盖度的转移率2008—2012年相对显著，2008—2012年覆盖度较低的植被恢复状况比2000—2004年和2004—2008年更优。

(3) 研究区的禁牧实践表明，禁牧、休牧能够大面积快速改善植被生长及生态环境的恢复，实施禁牧的年限越长得到的效果越好。然而，植被长势还与当地的水热因素等有关，本研究单纯从禁牧、休牧来考虑植被覆盖度的状况过于片面，应与当地的降水、温度等气象因素综合考虑来探讨禁牧政策的成效更为合理。

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Monitoring of Vegetation Coverage Changes in Graze-prohibited Area of Ordos From 2000 to 2012

TONG Siqin1, LIU Guixiang2, BAO Yuhai3

(1.CollegeofGeographicalScience,InnerMongoliaNormalUniversity,Hohhot，InnerMongolia010022,China; 2.GrasslandResearchInstitute,CAAS,Hohhot，InnerMongolia010010,China; 3.InnerMongolianKeyLaboratoryofRemoteSensingandGeographicInformationSystem,InnerMongoliaNormalUniversity,Hohhot，InnerMongolia010022,China)

Abstract：[Objective] To evaluate effects of graze-prohibited policy implemented in Ordos area. [Methods] Using the the coverage index elicited by two-pixel model from MODIS-NDVI as the data source, to evaluate the spatial-temporal changes of growth seasonal vegetation coverage in no grazing district from 2000 to 2012, and to analyze the annual change using transfer matrix. [Results] The vegetation coverage reduced gradually from east to west, the vegetation coverage in the eastern division was higher than that in the west, the coverage in the north was higher than that in the south. The vegetation cover generally increased from 2000 to 2012, with a changing tendency from low to high vegetation cover. In the periods of 2008—2012, the vegetation coverage was better than that of 2000—2004 and 2004—2008. [Conclusion] The study area had a significant increase in the vegetation coverage, which indicates that the graze-prohibited policy have a great effect on the grassland ecological restoration.

Keywords:Ordos graze-prohibited area; vegetation cover; MODIS; two-pixel model

文献标识码：B

文章编号：1000-288X(2015)02-0136-05

中图分类号：P948.15

通信作者：刘桂香(1962—),女(汉族)，内蒙古察哈尔右翼中旗人，博士，研究员，主要从事草地资源和生态环境监测评价、草原火灾预警及3S技术在草业科学的应用研究。E-mail:lgx804@163.com。

收稿日期：2014-03-25修回日期：2014-04-13
资助项目：国家科技支撑计划项目“重大自然灾害风险评估技术研究”(2013BAK05B01-03)
第一作者：佟斯琴(1991—),女(蒙古族),内蒙古自治区兴安盟人,硕士研究生,研究方向为资源与环境遥感。E-mail:tsq118446@163.com。