施秉云台山地区近40年来植被覆盖度动态变化研究

赵卫权, 周文龙, 张 凡

(贵州省山地资源研究所, 贵阳 550001)



施秉云台山地区近40年来植被覆盖度动态变化研究

赵卫权, 周文龙, 张 凡

(贵州省山地资源研究所, 贵阳 550001)

分别采用1973年、1993年和2010年三期遥感影像，基于植被指数与植被覆盖度之间的关系建立植被覆盖度指数模型，运用遥感与地理信息系统技术对施秉云台山地被覆盖度进行等级划分，并对其近40 a的动态变化过程进行研究。结果表明：云台山地区植被覆盖度总体呈现退化态势，但是局部地区植被覆盖情况有改善趋势；1973—2010年间，云台山核心区覆盖度等级明显高于周边地区，但是这一优势在不断衰退；核心区植被覆盖度变化幅度小于周边地区，核心区植被覆盖度比周边地区较为稳定，低等级覆盖度变化幅度大于高等级覆盖度；前20 a植被覆盖度主要以退化趋势为主，后20 a则呈现逐渐恢复态势；植被覆盖度变化趋势受当地经济发展模式和生态环境观念改变影响较大。

施秉云台山; 遥感与地理信息系统; 植被指数; 植被覆盖度; 动态变化

施秉云台山区域内地形崎岖，气候湿润温和，人为干扰少，水质环境好，生境多样，森林覆盖度高，生物种类繁多，是亚热带喀斯特地区珍贵而典型的物种基因库，具有重要的保护和科学研究价值，已被列入世界自然遗产提名地。但随着区域气候条件和经济发展的影响，植被覆盖状况也随之发生变化。

早期的植被覆盖研究主要靠野外调查估算，量化指标有限，而且准确度较差、成本高、实效性差。随着遥感技术的快速发展，人们不但可以对其进行较为准确的估算，而且还可以根据需要进行动态监测。万恩璞等[1]利用不同时相卫星象片资料、DTM信息及野外实地验证,分析了长白山区植被覆盖动态变化及现状,为合理利用长白山自然资源提供了科学依据；孙红雨等[2]利用连续69个月的NOAA时间序列数据，进行中国植被覆盖变化的空间，以及时间序列分析，证实了在中国植被覆盖随时间的推移规律，空间分布规律，以及植被覆盖变化与气温、降水的定量关系；唐志光等[3]通过多景北京一号卫星(BJ-1)多光谱遥感影像和90 m分辨率DEM数据对三江源自然保护区植被覆盖度进行了估算，并对估算精度进行了验证，结果表明使用此方法进行大面积植被覆盖度的遥感估算是有效可行的；王兮之等[4]利用2001—2009年的MODIS遥感数据与归一化植被指数的像元二分模型,并结合湟水流域的地形特征数据,分析流域内植被覆盖度时空变化动态特征;甘春英等[5]利用TM影像数据，基于NDVI的像元二分模型，计算和分析了连江流域1998年和2006年植被演变特点及分布特征；庞吉林等[6]从盐池县1999年、2004年和2010年3期TM/ETM 影像图入手，利用归一化植被指数(VDVI)反演了盐池县的植被盖度;穆少杰等[7]基于MODIS-NDVI遥感数据反演了内蒙古地区2001—2010年植被覆盖度的空间格局和变化规律，并对其气候相应进行了研究，结果表明草原区月植被覆盖度对降雨量的响应存在时滞效应;李小亚等[8]基于MODIS-NDVI遥感数据，利用像元二分模型估算河东地区2000—2010年的植被覆盖度，并在像元尺度上分析河东地区植被覆盖度的时空变化规律及其驱动因子。

生态环境的严酷性和脆弱性是喀斯特地区的基本特征[9]，云台山自然保护区的生态环境监测和保护已迫在眉睫。地表植被是生态系统中一个重要组成要素，也是生物圈和生态系统的核心部分[10]，植被覆盖度变化是整个生态环境变化的最直接反映[11]。本文采用1973年、1993年和2010年三期遥感影响数据，利用遥感和GIS技术对施秉云台山地区的植被覆盖度进行监测和研究，可以提高对整个地区生态系统的监测效率，也可以为世界自然遗产申报提供科学支撑。

1 研究区域概况

施秉云台山地区位于黔中山地向湘西丘陵过度的斜坡上，为黔中中山区，地势由西、西北向东、东南部逐渐降低，平均海拔526 m左右，最高海拔1 869 m，最低海拔486 m，山脉走向与构造线一致，多呈北—东、北—北—东—走向，是一个受河流切割严重的亚热带喀斯特高原。云台山地处长江流域沅江水系舞阳河中游地区，主要包括完整的杉木河水系和瓦桥河水系，同时汇入舞阳河，构成喀斯特发育的区域侵蚀-溶蚀基准面。研究区域范围结合自然保护区和乡级行政区划确定，研究区域959.46 km2，其中核心区面积为107.37 km2。

2 数据来源及方法

2.1 数据来源与处理

研究数据采用1973年12月份的MSS影像、1993年1月份的TM影像以及2010年12月份的ALOS影像数据。三期遥感影像数据经过辐射校正、云体处理、大气校正等处理。利用ERDAS软件进行格式转换和投影变换(Albers/WGS1984)，采用ArcGIS 10.0软件数据管理和计算。

2.2 研究方法

2.2.1 方法介绍 植被指数是对地表植被覆盖和生长情况的一种反映,通过植被指数可以评价植被覆盖、生长状况和生物量等，指植被(包括叶、茎、枝)在地面的垂直投影面积占统计区域总面积的百分比,是植物群落覆盖地表状况的一个综合量化指标[12-13]。植被覆盖度和NDVI之间存在极显著的线性相关性，通常通过建立二者之间的转换关系，直接提取植被覆盖度信息[7，14]，本研究采用归一化植被指数像元二分法估算植被覆盖度。

假设每个像元的NDVI值可以由植被和土壤两部分合成，则其公式如下[7]：

NDVI=NDVIVCi+NDVIS(1-Ci)

(1)

式中：NDVIV——全部植被覆盖度部分的NDVI值；NDVIS——全裸土或无植被覆盖的NDVI值；Ci——植被覆盖度。根据公式(1),Ci的算式如下：

Ci=(NDVI-NDVIS)/(NDVIV-NDVIS)

(2)

对于大多数裸地表面，NDVIS理论上应该接近0，并且不易变化；但由于受众多因素影响，NDVIS会随着空间而变化。同时，NDVIV值也会随着植被类型和植被的时空分布而变化。本文选取研究区内NDVImax和NDVImin代表NDVIV和NDVIS，计算公式表示为。

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

(3)

式中：NDVI——归一化植被指数；NDVImax——归一化植被指数最大值；NDVImin——归一化植被指数最小值；Ci——植被覆盖度。

2.2.2 植被覆盖度分级 利用ArcGIS 10.0软件,依据植被覆盖度灰度值对其进行密度分割，得到不同时期的植被覆盖度等级图。利用得到栅格数据获取各植被覆盖度等级的像元个数，用于计算不同等级植被覆盖度所占面积比例。植被分级标准参照杨胜天[15]、苏伟[16]和张丽[17]等人对区域植被覆盖度的分级方法，将施秉云台山地区植被覆盖度分为5类(见表1)。

2.3 植被覆盖度动态变化

为了更好地表达和描述研究区域植被覆盖度时空演变规律，利用ArcGIS的空间分析功能构建植被覆盖度动态变化模型D，D=Fj-Fi,其中，Fj为第j年植被覆盖度赋值，j取值为1973年,1993年和2010年；Fi为第i年植被覆盖度赋值,i取值为1973年,1993年和1999年,D取值范围为-4～4。具体描述见表2。

表1 植被覆盖度分级表

表2 植被覆盖度变化描述

3 结果与分析

3.1 植被覆盖度分析

根据图1a，1973年云台山地区植被覆盖度整体较高，中高覆盖度和高覆盖度占区域总面积的91.34%，低覆盖度面积比例只占0.32%；根据图1b，1993年，地表植被覆盖情况整体较差，中高覆盖度和高覆盖度占区域总面积的49.21%，低覆盖度面积比例增加到6.77%，中覆盖度增加到26.82%；根据图1c，2010年，中高覆盖度和高覆盖度占区域总面积的62.57%，低覆盖度面积比例减少到1.11%，中覆盖度面积增加到28.59%。

图1 不同年份云台山地区植被覆盖度分级

低覆盖度和中高覆盖度变化较大，1993年的低覆盖度明显高于1973年和2010年，说明低覆盖度经历了“低—高—低”，2010年云台山地区植被覆盖度分级图变化过程，而中高覆盖度则是经历了“高—低—高”变化过程；中低覆盖度的变化虽然没有低覆盖度和中高覆盖度变化明显，但是也经历了“低—高—低”变化过程；中覆盖度一直呈现增长态势，由1973年的5.93%增长到2010年28.59%；高覆盖度则呈现连续下降趋势，由1973年的25.21%下降到2010年12.98%。

云台山核心区的地表植被覆盖度空间分布和变化与周边区域略有不同(表3)。1973年，核心区低覆盖度面积比例为0.61%，略低于云台山地区总体水平；中低覆盖度为4.33%，高于云台山地区总体水平；中覆盖度面积比例为8.19%，高于云台山地区总体水平；中高覆盖度和高覆盖度面积比例为86.87%，低于云台山地区总体水平。1993年，核心区低覆盖度面积比例为0.32%，远低于云台山地区总体水平；中低覆盖度为4.90%，远低于云台山地区总体水平；中覆盖度面积比例为9.56%，远低于云台山地区总体水平；中高覆盖度和高覆盖度面积比例为85.22%，明显高于云台山地区总体水平。2010年，核心区低覆盖度面积比例为0.58%，略低于云台山地区总体水平；中低覆盖度为10.84%，略低于云台山地区总体水平；中覆盖度面积比例为14.10%，相当于云台山地区总体水平的一半；中高覆盖度和高覆盖度面积比例为74.48%，明显高于云台山地区总体水平。

表3 云台山核心区植被覆盖度统计 %

由此可知，云台山核心区地表植被覆盖度在1973—2010年间，低覆盖度呈现“低—低—高”的变化过程；中低覆盖度呈现持续升高的变化态势；中覆盖度亦呈现出持续递增变化过程；中高覆高度表现出“低—高—低”的变化规律；高覆盖度则呈现持续下降的变化过程，且变化幅度较大。

总之，云台山核心区的地表植被覆盖度相对于研究区域整体水平而言，高覆盖度变化幅度略高，其它等级植被覆盖度变化幅度较小。核心区的中高覆盖度和高覆盖度面积比例小雨周边地区和整体水平，而且变化趋势较为均匀。

3.2 植被覆盖度变化趋势分析

在1973—1993年间，有26.17%区域植被覆盖出现明显退化现象；有29.81%的植被覆盖发生一般性退化或退化不是很明显；有31.05%的区域植被覆盖度等级未发生变化，地表植被覆盖相对稳定；有11.39%的地区植被覆盖有所改善；只有1.55%的地区植被覆盖情况改善明显。在1993—2010年间，只有4.72%的地区植被覆盖发生明显退化；有21.49%的区域植被覆盖发生一般性退化；有33.72%的区域地表植被相对稳定，植被覆盖度未发生变化；有25.40%的区域植被有所改善；14.67%的区域植被覆盖度升高，地表植被覆盖情况改善明显。整体而言，云台山地区的地表覆盖度变化主要发生在1993—2010年，且变化幅度较大(图2)。

云台山核心区植被覆盖变化方向与周边区域不尽相同(图3)。在1973—1993年间，有14.12%区域植被覆盖出现明显退化现象，其面积比例远小于云台山地区的整体水平；有26.70%的植被覆盖发生一般性退化或退化不是很明显，面积比例略小于云台山地区的整体水平；有39.98%的区域植被覆盖度等级未发生变化，地表植被覆盖相对稳定，面积比例大于云台山地区的整体水平；有16.29%的地区植被覆盖有所改善，面积比例亦大于云台山地区的整体水平；有2.91%的地区植被覆盖情况改善明显，面积比例接近云台山地区的整体水平的2倍。在1993—2010年间，有7.32%的地区植被覆盖发生明显退化，面积比例亦大于云台山地区的整体水平；有28.51%的区域植被覆盖发生一般性退化，面积比例大于云台山地区的整体水平；有36.23%的区域地表植被相对稳定，植被覆盖度未发生变化，面积比例亦大于云台山地区的整体水平；有19.98%的区域植被有所改善，面积比例小于云台山地区的整体水平；7.95%的区域植被覆盖度升高，地表植被覆盖情况改善明显，面积比例小于云台山地区的整体水平。云台山核心区植被覆盖度变化较为温和，前20 a间和后20 a间的变化幅度差距较小，基本处于相对平衡状态。

图2 云台山地区植被覆盖度变化趋势

总体而言，云台山核心区的地表植被覆盖度变化幅度整体相对小于周边地区及研究区域的平均水平；植被覆盖整体呈现退化态势，主要退化幅度发生在1973—1993年，部分区域的地表植被覆盖情况有所改善，主要改善幅度发生在1993—2010年间；退化和改善幅度大的区域主要在周边地区，核心区相对变化较小。

4 结论与讨论

通过基于遥感和地理信息系统技术进行植被覆盖度提取和分析，对施秉云台山地区近40 a来地表植被覆盖度进行研究，主要得出以下结论：1) 云台山地区植被覆盖度从1973—2010年间植被覆盖整体呈现退化态势，但是部分区域的植被覆盖情况有改善趋势；2) 高覆盖度面积比例呈现持续下降趋势，且下降幅度较为均匀，中覆盖度面积比例基本呈上升态势，而低覆盖度和中低覆盖度出现波动性变化，且变化幅度较大；3) 核心区植被覆盖度退化幅度小于周边地区，且中高覆盖度和高覆盖度面积比例明显高于研究区域平均水平；4) 地表植被覆盖度变化主要发生在近20 a间，人为干扰对地表植被覆盖影响较大，核心区受干扰程度明显低于周边地区；5) 地表植被覆盖状况是喀斯特生态环境质量的直接表现，随着地表植被覆盖情况越发退化，区域生态环境随之恶化；6) 成立自然保护区可以有效地减缓地表植被覆盖退化速度，保护生态环境。

另外，由于云台山周边地区人类活动较为频繁，而核心区域一致处于未开发或保护状态，两者之间的区别较为明显。随着经济发展和环境保护双重作用，人类活动对植被覆盖度影响的动态定量研究将是该区域生态环境研究的重要方向。

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Study on Dynamics of Vegetation Coverage of Yuntai Mountain Area in Shibing County in Recent 40 Years

ZHAO Weiquan, ZHOU Wenlong, ZHANG Fan

(InstituteofMountainResourcesofGuizhou,Guiyang550001,China)

This paper adopted three periods of remote sensing images in 1973, 1993 and 2010, respectively, to establish the vegetation coverage index model based on the relationship between vegetation index and vegetation coverage, divided the grades of vegetation coverage using the technology of RS and GIS, and studied the process of dynamic change in recent 40 years. The result shows that vegetation coverage generally degraded Yuntai mountain area, but it showed the improving tendency in the local area; the grade of coverage in the core area was much higher than that in the surrounding area in the period from 1973 to 2010, but this advantage was declining; the change in the core area was less than the surrounding area, and the coverage change of the lower grade was more significant than the high grade, the vegetation coverage in core area was more stable than the surrounding area, the change of lower level coverage was greater than the high level coverage; in the first 20 years, the vegetation coverage mainly presented the trend of degradation, but it was restored gradually in the recent 20 years; the economic development models and the concept of ecological environment played important roles in the trend of the vegetation coverage change.

Yuntai Mountain in Shibing; RS & GIS; NDVI; vegetation coverage; dynamic variation

2013-07-18

2014-05-20

贵州省社发公关项目“基于地表起伏度的云台山景区与自然保护区生态系统健康评价”(SY字[2012]3164号)

赵卫权(1982—),男,甘肃宁县人,副研究员,研究方向为资源环境与3S技术应用。E-mail:zwq82@163.com

Q948；TP79

1005-3409(2015)02-0241-05