基于RS与GIS的揭阳市植被覆盖度分析
2015-09-16钟锦英
王 航，钟锦英
(韩山师范学院旅游管理系，广东 潮州 521041)
基于RS与GIS的揭阳市植被覆盖度分析
王 航，钟锦英
(韩山师范学院旅游管理系，广东 潮州 521041)
在RS与GIS技术支持下，利用揭阳市1996—2013年TM影像，进行植被覆盖度动态变化分析。结果显示，揭阳市17 a间植被覆盖情况与经济、政策和人口发展密切相关，其中，城市扩展区植被退化，城区植被得到改善。
RS；GIS；植被覆盖度；NDVI；揭阳市
植被覆盖度(Fractional Vegetation Cover，简称FVC)指植被(包括叶、茎、枝)在地面的垂直投影面积占统计区面积的百分比[1]。植被覆盖度是重要的基础数据，可为深入研究植被与其他因素(如水文、气象、生态)的关系提供数据支持。植被覆盖度获取方法主要有地表实测和遥感测量2种[2]。地表实测有着自身的局限性，操作方法复杂，对测量人员专业技术要求高，测量过程受时间、天气及区域条件的限制多，效率低，不易进行大范围作业。随着遥感技术的发展，利用遥感技术获取植被覆盖度成为主要手段[3-5]，而直接借助于植被指数数据进行植被覆盖度的估算方法，因其建模过程简单、参数获取方便，经验证后的模型易于推广等优点，受到许多学者的青睐[6-9]。本文拟通过对揭阳市1996—2013年地球卫星系列影像的解译处理，采用植被指数和像元二分模型定量估算植被覆盖度，分析揭阳市近17 a来植被时空变化情况。
1 研究区概况与方法
1.1 研究区概况
揭阳市处于粤东地区，东经115°36′—116°37′39″、北纬22°53′—23°46′27″。地势自西向东倾斜，西北部和西南部多为丘陵、山地，中部、南部和东南部为平原。属亚热带季风性湿润气候，雨热同期，终年无雪少霜，年均气温21.4 ℃，年均降水量1720～2100 mm，主要植被类型为亚热带常绿阔叶林。揭阳市总陆地面积为5240.5 km2，总人口为673.94万(2012年)，有“中国五金基地市”和“鱼米之乡”之称。
1.2 数据与技术路线
数据主要由1996年、2000年、2004年的Landsat5 TM与2013年Landsat8 TM遥感影像和揭阳市2013年土地利用数据构成。选取影像拍摄时间均在12月初—2月初，共8景影像。为提高影像解译精度，采用样线法和GPS定位，进行外业调查并拍照取证，在此基础完成影像的辐射校正，得到高程校正影像。
图1 技术路线图
2 植被覆盖度计算及时空变化分析
2.1 归一化指数
根据地物光谱反射率的差异做比值运算可以突出图像中植被的特征、提取植被类别或估算绿色生物量，能够提取植被的算法称为植被指数[10]。在多种植被指数中，归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)是获得区域植被覆盖度最常用的一种。计算方法如公式：NDVI=(NIR-RED)/(NIR+RED)，式中：NIR为遥感多波段图像中的近红外波段；RED为红色波段。
图2 计算植被覆盖度转换模型示意图
2.2 植被覆盖度计算
因研究区面积较大，本文采用像元二分模型进行植被覆盖度计算[11]。像元二分模型假设1个像元的地表由植被覆盖与无植被覆盖2部分组成，而每个像元的NDVI值可以看成是植被覆盖部分的NDVI值与无植被覆盖部分的NDVI值的线性加权合成。利用NDVI值计算植被覆盖度的公式为：FVC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)，式中：NDVIsoil为裸土或无植被区的NDVI值；NDVIveg为纯植被区的NDVI值。因此，该模型的关键在于确定NDVIsoil和NDVIveg的取值。
NDVIsoil和NDVIveg的取值过程为：先将同一时相的2景影像进行拼接，经过数据预处理，得到4个年份的影像数据。借助Erdas软件计算各年份影像的NDVI值。然后验证NDVI值。因为影像不可避免存在着噪声，这些噪声产生的NDVI值常常影响到NDVIsoil和NDVIveg的取值，所以对照外业调查、2013年揭阳市土地利用数据和“数字揭阳”基础地理信息数据平台高分影像，去除特殊NDVI值；然后，判断无植被区和全植被区的比例，确定1%作为揭阳市FVC置信度值，在这个置信度的范围内取得最大值与最小值赋予NDVIveg和NDVIsoil，从而计算FVC。
根据1%的置信度得到4个年份的NDVIsoil和NDVIveg值(表1)。在Erdas软件中，利用modeler模块的建模功能构建植被覆盖度转换模型(图2)。
根据表1中4 a的NDVIsoil与NDVIveg值，分别代入模型(图2)中，得到4期的揭阳市植被覆盖度等级分布图(图3)。
本文将植被覆盖度分为6个等级，分别为：1级，FVC=0；2级，0%
表1 NDVIsoil和NDVIveg的取值表
图3 各期揭阳市植被覆盖度等级分布图
2.3 植被覆盖度时空分布
从图3可以看出植被覆盖度在平原与山区存在明显空间差异性，这个差异主要取决于地形因素。因地势平缓，在较低的沟谷和平地，人口聚集，人类活动频繁，土地利用以建设用地、交通水利用地为主，这些土地利用方式对植被的干扰程度较大，所以在榕城区、揭东县平原地区、普宁市区和惠来县城区植被覆盖度以3级为主；而山地多因地势因素，限制了土地的大规模开发利用，所以揭东县山区、揭西县山区、普宁市山区和惠来县山区，多呈现5级、6级植被覆盖度。总体来看，全市以6级植被覆盖度为主，所占比例达到50%以上。
表2 1996—2013年揭阳市各级植被覆盖度面积比例统计表
在时间分布上，对比4期植被覆盖度图可以发现揭阳市的植被覆盖度短期阶段性变化明显。从表2可以看出，从1996—2013年17 a间，各级植被覆盖度有起伏变化，但变化幅度不大。2级面积在1996—2004年间有所增加，但从2004年开始面积逐渐减少，1996—2013年间减少1.24%；3级面积在2004年间有所减少，而在2005年后开始增加，2013年比1996年增加2.87%；4级面积总体减少，但减少幅度不大；5级也是总体减少，减少量为0.55%；6级呈波动减少，减少量为0.62%。总体来看，较低植被覆盖度有所增加，而较高植被覆盖度有所减少，3级植被覆盖度增加量最大。
2.4 植被覆盖度时空演化
为了更好地监测揭阳市这17 a的植被覆盖度动态变化情况，利用1996年和2013年2个时期的TM影像进行差值运算，以获取影像波段和时相图间的差异信息，即同一区域在2个时间段内的动态变化情况。在差值图的基础上，进行重分类，对差值图属性字段，采用自然间断点分级法，划分为5个类别：严重退化、退化、稳定、恢复、完全恢复。重分类后，得到1996—2013年间揭阳市植被覆盖度变化图，综合各类面积数据，得表3。
表3 差值图分级标准与植被恢复情况统计表
由表3可知，植被状况有的改善、也有的退化，是人类破坏与保护并存的体现。揭阳市植被覆盖度稳定面积最大，其面积为1818.26 km2，占总面积的34.70%。植被的恢复面积比退化面积大，说明植被状况总体上是改善的。
以上运算只能了解总体变化情况，为具体了解各级植被覆盖度的转移情况，对1996年与2013年2张植被覆盖度计算转移矩阵，结果见表4。
表4 1996—2013年揭阳市植被覆盖度转移矩阵表
通过面积制表功能可以将不同类型转入转出的面积在表中直观地表现出来。转移矩阵表明，各级植被覆盖度之间存在相互转移现象，1级植被主要转出为2级，主要由2级和6级植被转入为1级，但转移量都较小，说明1级植被比较稳定；2级植被主要转出为3级，由6级转入，转入量大于转出量，说明较高级植被退化，可能与砍伐或扩建有关；3级主要转入为4、5、6级，说明植物生长良好；4、5、6级互相转移，可能与植物的生长状况有关，但5、6级转为3、4级的量也占了较大部分，说明植被遭到破坏。
综上分析可知，揭阳市植被覆盖度以6级植被为主，说明植被覆盖度高。17 a间较低植被覆盖度有所增加，而较高植被覆盖度有所减少，但变化幅度不大，说明植被有退化也有恢复。从植被覆盖度差值图中可以看出总体上呈现恢复状态。其中，3级植被覆盖度增加最多，说明城区植被得到改善。原因是经济的快速发展，人口的增加促使城市扩展，城市扩展区植被退化。随着人们对生活的高要求以及揭阳市政府对绿色揭阳的发展定位，城区植被覆盖度有所提高。
3 小结
利用遥感技术对植被覆盖度进行监测，具有范围广、速度快、信息量大、动态监测性强等优点，对于实时监测具有重要作用，对于生态环境的评估与保护也具有重要意义。遥感监测势必成为今后发展生态城市的一面镜子，激励并敦促人类合理利用自然资源，建设生态和谐家园。
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Vegetation Coverage Analysis in Jieyang Based on RS and GIS
WANG Hang，ZHONG Jing-ying
(GeographyAndTourismDepartmentofHanshiNormalUniversity，Chaozhou521041，Guangdong，China)
With the support of RS and GIS technology，the dynamic changes of vegetation coverage were analyzed by using TM 1996—2013 images in Jieyang city.The results show that the vegetation coverage in Jieyang city is closely related to the economic，policy and population development .In addition，the vegetation in urban expansion area is degenerated，while the vegetation in urban area is improved.
RS；GIS；vegetation coverage；NDVI；Jieyang city
2014-12-17；
2015-01-26
国家自然科学基金(31470021)；韩山师范学院青年项目(LQ201303)
王航(1981—)，女，河南许昌人，韩山师范学院旅游管理系实验师，从事地理信息系统应用。E-mail：wanghang20001@163.com。
10.13428/j.cnki.fjlk.2015.04.010
S718.3；K909
A
1002-7351(2015)04-0048-05
