2005-2015年三江源地区玛沁县植被覆盖度变化分析
2016-09-27冯亚杰
冯亚杰
(青海民族大学 公共管理学院,青海 西宁 810007)
2005-2015年三江源地区玛沁县植被覆盖度变化分析
冯亚杰
(青海民族大学 公共管理学院,青海 西宁 810007)
基于美国Landsat TM卫星遥感影像数据，通过ArcGIS10.0与ENVI5.1软件，提取并分析了玛沁县不同时期的植被覆盖度动态变化总体特征。分析结果表明：2005年、2010年、2015年的平均植被覆盖度依次为72.53 %、65.76 %、68.27 %，植被覆盖度fc>0.65的区域面积占总面积的比例达到60 %以上，植被覆盖总体情况良好；植被覆盖变化面积转移矩阵表明,近10年来植被覆盖度呈现出下降趋势，各级植被覆盖度减少面积近4 000 hm2，自然生态环境退化程度明显；玛沁县植被覆盖度减少区面积占比20.96 %，比重较大，植被覆盖不稳定并呈现退化趋势，自然生态环境亟待保护。
植被覆盖度；动态变化；GIS
植被是地球陆地表面分布最为广泛的土地覆盖类型，同时植被对于陆地表面生态环境的持久、有序、健康运行起着至关重要的作用，而且植被对于全球范围内的物质能量循环及其生物化学性质的演变过程具有十分重要的影响[1]。植被覆盖度是植被指数的一种，同样也是衡量陆地表面植被覆盖的最重要的指标之一，是用来描述研究区域植被群落及其生态环境系统的重要影响因子[2]。中国疆域广阔，地形复杂，各个地区植被覆盖以及生物群落系统形态千差万别，加之近年来自然灾害时有发生，例如地震、山体滑坡、泥石流等对于地表植被的破坏性大大增加。此外，中国城市化、工业化的发展以及人类的种种开发活动，譬如开采矿藏、毁林开荒、扩展城市发展边界等行为在一定程度上也会对地表植被造成破坏，植被覆盖的稳定性大大降低，从而引发其他自然生态环境问题。张宏斌等基于 NASA(美国国家航天局)提供的 MODIS NDVI 植被指数产品阐述了内蒙古草原2000-2008年草原植被的时空变化过程与稳定趋势，为草原的保护与治理提供了基础科学数据[3]。对于植被覆盖度这一基本植被指数的研究，近年来一直受到学术界的广泛关注。其中比较成熟的方法是基于归一化植被指数(NDVI)，通过地理信息系统软件(ArcGIS)或者遥感图像处理软件(ENVI)计算得出[4-5]。遥感测算方法相比较于传统的野外实地测算具有时效性强、精确度高、研究范围广等明显优势。刘宪峰等基于MODIS-NDVI数据，辅以线性趋势分析、Hurst指数等方法，从气温、降水及潜在蒸散三个方面分析了2000-2011年三江源区植被覆盖的时空变化特征[6]；穆少杰等基于MODIS-NDVI遥感数据，从不同的空间与时间尺度上分析了内蒙古地区2001-2010年植被覆盖度的时空演化特征[7];马琳雅等基于Terra/MODIS月植被指数数据,对甘南州2001-2011年草地植被覆盖度进行了空间分布以及面积动态分析[8]；曹永翔等利用归一化植被指数NDVI提取青海省都兰县察汗乌苏绿洲植被覆盖度，定量分析评价了1990-2006年植被覆盖度的时空变化特征[9]。综合国内外学者对植被覆盖度的研究成果来看，研究区域主要位于中国中东部地区，而对于广大的西部地区特别是自然生态环境十分脆弱的青藏高原地区研究较少。近年来，由于人类活动的影响，青藏高原生态环境安全面临着严重威胁。
本文的研究区玛沁县地处三江源国家自然保护区核心地带，属于典型的牧业区，生态系统异常敏感和脆弱，也是黄河重要的流经区域与水源涵养地，其特殊的自然地理条件，使得对其植被覆盖进行研究具有特殊的意义。玛沁县生态区位十分重要，任何微小的变化都足以牵动整个三江源地区乃至黄河流域的生态变化，是国家生态环境建设的重点地区[10]。
本文基于2005年、2010年和2015年三个时期的卫星遥感影像数据和归一化植被指数像元二分模型，利用GIS和RS技术研究玛沁县植被覆盖度时空变化特征，为玛沁县的土地资源合理分配及其生态环境建设提供理论依据与基础数据。
1 研究区概况
玛沁县位于东经98°～100°56'，北纬33°43'～35°16'，地处青海省东南部，果洛藏族自治州东北部，东部与甘肃省玛曲县毗连，北部与海南州同德县、兴海县相邻，西与玛多县、达日县接壤，南与甘德县相连，系国家级“三江源”生态保护区。全县总面积1.34万km2，其中草场面积117.57万hm2，可利用草场面积108.53万hm2,占草场面积的92.3 %，属典型的高原山地类型，平均海拔4 100 m以上。研究区地理位置如图1。
图1 研究区地理位置
2 数据来源及研究方法
2.1数据来源
为了突出玛沁县植被覆盖的真实情况，根据植被与地表景观的时间差异，故选取2005年8月14日、2010年8月7日、2015年7月11日的美国 Landsat 卫星TM遥感影像数据。根据玛沁县植被生长的实际情况(植被生长期为每年的7、8月份)，三幅影像成像时间接近，且影像云量均低于10 %，影像数据的分辨率均为30 m×30 m，因此在时间与空间上都具有可比性，便于进行数据处理与分析研究。本文使用的所有遥感卫星影像数据的空间参考都处理为WGS-84坐标系。非遥感数据主要包括青海省测绘局发布的1:280 000玛沁县地图、青海1:250 000数字化地图、玛沁县统计年鉴以及青海省国民经济和社会发展统计年鉴等官方统计资料。对遥感影像进行处理的软件均采用ArcGIS10.0与ENVI5.1。
2.2数据处理
由于受卫星自身运动、地球自转、地表大气折射以及多光谱扫描仪扫描范围等因素的影响，会导致遥感卫星影像信息缺失以及影像畸变等现象。因此，为了得到反映玛沁县地表植被覆盖的真实影像数据，需要对遥感影像进行预处理。一般包括：(1)几何校正。本文所使用的遥感影像数据选取Landsat4-5TM、Landsat7 ETM SLC-off与Landsat8 OLI_TIRS 所提供的影像，该卫星影像的大地测量校正是基于精确的地面控制点以及高精度DEM数据，几何校正的工作无需重复进行。(2)图像镶嵌。玛沁县TM影像数据由行列号为132-36、133-36、133-37三幅影像组成，需要在ENVI5.1中使用影像无缝镶嵌工具Seamless Mosaic，将三幅影像数据镶嵌到一起。(3)图像裁剪。利用玛沁县矢量掩膜数据，在ENVI5.1中使用Subset Data from ROIs 工具，获得玛沁县卫星影像图。(4)大气校正。利用ENVI5.1中FLAASH大气校正模型对玛沁县遥感影像进行校正，消除大气中水蒸气、大气分子与气溶胶散射对地物反射的影响，从而获得玛沁县地物真实反射率。
2.3植被覆盖度计算
2.3.1归一化植被指数NDVI计算
植被指数是指通过多光谱遥感影像数据，在一定数学计算的基础上提取地表植被状况的多光谱数值。植被指数能够反映丰富的植被生长信息以及地物状态[11]。其中，归一化植被指数NDVI因其能够充分的反应地表植被生长情况，因而被广泛的利用于植被覆盖度的计算。NDVI的提取公式为
式中，NDVI为归一化植被指数；NIR为近红外波段(0.7～1.1 μm)地表反射率；R为可见光红波段(0.4～0.7 μm)地表反射率。
本文通过ArcGIS10.0中地图代数工具的栅格计算器，计算玛沁县三个时期的归一化植被指数。其中NDVI的取值范围为-1≤NDVI≤1，负值表示地表有水、雪、云等覆盖，0一般表示存在裸地或者岩石，正值则表示有植被覆盖，且随着值的增大，植被覆盖度也随之增大。
2.3.2植被覆盖度的计算
植被覆盖度的计算，学界比较成熟的方法是利用像元二分模型进行计算，这种方法是基于一个像元所测的地表实际状态由有植被与无植被两部分组成，而遥感影像所包含的信息也正是这两个组成因子的线性加权合成，能够进行直观地比较与计算，各个因子的权重则是各自的面积在像元中的比率[12]。根据像元二分模型，每个像元的NDVI值可以看作是由两个部分组成，即纯植被覆盖NDVIveg与无植被覆盖(即裸土)NDVIsoil。因此，植被覆盖度公式可表达为
式中,fc为植被覆盖度，NDVI为玛沁县各个时期NDVI的实际值，NDVIveg与NDVIsoil分别为玛沁县在各个时期内纯植被覆盖像元与裸土覆盖像元的NDVI。但就实际情况而言，受到很多实际情况的影响，NDVIsoil的值不会接近理论值0，一般会在-0.1到0.2之间[13]。目前关于NDVIveg与NDVIsoil取值的方法，有的研究者根据自身研究需要以及研究经验，将二者的值取为定值来进行fc的计算，有的研究者则根据整幅影像上NDVI的灰度图，以0.5 %置信度分别截取NDVI的上下限阀值来代表NDVIveg与NDVIsoil[12]。本文根据研究区域玛沁县自然地理的实际状况，卫星影像的成像时间(7、8月份)正处于玛沁县植被生长季内，NDVI值也有一定的饱和现象。故本研究采取玛沁县植被生长季内出现的像元的NDVI最大值与像元的最小值来代表NDVIveg与NDVIsoil。根据《土壤侵蚀分类分级标准》，将不同的水土流失等级对应于不同等级的植被覆盖度，并根据实际情况，将得出的植被覆盖度划分为5个等级进行研究：fc≤0.35、0.35
2.4植被覆盖度动态变化分析
为了更加直观的解释玛沁县植被覆盖度的动态变化特征，利用差值影像算法，将玛沁县2015年的植被覆盖度减去2005年的植被覆盖度，得到玛沁县近10年来植被覆盖度变化专题图[14]。参考众多学者的研究成果，本研究将玛沁县植被覆盖度动态变化分为7个等级[7,14-15]。分别为极显著减少(<-20 %)、显著减少(-20 %～-10 %)、弱显著减少(-10 %～-5 %)、稳定区(-5 %～5 %)、弱显著增加(5 %～10 %)、显著增加(10 %～20 %)、极显著增加(>20 %)。
3 结果与分析
3.1玛沁县植被覆盖度的时空分布及总体变化分析
玛沁县三个时期的植被覆盖图分别如图2、图3和图4。
图2 玛沁县植被覆盖图(2005年)
图3 玛沁县植被覆盖图(2010年)
图4 玛沁县植被覆盖图(2015年)
根据玛沁县三个时期不同的植被覆盖图，结合玛沁县植被覆盖图统计数据，可以得出玛沁县植被覆盖空间分布的总体特征。低植被覆盖度(fc≤0.35)和中低植被覆盖度(0.35
表1 2005-2015年玛沁县植被覆盖度变化
从表1可以得出：玛沁县植被覆盖度fc>0.65的区域面积占总面积的比例达到60 %以上，植被覆盖度总体良好。其中，中高植被覆盖度(0.65 2005-2015年玛沁县植被覆盖度总体变化情况表明，近10年的时间内玛沁县植被覆盖度呈现总体良好，但随时间的推移植被覆盖度呈下降趋势，玛沁县2005年、2010年和2015年平均NDVI依次为：0.46、0.37、0.39。NDVI作为反映地表植被生长的重要指数，指数下降表明玛沁县植被状况呈恶化趋势。其中，高植被覆盖度(0.8) 区域面积下降幅度最大，与2005年相比，2015年降幅达到14.89 %，减少面积1 587.78 hm2，仅2010年至2015年间高植被覆盖度区域面积共减少2 000 hm2。其次，中低植被覆盖度(0.35 3.2玛沁县植被覆盖度区域面积转换分析 仅针对玛沁县各级植被覆盖度在2005-2015年的面积变化情况并不能很好的反映出各级植被覆盖度的区域面积转化特征，故本文在综合分析玛沁县各个时期植被覆盖度面积变化的基础上，利用ArcGIS10.0进行矩阵分析后得到玛沁县在2005-2015年各级覆盖度面积转移矩阵(见表2)。 表2 2005-2015年玛沁县植被覆盖度区域面积转移矩阵 注: 表中各级植被覆盖度的面积横向表示 2005-2015 年间转出面积，纵向表示 2005-2015 年间转入面积。 统计分析结果表明，近10年间玛沁县自然生态环境存在退化风险，各级植被覆盖度均呈现下降趋势。玛沁县高植被覆盖度(fc>0.8)区域与中高植被覆盖度(0.65 3.3玛沁县植被覆盖度动态变化稳定性分析 在对玛沁县2005-2015年植被覆盖度进行总体变化统计分析与区域植被覆盖度面积转换矩阵分析之后，仍需进一步对玛沁县植被覆盖度的动态变化特征及稳定性进行分析，从而能够更加深入全面的了解到玛沁县植被覆盖度时空演变特性。2005-2015年玛沁县植被覆盖变化稳定性及变化情况如图5、图6。 图5 2005-2015年玛沁县植被覆盖度变化稳定性 图6 2005-2015年玛沁县植被覆盖度变化 对2005-2015年玛沁县植被覆盖度动态变化稳定性分析，得到其植被覆盖度变化总体特征。其中，植被覆盖度变化稳定的区域主要位于玛沁县西北部的下大武乡、昌麻河乡以及南部的优云乡和当洛乡的大山深沟地区，地理位置偏远，海拔较高，人类活动对覆被变化影响较小，植被覆盖稳定；此外，位于玛沁县东部的大武镇、拉加镇等距离人口聚居区一定范围以外的地区以及切木曲、洋玉、德科河三大林场，海拔较低，自然条件适宜植被生长，植被覆盖比较稳定。在不稳定的区域，植被覆盖度减少的区域主要位于玛沁县西北部的雪山乡、大武乡东部以及当洛乡北部等高海拔高山地区，垂直地带性显著，自然条件恶劣，植被覆盖减少较为明显。位于玛沁县东部地区的大武镇、拉加镇等人口聚居区，由于人类生产生活的影响，地表覆被已被改造，植被覆盖度降低；不稳定区域中植被覆盖度增加的区域主要位于东倾沟乡以及当洛乡南部的低山深谷地区，此外玛沁县东部的切木曲、洋玉、德科河三大林场，海拔较低，自然条件适宜植被生长，植被覆盖度有所增加。 统计分析结果表明，玛沁县植被覆盖度减少区、稳定区、增加区面积分别为2 815.94，6 337.89，4 279.28 hm2，占玛沁县总面积分别为20.96 %、47.18 %、31.86 %(见表3)。 表3 玛沁县植被覆盖度动态变化 在减少区域，弱显著减少(-10 %～-5 %)区域为2 046.12 hm2，占总面积的15.23 %，占减少区面积的72.66 %；在增加区域，弱显著增加(5 %～10 %)区域为2 869.69 hm2，占总面积的21.36 %，占增加区面积的67.06 %。玛沁县植被覆盖度动态变化表明，植被覆盖度不稳定趋势明显，植被生态系统脆弱性显著，稳定区域内包括大量低以及中低植被覆盖区域，自然生态环境退化，需要采取有效手段保护玛沁县生态系统的安全。 3.4玛沁县植被覆盖度动态变化因素分析 本研究显示，玛沁县三个时期平均植被覆盖度依次为72.53 %、65.76 %、68.27 %，虽然植被覆盖总体情况良好，但呈下降趋势，结合玛沁县生产生活实际，植被覆盖度下降的主要原因是： (1)农牧民收入来源单一，过度依赖畜牧业。玛沁县是三江源地区典型的牧业县，社会经济发展水平较低，农牧民生活收入来源主要依靠畜牧业。随着草原上牲畜的增加，加之牲畜饲养技术水平落后，牲畜饲养规模逐渐超出了草地生态系统的自然承载力，造成草场退化，土地沙化等一系列问题；加之人们生态环保意识薄弱，私挖滥采虫草、藏药，对地表植被造成了破坏，严重威胁着草原生态系统的健康与安全。 (2)森林生态系统防护功能弱化。玛沁县生态防护林建设工作开展滞后，天然林主要分布在东倾沟乡、大武乡以及拉加镇北部地区，且分布零散，人工林主要分布在拉加镇一带。生态防护林管护工作存在区域广、人员少、资金少、难度大等困难，造成当地生态工程管护不到位，严重破坏了生态工程建设成果，导致水土流失，林地间涵养水源以及水土保持功能下降，造成玛沁县植被覆盖度呈现下降趋势。 玛沁县2005年、2010年、2015年的平均植被覆盖度依次为72.53 %、65.76 %、68.27 %，中高植被覆盖度(0.65 针对玛沁县生态系统状况存在的问题，政府应采取有效措施，大力发展生态生态旅游业，一方面转变农牧民生计来源，提高农牧民生态环境保护意识；另一方面强化森林生态安全建设，加强管护队伍专业人才的教育与培训，切实保护玛沁县自然生态环境。 [1] 郑有飞,牛鲁燕,吴荣军,等.1982-2003年贵州省植被覆盖度变化及其对气候变化的响应[J].生态学杂志,2009,28(9):1773-1778. [2] 李明财,刘德义,郭军.天津地区各季植被 NDVI年际动态及其对气候因子的响应[J].生态环境学报,2009,18(3):979-983. [3] 张宏斌,唐华俊,杨桂霞,等.2000-2008年内蒙古草原 MODIS NDVI时空特征变化[J].农业工程学报,2009,25(9):168-175. [4] 秦伟,朱清科,张学霞,等.植被覆盖度及其测算方法研究进展[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2006,34(9):163-170. [5] 贾坤,姚云军,魏香琴,等.植被覆盖度遥感估算研究进展[J].地球科学进展,2013,28(7):774-782. [6] 刘宪锋,任志远,林志慧,等.2000-2011年三江源区植被覆盖时空变化特征[J].地理学报，2013,68(7):897-908. [7] 穆少杰,李建龙,陈奕兆,等.2001-2010年内蒙古植被覆盖度时空变化特征[J].地理学报,2012,67(9):1255-1268. [8] 马琳雅,崔霞,冯琦胜,等.2001-2011年甘南草地植被覆盖度动态变化分析[J].草业学报，2014,23(4):1-9. [9] 曹永翔,刘小丹,张克斌,等.青海省都兰县察汗乌苏绿洲植被覆盖度变化研究[J].中国沙漠，2011,31(5):1268-1272. [10] 贾俊姝.大通县土地利用/覆被变化与土壤侵蚀的研究[D].北京：北京林业大学，2009. [11] 田庆久,闵祥军.植被指数研究进展[J].地球科学进展,1998,13(4)：327-333. [12] 陈晋,陈云浩,何春阳,等.基于土地覆盖分类的植被覆盖率估算亚像元模型与应用[J].遥感学报,2001,5(6)：416-422. [13] RUNDQUIST B C.The influence of canopy green vegetation fraction on spectral measurements over native tallgrass prairie[J].Remote Sensing of Environment,2002,81(1):129-135． [14] 甘春英,王兮之,李保生,等.连江流域近18年来植被覆盖度变化分析[J].地理科学,2011,31(8):1019-1024. [15] 温小乐,姜兴强,徐涵秋.基于TM影像的长乐市植被覆盖度变化研究[J].遥感信息,2013,28(6):56-61. (责任编辑邹永红) Changes of Vegetation Coverage from 2005 to 2015 of Maqin County in Three-river Headwater Region FENG Ya-jie (College of Public Administration, Qinghai Nationalities University, Xining Qinghai 810007, China) Based on the remote sensing data of US Landsat TM satellite, using ArcGIS 10.0 and ENVI 5.1 software, we extract and analyze the dynamic changes of overall characteristics of vegetation coverage of Maqin County in different periods. The results show that: in 2005, 2010 and 2015, the average vegetation coverage were 72.53 %, 65.76%, 68.27 % respectively. Vegetation coverage area ratio which are more than 0.65 are over 60 % of the total area. The overall situation of the vegetation cover is good. The transition matrix changes of vegetation coverage area over the past decade showed that vegetation coverage showed a downward trend, reducing the levels of vegetation coverage area of nearly 4 000 hm2. The degree of degradation of the natural environment is significant. The reducing of Maqin county vegetation coverage area accounted for 20.96 %, which is a large proportion. Because the vegetation cover showed an unstable and degraded trends, we should protect the natural environment. vegetation coverage; dynamic change; GIS 2096-1383(2016)05-0450-07 2016-05-25；最后 2016-07-11 国家自然科学基金项目(41161030)；青海民族大学理工自然科学项目(2015XJZ23)。 冯亚杰(1991-)，男，山西临汾人，青海民族大学公共管理学院硕士研究生，主要从事土地生态安全研究。 TP79;Q948 A
4 结 语
