近20年玛纳斯河流域南山山区植被覆盖的遥感动态变化监测

贾青芝 郭鹏 马秀秀 孙晓清 刘雅清

摘要：利用1990、2000和2005年的TM影像和2012年的ETM+影像提取了玛纳斯河流域南山山区植被的覆盖区域，并对植被的退化情况进行了分析和探讨。结果表明，从1990 — 2012年植被覆盖度指数绝对值来看，研究区植被稳定性有降低的趋势；1990 — 2000年中度以上退化区域在总面积中所占比例为16.41%，2000 — 2005年為13.38%，2005 — 2012年为28.06%，表明近10年研究区植被的分布面积在逐年减小；研究区植被与非植被类型互有转化，差异最大的时间段为2005 — 2012年，植被转出和转入间的差额为638.25 km2；研究区植被年平均面积变化速率逐渐减小，空间变化度先减小后增大，整体规模趋于减小。

关键词：植被；覆盖度；退化；动态变化；遥感；玛纳斯河流域南山山区

中图分类号：Q948.1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）05-1121-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.05.009

Dynamic Monitoring of Vegetation Change in South Mountain of Manas River Basin in Recent 20 Years Relying on Remote Sensing

JIA Qing-zhi， GUO Peng， MA Xiu-xiu， SUN Xiao-qing， LIU Ya-qing

（College of Science， Shihezi University， Shihezi 832003， Xinjiang， China）

Abstract： The coverage area of vegetation was extracted with TM images in 1990， 2000， 2005 and ETM+ images in 2012， and the process of degradation in this region was analyzed and discussed. The results showed that the vegetation stability in this area had decreased in 1990 to 2012 according to the absolute value of the coverage index. The area of moderate and severe degradation of the region accounted for 16.41% of the total area in 1990 to 2000， and was 13.38% and 28.06% for the period of 2000 to 2005 and 2005 to 2012 respectively， which indicated that the distribution area of vegetation was reducing year by year in recent 10 years. The type of vegetation and non-vegetation in the study area transformed with each other， the largest gap happened in 2005 to 2012， and was 638.25 km2. Average annual change rate of vegetation area decreased gradually， and spatial variation decreased first and then increased， in the whole， the region of vegetation tended to reduce in general.

Key words：vegetation；coverage degree；degradation；dynamical change；remote sensing；South Mountain of Manas River Basin

玛纳斯河流域位于天山北坡，是新疆重要的绿洲，其南部山区则是该流域植被种类以及碳储量最大的区域。但是由于该地区生态环境相对比较脆弱，以及人类对植被生态系统不合理的利用或破坏，使得流域植被呈现一种逐步退化的现象[1]。杨萍等[2]利用多年归一化植被指数（Normalized difference vegetation index，NDVI）数据研究了玛纳斯县植被覆盖的变化，通过分析长时间序列的NDVI来反映区域植被覆盖的时空动态变化特征。刘艳等[3]对玛纳斯河流域荒漠化进行长期监测，结果表明植被覆盖具有显著的空间差异性，与地形因素、水分、热量、地貌形态和土壤理化性质等气候环境因子存在联系。同时，随着社会经济的发展，玛纳斯河流域森林资源正在逐步缩小，遭到日益严重的人为砍伐破坏[4]。因此监测流域植被的时空分布及变化特征对流域的可持续发展将起到至关重要的作用，但目前通过遥感影像监测该流域山区植被动态变化情况的相关研究较少。本试验从研究区植被的空间分布特征等问题出发，利用植被退化指标和分级标准进行植被退化监测，并分析植被退化时空变化特征和发展趋势，以期为玛纳斯河流域植被退化的综合治理和区域可持续发展提供科学的参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

玛纳斯河流域位于新疆天山北麓中段、准噶尔盆地南缘，是典型的干旱区人工绿洲，也是北疆规模最大的人工绿洲，主要包括石河子市、沙湾县和玛纳斯县，分布位置为43°27′ — 45°21′N和85°01′ — 86°32′E。该流域地势由东南向西北倾斜，最高海拔5 242.15 m，最低256 m，昼夜温差大，夏季炎热干燥，冬季寒冷多风，年均气温6.8 ℃，年降水量为100～200 mm，蒸发量大，地形由南向北依次分布有山地、山前平原和沙漠三大地貌类型区[5]，见图1。

1.2 数据来源与处理

选用1990、2000、2005年8月的 Landsat TM 影像和2012年8月20日的Landsat ETM+影像。该数据来自 GLCF（Global land coverfacility）和 USGS（US geological survey）数据共享平台[5]。选取的遥感影像均无云影干扰，影像分辨率为30 m，影像大小为185 km×185 km。在ENVI4.8中对影像进行几何校正、辐射定标、大气校正等预处理并镶嵌后在ArcGIS10.0软件中由玛纳斯河流域的边界图进行裁切后得到，并经假彩色合成后（R：band 6；G：band 4；B：band 3），经直方图拉伸显示后得到了研究区遥感影像图[6-8]（图1）。

1.3 研究方法

1.3.1 NDVI NDVI是指近红外波段与红光波段地表反射率数值之差和这两个波段数值之和的比值，计算方法见式（1）。

NDVI=■ （1）

式中，？籽red为红光波段反射率（对应于TM影像的第三波段），？籽nir为近红外波段反射率（对应于TM影像的第四波段）。

1.3.2 植被覆盖度 相关研究表明，植被覆盖度与归一化植被指数NDVI呈极显著的相关关系[9]。基于在遥感监测植被覆盖度中NDVI“混合像元”的特点，采用了NDVI的亚像元模型[10]计算植被覆盖度，见式（2）。

VC=■×100% （2）

式中，VC为植被覆盖度，NDVImin为裸土区域的NDVI最小值，NDVImax为研究区域的NDVI最大值。通过实地采样与目视解译经验相结合的方法，最终确定了4个年度植被覆盖度指数中的NDVImax和NDVImin，具体见表1。

在提取VC指数前，结合经验先将NDVI小于0的区域作为非植被区进行掩膜剔除，减少非植被因素的干扰，并使用不同年份的植被覆盖度分级影像相减得到植被覆盖分级的变化图。参考国家标准（GB 19377）中关于植被退化程度的分级标准，以植被覆盖度减少的比例对退化的等级进行划分，分为未退化、轻微退化、中度退化和重度退化[9]，具体的评价标准和划分等级参数见表2，最终得到玛纳斯河流域植被退化的分级变化图。

1.3.3 变异系数 变异系数是反映观测值变异程度的一个统计量，即标准差与平均值的比值[11]。利用变异系数能够消除单位与平均值的不同所造成两个或多个变量变异程度比较的影响。

CV=■ （3）

式中，CV为变异系数；SDVC为各年度VC指数影像的标准差；■VC为各年度VC指数影像的平均值。

1.3.4 植被变化趋势 利用动态变化指数来研究1990—2012年植被的变化剧烈程度及趋势。定义ΔUout为研究时间段T内植被转变为其他利用类型的面积之和，ΔUin为同一时段内其他土地类型转换为植被的面积之和，Ua为植被在研究初期的面积；定义Rs为面积变化速率，Rss为空间动态变化度，Ps为变化趋势度[12]。

Rs=■×■×100% （4）

式中，Rs越大，表明面积变化速率越大，反之则越小。

Rss=■×■×100% （5）

式中，Rss越大，表明空间动态变化度越大，反之则越小。

Ps=■ -1≤Ps≤1 （6）

当0

2 结果与分析

2.1 植被覆盖度指数变化特征分析

研究区近20年植被覆盖度年际变异程度在不同的年度区间里有所差异，其中2000年表现最为稳定，植被覆盖变化不明显，CV为1.323 2，变异程度最小。近20年植被覆盖度的平均CV为2.781 3，年度间差异较明显，1990年CV为2.560 9，2005年CV为2.713 8，整体上CV有先减小后增加的趋势（图2）。用后一年份CV减去前一年份CV，得到各年度的CV之差（表3）。从表3可以看出，1990—2000年CV差值的绝对值为1.237 7，2000—2005年为1.390 6，2005—2012年增加至1.813 6，呈现出逐级递增的趋势，说明近20年植被覆盖的稳定性在降低[11]。

2.2 玛纳斯河流域植被退化的时空特征分析

通过对4期影像的对比分析以及统计数据可以看出，1990—2012年研究区植被一直处在退化的状态，只是不同时期由于气候、水热条件的差异，其退化的强度有所不同（表4）。其中单从中度以上退化程度在总面积的比例上来看，1990—2000年中度退化与重度退化在总面积中所占比例为16.41%，2000—2005年为13.38%，2005—2012年为28.06%。2000—2005年研究区植被退化现象最轻，1990—2000年表现次之，2005年以后中度退化的比例迅速增加，從6.82%增加至20.60%，重度退化面积增加了73.93 km2，可见在近10年里研究区植被的退化程度处于增加的趋势。

虽然2005-2012年总的退化面积和比例较之前有所减小，但从每年的退化速率上来看，近20年中度退化和重度退化的面积持续在增加，也就是说研究区植被的分布面积在逐年减小，具体数据见表5。

从1990年与2012年的数据对比来看，中度退化的区域主要分布在研究区的西南面和东南面，这部分区域主要处在山区高海拔地区，分布有较多的冰川，气温相对较低，由于季节的变化和气温的差异导致该区域部分植被呈现退化的趋势（图3）。

2.3 植被与非植被类型间相互转换的时空特征

通过对比分析研究区1990—2012年植被与非植被的转移矩阵（表6）可以看出，20年间研究区植被与其他各类土地类型均有转入和转出，且具有一定规模，1990—2000年植被转出与转入面积相差相对较小，仅为42.56 km2；在2000—2005年表现出了较大的差异特征，转出面积为645.28 km2，转入面积只有143.37 km2，二者相差了501.91 km2，表明在这个时期植被退化程度在增加；而到了2005年后，植被转出和转入间的差距达到了638.25 km2，比上一个5年相差的面积还要多136.34 km2。可以看出近20年研究区植被类型相互转移互有发生，但主要还是以植被转出为主。

2.4 植被退化趋势分析

根据公式（6）计算得到了研究区植被覆盖类型的变化剧烈程度及趋势指数（表7）。从表7可以看出，研究区植被覆盖类型的变化状态及趋势的相关指数绝对值均呈先增加后减小的趋势。其中，Rs从0.18%下降到-2.04%，说明植被覆盖的年平均面积变化速率逐渐减小，而Rss从4.10%下降到1.70%后又在2005—2012年有轻微反弹，增加至2.26%，表明植被的空间变化度呈现先减小后增大的趋势。Ps则围绕在0左右浮动，且其值先增加后减小，表明研究区植被规模先增加后减小，与其他土地覆盖类型相互转换频繁。总体而言，植被覆盖规模趋于减小的态势。

3 结论

玛纳斯河流域南山山区的植被空间分布呈现出不稳定的态势，面积在逐年缩小，但不同的退化程度间的差异也比较大，未退化和轻度退化的区域仍然占主导地位且分布较广。中度退化和重度退化的区域近10年来增加较快，虽然从面积和百分比上来看并未在区域内形成主导，但问题依然不容忽视。

通过对研究区植被覆盖类型变化情况的研究发现，1990—2012年草地覆盖与其他土地覆盖类型转换频繁，植被分布属于不稳定状态，且年平均面积变化速度逐渐减小，空间变化度先减小后增大，整体规模趋于减小，这些都说明随着时间的推移，研究区植被的退化程度在增加。

研究过程由于退化程度和面积分级并未将植被的转入和转出因素考虑进去，因此在统计的过程中，仅对植被转出部分进行了退化程度的统计分级，就相差面积方面进行了探讨，其不足之处将在今后的研究中进一步补充完善。

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