基于遥感和GIS的京津风沙源区地表植被覆盖变化研究

王 斌

（天津市环境监测中心，天津 300191）

基于遥感和GIS的京津风沙源区地表植被覆盖变化研究

王 斌

（天津市环境监测中心，天津 300191）

本文以京津风沙源区地表植被作为研究对象，利用遥感和GIS分析手段，开展了2005年～2009年风沙源区地表植被土地利用状况及变化趋势、植被指数变化等方面的分析研究。结果表明，京津风沙源区植被面积呈上升趋势，其中耕地总面积减少2635．59 km2，林地总面积增加13218．43 km2，草地总面积增加13332．62 km2。通过SPOT-VGT NDVI计算发现，2005年～2008年风沙源区年最大植被指数呈波动上升趋势，各年份月季最大NDVI均在8月达到峰值。区域生态环境质量正在稳步提高。

遥感；GIS；风沙源；植被覆盖

一、研究区域

2000年6月经国务院批准，我国政府开展了大规模的京津风沙源治理工程，在北京、天津、河北、山西、内蒙古五省区市的65个县旗进行试点，2001年，试点范围由65个县旗增加到75个，试点面积进一步扩大。2002年3月，国务院正式批复工程规划，工程全面启动。为分析风沙源区地表植被覆盖变化，参照林业部门对京津风沙源治理工程范围，选取内蒙古自治区、河北省、北京市、天津市4个省市的62个市旗区县作为研究区域。

二、研究方法

采用2005年、2009年两个年份分辨率为30米的美国陆地资源卫星Landsat TM5遥感影像作为数据源，经人工目视解译，开展耕地、林地、草地在内的植被类型土地利用变化分析。选用2005年～2008年SPOT-VGT NDVI，开展风沙源区域植被指数定量化研究，评估区域植被覆盖状况。

三、数据来源及处理

3.1 土地利用状况提取

TM影像数据获取月份为当年6月至9月，单景云量小于10%，受人为干扰影响比较大易发生态变化的区域没有云覆盖。影像波段组合为432 RGB类型。几何纠正投影类型采用Albers Conical Equal Area，椭球体为Krasovsky，中央经线为东经110°，双标准纬线为北纬25°和北纬47°，投影起始纬度12°，中央经线偏差和起始点偏差都为0。影像再经图像增强、颜色匹配处理，参照原国家环保总局“中国中东部地区生态环境遥感调查”中土地利用/土地覆盖类型的分类系统，在地理信息系统软件支持下进行动态变化的人工判读及地面数据的对比核查；建立经过线状地物和细小地物扣除、转换的土地利用/土地覆盖动态变化数据库。

3.2 植被指数处理

地表植被对气候变化反应非常明显，归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）是评估植被状况的最有效参数之一，能很好地反映植被生长状态和植被覆盖度，也是衡量区域生态系统变化的重要信息。选用2005年～2008年SPOT-VGT NDVI植被指数，该数据包含每10天合成的四个波段的光谱反射率及10天最大化NDVI，空间分辨率为1km，时间分辨率为逐旬。该数据集已被国内很多学者用于植被及生态环境的研究，都取得了比较好的应用效果。

预处理包括大气校正，辐射校正，几何校正，生产10天最大化合成的NDVI数据，并将-1到-0.1的值设置为-0.1，再通过公式转换到0-250的DN值。主要处理流程如下：

（1）图像裁切利用遥感图像处理软件ENVI 4.2掩膜功能及京津风沙源区域境界，裁剪出SPOT-VGT NDVI植被指数图。

（2）植被指数反算

根据如下公式：NDVI=DN×0.004-0.1

将遥感影像中每个像元的DN值转化为对应的NDVI值，即可得研究区的实际NDVI数据图。

（3）植被指数合成

SPOT-VGT NDVI数据的合成因地理位置不同，方法也不同。一般所在区域的降水量、气温、干湿状况以及作物生长期等条件决定合成方法的选择。对于自然条件恶劣、生态环境脆弱的干旱半干早区域，为突出植被覆盖状况，可取全年NDVI的最大值；对于自然条件一般、植被生长季不到一年的半湿润地区，可取植被生长季内NDVI的累加值；对于自然条件优越、全年都有植被覆盖的湿润区，可取全年NDVI的平均值。针对京津风沙源所在区域，选择合成最大化植被指数，来客观反映区域植被生长状况。

（4）最大化植被指数（MNDVI）计算

MVC（Maximum Value Composite）是目前国际上通用的最大化合成法，该方法可以进一步消除大气、云和太阳高度角的部分干扰。每月的NDVI数据通过最大值合成法（MVC）获得，其计算公式为：

NDVI i= Max（NDVIij）

NDVI 是第i个月的NDVI值，NDVIij是第i月第j旬的NDVI的值，以使NDVI更为贴近实际的反映每月地表植被覆盖的状况。

由于年最大NDVI可以较好地反映年度植被长势最好季节地表植被覆盖程度，因此将全年12个月的遥感数据按最大值合成得到各年最大NDVI，以生成代表当年植被生长最旺盛时期NDVI的最大值，合成之后的NDVI数据消除了不同地区季节变化对植被覆盖变化的影响。其公式如下：

NDVIm= Max（NDVImn）

NDVI 是第m年的NDVI值，NDVI 是第m年第n月的NDVI的值。

（5）年均NDVI的计算

研究自2005年以来风沙源区域植被生长状况，采用均值法统计全区的NDVI，即对单位时间内区域年最大NDVI数据所有像元的NDVI值进行平均，用该值来反映全区植被覆盖状况。

四、植被土地利用变化

2009年，风沙源区耕地62998.96 km2，林地87666.27 km2， 草 地265917.71 km2， 水 域13270.60 km2，城乡工矿居民用地7387.12 km2，未利用地20586.08 km2。在土地利用结构中，草地、林地、耕地等植被类型所占比重较大，分别占国土总面积的58.1%、19.1%和13.8%。植被总面积416582.94 km2，占91.0%。与2005年相比，耕地总面积减少2635.59 km2，林地总面积增加13218.43 km2，草地总面积增加13332.62 km2，植被总面积增加23915.46 km2。

五、SPOT-NDVI变化

2005～2008年间，京津风沙源区域年最大植植被指数各像元平均值呈现波动上升趋势。其中分为两个阶段，2005～2006年间，NDVI值由0.508上升至0.526；2007～2008年间，NDVI值由0.404上升至0.492，这主要是与风沙源区域重点林业工程实施后，地区生态环境发生了极为明显的变化，地表植被覆盖面积有较大程度的增长有关。2006～2007年，NDVI值有所下降，这主要是与年气候因素对区域植被生长影响有关。各年份月季最大NDVI均在8月达到峰值，表明植被生长在8月达到最旺盛季节，其中在2006年达到最大值。

图2 京津风沙源区年均NDVI、月最大NDVI变化趋势

六、结论

利用遥感和GIS手段分析京津风沙源区地表植被覆盖变化表明，通过风沙源区域一系列林业生态工程、退耕还林、还草工作的实施，区域地表植被覆状况有了明显的提高。2005～2009年风沙源区林地、草地面积有所增长，耕地面积处于减少态势；区域年最大植被指数像元平均值呈现波动上升趋势，各年份月季最大NDVI均在8月达到峰值。区域生态环境质量正在稳步提高。

王斌，1982年生，男，天津市人，工程师，主要从事生态环境监测与评价方面的研究工作。