基于遥感和GIS的陕南地区近20年植被覆盖时空变化特征

2018-05-05王志杰

水土保持研究 2018年1期

苏嫄, 王志杰

(1.贵州大学林学院, 贵阳 550025; 2.贵州大学生命科学学院, 贵阳 550025)

植被是地球系统中的活跃成员，陆地生态系统的任何变化必然在植被类型、数量或质量方面有所响应[1]。植被不仅可以为动植物提供必不可少的栖息地，而且通过对陆地表面的保护、气候的改善、生态过程的维持以及生物多样性的保护等提供重要的生态系统服务功能[2]。植被覆盖度(Vegetation coverage)是指单位面积内植被地上部分(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，是植物群落覆盖地表状况的一个直观、综合的量化指标，是描述植被群落及生态系统的重要参数。因此，植被覆盖及其变化不仅是区域生态系统环境变化的重要指标，而且对水文、生态、全球变化等都具有重要的意义[3-7]。同时，随着遥感(RS)技术和的地理信息系统(GIS)的快速发展，利用遥感技术获取相关植被覆盖数据[8-9]，运用GIS空间分析方法，为长时间大范围的动态监测植被覆盖状况提供了经济高效的数据支撑和技术支持。

目前国内外学者基于遥感和GIS对植被覆盖变化进行了大量的研究，并取得了一定成果，主要包括植被指数变化及其与生态环境因子的关系[4,10-12]、植被覆盖动态变化研究[5,7,13-15]、植被覆盖监测研究[8,9,16]以及植被覆盖度的提取算法及模型研究[17-20]等，但研究主要集中在青藏高原、黄土高原、内蒙古草原以及新疆等干旱半干旱地区。然而，在陕南地区这方面的研究鲜有报道，加之该地区北靠秦岭，南依巴山，地形起伏大，降雨丰富，是我国中部地区生态安全屏障区和南水北调中线工程水源涵养区，也是环境变化响应的敏感区域[21]，植被覆盖的优劣直接关系到汉江上游流域的水质和生态环境质量，对南水北调中线工程的运行具有重要影响。基于此，本研究以陕南地区1995年、2000年、2005年、2010年、2014年Landsat TM遥感影像为基本数据源，利用GIS空间分析技术，分析陕南地区近20 a的植被覆盖时空变化特征及内部转移特征，并探讨其影响因素，以期为陕南地区城市规划、生态环境的评价、保护和建设提供重要的参考依据。

1 研究区概况

陕西地区位于陕西省南部，北靠秦岭、南倚巴山，汉江自西向东穿流而过，从西往东依次是汉中(东经105°30′50″—108°16′45″，北纬32°08′54″—33°53′16″)、安康(东经108°00′58″—110°12′，北纬31°42′24″—33°50′34″)和商洛(东经108°34′20″—111°1′25″，北纬33°2′30″—34°24′40″)(图1)。陕南是国家南水北调工程的重要水源涵养地，西边与甘肃相邻，南部与四川、重庆、湖北相接，东与河南毗邻，北与宝鸡、西安、渭南3市接壤，总面积6.99万km2，约占陕西省总面积的35%；境内气候类型具有特殊性，西部属于北亚热带季风气候区，东部为北亚热带与暖温带过度地域；全区气候温和，雨量充沛，四季分明，年平均气温12～15℃，年有效积温3 500～4 500℃，年降水量700～1 300 mm，年日照时数1 395～1 729 h[22-24]。

境内植被覆盖良好，森林覆盖率高达55.5%以上，以天然林为主，天然林面积占研究区总面积的45.1%[22-23]。森林覆盖率及天然林覆盖率均居全省之冠。同时，研究区水资源极为丰富，约96%的面积属于长江流域，其中汉江和嘉陵江均为长江的一级支流，丹江为汉江的一级支流，黄河流域主要分布在研究区东部的商洛市洛南县，其主要河流为洛河[22]。

图1 陕南地区地理位置概况

2 数据处理及研究方法

2.1 数据来源与处理

(1) 遥感影像数据。本研究所用的遥感影像均通过国际空间数据共享平台获取，影像获取时间分别为1995年7月14日、2000年9月17日、2005年9月20日、2010年8月5日和2014年7月24日，共5期TM遥感影像，空间分辨率为30 m×30 m，坐标系统为WGS_1 984_UTM_Zone_49 N，含云量小于10%，数据质量较好。在进行植被覆盖度提取之前，首先基于ENVI 5.1软件对各期遥感影像依据研究区地形图和矢量边界进行配准、校正和裁剪等预处理。

(2) DEM数据。采用地理空间数据云网站提供的研究区DEM数据，空间分辨率为30 m×30 m，坐标系统为WGS_1984_UTM_Zone_49 N，对获取的DEM数据根据研究区矢量边界进行裁剪。

2.2 研究方法

(1) 归一化植被指数计算(NDVI)。归一化植被指数(NDVI)是指植物生长、覆盖、生物量和植被种类等情况的综合反映，与植被分布密度呈线性关系，是指示大尺度植被覆盖的良好指标。NDVI的计算公式为：

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(1)

式中：NIR为近红外波段亮度值;R为红光波段亮度值[25]。

(2) 植被覆盖度估算。植被覆盖度是指植被冠层的垂直投影面积与土地总面积之比。植被覆盖度与归一化植被指数之间存在一定关系，利用归一化植被指数可以推测出植被覆盖度f。植被覆盖度的计算公式如下：

(2)

式中：NDVIsoil是无植被覆盖区域的裸土像元NDVI值；NDVIveg则代表完全植被覆盖的像元的NDVI值。影响该模型精度的关键在于NDVIveg，NDVIsoil的取值，在没有实测数据下，取NDVIsoil为影像中NDVImin，NDVIveg取影像中NDVImax[25-26]。

(3) 植被覆盖度分级。参考前人研究成果[27-29]，本研究将植被覆盖度分为5级：Ⅰ级，低覆盖度(0%～30%)，Ⅱ级，中低覆盖度(30%～45%)，Ⅲ级，中等覆盖度(45%～60%)，Ⅳ级，中高覆盖度(60%～75%)，Ⅴ级，高覆盖度(75%～100%)，并利用ArcGIS 10.1软件对植被覆盖度进行分级(图2)。

图2 1995-2014年植被覆盖度分级

(4) 海拔分级。海拔是指地面某个地点高出海平面的垂直距离。本研究参考崔晓临等[30]对秦岭地区海拔高程的划分，结合陕南地区高程特征，将陕南地区海拔高程划分为4个类型：丘陵(<500 m)、低山(500～1 000 m)、低中山(1 000～2 000 m)和高山(>2 000 m)(图3)。

3 结果与分析

3.1 不同植被覆盖等级时间变化特征

统计分析陕南地区5个时期不同植被覆盖等级面积比例(表1)发现：研究区植被覆盖整体状况良好，5个不同植被覆盖等级所占面积比例总体上表现为Ⅴ级>Ⅲ，Ⅳ级>Ⅰ，Ⅱ级。随时间变化5个不同等级覆盖度植被面积差异明显，Ⅴ级呈增加—降低—再增加趋势，Ⅳ级呈先降低后增加趋势，Ⅱ和Ⅲ级呈降低—增加—再降低趋势，Ⅰ级呈先增加后降低趋势，但整体上表现为Ⅴ级呈波动性增加趋势，1995年其面积比例为23.58%，2014年上升到75.52%，其他4级均呈现波动性降低趋势，1995年其面积比例为1.12%～41.03%，2014年降低到1.11%～12.87%。可见，陕南地区近20 a的植被覆盖状况良好，整体上以Ⅴ级高植被覆盖度为主(75%以上)，且高植被覆盖度所占面积随时间变化不断增加，其他4级植被覆盖度所占面积随时间变化波动减少。

图3 陕南地区海拔分级

植被覆盖等级1995年面积/km2比例/%2000年面积/km2比例/%2005年面积/km2比例/%2010年面积/km2比例/%2014年面积/km2比例/%Ⅰ783.851.121960.632.792381.933.394846.416.89777.991.11Ⅱ6580.409.364674.866.641114.731.595010.067.122189.613.11Ⅲ17503.1624.919035.4612.8418784.9426.739870.2214.035200.507.39Ⅳ28835.4041.0310048.5514.28828.471.188904.8112.669055.6612.87Ⅴ16570.9223.5844643.4563.4547163.6867.1141731.3859.3153139.1875.52

3.2 不同植被覆盖等级空间分布特征

(1) 水平分布特征。1995—2014年陕南地区不同植被覆盖等级在不同行政区域的分布特征差异明显(表2)。1995年和2000年，汉中市、安康市和商洛市整体上是以Ⅳ级植被覆盖度为主，其面积比例高达62.71%～64.90%，且在汉中市的分布面积最广，其面积分别达到17 614.41 km2，17 019.25 km2；2005年、2010年和2014年3市的不同植被覆盖等级面积均表现为V>Ⅳ>Ⅲ>Ⅱ>I，V级植被覆盖度所占面积比例最大，约占50%～78%，且在不同行政区域上存在差异，其中商洛市的分布面积最少，面积变化为9 763.81 km2～13 665.43 km2，2005年和2010年在汉中市的分布面积最大，分别为17 666.04 km2，15 960.01 km2，2014年安康市的分布面积最大为18 295.12 km2。可见，研究区植被覆盖度在2005年之前是以中高植被覆盖度为主，且主要分布在汉中市，2005之后是以高植被覆盖度为主，主要分布在安康市和汉中市，商洛市的分布面积最少。

表2 1995-2014年陕南地区不同植被覆盖等级在不同行政区域分布特征

(2) 垂直分布特征。分析1995—2014年不同海拔区域不同植被覆盖等级空间分布特征(表3)发现：低中山和高山区域整体上是以Ⅴ级，高植被覆盖度为主(低中山1995年以Ⅳ级为主)，其面积比例高达59.55%～84.71%；低山区在1995年和2000年以Ⅲ，Ⅳ级为主，二者面积比例之和分别为77.27%和60.24%，2005—2014年3个时期以Ⅴ级为主，所占面积比例变化在35.51%～61.04%之间；丘陵区域在1995年和2000年主要是以Ⅱ级和Ⅲ级植被为主，二者面积比例之和分别为66.41%和53.97%，2005年主要是以Ⅲ级为主，所占面积比例为59.46%，2010年主要是以Ⅰ级和Ⅱ级为主，二者面积比例之和为52.94%，2014年是以Ⅳ级和Ⅴ级为主，二者面积比例之和为57.49%。可见，研究区不同海拔区域不同植被覆盖等级的分布特征差异明显，整体上表现为海拔较高的低中山和高山区域是以高植被覆盖度为主，低山区域是以中等、中高以及高覆盖度为主，海拔较低的丘陵区域则是以低、中低和中等覆盖度为主，即随海拔升高植被覆盖度等级随之增大。

3.3 不同植被覆盖等级内部转移特征

对5个时期植被覆盖度等级图进行空间叠加分析，得出4个时段5个等级植被覆盖度面积转移特征(图4)，结果表明：1995—2000年，Ⅳ级植被覆盖度向Ⅴ级植被覆盖度转移面积较大为7 489.05 km2，其次是Ⅲ级向Ⅳ，Ⅴ级转移，其面积分别为2 598.29 km2，4 324.51 km2，变化区域主要分布在汉中市西部的略阳县、宁强县、留坝县、勉县和南郑县，安康市的平利县、镇平县以及商洛市的柞水县和镇安县也有零星分布，而中、高覆盖度向中低和低覆盖度转移面积相对较少。可见，该时段研究区植被覆盖整体呈缓慢恢复状态。2000—2005年，Ⅳ级向Ⅴ级转移最大为21 627.89 km2，其次是Ⅲ级向Ⅳ，Ⅴ级转移，其面积分别为4 851.47 km2，6 531.51 km2，三市均大面积分布，中、高覆盖度向中低和低覆盖度转移面积相对较少，且零散分布。说明该时段植被覆盖处于快速恢复状态。2005—2010年，Ⅴ级向其他4级转移面积均较高，变化在1 241.47～6 994.78 km2，且向Ⅲ，Ⅳ级的转移面积达到该时期最大，分别为6 994.78 km2，6 824.07 km2，除汉中市汉台区、城固县和洋县的中部以及南郑县，安康市汉滨区，商洛市商州区和洛南县，在其他县区均呈分散分布。可见，该时段研究区植被覆盖呈现明显的退化趋势。2010—2014年，Ⅳ级向Ⅴ级转移转移面积最大，为6 368.51 km2，其次是Ⅲ级向Ⅴ级，转移面积为6 065.46 km2，集中分布在研究区的中南部和东北部，其他县区零散分布，中、高覆盖度向中低、低覆盖度转移面积相对较少。说明研究区植被覆盖再次处于缓慢恢复状态。

表3 1995-2014年陕南地区不同植被覆盖等级在不同海拔区域分布特征

图4 1995-2014年陕南地区不同植被覆盖等级内部转移特征

4 结论与讨论

植被覆盖度是植物群落覆盖地表状况的一个直观、综合的量化指标，也是表征生态环境变化的综合指示器[3,5-7]，对区域生态系统环境变化有着重要的指示作用。本研究基于陕南地区1995—2014年5期不同的Landsat TM遥感影像数据，并利用GIS空间分析技术，对陕南地区近20 a的植被覆盖时间变化特征、空间分布特征及内部转移特征进行了分析，研究表明：陕南地区近20 a的植被覆盖状况良好，整体上以Ⅴ级高植被覆盖度为主，这是因为陕南地区冬无严寒、雨量充沛、水热资源丰富，为该地区的植被生长提供了得天独厚的条件[31]，另外，与该地区退耕还林等一系列生态建设工程的实施关系密切[5]。崔晓临等对陕西省植被覆盖变化的研究也表明：陕南秦巴山区植被覆盖较高，平均覆盖率高达84%[32]。同时，高植被覆盖度所占面积随时间变化不断增加，其他4级植被覆盖度所占面积随时间变化波动减少。说明20 a间该地区的植被覆盖结构整体呈现稳步好转趋势，与陕西省的植被覆盖结构基本一致[5,28]。

不同植被覆盖等级空间分布特征差异明显。在不同行政区划上，表现为1995—2005年植被覆盖是以中高植被覆盖度为主，主要分布在汉中市，2005年之后是以高植被覆盖度为主，主要分布在安康市和汉中市，商洛市的分布面积最少。这与雒新萍等[28]的研究结果：汉中市的留坝县、城固县、洋县、南郑县、西乡县，安康市的宁陕县、平利县、镇坪县的NDVI指数均达到0.5以上，以高覆盖植被占绝对优势基本一致。在不同海拔梯度上，整体上表现为海拔较高的低中山和高山区是以高覆盖度植被为主，低山区是以中等、中高覆盖度为主，海拔较低的丘陵区则以低、中低和中等覆盖度为主，即随海拔升高植被覆盖度等级随之增大。这是因为随着海拔升高，人类活动强度和植被类型发生均变化。海拔小于500 m的丘陵是以农耕植被为主，500～1 000 m范围的低山是以灌丛等植被类型为主，均受人类活动影响较大，植被覆盖较低，而海拔升高到1 000 m以上的低中山和高山，植被是以阔叶林和针叶林为主，人类活动的强度在地形条件的限制下，对植物生长的干预程度逐渐减小，植被覆盖保持良好，主要是以高覆盖植被(60%～100%)为主[30]。

本研究还显示陕南地区近20 a不同植被覆盖等级之间变化过程频繁，其中，1995—2005年和2010—2014年，主要为中等和中高覆盖度植被向Ⅴ级高覆盖度植被转移，在三市均分布广泛；2005—2010年，Ⅴ级植被高覆盖度向其他4级转移均较大，各县区分散分布。说明期间研究区植被覆盖整体上呈现“恢复—退化—恢复”的变化趋势。这是由于1999年起陕南地区开始实施退耕还林工程，林地面积显著增加，至2007年底陕南三市退耕还林870.36万亩，而汉中、安康、商洛3市逐年累计造林面积与植被覆盖度之间有极显著的相关关系，因此，研究区植被得以快速恢复，植被覆盖度明显上升[5,33-34]。但值得注意的是，在生态恢复的背景下，2005—2010年植被覆盖却有明显退化趋势，这与雒新萍等的研究结果：2004年秦巴山区植被NDVI指数达到最大值(0.511)，之后稍有回落[28]基本一致。其原因可能除了气候条件的变异，城市扩展也是导致城市周边植被遭到破坏，致使植被覆盖下降的主要原因之一[35]。同时，与当地人口增加、土地利用方式的改变等因素密切相关。本研究组通过对陕南地区1995—2014年土地利用类型转移面积的分析也发现，2005—2010年，由于研究区人口快速增加，为满足人们对土地资源的需求，林地向农用地转移面积高达2 991.44 km2，导致林地面积大幅度减少，植被覆盖明显降低。

本研究对陕南地区近20 a的植被覆盖时空变化特征和内部转移变化特征进行了分析，但对其变化的主要影响因素未做深入讨论，而陕南地区气候温和，雨量充沛(年降雨量700～1 300 mm)，四季分明[22-24]，气候变化(降水、温度)对植被变化的影响程度相对缓慢，而人为因素尤其是人类活动强度快速影响着区域植被覆盖变化[28,30,36]。因此，定量研究人类活动强度对植被覆盖度动态变化的影响将是今后研究的重要内容。

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