基于像元二分模型的典型绿洲区近20年植被覆盖变化及分析

王金强，李俊峰,2, 王昭阳,2，杨 广,2，何新林,2

(1.石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832003；2.现代节水灌溉兵团重点试验室，新疆 石河子 832000)

植被作为陆地生态系统的主体，其对某个地区季节、环境的变化能够做出较为直观的响应[1, 2]。植被覆盖度是指植被(茎、枝、叶)在地面的垂直投影面积占统计区总面积的百分比[3]，能直接的反映某个地区的植被覆盖情况[4,5]，是衡量某个区域内植被变化的重要依据，常用于植被变化、生态环境、水土保持和气候等方面的研究[6]。计算植被覆盖度的方法有目估法、样方法[7]以及借助于采样仪器的测量方法，如空间定量计、移动光量计[8]等，但这些传统的方法需要耗费大量的人力、物力和财力，且研究区域范围有限，受主观因素影响较大，不同的人做有不同的结果，误差较大[3]，因此不适合在范围较大的区域。

随着科学技术水平的提升，遥感作为一项成熟的技术被使用在各个行业[9,10]。其中利用遥感估算大面积尺度的植被覆盖度已成为当前植被覆盖监测的重要手段之一[10,11]。目前较为常见的利用遥感估算植被覆盖度的方法有回归模型法[12]、植被指数法[13]、像元分解模型法[14]、FCD模型法[15]以及神经网络法[12-17]等方法。像元二分模型计算植被覆盖度的方法成熟且简便有效[18-20]，TM和OLI影像在多源数据中精度较高，图像处理简单且易于获取；适合大面积尺度的植被覆盖变化研究。

新疆为全国最大的高效节水区，而石河子地区作为新疆乃至全国最早使用节水灌溉的城市之一，滴灌等新型节水灌溉方式以及渠道防渗技术的大规模应用，使得农作物对水分的利用效率提升，减少了对水资源的浪费[21]，从而降低了生产成本，但忽视了对生态所带来的负面效应：原本依靠漫灌或表层土壤水分为主要水分来源的植物水分利用被阻断[22]，造成植物的衰减与退化；地下水的过度开采使得地下水位下降过快，导致以深层土壤水或地下水为主要水分来源的防护林等植物根部生长的速度小于地下水下降的速度，因而此类植物水分利用得不到保障[23]，出现了大规模的“顶梢枯死”现象。综上所述，该地区的植被处于动态变化过程中，但是对于这种动态变化的研究相对较少。故本文在前人研究的基础上，选取TM和OLI数据，统计石河子地区土地利用情况，并基于像元二分模型方法估算该地区近20年植被覆盖度的演变情况，分析并对其划分等级，进一步做密度分割，运用转移矩阵统计该地区植被覆盖度的变化情况；结合水文、气象等资料，对植被的退化和恢复进行评估，旨在为今后石河子地区的生态文明建设和可持续发展提供科学依据。

1 研究区概况

石河子地区地处新疆维吾尔自治区北部，属于天山北坡经济带中段，是新疆生产建设兵团第八师师部所在地，地处古尔班通古特大沙漠和准噶尔盆地南缘，东以玛纳斯河为界，与玛纳斯县为邻，南、西、北三面与沙湾县接壤[24]。属典型的温带大陆性气候，冬季寒冷漫长，夏季炎热短暂，气温由南向北递减，研究区处于玛纳斯河流域，属于典型的绿洲区；年平均气温7.5～8.2 ℃,年降水量为125.0～207.7 mm之间[24]。

2 数据获取与处理

研究所用的石河子地区矢量文件来源于国家基础地理信息系统；Landsat 5/TM和Landsat 8/OLI数据参数及来源见表1。其他数据来源为Google Earth和石河子地区统计年鉴。

表1 数据类型及来源Tab.1 Data types and sources

整个研究过程基于ENVI 5.4软件进行，包括三个时期的土地分类、植被覆盖度的计算以及各信息的变化提取三部分。对图像进行辐射定标、大气校正和图像镶嵌裁剪等预处理，使得像元值能够更加准确的表达出实际地物信息，从而较为直观地反映植被覆盖特征；使用Cart决策树分类方法对土地进行分类[24]，能够较为准确地反映出石河子地区的土地利用信息，具体流程及详细操作方法参考周淑玲[25]等人的研究成果。分类结果见图1。

由于植被覆盖度和植被归一化指数(NDVI)之间存在较高的线性关系，因此可以采用NDVI的像元二分模型估算植被覆盖度，并统计其平均植被覆盖度[26]。像元二分模型是一种简单实用的遥感估算模型，它将地表区域划分为有植被覆盖部分与无植被覆盖部分，其原理如下[27]：

VFC=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(1)

式中：NDVImax表示区域最大NDVI值；NDVImin表示区域最小NDVI值。

改进的像元二分法模型[28]：

VFC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(2)

NDVIsoil=(VFCmax×NDVImin-VFCmin×NDVImax)/

(VFCmax-VFCmin)

(3)

NDVIveg=[(1-VFCmin)×NDVImax-(1-VFCmax)×

NDVImin]/(VFCmax-VFCmin)

(4)

式中：NDVIsoil代表无植被覆盖区域的归一化植被指数(NDVI)；NDVIveg代表完全为植被区域的归一化植被指数(NDVI)值。

为了能够更好地对该地区的植被覆盖情况进行分析和评价，本文在前人的研究基础上将植被覆盖度划分为五个等级，分别代表劣等植被、差等植被、中等植被、中高等植被、高等植被[29]，分类标准见表2。

表2 植被覆盖度等级划分Tab.2 The grades of the VFC

3 结果分析

3.1 土地分类结果

三个时期图像覆盖区域的土地类型主要包括林地、农业用地、建筑用地、水体和其他(包括未利用土地)，各分类面积见图1；所评价的依据是原始影像的目视解译和Google Earth影像图，通过建立土地利用变化分类混淆矩阵，计算其总体精度和Kappa系数，结果表明1998年，2007年和2017年的总体精度分别为86.34%，87.70%和86.44%，Kappa系数分别为0.85，0.87和0.83，因此其结果具有一定的参考意义。

图1 1998-2017年土地利用面积(km2)及所占百分比(%)Fig.1 Land use area (km2) and percentage (%) in 1998-2017

根据图1可知石河子地区1998-2017年土地利用主要以农业、建筑用地为主，其中农业用地面积在减少，城市面积在不断扩张，由1998年的61.11 km2增加到2017年的216 km2，林地面积小幅度增加，水体面积基本保持不变。

3.2 植被覆盖度变化分析

计算研究区的植被覆盖度，结果显示：研究期间植被覆盖度的最大值为2007年的60%，1998年和2017年植被覆盖度分别为52%和48%；利用2017年8月研究区内25个样点测量植被覆盖度数据进行精度验证(图2)，相关系数为0.730 4，说明估算值与实际值具有一定的相关性。植被覆盖区域以农耕地为主；中部城市区域面积不断扩大，其植被覆盖度也相对较低。

3.3 不同等级变化情况

进一步对NDVI做密度分割(图3)，并统计不同等级的植被覆盖度面积和植被覆盖度面积变化表(表3)。

根据表3得出：1998年研究区植被覆盖面积较大，其中差等以下植被覆盖面积为56.83 km2，占研究区的比重为11.64%；2007年植被覆盖面积增加，差等以下植被覆盖面积为50.36 km2，占研究区的比重为10.32%，较1998年减少；2017年植被覆盖度减小，中部地区植被缩减较大，差等以下植被覆盖面积为60.86 km2，占研究区的比重为12.46%。

图2 植被覆盖度估算值与实测值相关性分析Fig.2 Correlation analysis of vegetation coverage between estimated and measured results

1998-2017年研究区Ⅱ级和Ⅲ级植被覆盖面积增加，其扩增速率分别为平均每年1.17%和1.56%；Ⅰ级,Ⅳ级和Ⅴ级植被覆盖面积缩小，其退缩速率分别为0.05%，0.26%和0.75%。

表3 不同等级的植被覆盖面积变化Tab.3 Cover changes of the different grades of vegetation

图3 1998，2007和2017年的植被覆盖度等级分类结果Fig.3 Classification results of VFC in 1998, 2007 and 2017

3.4 植被覆盖度动态变化分析

统计不同时段的植被覆盖面积转移矩阵(表4和表5)，以便更加清楚的表达出研究区植被覆盖度的时空变化过程。

表4 1998-2007年植被覆盖区面积转移矩阵Tab.4 Transition matrix of the VFC area during 1998 to 2007

表5 2007-2017年植被覆盖区面积转移矩阵Tab.5 Transition matrix of the VFC area during 2007 to 2017

由表4可得出：1998-2007年有50.72%的植被覆盖未发生变化，其中：

Ⅰ级植被覆盖转出面积为30.22 km2，转入面积为24.60 km2，转出面积大于转入面积，说明劣等植被的面积在减少；Ⅱ级植被覆盖转出面积为15.36 km2，转入面积为14.51 km2，Ⅱ级植被覆盖转出与转入基本持平。

Ⅲ级植被覆盖转出面积为60.15 km2，其中24.64 km2由Ⅲ级转变为Ⅴ级植被覆盖；转入面积为40.86 km2，主要由Ⅳ级植被转入26.49 km2，说明Ⅳ级植被部分转变为Ⅲ级植被。

Ⅳ级植被覆盖转出面积为92.90 km2，转入面积为51.53 km2；Ⅴ级植被覆盖转出面积为41.95 km2，转入面积为109.08 km2，其中58.61 km2由Ⅳ级植被转入Ⅴ级植被，24.89 km2由Ⅴ级植被转入Ⅳ级植被，说明Ⅳ级和Ⅴ级植被相互转化量较多。

1998-2007年石河子地区植被覆盖度呈上升趋势，劣等、差等植被在减少，中等、中高等、高等植被面积在增加。

由表5可得出：2007-2017 年未发生植被覆盖变化的区域有50.97%，其中：

Ⅰ级植被覆盖转出面积为22.25 km2，转入面积为21.32 km2，转出面积略大于转入面积，转出面积中转向中等植被的比例较大。

Ⅱ级植被覆盖转出面积为13.97 km2，其中8.11 km2由Ⅱ级转变为Ⅲ级植被覆盖，占转出总面积的58.05%；转入面积为19.21 km2，主要由Ⅴ级植被转入8.82 km2，说明Ⅴ级植被转为Ⅱ级植被，即部分高等植被转向差等植被，差等植被面积增加。

Ⅲ级植被覆盖转出面积为34.69 km2，其中23.78 km2由Ⅲ级转变为Ⅴ级植被覆盖，占总转出面积的68.55%；转入面积为85.4 km2，主要由Ⅴ级植被转入37.1 km2，说明Ⅴ级植被部分转变为Ⅲ级植被，也即是高等植被和中等植被在相互转化。

Ⅳ级植被覆盖转出面积为51.06 km2，其中31.52 km2由Ⅳ级植被转入Ⅲ级植被，占总转出面积的61.73%；转入面积为86.19 km2，主要由Ⅴ级植被转入55.08 km2，说明Ⅴ级植被部分转变为Ⅳ级植被，也即是高等植被转向中高等植被。

Ⅴ级植被覆盖转出面积为114.15 km2，其中55.08 km2由Ⅴ级植被转入Ⅳ级植被，占总转出面积的48.25%；转入面积为24 km2，主要由Ⅳ级植被转入14.03 km2，转出面积远大于转入面积，说明高等植被在退化。总的来说，1998-2017年，劣等植被的覆盖在逐渐减少，说明劣等植被的扩张得到了遏制，但是中高等、高等植被在中差等植被的转变增多，且由高级转向低级的植被覆盖面积大于低级转向高级的面积，即退化面积大于恢复面积。

3.5 讨 论

图4是1998-2017年石河子地区降水量和气温值，由图可知研究区在试验期间的降水量变幅不大，其降水量和温度都呈小幅度上升趋势，降水量多，温度适宜，则植被覆盖度则越高；2007年降水量289.70 mm达到最大，结合图像反映出该年的植被覆盖度最高，这与通过遥感影像解译出的结果相同；宋莎等人[30]通过对石河子地区2001-2009年植被覆盖度的研究发现，2007-2008年高植被覆盖的面积增加较多，这也与本文研究结果相同。

图4 石河子地区1998-2017年平均降水量和平均气温变化Fig.4 Changes of the average precipitation and temperature in 1998-2017 in Shihezi

根据新疆统计年鉴数据显示，石河子地区1998-2017年人口由56.79万增长到63.26万，人口的增长会增加居民用地面积，破坏一部分植被；水分是限制植被生长的因素之一[8]，随着经济的大规模发展，人类对于水的需求变得更大，该地区用水主要依靠地下水供给,1998年地下水年开采量约为2 660 万m3，2013年开采量约达到7 600 万m3，而中心区可开采量仅为约3 380 万m3，由于地下水的开采量远远超过其地下水的补给量,石河子地区的地下水位每年以0.5 m的速度下降,部分地区达到了1 m以上[31]，直接造成部分以深层土壤水和地下水为主要水分来源的植被发生退化；另外，该地区节水灌溉面积由1998年的小规模试行到2008年的14.7 万hm2，增长到2017年的23.7 万hm2[32]，节水灌溉使得农业用水效率更高，但同时破坏了生态用水的补偿机制，使得生态用水量减少[33, 34]；另外从解译结果来看，林地面积有所增加，影像显示林地区域较为规则，初步判断为人工种植的林带，本文认为是在国家退耕还草还林等政策影响下，人们对植被的保护意识有所提高并采取了相应的措施有关。

4 结 语

石河子地区1998年、2007年和2017年植被覆盖度先增加后减少，其中2007年植被覆盖度达到3个时期的最大值，无植被覆盖区1998年占8.2%，2017年占8.11%，基本保持不变；中部城市扩大的区域植被覆盖减少；差等和中等植被覆盖区分别以平均每年1.17%和1.56%的速率逐年递增；劣等、中高等和高等植被覆盖区分别以平均每年0.05%，0.26%和0.75%的速率递减；通过转移矩阵得出该地区植被退化面积大于恢复面积；自然方面，降水量较气温对植被覆盖状况影响大；人为方面，城市化的扩大和地下水的过度开采加剧了植被的退化过程。