西安城区植被覆盖度时空变化特征及其驱动机制研究

张慧子, 赵许宁，陈建军

(桂林理工大学 测绘地理信息学院，广西 桂林 541004)

1 引言

植被对生态系统具有重要的指示作用，在自然因素中，植被对其他因素(气候、地形、地貌、土壤、水文等)的改变最敏感，所以它能很好地指示植被生长地区的生态环境变化[1，2]。城市植被是城市生态系统重要组成部分和最重要的元素，对促进城市生产的发展、丰富居民生活和维持生态平衡有着不可替代的作用，如缓解城市“热岛效应”、改善区域气候等[3]，对保护城市生态环境具有不可忽视的作用。在城市化快速发展的今天，城市植被变化已成为引起城市生态环境问题的重要原因之一。

西安市是中国西部地区具有重要区域意义的大城市，城镇化发展非常迅速，因此对西安植被变化进行研究具有重要意义。目前，对西安市植被覆盖状况的研究已有一些阶段性成果，但多数局限于某年的植被变化情况，很少使用长时间序列影像对西安市较长时期植被覆盖时空演变和驱动力因素的分析研究[4]。本研究基于LandsatTM/ETM遥感数据，分析2002～2009年植被覆盖的时空变化特征，并初步探讨其变化因素，为环境治理和建设提供科学依据。

2 研究区域与方法

2.1 研究区概况

西安(33°39′～34°45′N，107°40′～109°49′E)位于关中平原的中部，北临渭河，南依秦岭，属于暖温带半湿润季风气候区，四季分明，年平均气温13.6 ℃。西安市市区植被种类丰富，其中自然植被主要为森林、灌丛，草甸和水生植被。

2.2 数据处理及研究方法

首先利用Erdas遥感图像处理软件对两期影像进行辐射定标、大气校正及裁剪等预处理，以减少大气等带来的误差。

2.2.1 植被指数计算

归一化植被指数(NDVI)是植被生长状态的重要指示因子，并与植被覆盖度呈正相关性。NDVI用公式表示为：

(1)

式(1)中:ρNIR和ρR分别为近红外波段和红光波段的反射率或像元值。

西安城区两期影像的NDVI值如图1所示。

图1 NDVI值

2.2.2 差值植被的指数计算

差值图像可提供不同波段或不同时相图像间的差异信息，能够反映同一地物在两个波段、两个时相的差异，差异大的地物信息得到突出，差异小的地物信息被抑制。将2009年的NDVI和2002年的NDVI相减，得到2009年和2002年的差值NDVI图像(2009NDVI-2002NDVI)，见图2。若差值NDVI的值小于0，表示植被覆盖降低，其值越小植被覆盖降低越多；若差值NDVI的值在0附近，表示植被覆盖变化不大；若差值NDVI的值大于0，则表示植被覆盖升高，其值越大植被覆盖升高越多[5]。

图2 2009NDVI-2002NDVI

2.2.3 彩色图像合成

不同时段所包含的植被信息各不相同，用RGB的彩色合成图像可同时反映2个不同时相的植被覆盖情况及其变化趋势。对所得到的假彩色合成图像进行对比度拉伸和适当的低通滤波去噪处理，以突出变化的信息，更直观地反映各区域的植被变化情况[6]。将2002年的NDVI、2009NDVI-2002NDVI、2009年的NDVI，分別作为红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)分量进行RGB假彩色合成，得到的多时序NDVI叠加图如图3，可直观地反应出地表植被的变化趋势。

(R：2002；G：2009-2002；B：2009)

2.2.4 植被覆盖度计算

像元二分法模型是一种简单的混合像元分解模型[7]，利用遥感数据将地面地物信息分为植被覆盖区域和非植被覆盖区域，其计算公式表示如下：

(2)

式(2)中：NDVIsoil代表纯土壤像元的NDVI值，NDVIveg代表纯植被覆盖像元的NDVI值。

为了更好的比较和分析不同时期及不同区域的植被覆盖度，将西安城区的植被覆盖度fc值划分为4级:0≤fc≤10%，无植被覆盖区(NC);10%

图4 西安城区植被覆盖分级

3 结果与分析

3.1 植被覆盖度的空间变化特征

在NDVI图(图1)中植被信息都以较浅的颜色反映，由2002年的NDVI图可看出城墙内植被信息较稀疏，仅有较大区域的植被可被清楚辨识，如莲湖公园、兴庆公园等，而颜色较深的区域多为建筑物，如居民地、商业区等。道路两旁的植被信息斑块面积较小。在距中心城区较远的二环与三环之间的地区植被状况逐渐好转，呈块状连续分布。位于城市边缘位置的农田面积较大，成为高植被覆盖区。

相比2002年的NDVI图，2009年NDVI图像发生了明显的变化，主要表现在市区内绿地的增加、隔离带地区的绿化增多、重要公园(如大明宫遗址公园、兴庆公园、唐城墙遗址公园等)的绿化增多等。同时，在未央区及雁塔区南部出现了较多的黑色斑块，说明在此时间段内该区域的植被覆盖呈明显减少的趋势。

3.2 植被覆盖度的时间变化特征

3.2.1 分类图像的彩色合成

在彩色合成图像上植被的变化趋势被直观的显示出来，应用彩色合成原理对图3进行分析，根据彩色合成原理，当三个NDVI都很大时，在叠加图像上应呈灰白色:当三个NDVI都很小时，在图像上应呈黑色，而青色、绿色、红色则反映相应地区的NDVI变化的不稳定状态。统计结果如表1所示。

在2002～2009年间西安城区的植被变化较大，城墙内的低植被覆盖上升为中等植被覆盖，城北的未央区因发展速度快导致植被破坏较严重，三环沿线的生态林带的建立使得此区域中等植被覆盖区上升为高植被覆盖区(图5)。

表1 多时相植被覆盖合成图颜色与变化趋势

图5 区域变化

由图5可以发现两个时段的植被覆盖状况发生了较大的变化，城区西北位置的部分区域植被覆盖有了很大程度的好转，而在东三环周边的一些区域大片的植被遭到破坏。

3.2.2 分类图像统计分析

根据前面的分级方法，将两期植被覆盖度分类图进行分级：0%～10%，10%～45%，45%～65%，65%～100%，统计每一分级的像元数目(图6)。

图6 2002年与2009年植被覆盖度统计

图中X轴表示各不同的分级级别，Y轴表示每一分级的像元数目

从图6可以看出两个时段无植被覆盖区(0%～10%)像元数较少，相比2002年，2009年略有增加；低植被覆盖区(10%～45%)出现增多的情况，而在中等植被覆盖区(45%～65%)出现大幅下降，高植被覆盖区(65%～100%)略有升高。研究结果反映出该时期内各区域不同强度的城市化活动及其对植被所产生的影响，同时反映出西安市相关部门在生态环境保护和建设方面所作的努力已有可喜的成绩，特別是对河流和绿水进行的生态保护与生态恢复工作成果显著[8～10]，表现为部分区域植被覆盖的显著增加。

3.3 植被覆盖度变化驱动机制初步分析

气候是影响植被覆盖变化的重要因子[11]，同时经济建设活动对植被覆盖也有重要影响，本研究仅基于人类生产活动对植被覆盖产生的影响做初步分析。西安市作为陕西省的省会，是中国西部地区重要的中心城市，2002～2009年是西安重要的战略机遇期，也是改革开放以来发展速度最快、城市面貌变化最大的时期[8]。近10年间，受经济建设等政策的影响，城区和开发区发展速度不断加快，尤其是开发区的快速发展导致植被呈严重退化趋势，例如位于城市北部的未央区。与此同时，得益于人们环保意识的增强，相关部门大力推行生态环境保护和恢复举措以打造宜居城市，因此，西安城区植被覆盖整体有所改善。

4 结论

利用Landsat数据，基于像元二分模型研究了2002～2009西安城区植被覆盖变化特征，并对其驱动机制进行初步分析。

(1)在2002～2009年中，西安城区植被覆盖整体发生了较大变化。城墙内植被应为城市植被建设规划及植被保护等原因由低等植被覆盖上升为中等植被覆盖区；城北的未央由于快速城市化，城市扩展速度加快，植被理到严重破坏，三环沿线因为生态林带的建立由中等植被覆盖去转化为高植被覆盖区，只有位于城市边缘位置的极少部分农用地等高植被覆盖区域的植被覆盖率保持上升。

(2)在2002～2009年中，西安城区的植被覆盖情况退化、无植被覆盖区(0%～10%)基本无像元,相比2002年，2009年略有增加:低植被覆盖区(10%～45%)出现增多的情况，而中等植覆盖区(45%～65%)，出现大幅下降，高植被覆盖区(65%～100%)略有升高。

(3)西安城区植被覆盖的变化受自然因素影响，同时，经济快速发展与城市建设等人类生产活动也是其重要驱动因素。