基于遥感数据的郑州市植被覆盖度变化研究

2020-05-12赵赛

国土资源科技管理 2020年2期

赵赛

(北京师范大学经济与资源管理研究院，北京 100875)

植被是陆地生态系统的主要组分，是生态系统变化的指示器。植被覆盖度则是衡量植物群落覆盖地表状况和生态环境状况的一个综合量化指标[1-4]，该指标在水文、气象、生态等方面的区域或全球性的研究中起着越来越重要的作用[5-6]。精确测算植被覆盖度对于了解地区环境状况具有非常重要的意义，而遥感技术的应用为植被覆盖度的测度提供了方法[7-9]，利用遥感影像进行植被覆盖度的精确测算已经成为研究的趋势[10]。

作为一个省会城市和中原经济区的核心增长极，郑州市近年来发展异常迅猛，但这些发展和变化是否适应城市总体规划的要求、是否符合可持续发展的理念是值得思考的问题。因此我们有必要对郑州市的植被覆盖状况进行研究，以评估城市发展对环境所造成的影响，从而为走上可持续发展道路保驾护航。所以本文以Landsat TM遥感影像为基础，应用像元二分模型计算植被指数对郑州市2000—2014年的植被覆盖状况开展研究，在此基础上探究郑州市植被覆盖变化的驱动因子[11]。

一研究区概况

郑州市是河南省省会，北临黄河，西依嵩山，东南为广阔的黄淮平原，东面是七朝古都东京开封市，西面为十三朝古都洛阳市，南面是许昌市，北面为焦作市和新乡市。

近年来郑州市经济发展迅速，GDP从2000年的738.02亿元增长到2014年的6 776.99亿元，增长了将近10倍，如表1所示。截止到2014年，郑州市的经济产出占河南省的比重为19%。郑州市以第二产业发展为主，第二产业产值从2000年的363.12亿元增长到2014年的3 487.14亿元，仅次于第一产业发展的第二产业，由此可知，郑州市的产业发展以工业和服务业为主。郑州市城镇化发展较快，截止到2014年城镇化率达到68.3%，远超河南省的城镇化水平(45.2%)。

表1 郑州市GDP和人口统计

注：数据来源于GDP和人口数据来自《河南省统计年鉴》2001年和2015年。

二数据和方法

(一)数据来源

本文所用数据为Landsat TM数据。但获取该卫星图像必须具备一定的条件，即清晰度较高同时时间段基本相同，以尽量避免误差。由于数据可得性的限制，本文选取的是郑州市2000年和2014年的数据。原因是在云量较低的情况下，有些年份的数据不存在；有些数据存在，但月份相差很远；还有一些年份，如2001年，虽然云量较低，但影像大部分的NDVI都是负值，原因是大气中的薄雾削弱了红外波段的反射率，导致呈现的效果图不理想；另外，2003—2012年的数据不清晰，有带状条纹(1)遥感数据下载来自美国USGS网站，传感器轨道号为124/36，空间分辨率为30m×30m。。所以本文选取了郑州市2000年8月份和2014年6月份的TM影像作为研究的数据源。2000年的云量为10%，2014年的云量为10%。该两景图像基本符合用于植被覆盖度监测的条件。郑州市两景TM图像如图1和图2所示。

图1 2014年郑州市Landsat TM影像

图2 2000年郑州市Landsat TM影像

(二)研究方法

首先，植被指数是通过对可见光和近红外波段组合计算出来的，它能够反映植被生长状况和覆盖情况[12-13]。其中NDVI (Normalized Difference Vegetation Index)由于对土壤的变化非常灵敏、受地形差异影响小等优势而广泛应用于植被覆盖研究[6,14]。

其次，本文参考温小乐等[6]的方法，采用像元二分模型提取植被覆盖度。具体公式如下：

(1)

其中，fc为植被覆盖度，S是像元的遥感信息，Ssoil为纯裸土覆盖像元的遥感信息，Sveg为纯植被覆盖像元的遥感信息。

最后，将NDVI值代入公式(1)得：

(2)

其中，NDVIveg代表地面完全被植被覆盖的像元的NDVI值，NDVIsoil代表地面完全是裸土的像元的NDVI值[15]。由于大气、湿度、环境等条件的影响，NDVIsoil和NDVIveg值会受到影响，本文根据NDVI的累积频率值的大小，去掉DN值为负数的值后，把最接近0的NDVI值作为NDVIsoil，取累计频率为 99%对应的NDVI 值作为NDVIveg。而后利用ENVI中的统计功能得到NDVI的统计值。

三郑州市植被覆盖度分析

根据上述方法得到郑州市NDVI图像如图3和图4所示。

图3 2014年郑州市NDVI图像

图4 2000年郑州市NDVI图像

在植被指数原理和像元二分模型的基础上，计算得到两个时期NDVIveg和NDVIsoil的取值，如表2所示。

表2 两个时期NDVI取值

根据两个时期NDVIveg和NDVIsoil的取值计算植被覆盖度。利用ArcGIS得到植被覆盖度遥感监测图像(图5)，图5展示郑州市在2000年和2014年的植被覆盖度的变化情况，植被覆盖度最高为1，该图中颜色越深，即代表植被覆盖越高。根据图6可知，2000年和2014年的植被覆盖情况不同，在2000年，植被覆盖较高的地方集中在郑州市北部，而在2014年，主要集中在郑州市西部。

图5 2000年和2014年植被覆盖度

为了进一步分析郑州市的植被覆盖度变化，对植被覆盖度数值进行分级，然后统计分析不同植被覆盖度所占的比例。参考相关文献[16]，将植被覆盖度分为5级，分别为较低植被覆盖度(<0.2)、低植被覆盖度(0.2～0.4)、中植被覆盖度(0.4～0.6)、高植被覆盖度(0.6～0.8)、较高植被覆盖度(>0.8)，如图6所示。对每个级别的植被覆盖度进行统计，得到表3。

图6 2000年和2014年植被覆盖度分级

根据2000年和2014年的郑州市植被覆盖度的统计值(表3)和图像(图6)，可分析得到郑州市植被覆盖度特点：

(1)2000年郑州市的植被覆盖度主要以低植被(32.99%)和较低植被覆盖(51.04%)为主，中等植被覆盖以上所占比例很小；2014年，郑州市的植被覆盖度依然是以中低植被覆盖度(约75%)为主，高植被和较高植被覆盖度(约14%)略有提高。

表3 植被覆盖度所占比例

(2)2000年覆盖度较低地区主要分布在郑州市市辖区及西部的荥阳市，高植被覆盖区比例很低但相对集中，主要分布在中牟县北部的黄河沿岸。2014年郑州市市辖区植被覆盖度依然较低，覆盖度低的区域主要分布在郑州南部的新郑，而覆盖度高的地区主要集中在登封市。

接着，继续对郑州市植被覆盖数据进行重分类，以直观展示植被覆盖度变化的绝对量。如图7所示。表4列出植被变化的幅度以及所占的比例。

图7 2000年到2014年植被覆盖度变化情况

表4 植被覆盖度变化幅度及所占比例

根据郑州市植被覆盖度分级图像(图6)以及对应类型的面积统计结果(表4)，可以得到郑州市植被覆盖的一些规律。为揭示郑州市植被覆盖度的变化空间分布特征，采用差值算法提取了郑州市植被覆盖度在2000年与2014年之间的变化信息，并对相应的面积进行了统计，综合分析得出如下结论：

(1)图7反映了郑州市植被覆盖度在2000年与2014年两个年份之间植被覆盖度变化的空间分布情况。从总体上看，郑州市不同地区的植被覆盖度变化差异较大，郑州市北部、南部和西部地区植被覆盖度变化较大，而西部主要以增加为主。南部及北部地区的植被覆盖度下降，主要郑州市发展状况有关，尤其是黄河附近植被覆盖度有下降趋势。

(2)表4列出了不同变化等级所占的比例，表中数值大于0的像元所占比例为60.72%，说明整个研究区植被覆盖度以增加为主，其中主要以轻微增加为主。覆盖度没有发生变化的区域约占1/4，而变小的像元所占比例为13.55%，说明2014年相对于2000年郑州市的植被覆盖度减少不是主要趋势。

四驱动因子分析

虽然本文选取的数据不是同一月份，会给植被覆盖度的比较带来一些误差，但应该能够在一定程度上反映出郑州市植被覆盖度的变化情况。结合郑州市2000年以来，自然、经济、社会、人口及城市发展等方面，本文尝试对郑州市的植被覆盖度变化情况进行因子分析。郑州市植被覆盖度变化的原因有：

(1)经济因素：随着郑州市经济活动的活跃、人口的涌入、用地增加，郑州市快速向外扩张，造成植被覆盖度降低的区域主要集中在郑州市市辖区的东部。根据前文分析，郑州市经济发展迅速尤其以工业发展为主，工业发展必然要占据大量的工业用地。而且近年来，政府大力发展中部崛起，郑州市作为省会城市和重要的交通枢纽，经历着快速的用地开发和扩张，造成了植被覆盖的降低。而且河南省作为人口大省，郑州市拥有较多的流动人口，这些人口的涌入也对郑州的植被覆盖度降低有促进作用。但同时由于郑州市注重对环境的保护和绿化，使得市中心植被覆盖在社会发展的同时没有降低。

(2)自然因素：从地貌上看，郑州市西南部分是由于常年侵蚀的作用而形成的低山丘陵，从西南部逐渐向南过渡为黄土平原和黄淮冲积平原以及少量的沙丘和沙地[17]，并且郑州地势自西南向东北倾斜，郑州市西北部是邙山。从气候方面，郑州市属暖温带—北亚热带过渡型大陆性季风气候。这些地貌和气候特点都会影响郑州市的植被覆盖度。