基于RS的定西市植被覆盖格局变化研究

王琰麟

摘要：植被是生态系统中非常重要且不可或缺的一个环节，是地球表面覆盖的重要组成部分， 更是反映地表植被状况的一个非常重要的特征。本文以定西市为靶区，利用2000年、2006年的TM影像和定西市1：10万地形图，运用RS和ArcGIS技术，对定西市植被覆盖格局变化进行研究。结果表明：2000-2006这六年间，定西市的较低植被覆盖和低植被覆盖在地理空间上发生明显变化，植被覆盖度总体呈上升趋势，草地等植被覆盖状况良好，山地区域的植被进化较为乐观，森林区的植被覆盖稳步提升，本地区植被盖度基本呈上升趋势。

关键词：RS  定西市  植被覆盖格局

引言

随着社会经济的发展，科技水平的提高，生态系统与人类活动的关系变得日益紧密，植被覆盖是生态系统中最为敏感的其中一个因素，植被覆盖度是表征地表植被的重要指标，也是水土流失、土地沙漠化评价、分布式水文模型的重要输入参数 [1]。国外研究开始较早，Purevdorj[2]、SellersPJ[3]、AsrarGE[4]等国外学者运用植被指数法、植被覆盖度与光谱指数的相关分析法等方法结合地理技术，对国外植被覆盖度的相关问题进行了一系列研究。随后，国内学者运用综合技术，联系经济学、物理学等领域的知识逐渐涉猎植被研究，李苗苗[1]等建立植被覆盖度的评价模型，估算了密云水库的植被覆盖状况;李成范等[5]运用ArcGIS软件，通过提取重庆市的归一化植被指数（NDVI），对该市的植被覆盖度的变化进行了研究。综合来看，已有研究为植被覆盖相关研究建立了较为完善的理论基础和成熟的研究方法，但是，以往研究都集中于森林面积占比较大的区域或者沿海发达城市，定西市深居内陆，海上运输湿气难以到达，气候恶劣，植被覆盖面积较小。因此，揭示定西市植被覆盖密度变化，对进一步加强该市的生态系统保护具有重要的现实意义。

当前，随着地理技术的广泛应用，利用遥感技术监测是我国对地表植被覆盖及景观格局变化研究的主要手段之一。植被指数法基于实测数据和卫星传感器，因此，本文采用植被指数法建立研究模型，对定西市植被覆盖进行研究。本研究以2000年、2006年兩个不同时期的TM遥感影像图为数据来源，借助已有模型，从而得到地表植被覆盖度和地表植被覆盖等级的变化图，进而对定西市在2000 -2006年地表植被覆盖及景观格局变化进行相对应的分析，企图研究定西市2000-2006年地表植被覆盖动态变化的过程，从植被覆盖图中，揭示其变化趋势，以期为定西市的环境评价、植被规划管理、景观的设计和当地政府相关部门研究提供科学的决策依据，并为解决定西市生态环境治理的困境提供参考。

1研究区域概况

定西市隶属于甘肃省，地跨东经103°52′-105°13′，北纬34°26′-35°35′，被誉为“兰州的东大门”，是我国东、南部通往西、北部的重要节点城市之一，拥有得天独厚的区位优势和丰富的资源。东边和平凉市、天水市相邻;西边与临夏州、甘南州相邻;南边毗邻陇南市;北与兰州市、白银市接壤。定西市属于黄土高原丘陵沟壑区，地势呈西南-东北走向，定西市盘踞甘肃南部高原、陇南山地、黄土高原的交汇地带。定西市的气候类型属于半湿润半干旱区，干旱少雨[6]。图1为研究区概况图。

2数据源与研究方法

2.1数据来源

本文的数据主要有2000年7月、2006年7月的 TM 影像数据和定西市1/100000地形图，其它数据均来源于定西市2001-2007年统计年鉴、定西市2000-2006年国民经济和社会发展统计公报。研究中用到的软件主要有遥感图像处理软件ErdasImagine8.4和ArcGIS10.2等。

2.2数据处理

2.2.1波段合成

我们将2000年7月、2006年7月的 TM 影像数据利用Erdas软件图像处理功能对定西市6年的TM图像进行波段合成，借助Erdas软件，把单波段的遥感影像合成多波段的彩色图像。借鉴已有的研究成果，TM影像的7、4、3波段分别表示红、绿、蓝色合成假彩色图像。TM影像的优点是兼容中红外、近红外和可见光波段信息，此外，图面色彩也较丰富，具有良好的层次感，具有极为丰富的地表环境信息，而且清晰度高，干扰信息少[7]。故本次研究融合7、4、3波段来到达提高准确度，降低误差的目的。

2.2.2几何校正

首先，对单波段TM遥感影像处理为多波段彩色图像，然后，对图形进行几何校正。几何校正需要注意准确的选取图中的关键点，并且要选取具有十分强烈的代表性质的地点作为参照，选点校正时需要认真仔细，微小的差错就会导致最后结果误差的变大，所以在进行稽核校正时应该保持耐心与细心[8]。

2.2.3图像的裁剪

在几何校正完成之后，接下来进行图像的裁剪，由于本人找到了定西市带有行政边界线的高清遥感影像图，所以在该图进行校正后直接利用erdas中的Erdas软件的图像处理功能对TM图像进行波段合成，把单波段遥感影像合成为多波段的彩色图像AOI功能裁剪出了边界线，然后将两张不同年份的定西市TM影像图导入新建的view中并添加已完成的边界线进行二次裁剪，大大提高了效率以及对图像裁剪的精确度（利用ArcGIS裁剪后的图像易出现分辨率降低等导致误差变大的影像）[9]。完成遥感影像裁剪之后，建立NDVI计算模型是通过Erdas软件中的Modeler工具来完成的，最后，借助模型计算植被归一化指数。

2.3归一化植被指数（NDVI）的计算

归一化植被指数（the Normalized Difference Vegetation Index，NDVI），在NDVI= （NIR-R）/（NIR+R）中，影像近红外波段的反射率通过NIR 值表示，影像红波段的反射率通过R表示。越是成长繁茂的植物，它的红光反射值与红外反射率成正比，若红光的反射值越小，红外反射值则越大，因此其比值就会越大[10]。长期以来，NDVI作为RS估算植被覆盖研究的植被指数，植被变化情况也采用NDVI来监测 [11]。NDVI的计算结果，其数值分布于0-1之间，简而言之，NDVI的值越高，说明该地区植被覆盖状况越好。构建NDVI计算模型如下图：

在下方图形中确定输出路径，分别得出2000年与2006年定西市植被归一化指数，NDVI的值在-1～+1变动，对于裸地区域，NDVI值非常低，趋近于0;而在植被覆盖分布密度较高的地域，则NDVI的值普遍较高，通常情况下，他的值大于 0.7。 NDVI值对揭示植被的生长状态，反映植被空间分布密度具有指示作用，因此，NDVI值是以上两方面相关研究的重要因子。依据理论基础，数据处理可得研究区域不同时相的NDVI灰度图：

2.4植被覆盖度（Fcover）计算

我们把植被（包括叶、茎、枝）在地面的垂直投影面积所占研究区总面积的比例称为植被覆盖度。NDVI作为在地域或全球尺度中，测度植被或生态环境变化的重要指标，应用广范[12]，本研究基于NDVI的计算值，得出定西市的植被覆盖度，其表达式为：

其中，NDVI soil即使相对于大多数类型的裸地表面，至不会伴随时间而发生任何变化，在理论上，其值几乎等于零。但是，考虑到该区域的环境受大气的一定影响，地表湿度条件也随之发生一定程度的变化，NDVIsoil值不但因时间而发生改变，除此之外，NDVIsoil值随着地表土壤的类型、地表的湿度及该区域土壤的粗糙度等自然条件的不同，NDVIsoil值也将会随空间的变化而发生相应变化，NDVIveg值则代表全地表植被覆盖像元的最大值。自然界植被覆盖属于自然界的不同植被类型，因此，存在季节性变化，叶冠背景图通常受到雨雪、叶子的病变及地面的潮湿程度等因素的影响，确定NDVIveg值与NDVIsoil值的计算情景类似，因此，NDVIveg值也会随着时间和空间的变化而发生一定程度的改变[13]。

2.5植被景观格局评价指数计算

植被覆盖随着时间呈动态变化趋势，因此，地理空间分布格局也随之变化，为了研究这一变化趋势，本文主要借鉴李成范等已有的研究成果，采用景观区域优势度、景观区域多样性指数和景观均匀度三个研究方法来进行评价计算[14]。

通常，对于景观格局中一种或几种主导型景观，运用景观区域优势度测度，如果优势度指数大，则说明组成景观中的各景观类型所占比例差异较大，也可以说明占优势的景观类型是某一种或者少数景观 [15]。景观区域优势度的计算公式为：

3植被覆盖度景观格局研究

3.1植被覆盖度等级结构

借助Fcover的计算，多次取具体值进行计算，最后可得到准确的植被覆盖度指数，但是由于缺乏完整的资料，则近似的取NDVI计算后的最大值与最小值进行Fcover的计算，所以小节定义为植被覆盖度的估算[17]。基于整幅图像中定西市植被指数的灰度值分布格局，从其选取上下限阈值，其结果约为：

本文采用ARCGIS软件的栅格计算器（Spatial Analyst-Raster Calculator），借鉴植被覆盖度的估算公式进行计算所有影像的植被覆盖度分布情况。

将计算的植被覆盖度（FC），借鉴已有的研究成果，划分为5个等级：其中，较低植被覆盖度取值为（FC<10%）、低植被覆盖度取值为（10%≤FC<30%）、中度植被覆盖度取值为（30%≤FC<50%）、较高植被覆盖度取值为（50%≤FC<70%）和高植被覆盖度为（FC≥70%），并将分级图像彩色显示[18]：

从图9分析可得，在2000-2006年间，定西市的较低植被覆盖较其他植被覆盖度而言，其面积变化幅度最大，由2000年19%下降到2006年的1%，主要原因是由于这部分地区河流的经过，水资源储量较为丰富，促进植被的繁育旺盛，进而使得植被高覆盖度面积呈逐年增加趋势;图7、图8可以明显看出定西市东南部区域植被覆盖度由中度大面积提升为较高度，面积变化比较大，植被覆盖度较2000年明显提高，主要原因是定西市东南部与天水市相接，容易受秦岭山脉过度来的暖湿气流影响，加之定西市各类植被的生存与生长环境优渥，因此，植被生长更加茂盛，随之，植被覆盖度变化趋势呈良好态势;定西市北部地区以及西北部地区在2000年至2006年这6年来植被覆盖度基本无明显变化，植被也比较稀少，荒漠化比较严重，主要原因是由于该地区已进入黄土高原板块，气候较东南部比较干旱，年降水量明显不充足，且多为山地沟壑地带，交通极不便利，且地理位置纵深较大，使得定西市东面的暖湿气流不易到达该区域，从而导致该区域植被覆盖度变化比较轻微;由图7、图8可清晰看到，定西市轻度覆盖区域的植被覆盖度与中度覆盖区域的植被覆盖度较接近，且分布于定西市的西部，但较高度覆盖区域与高度覆盖区域基本保持并未发生大的变化，主要原因是由于定西市西部地区地形多为山地丘陵，自然生长的植被面积较大，由于受西部地区地形地貌的局限，导致该区域畜牧业发展较为困难，人为的砍伐林木也较为困难，退耕还林及植树造林工程亦十分困难，因此，定西市西部区域形成了既不会被破坏，又无法进行保护养护的局面，任由该区域植被自然生长，从而在2000年到2006年六年时间下来，该区域植被覆盖度变化不大;从而定西市西部地区植被覆盖度变化以轻度变中度为主要变化，而且还可以明显看出中度覆盖转较高覆盖度的趋势，主要原因是由于定西市西邻甘南藏族自治区卓尼县，甘南藏族自治区素以水草丰美著称，气候适宜植被的生长，外加地方出台政策的约束，将牲畜等的放养型逐渐转型为圈养型，使得一些牲畜等对该区域植被覆盖度的破坏也在逐步减伤，所以定西市西部地区植被覆盖度变化也在向有利的趋势发展。

3.2植被覆盖变化的空间格局分析

本研究为了准确深入的分析定西市6年来植被覆盖变化的空间格局，首先，基于定西市的植被覆盖等级结构图，进行矢量转换;其次，对于不同图斑的边界予以勾绘，初步显示为矢量图;最后，借助Arc GIS10.2 和Excel表，对定西市的植被覆盖面积和相关指数进行数据处理 [19]。

由表1可以看出，在2000-2006年间，较低植被覆盖的变化幅度较大，其变化面积由初期的468793 km2减少至2006年的221201km2;同时期，低植被覆盖变化幅度较不显著，从2000年到2006年，植被覆盖面积由717657km2递减为692436km2;相较而言，定西市中等植被和高植被的覆盖在2000-2006年呈明显递增趋势，发展态势较好，原因是定西市政府积极响应国家号召，大力推进植树造林;从2000年到2006年，虽然定西市较高植被覆盖变化幅度不大，但是植被覆盖面积从406335km2增加为488940km2，说明定西市在这六年期间的绿地景观生态系统状况发生了明显的改善;区域优势度方面，定西市在2000-2006年间较低植被覆盖变化幅度最大，由2000年的1.16增加到2006年的9.90，定西市中等植被覆盖、较高植被覆盖、高植被覆盖虽然有所减少，但减少变化趋势微弱，在总体区域优势度方面，由2000年的1.34增加到2006年的2.89，增幅明显增大，说明定西市在这六年间的绿地景观生态系统状况态势向好;从均匀度方面来看，定西市的较低植被覆盖、低植被覆盖为减少型，中等植被覆盖、较高植被覆盖、高植被覆盖则呈增加型，但是多年下来，定西市的总体景观均匀度由2000年的0.202降至2006年的0.20，结合数据分析，虽然下降幅度不大，但在一定程度上表明定西市景观植被覆盖有下降的趋势，所以定西地方政府应积极推行国家“退耕还林”政策，同时，结合甘肃省的林业相关政策，对现有植被的覆盖面积加以重点保护与治理，通过宣传教育，提高辖区内居民的环保意识，强化該区域生态治理体系和队伍，促进定西市的生态文明建设以及可持续发展[20]。