基于遥感的疏勒县植被覆盖时空变化研究

麦麦提吐逊·麦麦提，马合木江·艾合买提，陶洪飞，李 巧

（新疆农业大学 水利与土木工程学院，乌鲁木齐830052）

0 引 言

【研究意义】植被是生态系统及环境的重要组成部分，可以反映区域生态环境质量的总体状况，其主要受区域气候变化、人类活动、土壤质量、地形地貌、水源等各类条件的约束。植被作为水、土、气之间能量循环的重要环节之一[1]，不仅维持生态环境的平衡，而且可以评价区域生态环境质量，因而监测区域不同时期植被覆盖面积及覆盖度时空变化趋势对研究区域生态环境质量及变化过程具有一定的重要意义[2-4]。【研究进展】目前，利用Landsat 影像数据对不同时期区域植被覆盖变化做了不少研究。Barbosa 等[5]基于Landsat TM 研究发现巴西东北地区1982—2001年植被生长季节变化，具有时段性与季节性波动；穆少杰等[6]基于MODIS-NDVI 影像数据分析了内蒙古自治区2001—2010年植被覆盖度时空变化特征，发现植被覆盖度总体上呈上升趋势；董弟文等[7]基于Landsat 影像数据分析了和田绿洲1994—2016年植被覆盖度的时空变化特征发现，绿洲植被覆盖度面积均呈增加趋势。【切入点】本文基于Landsat 5、Landsat 7、Landsat 8（TM/ETM+/OLI_TIRS）遥感影像数据，以我国西北部喀什地区典型的干旱绿洲灌溉农业区疏勒县作为研究区，【拟解决的关键问题】分析不同时期气候变化与人类活动等因素下植被覆盖度时空变化过程与特征，为今后喀什地区疏勒县生态环境稳定及可持续发展提供科学借鉴与依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

疏勒县（38°51′—39°29′N，75°52′—76°53′E）（图1）位于中国新疆喀什地区的中部，塔克拉玛干沙漠的西缘，盖孜河和克孜勒河中游，属荒漠绿洲、冲积平原，县境东西长106 km，南北宽69 km，总面积约为2 166.4 km2。属于典型的暖温带内陆性干旱型气候，其特征是干燥少雨，春季多风沙和浮尘天气，昼夜温差大，气温年内变化显著，多年平均气温为11.7 ℃，年均蒸发量达2 657 mm，年平均日照时间为2 822 h，多年平均降水量为47.8 mm。农业灌溉用水量占国民经济总用水量的比例超过98%，水资源短缺且时空分布极不均匀，灌区地表水主要来源于喀什噶尔河。

图1 研究区行政边界与Landsat8 OLI_TIRS（RGB-654）影像Fig.1 Administrative boundary of the study area and Landsat8 OLI_TIRS(RGB-654)image

1.2 数据来源

综合考虑天气、云量、季节性植被差异等影响，选用1996年7月6日、2000年9月11日、2005年9月9日、2009年8月19日、2013年7月21日、2017年8月1日6 个时期植被较好的Landsat TM/ETM+/OLI_TIRS 系列遥感影像图（条带号：149，行编号：33，分辨率：30 m）。数据下载地址分别为美国地质勘探局网站（http://glovis.usgs.gov）、国家地理空间数据云官网（http://www.gscloud.cn）。土地利用类型遥感影像数据从中国科学院地理科学与资源研究所共享官网下载（http://www.resdc.cn）。1990—2019年气温、降水量数据从国家气象科学数据开放中心官网（http://www.data.cma.cn）下载。

遥感影像数据预处理是遥感数据解译中特别重要的环节，为便于影像图识别以及相互对比分析，首先利用ENVI5.4 对原Landsat 影像图进行几何校正、去除条带处理（传感器出现异常原因，ETM+数据带条带）、辐射定标、大气校正及影像增强，然后利用研究区的行政矢量边界图，通过ENVI5.4 进行图像裁剪和掩膜处理，得到研究区遥感影像图。

1.3 归一化植被指数（NDVI）计算

归一化植被指数是由卫星遥感影像数据不同波段光谱探测以及进一步数据组合而成，前人研究证明归一化植被指数是目前反演植被覆盖度状况最佳的指数之一，计算式为：

式中：NIR为Landsat TM/ETM+/OLI 数据的近红外波段值（M/ETM+为Band4，OLI为Band5）；Red为Landsat TM/ETM+/OLI 数据的红外波段值（TM/ETM+为Band3，OLI 为Band4）[8]。

1.4 像元二分模型

本研究基于NDVI，通过像元二分模型来估算不同时期的植被覆盖度。以下是像元二分模型的计算式：

式中：NDVIveg为完全覆被的像元NDVI值；NDVIsoil为裸地或无覆盖像元NDVI值[9-11]。其中2 个值的计算式为：

目前为止还没有统一的植被覆盖度的分级阈值标准，本文据国家《土地利用现状调查技术规程》、《草场资源调查技术规程》、水利部颁布的《土壤侵蚀分类分级标准》和结合干旱区绿洲植被特有的生态特征、野外实地植被监测与调研，并对植被覆盖度进行阈值分割处理。其中植被覆盖度的阈值分割按照传统的分类方法分为裸地或极低（0～0.2）、低（0.2～0.3）、中（0.3～0.6）、高（0.6～1）植被覆盖等4 个等级。

1.5 图像差值比较法

为了反映研究区不同时期植被覆盖动态变化，利用图像差值比较法计算不同时期植被覆盖变化量ΔFVCg，差值变化量等于0 是未发生变化，＞0 是植被覆盖增大，＜0 是植被覆盖减小。计算式为：

式中：FVCgyear1、FVCgyear2分别为不同时期的植被覆盖度等级。

为了反映1996—2017年植被覆盖度动态空间变化特征，分别对1996年和2000年、1996年和2005年、1996年和2009年、1996年和2013年、1996年和2017年分类结果按传统标准差值划分为7 个等级，默认的未变化（值为0）是中心生成相对称，两边的正值与负值类别数相同，阈值在[-1，1]之间，其中：①0.666 7≤ΔFVCg＜1，ΔFVCg=+3 表示极度改善植被；②0.333 3≤ΔFVCg＜0.666 7，ΔFVCg=+2 表示中度改善植被；③0＜ΔFVCg＜0.333 3，ΔFVCg=+1 表示轻度改善植被；④ΔFVCg=0，ΔFVCg=0 表示未发生变化；⑤-0.333 3≤ΔFVCg＜0，ΔFVCg=-1 表示轻度退化植被；⑥-0.666 7≤ΔFVCg＜-0.333 3，ΔFVCg=-2 表示中度退化植被；⑦-1＜ΔFVCg＜-0.666 7，ΔFVCg=-3 表示极度退化植被[6]。

1.6 中心迁移模型

中心是核心与中央的意思，可以直接反映研究区植被覆盖空间演化趋势过程，也可以跟踪植被覆盖前移方向。计算式为：

式中：X为研究区植被分布中心的经度坐标；Y为纬度坐标；Si为研究区植被分布第i 个小斑块的面积（分辨率：30×30 m）；Xi为研究区植被分布第i个小斑块的经度坐标、Yi为研究区植被分布第i个小斑块的纬度坐标[12]。

2 结果与分析

2.1 研究区植被覆盖度空间分布特征及演化趋势

基于NDVI与像元二分模型，利用ENVI5.4 计算得出研究区1996—2017年6 个时期的植被覆盖度，并进行阈值分割，得到喀什地区疏勒县1996、2000、2005、2009、2013、2017年6 个时期的植被覆盖度空间分布图。如图2 所示，疏勒县植被覆盖分布总体以高植被覆盖为主，成大面积片状分布；中、低覆盖主要以盖孜河和克孜河为轴线，相对围绕高植被覆盖分散分布；裸地主要集中于县区阿拉甫乡东南部和艾尔木东乡西南部，成大面积片状分布。

图2 疏勒县6 个时期的植被覆盖度等级分布Fig.2 Distribution map of vegetation coverage in different periods in Shule County

利用ENVI5.4 统计矢量边界掩膜并计算面积得到疏勒县6 个时期不同等级的NDVI平均值与植被覆盖度面积变化趋势，如图3 所示。从图3 可以看出，疏勒县植被总覆盖度、高植被覆盖度与NDVI平均值均呈增加趋势，拟合度R2分别是0.729 5、0.931 4 与0.926 7，说明1996—2017年疏勒县植被覆盖面积增加的同时，绿色植物覆被面积也不断扩大；裸地或极低植被覆盖与低植被覆盖面积均呈下降趋势，拟合度R2分别是0.782 1 和0.778 1，戈壁滩面积的减少说明生态环境在不断改善。不同6 期面积统计结果显示，2017年植被覆盖度最大，面积为1 648.8 km2，2005年植被覆盖度最小，面积为1 168.2 km2，变幅为480.6 km2，增加率为41.2%。2017年与1996年相比，植被覆盖面积由1 192.4 km2增加至1 648.8 km2，变幅为456.4 km2，增加率为38.3%。由2009—2013年的植被覆盖面积增加速度比较明显，增量为267.4 km2，增加率为21.34%。其余4 个年段的增加量和增加率分别为：1996—2000年增加量为67.6 km2，增加率为5.7%；2000—2005年增加量为-91.8 km2，增加率为-7.3%；2005—2009年增加量为81.9 km2，增加率为7.0%；2013—2017年增加量为131.3 km2，增加率为8.7%。可见疏勒县植被覆盖面在整体不断增加的同时，存在一些波动性。

由不同时期植被覆盖度等级时空变化分析发现（图3），高植被覆盖面积线性增加趋势显著（R2＝0.931 4），由1996年的567.2 km2增加至2017年的1 118.6 km2，增加了551.4 km2，增率为97.2%；中植被覆盖面积先减小后增大，波动较大，线性拟合度较差（R2＝0.111 9），2017年与1996年相比，面积增加了11.0 km2，增加率为2.7%；低植被覆盖面积由1996年的220.4 km2减小至2017年的114.4 km2，减小了106.0 km2，减率为92.7%；裸地或极低植被覆盖度由1996年的899.2 km2减小至2017年的447.5 km2，减小了441.7 km2，减小率为98.7%。可见疏勒县植被覆盖在不同时期覆盖等级变化过程中，高植被覆盖面积的增加比较显著，并且占总植被覆盖面积比重最大，高植被覆盖在6 个时期占植被覆盖面积比重分别是48.3%、55.5%、64.0%、62.7%、60.1%、67.8%，所占比重显著上升。反而裸地或极低植被覆盖与低植被覆盖区面积逐渐减小。

图3 疏勒县不同时期不同等级植被覆盖面积变化和NDVI 平均值变化Fig.3 Changes in the average value of NDVI and vegetation coverage of different levels in different periods in Shule County

2.2 研究区植被覆盖度空间变化特征

为了反映研究区不同时期植被覆盖度空间动态变化，利用图像差值比较法计算1996—2017年不同时期植被覆盖变化情况，差值结果为正值表示增加，差值结果为负值表示减小。

由图4 可知，疏勒县植被覆盖度变化呈西北部相对未变化、南部变化比较明显。结合图2 可知，未变化区主要以高植被覆盖区为主，变化区以裸地或极低、低植被覆盖区为主。从不同时间段分析可知，1996—2000年，植被覆盖度呈增加趋势，增加区域（改善区）面积相对减小区域（退化区）面积增长了137.8 km2，植被覆盖度状况好转；2000—2005年，植被覆盖度呈减小趋势，增加区域面积相对减小区域面积减少了99.9 km2，研究区南部植被覆盖退化比较严重，尤其是阿拉甫乡东南方向的戈壁滩稀疏植被明显消失；2005—2009年，植被覆盖度呈增加趋势，增加区域面积相对减小区域面积增长了99.5 km2，疏勒县城与罕南力克镇植被覆盖显著退化，兵团41团增加比较明显；2009—2013年，植被覆盖度呈增加趋势，增加区域面积相对减小区域面积增长了414.9 km2，疏勒县城植被覆盖继续退化，但英阿瓦提乡、阿拉力乡与阿拉甫乡西部大面积片状增加；2013—2017年，植被覆盖度呈增加趋势，增加区域面积相对减小区域面积增长了336.9 km2，阿拉力乡南部、英阿瓦提乡东北部与阿拉甫乡西北部植被覆盖度显著增加，阿拉甫乡东南方向荒漠区植被继续退化；纵观1996—2017年植被覆盖度呈增加趋势，增加区域面积相对减小区域面积增长了731.7 km2，库木西力克乡下部、塔孜洪乡中部、塔合其乡东部与亚曼牙乡成大面积片状增加，疏勒县城与阿拉甫乡东南方向戈壁滩稀疏植被退化比较严重。

图4 疏勒县不同时期的植被覆盖度空间变化分布Fig.4 Spatial distribution of vegetation coverage in Shule County in different periods

为了进一步全面分析疏勒县植被覆盖度空间变化，对1996—2017年不同等级的植被覆盖度进行相互转移面积和比例状态转移矩阵计算。由表1 可知，1996—2017年，疏勒县植被覆盖主要以裸地或极低植被覆盖、低植被覆盖和中植被覆盖均向高植被覆盖转移为主。具体的转移空间变化量为：裸地或极低植被覆盖、低植被覆盖和中植被覆盖转化为高植被覆盖的面积分别255.17、131.94 和286.44 km2，比例分别为30.33%、59.92%和70.76%。从绝对空间变化量分析来说，裸地或极低植被覆盖、低植被覆盖、中植被覆盖和高植被覆盖面积变化量分别为-451.71、-105.95、10.97 和551.33 km2，比例分别为-50.23%、-40.08%、2.71%和97.20%，裸地或极低、低植被覆盖面积均减小，中植被覆盖面积整体稳定，高植被覆盖面积大幅度增加，裸地或极低、低、中植被覆盖最终均转化为高植被覆盖。

表1 1996—2017年疏勒县植被覆盖度等级转移矩阵Table 1 Vegetation coverage grade transfer matrix in Shule County from 1996 to 2017

2.3 研究区植被覆盖度空间变化特征

中心分布变化可以描述空间上植被覆盖分布的时空变化特征及趋势[12]。疏勒县植被覆盖中心迁移显示（图5），1996—2017年，疏勒县植被总覆盖中心整体向东南直线迁移1.92 km。具体来说，1996—2000、2005—2009、2009—2013、2013—2017年向东南方向迁移，2000—2005年向西北方向迁移；其中2000—2005年和2009—2013 迁移比较显著（分别向西北迁移1.75 km 和东南迁移2.55 km），2005—2017年一直向东南直线迁移3.67 km。高植被覆盖中心整体向东南直线迁移4.73 km，其中2009—2013年迁移速度最快，向东南迁移2.31 km。向东南迁移主要是因为2011年中央一号文件精神[13]，建立农田水利高效节水灌溉建设新机制，提高农业领域的综合生产能力，增加财政对农村小型农田水利高效节水灌溉设施建设的投入力度下，疏勒县大力发展高效节水灌溉。根据疏勒县水利局统计，截至2017年该县高效节水灌溉面积达1.67 万hm2，其中2012—2017年高效节水面积为1.06 万hm2，英阿瓦提乡、阿拉甫乡、艾尔木东乡、阿拉力乡、牙甫泉镇、库木西力克乡等位于东南部的乡镇的高效节水面积占总面积的66%，致使植被覆盖迅速增加，中心大幅东南迁移。

图5 1996—2017年疏勒县植被覆盖中心迁移Fig.5 Migration of vegetation cover center in Shule County from 1996 to 2017

3 讨论

疏勒县位于典型干旱区（南疆），植被覆盖度变化是气候变化与人类活动共同作用的结果，但短时段内人类活动对干旱区植被覆盖度变化的影响更为直接。

3.1 自然气候因素影响

疏勒县1990—2019年的年均降水量和气温变化趋势如图6 所示具有增加的趋势。黄培佑等[14]、张音等[15]研究表明，全球变暖引起新疆气温的升高和降水量的增加，对新疆生态与环境发生了一些巨大的改善。喀什地区气候干旱，蒸发强烈，其荒漠带区植被耐高度盐碱、耐旱、耐寒为主[16]。疏勒县降水量的增加可能对荒漠区稀疏植被及草地造成了明显的积极影响。绿洲低覆盖植被向中、高植被覆盖的转移可能是这种影响的成果。

气候变暖对植被的影响，也间接体现在冰雪融水对流域径流的不断增大。疏勒县年均气温和年降水量在1990—2019年呈提升趋势（图6），该30 a 内气温平均提升了1.46 ℃，这对以冰雪融水补充为主的喀什噶尔河流域影响较大。图6 可以看出，随着气温、降水量的增加对研究区NDVI、总覆盖与高覆盖逐渐增大。根据毛炜峄等[17]对1951—2005年喀什噶尔河流域年均降水量、气温对流域径流的影响变化趋势分析，因气温的上升，径流量以3%/(10 a)的速率增加。这对气候干旱的疏勒县来说具有重大的意义，为区域植被的增加提供了水资源保障。

3.2 人类活动的影响

人类活动对区域短时间内植被覆盖的影响是直接的，表现在土地利用方式变化上。表2 是利用中国科学院地理科学与资源研究所提供的不同时期新疆土地利用遥感数据统计得到的疏勒县土地利用变化情况。由表2 可知，2000—2018年，研究区耕地、林地、城乡工矿居民用地面积显著上升。耕地面积从2000年的899 km2增至2018年的1 241 km2，增加了342 km2，增加率为38.1%；林地面积从2000年的4 km2增至2018年的52 km2，增加了48 km2，增加率为1 200%；城乡工矿居民用地面积从2000年的24 km2增至2018年的83 km2，增加了59 km2，增加率为246%。草地、水域、未利用土地面积2018年比2000年分别减小了17.9%、33.3%、54.7%。这说明，疏勒县增加植被覆盖面积的主要原因是耕地和林地面积增加，草地和未利用土地面积减小。

图6 1990—2019年疏勒县年均降水量、气温变化和NDVI 平均值、总、高植被覆盖度变化关系趋势Fig.6 Annual average precipitation,temperature change,NDVI average,total and high coverage change trend in Shule County from 1990 to 2019

表2 疏勒县不同时期土地利用变化情况Table 2 Land use changes in different periods in Shule County

4 结论

1）1996—2017年疏勒县植被覆盖面积显著增加。2017年比1996年植被覆盖面积增加了456.4 km2，增加率为38.3%。高植被覆盖面积的增加比较显著，2017年比1996年植被覆盖面积增加了551.4 km2，增加率为97.2%；中植被覆盖面积变化不大，2017年与1996年相比，面积减小了11 km2，降幅2.7%；低植被覆盖面积减小明显，减小面积为106 km2，降幅达48.1%。

2）疏勒县植被覆盖空间变化存在时段性和区域性差异。2009—2013年植被覆盖面积增加最显著，增加了21.34%；塔合其乡、亚曼牙乡最东北部和阿拉甫乡北部植被覆盖大面积增加为最典型，阿拉甫乡东南部荒漠区和疏勒县城中度退化。1996—2017年疏勒县植被覆盖中心往东南荒漠区迁移，直线距离为1.92 km。

3）气候变暖对研究区植被覆盖度有一定的影响，短期内人类活动的影响更为直接。灌区改造高效节水、耕地开垦及林地种树是疏勒县植被覆盖面积增加主要原因。但是草地和水域面积的降低对研究区长远生态环境及可持续发展带来一定的威胁。