1993年～2019年图木舒克市植被覆盖度时空变化分析

白 松

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 844000)

0 引言

植被作为城市最重要的景观之一，不仅对城市生态环境保护做出了贡献，而且深刻的影响城市未来及可持续发展[1]。但城市建设及城市化的加快，给城市生态环境带来一系列问题，也对植被覆盖面积变化带来一定程度的威胁[2]。因此，区域适时的监测、探讨及分析城市植被覆盖时空格局及其变化，对城市生态环境与规划具有重要的意义。遥感技术是监测与分析区域植被覆盖度变化的重要手段，具有成本低、长时序与覆盖面积广等优势。本文基于1993年～2019年Landsat系列卫星遥感影像数据，采用NDVI、像元二分模型与植被平均覆盖度等模型与方法，探讨1993年～2019年27年图木舒克市植被覆盖的时空动态变化趋势。

1 研究区概况

新疆生产建设兵团第三师图木舒克市(新疆维吾尔自治区直辖县级市)位于塔里木盆地西北部，叶尔羌河与喀什噶尔河流域下游交汇的冲击平原区，是喀什地区、阿克苏地区、克州与和田地区等南疆三地一洲的中心地带，行政面积1915.56 km2，下辖市区街道、44、49、50、51、53五个农牧团场与小海子水管理处等单位。境内主要河流与水域为叶尔羌河及其分支盖木里克河、喀什噶尔河分支图来买提河与克列根河、小海子水库与永安坝水库，其中小海子水库与永安坝水库库容分别为5×108m3与2×108m3，该市主要以农业生产为主，总灌溉面积为728.44 km2，气候具有典型温带极干旱荒漠特征，温暖干燥，多年平均降雨量为<70 mm，海拔高程约为1075.3 m～1499.6 m，其研究区概况图见图1。

图1 研究区概况图(Landsat OLI RGB-654影像)

2 数据源与研究方法

2.1 数据源及预处理

本文综合考虑图木舒克市植被生长季节性差异、云量及沙尘暴等影响，选用1993年8月1日(Landsat TM)、2008年8月21日(Landsat ETM+)、2019年7月24日(Landsat OLI)等不同3期8月1日～8月30日天气良好、植被茂盛时期，质量良好的美国国家航空航天局NASA的Landsat(TM/ETM+/OLI)系列卫星遥感影像数据(轨道号为：147/32，分辨率：30 m)，云量分别为1.02%、3.54%、0.2%(云量均研究区外)，数据下载网站为美国地质勘探局网站(http：//glovis.usgs.gov)与国家地理空间数据云官网(http：//www.gscloud.cn)。图木舒克市行政矢量边界图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)。利用ENVI 5.3与ArcGIS 10.3软件对原影像数据进行去条带(Landsat ETM+)、辐射定标及大气校正，并以此市行政边界图为基础进行图像裁剪和掩模统计。

2.2 NDVI计算

NDVI(归一化植被指数)是由卫星数据不同波段光谱组合而成，业界人士研究证明归一化植被指数是目前反演植被覆盖度状况的最佳植被指数之一，计算公式如下式：

(1)

式中：NIR为Landsat TM/ETM+/OLI数据的近红外波段值(TM/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)[3]。

2.3 像元二分模型

NDVI与植被覆盖度(FVC)之间存在着显著的线性相关关系，利用两者关系进行建模估算区域植被覆盖度。其像元二分模型计算公式如下式：

(2)

式中：NDVIveg为代表纯植被像元NDVI值，NDVIsoil为代表裸地或无覆被像元NDVI值[4]。根据植被覆盖估算理论来分析可知，NDVIsoil与NDVIveg的值应分别为0和1，但是由于外界因素与传感器差异原因，存在一定的误差，此为依据，为了求得正确的对应值，选取累计百分比5%作为NDVIsoil、95%作为NDVIveg。

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》和结合干旱区绿洲植被特有的生态特征，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Ⅰ级[0，0.2]、Ⅱ级[0.2，0.3]、Ⅲ级[0.3，0.6]、Ⅳ级[0.6，1]等4个等级，分别代表为裸地或极低(含水域)、低、中、高植被覆盖。

2.4 植被平均覆盖度

通过不同等级植被覆盖度面积加权平均来估算图木舒克市不同时期植被平均覆盖度。若高、中、低与极低植被覆盖度等级面积分别为FVC高、FVC中、FVC低与FVC极低，对应覆盖等级取值分别为4、3、2与1，其计算公式(3)得到图木舒克市不同时期的植被平均覆盖度[5]。

(3)

3 结果与分析

3.1 植被覆盖度空间格局分布特征及变化趋势

基于NDVI像元二分模型，利用软件ENVI 5.3与ArcGIS 10.3计算得出图木舒克市不同3期植被覆盖度，并以此为基础DN值进行阈值分割，得到1993年、2008年与2019年不同3期植被覆盖度空间格局等级分布图。如图2所示，图木舒克市植被永安坝水库东北部总体以突里买提河与克列根河为轴线，从高到低向外展布，永安坝水库西南部总体以盖木里克河为主线，高覆盖为主呈大面积片状分布。

图3是利用图木舒克市行政边界矢量进行掩膜统计计算得到的不同等级植被覆盖度与NDVI均值变化线性趋势。从图3可知，图木舒克市近27年植被总覆盖面积(不包括极低覆盖面积)、植被平均覆盖度及NDVI均值都呈增加趋势，三者拟合优度R2分别为0.9719、0.973与0.9756。在3期统计结果中，图木舒克市总植被覆盖面积由1993年的1178.1 km2增加至2019年的1218.4 km2，增加了40.4 km2，增幅为3.43%；植被平均覆盖度由1993年的2.2122增加至2019年的2.5761，增加了0.3639，增幅为16.45%；NDVI均值由1993年的0.122增加至2019年的0.301，增加了0.179，增幅为146.72%。不同时段分析可知，植被总覆盖面积、植被平均覆盖度与NDVI平均值增加量最明显时段为1993年～2008年，增幅分别为2.22%、10.60%与93.44%。

(a)总覆盖

(b)植被平均覆盖度

(c)NDVI平均值

在不同时期、等级植被覆盖面积变化趋势中(图4)，高植被覆盖线性增加变化趋势最显著(R2=0.9937)，由1993年的317.2 km2增加至2019年的759.6 km2，增加了442.4 km2，增长率139.49%。其余中、低、裸地或极低覆盖面积线性变化都呈减小趋势，线性拟合优度R2分别为0.9726、0.8690与0.9718，分别由1993年的504.0 km2、356.9 km2、732.8 km2减小至2019年的274.1 km2、184.7 km2、692.5 km2，分别减小229.9 km2、172.18 km2、40.36 km2，降幅分别为45.62%、48.24%、5.51%。对比可知，4个不同植被覆盖等级结果中，高植被覆盖面积增加最显著，且植被总覆盖面积比重也最大。经计算，高植被覆盖面积在3期占植被总覆盖面积比重分别为26.92%、47.24%与62.34%，所占比例逐渐上升。

(a)高覆盖

(b)中覆盖

(c)低覆盖

(d)裸地或极低覆盖

3.2 植被覆盖度空间动态变化特征

为了进一步揭示图木舒克市植被覆盖度变化状况，对1993年与2019年植被覆盖等级之间相互进行状态转移矩阵。纵观分析见表1，1993年～2019年，图木舒克市植被覆盖主要以极低和低覆盖小面积向中覆盖转移、低和中覆盖大面积向高覆盖转移为主。具体转移量为：极低和低覆盖分别转中覆盖53.74 km2和58.32 km2，分别占极低和低覆盖面积的7.33%和16.34%；低和中覆盖分别转高覆盖143.13 km2和252.01 km2，分别占极低和低覆盖面积的40.66%和50.00%。从绝对变化量来分析可知，极低、低、中和高植被覆盖面积变化量分别为-40.36 km2、-172.18 km2、-229.90 km2和442.44 km2，极低、低和中覆盖都均减小，其中低和中覆盖均大幅度减小，接近占1993年面积的一半；高覆盖大幅度增加，接近占1993年1.4倍；极低、低和中覆盖最终转为高覆盖，其中中覆盖比率最大。

表1 1993年～2019年图木舒克市植被覆盖度等级转移矩阵

4 结论

(1)近27年，图木舒克市植被覆盖面积大幅度增加的同时，植被覆盖度也明显上升。2019年比1993年植被覆盖总面积增加40.4 km2，增幅为3.42%。从不同覆盖等级分析可知，高覆盖增加最显著，近27年增加了442.4 km2，增幅为139.49%；极低、低和中覆盖面积都均减少趋势，其中低和中覆盖减少最显著，减少面积分别为229.9 km2和172.18 km2，降幅分别达45.61%和48.24%；极低覆盖减小不太明显，减小面积为40.36 km2，降幅为5.51%。

(2)1993年～2019年，图木舒克市NDVI与植被平均覆盖度都呈上升趋势，上升率分别为146.72%和16.45%。

(3)图木舒克市植被覆盖总体以高植被覆盖为主，极低、低和中覆盖最终都转为高覆盖，其中中覆盖转移比重最大，占比达50.00%。