基于遥感的五家渠市植被覆盖时空变化研究

陈雨灏

（伊犁河流域开发建设管理局,新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

植被作为城市最重要的环境指标之一,不仅对城市空气质量和生态系统保护做出了巨大的贡献,而且影响着城市发展趋势和市容市貌[1]。但城市发展和建设速度的加快,为城市植被覆盖量和生态系统带来一系列问题,也对植被生长变化带来一定程度的威胁[2]。因此,利用相关数据和方法监测植被覆盖时空格局及其变化规律,对城市未来环境保护与规划具有重要的意义。遥感技术是比较适合监测大面积植被覆盖度的重要手段,具有低成本和长时序等优势。本文利用2005 年~2020 年Landsat系列遥感数据,基于NDVI和像元二分模型及相关模型与方法,探讨近16 年五家渠市植被覆盖的时空动态变化趋势,为五家渠市植被覆盖演变趋势和区域生态环境可持续发展提供一些依据。

1 研究区概况

新疆生产建设兵团第六师五家渠市（新疆维吾尔自治区直辖县级市,实行师市合一管理体制）（44°00'—44°35'N,87°21'—87°42'E）位于天山山脉博格达峰北麓,古尔班通古特沙漠南部,与昌吉市和乌鲁木齐市接连,城区中心南部距乌鲁木齐市33 km、西部距昌吉市23 km、东部距阜康市55 km、至乌鲁木齐地窝堡国际机场30 km,行政面积743.8 km2,下辖军垦路、青湖路、人民路等街道和101、102、103三个农牧团场。境内主要河流与水域为从南往北纵穿的乌鲁木齐河和沙山子水库、猛进水库与八一水库,气候具有典型温带大陆性干旱特征,温暖干燥,多年平均降雨量为≤200 mm,海拔高程约为423.5 m～547.4 m,其研究区概况见图1。

图1 研究区概况示意图

2 数据源与研究方法

2.1 数据源及预处理

综合考虑五家渠市植被生长季节性差异和外界因素等影响,选用2005年8月14日（Landsat ETM+）、2010年8月20日（Landsat TM）、2015年8月18日（Landsat OLI）与2020年8月15日（Landsat OLI）等不同4期8月10 日至8月20日云量少和植被茂盛时期,质量良好的Landsat（TM/ETM+/OLI）系列卫星遥感影像数据（轨道号为：143/29,分辨率：30 m）,云量分别为0.4%、0%、0.13%与0.89%,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）。五家渠市行政矢量边界图从BIGEMAP地图下载器进行下载。利用ENVI 5.3 与ArcGIS 10.3 软件对原影像数据进行预处理（去条带、辐射定标、大气校正等）,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）计算公式如（1）式：

式中：NIR为Landsat影像的近红外波段值（Landsat-5/7为Band 4,Landsat-8为Band 5）；R为Landsat影像的红外波段值（Landsat-5/7为Band 3,Landsat-8为Band 4）[3]。

2.3 像元二分模型

利用NDVI与植被覆盖度（FVC）之间的线性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（2）式：

式中：NDVIveg为代表纯植被NDVI像元值,NDVIsoil为代表裸地或无覆被NDVI像元值[4]。选取累计百分比2%作为NDVIsoil、98%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,本文根据国家土地利用与草场相关规范和结合研究区植被长势特有的生态特征,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等[0,20%]、Ⅱ等[20%,30%]、Ⅲ等[30%,60%]、Ⅳ等[60%,100%]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五家渠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对应覆盖等级取值分别为4、3、2与1,其计算公式（3）得到五家渠市不同时期的植被平均覆盖度[5]。

2.5 图像差值法

为了揭示五家渠市不同时期植被覆盖度空间动态变化情况,利用图像差值比较法来计算不同时期植被覆盖变化量△FVCg,差值范围在[-1,1]。计算公式如（6）式：

式中：∆FVCg-t2和FVCg-t1分别为阿拉尔市研究时段内不同两时期对应的植被覆盖度等级ENVI标准格式数据。变化量分为植被覆盖增加区（+）、减小区（-）与不变区（0）,其中增加区划分等级分为极度改善区（+3）、中度改善区（+2）、轻微改善区（+1）,减小区划分等级分为轻微退化区（-1）、中度退化区（-2）、严重退化区（-3）。

3 结果与分析

3.1 植被覆盖度空间分布特征及变化趋势

基于NDVI像元二分模型,利用软件ENVI5.3 与ArcGIS 10.3计算得出五家渠市不同4个时期植被覆盖度,并以此为基础计算结果进行阈值分割,得到2005 年、2010、2015 年与2020 年不同4 个时期植被覆盖度空间不同等级分布图。如图2 所示,五家渠市植被总体以乌鲁木齐河为轴线,从高到低向外展布。高植被覆盖度集中于城市中部,呈大面积片状分布,中与低植被覆盖度集中于高植被覆盖度外围及乌鲁木齐河上下游,呈小面积零散式分布。

图2 五家渠市2005年~2020年植被覆盖度空间不同等级分布图

图3是利用五家渠市shp矢量边界图进行掩膜统计计算得到的总植被覆盖度、植被平均覆盖度与NDVI均值变化线性趋势。从图可知,五家渠市近16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均值都变化波动较大,三者拟合优度R2分别为0.0408、0.0456与2×10-8,其中总植被覆盖度、植被平均覆盖度与NDVI均值呈整体增加趋势,但是出现波动。在4 个时期统计结果中,五家渠市总植被覆盖面积由2005 年的353.2 km2增加至2020 年的416.1 km2,增加了62.9 km2,增幅为17.8%；植被平均覆盖度由2005 年的2.169 增加至2020 年的2.359,增加了0.200,增幅为8.7%；NDVI均值由2005 年的0.342 增加至2020 年的0.375,增加了0.034,增幅为9.9%。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分布为2005年~2010年、2015年~2020年与2015年~2020年,增幅分别为32.9%、17.3%与50.0%。

图3 五家渠市2005年~2020年不同时期植被覆盖面积和NDVI均值变化趋势

在不同等级植被覆盖面积变化趋势中（图4）,高、中、低与裸地或极低植被覆盖度都出现不一样的变化波动,高、中与低植被覆盖整体呈增加趋势,高覆盖度由2005 年的214.2 km2增加至2020 年的241.6 km2,增加了27.4 km2,增长率12.8%；中覆盖度由2005 年的87.6 km2增加至2020 年的110.8 km2,增加了23.3 km2,增长率26.6%；低覆盖度由2005 年的51.4 km2增加至2020 年的63.7 km2,增加了12.3 km2,增长率23.9%。裸地或极低植被覆盖度呈整体减小趋势,由2005 年的390.3 km2减小至2020年的327.4 km2,减小了62.9 km2,增长率16.1%。对比可知,高覆盖面积占总植被覆盖面积比重最大。经计算,高植被覆盖面积在4期占植被总覆盖面积比重分别为60.7%、36.8%、32.1%与58.1%。

图4 五家渠市2005年~2020年不同时期、不同等级植被覆盖面积变化趋势

3.2 植被覆盖度空间动态变化特征

为了进一步揭示五家渠市植被覆盖度动态变化状况,利用图像差值比较法计算2005 年~2020 年年植被覆盖绝对变化,变化量正数表示为植被覆盖增加区（+）、变化量负数表示为减小区（-）、变化量等于零表示为不变区（0）。

计算结果发现（图5和表1）,五家渠市植被覆盖变化呈均匀不同程度的增加和减小。结合五家渠植被覆盖空间分布图可以看出,不变区域主要以高覆盖为主,发生增加和减小区则以低、中覆盖为主。从不同时间段来分析,2005 年~2010 年,增加区域面积大于减小区域面积,其中轻微改善区面积占比重最大,102 团东部有所增加,中部减小；2010 年~2015 年,植被覆盖以减小为主,除了中部小面积呈破碎增加以外,其余东部和市区周围都不同程度减小,尤其是101 团南部片区退化较突出；2015 年~2020 年,植被覆盖以增加为主,增加区域面积为减小区域面积的约3 倍。纵观2005 年~2020 年五家渠市植被覆盖总体增加,且以沙山子水库周围区域较为突出。减小区域除了101 团南部片区显著外,城区街道周围减小也较明显。整体可以看出,五家渠市植被覆盖度变化不仅有阶段性差异,还存在区域性差异。

图5 五家渠市2005年~2020年植被覆盖度绝对变化量空间分布

表1 五家渠市2005年~2020年不同时段的植被覆盖度空间等级量化面积变化 单位：km2

3.3 土地利用结构变化

利用中国科学院资源与环境中心公开发布的土地利用数据,进行裁剪和统计计算得到五家渠市2005年、2010年、2015年与2020年的土地利用类型空间分布图和面积及所占比例（图6和表2）。

图6 五家渠市2005年~2020年4个时期土地利用类型空间分布

从表2可以看出,耕地、林地和未利用土地面积呈减小趋势,其中耕地面积由2005年的391.1 km2减小至2020年的326.07 km2,减小了65.03 km2,降幅为16.6%；林地面积2005年为8.24 km2,2010年、2015年与2020年都等于0；未利用土地由2005年的100.14 km2减小至23.66 km2,减小了76.48 km2,降幅为76.4%。草地、水域和建设用地呈明显增加趋势,其中草地2010年面积最大,2005年最小,2005年~2020年增加了93.71 km2,增幅为46.4%；水域面积整体较稳定,存在一些小波动,2005年~2020年增加了2.37 km2,增幅为10.7%；建设用地一直连续增加,由2005年的20.53 km2增加至2020年的74.21 km2,增加了53.68 km2,增幅为261.5%。

表2 五家渠市2005-2020年不同时期土地利用类型面积（km2）及所占比例

4 结论

（1）近16年,五家渠市植被覆盖面积整体上增加的同时,植被覆盖度也相对上升。2020 年比2005年植被覆盖总面积增加了62.9 km2,增幅为17.8%。从不同覆盖等级分析可知,高覆盖呈增加趋势,但是波动较大,近16 年增加了27.4 km2,增长率12.8%；中和低覆盖面积均呈增加趋势,存在波动,增加面积分别为23.3和63.7 km2,增幅分别为26.6%和12.3%；极低覆盖减小不太明显,减小面积为62.9 km2,降幅为16.1%。

（2）五家渠市植被覆盖度空间变化存在时段性和区域性差异。在变化时段上,2015年~2020年覆盖面积增加最显著；在变化区域上,沙山子水库周围片区较为突出,城区街道周围、101团南部片区减小最为显著。

（3）近16年,五家渠市耕地、林地和未利用土地面积呈减小趋势,草地、水域和建设用地明显增加趋势。其中建设用地面积增加最显著,林地面积最终减小至0。