基于MODIS数据的赤水河流域植被覆盖度季节性动态监测

杨 青

(安顺学院 资源与环境工程学院，贵州 安顺 561000)

1 引言

由于植被覆盖度是指植被(包括叶、茎、枝)在地面垂直投影面积占统计区总面积的百分比，是反映地表植被覆盖状况的一个重要指标，因此，定量评估区域植被覆盖变化，分析地表植被覆盖状态，对于揭示地表植被空间变化规律、分析气候驱动作用、评价研究区整体环境质量具有重要意义[1]。研究表明因退耕还林以来，区域植被变化很大，退耕还林对于植被恢复有明显促进作用[2，3]。在研究过程中，有研究者将研究区植被覆盖度进行评估并分等级，研究表明覆盖度与地区有一定关系[4～6]。管文轲等对塔里木河流域植被的变化规律进行动态监测及趋势分析，结果表明塔里木河流域未来生态环境有好转趋势[7]。苏慧敏等分析了研究区植被覆盖率其变化情况，结果表明覆盖度以较低覆盖度向高一等级覆盖度转移为主，且正向转移大于负向转移[8,9]。韩兰英等则在研究中利用滑动平均法来去除气候因素的影响，发现植被覆盖状况总体良好，稳定是植被覆盖的主要演化状态，而植被的轻度退化与演变趋势明显，植被总体上仍然向退化方向发展，气候的暖干化趋势可能是导致研究区植被生长退化的主要原因[10～13]。综上，通过遥感数据动态监测流域植被覆盖度技术可行，也具有一定的现实意义，能为研究区植被演化状态，变化趋势提供数据支持。

本文以赤水河流域贵州境内的流域边界为研究区, 利用多源遥感影像数据为基础, 通过ENVI处理得到研究区植被覆盖图和土地利用图，结合ArcGIS空间分析得出统计数据，结合地图代数原理, 建立转移矩阵, 分析赤水河流域季节性变化特征, 以期动态监测区域植被变化及成因分析提供科学依据。

2 研究区概况

赤水河流域位于东经104°45′～106°51′，北纬27°20′～28°50′。流域流经四川、云南、贵州3省，发源于云南省镇雄县，河流自西南向东北方，流经毕节、仁怀、赤水等地，至四川合江县并入长江，全长444.5 km，河流流量较大，丰水期流量达到9800 m3/s，为长江上游的一级支流，河流流域多在山间峡谷之中。其中赤水河中下游部分位于山区内，河谷较多，且下游段自贵州省赤水县复兴场以下进入四川盆地，两岸丘陵起伏，沿江河谷平原十分宽阔，东南部有少量山地。

赤水流域流经四川、贵州、云南，属于亚热带季风气候，夏季高温多雨，冬季温和少雨。其次流域内的地形有高原、丘陵、盆地等。上游处于高原地带，平均年降水量950 mm，中下游处于丘陵、盆地地形，平均年降水量1300 mm。因属亚热带季风气候，雨季降雨多集中在6～9月份，占全年降水量的80%左右[14]。

3 数据与方法

3.1 数据来源

研究区遥感数据采用MODIS卫星遥感数据,时间2000年1月份至2020年12月份，分辨率500 m，来源：NASA官方数据下载网站，对遥感影像进行几何校正、大气校正、镶嵌、裁剪等处理。MODIS数据有着光谱范围宽、波段多、接收相对简单、数据更新快等优势，现已被广泛应用于气候学、环境监测、地质勘查和土地面积变化研究等方面。

土地利用数据来源于Landsat卫星30 m分辨率的遥感数据在ENVI进行监督分类，结合2 m分辨率的高分遥感数据进行目视解译和精度验证，分类标准参照全国生态遥感监测土地利用/覆盖分类体系，将土地利用分为水田、旱地、林地、草地、水域、建设用地、以及未利用地，最后得出研究区2020年土地利用现状图。

3.2 数据处理

所有数据以空间分辨率为30 m×30 m进行重采样，并且统一坐标系，方便后期处理。运用ENVI中的工具将MODIS数据中的数据文件提取出来并转化成.dat或.tif格式，即可在ENVI中打开。需要注意的是MODIS13产品在ENVI中提取的NDVI影像阈值在-999～1.0000之间，其中NDVI<0的值主要表现为积雪、裸地、水体等非植被覆盖类型地物，NDVI>0表现植被信息。本次研究是利用ENVI插件MTCK，将MODIS数据中的NDVI波段提取出来。NDVI提取出来之后计算NDVIsoil与NDVIveg的数值(NDVIsoil是代表无植被覆盖区域的NDVI值，NDVIveg代表完全由植被所覆盖的NDVI值)，接着带入公式，计算原理如下[15]：

FVC=0，当NDVI

燃气炉分为餐厅内布线和使用一次性炉子两种形式。有关业内人士介绍，我国消防部门已经明令禁止使用可重复充气的“小煤气罐”作为火锅燃具。目前，国家允许的方式只有前期布线至每张桌子的方式，或者封闭的一次性使用的符合国家认证的燃气炉。

FVC=1，当NDVI>NDVIveg时；

FVC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)，当NDVIsoil<=NDVI<=NDVIveg时。

之后将NDVI栅格添加到ArcGIS中，打开栅格计算器，然后带入公式，经过计算之后再对数据进行分级分类即可。

通过GIS与ENVI技术来计算植被覆盖度并提取归一化植被指数。赤水河流域的植被覆盖与其NDVI值具有很强的正相关性，NDVI值越高的区域，植被覆盖状况也高。

土地利用数据主要利用高分辨率影像结合野外调查对典型区域进行验证，对解译不正确的地方重新进行修正使分类精度提高，最终验证精度为87.45%。最后通过ArcGIS软件进行专题图制作，即生成2020年赤水河流域土地利用图(图1)。

图1 研究区2020年土地利用现状空间分布

3 结果与分析

3.1 赤水河流域土地利用

根据解译结果得出赤水河流域2020年土地利用空间分布图(图1)，从空间分布来看， 林地是赤水河流域的最主要的土地利用类型，分布范围最广，其中赤水河流域北部赤水市、习水县分布最多; 水田集中分布在赤水河流域下游，在赤水河河谷零星分布; 旱地在赤水河上游分布广泛，上游分布面积多于下游; 草地和城乡建设用地多沿赤水河河谷分布。

在ArcGIS中统计各地类的面积和占比(表1)，结果显示，赤水河流域林地面积最多，占比为59.73%，占据了研究区面积的大部分。其次是旱地、水田、建设用地分别占27.39%、7.96%、3.75%，未利用地最少，占比为0.03%。

表1 各类土地利用面积统计

结合植被覆盖度和土地利用数据，进行空间叠置分析，将植被覆盖度分为5个值域阶段，不同的值代表植被覆盖的等级不同，并且所对应的土地利用也有所区别，如表2所示，建设用地等植被覆盖度较低，林地、草地等植被覆盖度较高。

表2 不同植被覆盖度土地利用类型

4.2 FVC月变化趋势

如图2，在各地类中，各月份之间植被覆盖度的变化趋势一致，但建设用地、未利用地值相较于其他偏低，在3月份以前建设用地的植被覆盖度高于未利用地，3月份以后低于未利用地直至11月份。在7种地类中，林地的植被覆盖度一直居于较高水平，植被覆盖度从1～12月份均高于其他地类。从图2中可以得出2～5月份是其生长期，植被覆盖度呈上升趋势，说明这段期间经过季节的更替，气候、水分等条件改善使得植被生长效果明显。

图2 1～12月份不同土地利用的植被覆盖度

4.3 FVC季节性变化/趋势分析

为有更加直观的对比效果，本研究提取一年中不同季度的植被覆盖度来评价对比，主要对比研究一年中四季的植被覆盖度变化的特点。研究不同季节之间的变化规律和土地利用的关系。本文采用不同时相的数据为将各月份的数据按照1～3月份为春季，4～6月份为夏季，7～9月份秋季，10～12月份为冬季，然后在ArcGIS中取不同月份出现次数最多的值作为该栅格的值，最终确定某季节的植被覆盖度值域范围。

4.3.1 春季至夏季变化

通过获取的各月份的数据进行处理后，再对不同季节的数据进行地图代数运算，得出不同季节动态变化数据，在ArcGIS中进行绘制，得到春季至夏季植被覆盖度变化分布空间图(图3)。

图3 研究区春季至夏季植被覆盖度变化分布

由表3可得，不同的土地类型在季节的交替的过程中虽有所增减，但是总体上春季到夏季各种地类的植被覆盖度呈增加趋势，增加的面积远大于减少的面积。赤水河流域处于季风气候，夏季多雨，因此在夏季时期，总体植被覆盖度较高。

表3 春季至夏季不同土地利用植被覆盖度变化面积 km2

4.3.2 夏季至秋季变化

从空间分布图4来看，较上一个季度而言，夏季至秋季的植被覆盖度减少的范围和面积都在扩大和增加，减少的面积新增加了1483.50 km2。增幅较大主要体现在林地、旱地、建设用地，分析其原因主要是该季节农作物基本已经收割，会造成植被覆盖度的减少；也体现了随着季节的更替植被的变化特征。

图4 研究区夏季至秋季植被覆盖度变化分布

由表4可得，夏季至秋季植被覆盖度总体上依然处于增加的状态，但是增幅有所减弱，其中林地和耕地的变化幅度最大。林地是该流域范围内最主要的土地利用类型，所以林地在其中起主导作用，面积占比也最大。

表4 夏季至秋季不同土地利用植被覆盖度变化面积 km2

4.3.3 秋季至冬季变化

从空间分布可直观得出，赤水河流域在该时间段，植被覆盖度整体上呈减少趋势，而在该时间段植被呈增加的区域大多是林地，其他地类均呈现大幅度减少的情况(图5)。

图5 研究区秋季至冬季植被覆盖度变化分布

由表5可得，秋季至冬季植被覆盖度呈减少的状态，其中未利用地的植被覆盖度均在减少，没有增加。赤水河流域处于季风气候，冬季寒冷少雨，冬季时期，植被覆盖度普遍处于较低值，特别是在流域以东和西南方向更为明显，其次是流域的北部植被覆盖相比其他区域的植被覆盖减少得较少。

表5 秋季至冬季不同土地利用植被覆盖度变化面积 km2

除了季节的影响，人类活动对植被覆盖同样存在着影响，人类对自然环境的破坏，主要是通过扩大基础设施的建设，占用林地，过度捕捞以及乱排乱放废水废气等，破坏着生态环境进而影响植被覆盖度的变化。相关政策与人类活动影响着流域内的植被覆盖，分析近年来关于赤水河流域的相关政策以及人类活动，得出政策对植被覆盖变化起到了很大的推动作用，特别是设立一些国家公园、保护区以及对周围可能会造成污染的企业进行实时监管等，在一定程度上可保护当地环境。随着社会的发展人类的思维发生转变，要坚持可持续发展，保护生态、对生态环境进行动态监测显得越重要，因此可靠的数据可提供更有利的支持。

5 结论

本文通过多源遥感数据借助GIS和ENVI数据处理平台，得出2000～2020年多年月平均数据，从而分析不同月份、不同季节、在不同土地利用下植被覆盖度的动态变化规律，得出赤水河流域植被覆盖度具有较鲜明的季节性特征，得出主要结论如下。

(1)赤水河流域主要以较高植被覆盖为主；在靠近河流边界的植被覆盖较低。不同季节，植被覆盖度随着季节的变化有所增减，增减幅度符合当地气候和实际特征，各月份之间植被覆盖度的变化趋于一致。

(2)气候变化对植被覆盖的影响较为直接和明显；气候湿润时期，降水量适中，土壤和大气环境适宜，植被覆盖度高。气候寒冷干燥时，降水量小，蒸发量大，土壤干燥，缺少植物正常生长需要的水分，影响植物的成活率，导致植被覆盖降低或者是无植被覆盖。

(3)人类活动以及政策对植被覆盖变化起到很大的推动作用，改变着人们的活动与生产，人类活动一定程度上影响环境的变化，从而影响着植被覆盖。人类活动可以改善环境，如植树种草，绿化荒山，防治水土流失和石漠化等措施可以增加区域的植被覆盖。但也有为了扩大生产等活动，进行基础设施建设，就会破坏周边环境，导致植被覆盖度降低。