呼和浩特市和林格尔县植被覆盖度变化遥感监测

刘玉茹,卫亚星*

（辽宁师范大学地理科学学院,辽宁 大连 116000）

引言

随着对生态环境的高度重视, 人们也开始更多的关注植被,植被是生态系统的重要组成部分。植被覆盖度是指在一定面积内植被的叶、茎、枝在地面的垂直投影面积占统计区总面积的百分比[1-3]。植被覆盖度反映植被的茂密程度,并且反映地面植被的生长趋势,它是反映植被的重要数据[3]。

运用遥感数据影像,以及植被的植被指数相结合,利用植被指数可以分析不同植被的生长情况以及分布的地理位置。本研究基于Landsat TM/OLI 影像数据,采用像元二分法反演植被覆盖度;用趋势线分析法分析了植被覆盖度的年际变化特性。

1 研究区概况

和林格尔县是内蒙古自治区呼和浩特市所辖旗县之一,是内蒙古自治区中部地区,见图1。介于39°58'N-40°41'N,111°26'E-112°18'E 之间。和林格尔县地势东高西低、南高北低。东部和南部是山区。西部和北部为平原,地势平坦。和林格尔县地形多样,有高山、丘陵、河流,有“五丘三山二分川”之称。和林格尔县属中温带大陆性季风气候,气候干旱、多风、寒冷,日照充足,温差大。

图1 研究区示意图

2 研究数据与方法

2.1 数据来源与预处理

本研究选用遥感数据是基于地理空间数据云网站（http: //www.gscloud.cn/）所获得的遥感数据,提取呼和浩特市和林格尔县分辨率为30 m 的五景数据,分别为1999 年8 月31 日、2004 年8 月28 日、2009 年9月27 日的Landsat5；2014 年8 月24 日、2020 年9 月25 日的Landsat8 OLI,条带号为126,行编号为32,云量均小于0.3%。数据预处理包括对影像进行按掩膜提取、辐射定标和大气校正。

2.2 研究方法

本研究采用的方法是像元二分法,该方法将像元分为均一像元和混合像元两种[4]。

式中,NDVIv 为有植被,NDVIs 为裸土,Ci 为植被覆盖度。通过公式(1),得到Ci 如下：

计算植被覆盖度FVC 的公式可表示为[7]：

式中,NDVIsoil为裸土或无植被覆盖; NDVIveg为完全植被覆盖,这两个值都会随着植被的时空分布变化而变化[8-10]。本研究选择的是5%和95%的置信度区间上的值。

植被覆盖度的年际变化分析,好多学者都采用一元线性回归趋势分析法模拟植被覆盖度的变化趋势[3,9,11]。对研究区1999-2020 年的植被覆盖度变化规律进行分析,用一元线性回归趋势分析得到1999-2020年和林格尔县植被覆盖度变化趋势。

3 结果与分析

3.1 植被覆盖度时间变化特征

参考相关文献[6,8],以及结合和林格尔县的植被覆盖度情况,重分类为5 级,包括极低植被覆盖度（0-0.2）,低植被覆盖度（0.2-0.4）,中低植被覆盖度（0.4-0.6）,中植被覆盖度（0.6-0.8）,高植被覆盖度（0.8-1.0）。

通过ENVI 软件,得到和林格尔县的植被覆盖度,对年平均植被覆盖度数据进行一元线性回归拟合,见图2。结果表明,1999-2020 年和林格尔县年平均植被覆盖度呈上升趋势,增速为0.022 9/a,R2 为0.181 4。在2004 年出现了较大的浮动,其年平均植被覆盖度为最高值0.491。在研究的时间范围内,1999年的年平均植被覆盖度最低为0.353,2020 年的年平均植被覆盖度为0.465,增加了0.112。

图2 1999-2020 年植被覆盖度变化趋势

根据年植被覆盖度,进行重分类,分 别 统 计 了1999 年、2004 年、2009年、2014 年和2020 年这五年的植被覆盖度等级的面积占比以及面积的总数,对各植被覆盖度的面积时间变化情况进一步分析。如表1 所示,1999-2020 年和林格尔县的极低植被覆盖度面积较大程度的减少,从1 471.68 km2, 占 比42.69% 减 少 到467.34 km2占比13.56%,减少约1 000 km2,占比约30%,其中2009 年出现了增加趋势,由2004 年的15.56%增加到30.31%。低植被覆盖度总体面积是增加趋势,由最早的14.39%增加到28.90%,其中2014年低植被覆盖度的占比是其全年最多的,为30.69%。中低植被覆盖度在研究的时间内,面积占比增加约20%,其中2004 年和2020 年的占比增加最多,同时也是其年内植被覆盖度占比最大值。中植被覆盖度在1999 年时的面积占比为8.03%,到2020 年为14.44%。与其他等级不同,高植被覆盖度的面积随着时间增加而减少。1999 年的23.77%,占全年的50%,到2020 年,占比减少到13.61%。从整个数据中可以看到,2020 年的植被覆盖度较为均匀,低植被覆盖度和中低植被覆盖度占一多半。

表1 1999-2020 年和林格尔县植被覆盖度面积统计

3.2 植被覆盖度空间变化特征

通过对每年的NDVI 进行波段计算,得到了1999-2020 年和林格尔县的植被覆盖度。如图3 所示,由1999 年的植被覆盖度分布图可以看出,极低植被覆盖度占主要部分,东部有一片高植被覆盖度区域。在2000 年,我国进行西部大开发,重点关注生态退耕,到2004 年,明显得到了发展,极低植被覆盖度大面积减少,转为中低植被覆盖度占较大部分,同时,北部地区的高植被覆盖度较为显著。但是,在2009 年,极低植被覆盖度再次占较大面积,不变的是北部的地区依然是高植被覆盖度。2014 年与2009 年相似,但是从极低植被覆盖度转向了低植被覆盖度和中低植被覆盖度。随着人们对于生态保护的意识越来越强,到2020 年,整个地区的植被覆盖度均匀分布,西北部有明显的高植被覆盖度,大部分地区为低、中低植被覆盖度。

图3 1999-2020 年和林格尔县植被覆盖度空间变化

如图4,1999-2020 年和林格尔县的植被覆盖度变化趋势图可以看出,植被覆盖度总体呈现增加的趋势,但是在东北部地区,有显著减少。1999-2004 年和2014-2020 年的变化趋势相近,整体为轻微增加,以及在部分地区有显著减少。从2004-2009 年变化趋势图可见,整体都存在显著减少和轻微减少,具有较大的变化。相反,2009-2014 年的植被覆盖度几乎趋于无显著变化。

图4 1999-2020 年和林格尔县植被覆盖度变化趋势空间分布

4 结论与讨论

研究了和林格尔县从1999 年到2020 年各植被覆盖度的时空变化,以及影响因素地形因子对其的影响变化。

（1） 在时间变化上,1999-2020 年和林格尔县年平均植被覆盖度呈上升趋势,增速为0.022 9/a,2014年的年平均植被覆盖度达到了最高值,为0.491。并且1999-2020 年的极低植被覆盖度的面积大幅度减少,低植被覆盖度的面积呈增加趋势,中低植被覆盖度的面积呈增加趋势,高植被覆盖度的面积呈现逐年减少趋势。

（2） 在空间变化上,研究区的植被覆盖度总体呈显著增加的趋势,高植被覆盖度分布在西北部,大部分地区为低、中低植被覆盖度,但是在东北部地区,有显著减少。