基于Landsat 卫星遥感的2000年～2020年天山区植被覆盖时空变化研究

迪力穆拉提·司马义，麦麦提吐逊·麦麦提，奥布力亚森·艾力木

（1.新疆喀什市水利局,新疆 喀什 844000；2.新疆英吉沙县水利局,新疆 英吉沙 844500）

0 引言

植被是大陆生态环境有着关键作用,是空气—水分—土壤的连接纽带[1],亦然反映区域自然生态系统质量的良好标志。城市绿化率与植被多样性对区域空气温湿度调节和防治水土流失等有至关重要的作用[2]。但城市化速度的加快和经济发展的提高,城市生态环境系统和植被覆盖率带来一系列问题,也对植被生长的长期性带来一定程度的威胁[3]。本文以天山区为研究区,使用Landsat 系数据,运行相关分析工具及模型、方法,解译天山区植被覆盖度的时空动态演变规律,对于区域科学指导今后的城市规划与生态环境建设有一定的参考价值。

1 研究区概况

天山区,新疆乌鲁木齐市下辖区,总行政区域面积为170.786 km2, 南北长、东西宽分别为25 km 和9 km, 下辖18 个街道片区,区内主要河流与水域为从北往南纵穿的乌鲁木齐河和水上乐园、红雁池及乌拉泊水库,气候具有中温带半干早大陆性气候特征,寒暑变化较大,多年平均降雨量为≤200 mm,海拔高程约为865.65 m～1282.55 m,其研究区平面图见图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

本文综合分析与考虑外界影响因素,8 月～9 月时段选用2000年～2020年三期Landsat 系数据,云量均小于6%（云均研究区外）。运行ENVI 与ArcGIS 进行预处理等解译前期准备工作。三期2000年～2020年的土地利用数据从中科院地资所官网下载（https://www.resdc.cn/）。其余的数据来源于新疆与乌鲁木齐市统计年鉴、水资源公报及政府官网。

2.2 NDVI 计算

NDVI（归一化植被指数）计算方法见式（1）：

式中：NIR与R 分别为Landsat 系的近红外波段值与红外波段值[4]。

2.3 像元二分模型

IFVC（像元二分模型）计算公式见式（2）：

式中：INDVIveg与INDVIsoil分别为完全覆被与裸地或无覆被像元NDVI 值[5]。

其中INDVIveg与INDVIsoil取值分别为NDVI 累计值的95%与5%。取值范围分别为极低（0～20%）、低（20%～40%）、中（40%～60%）、高（60%～80%）与极高（80%～100%）[6]等5个等级。

2.4 植被平均覆盖度

利用加权平均法进行计算平均平均植被覆盖度[7]。对应值分别为极高（IFVCⅤ）、高（IFVCⅣ）、中（IFVCⅢ）、低（IFVCⅡ）与极低（IFVCⅠ）。计算公式见式（3）：

2.5 影像差值法

为了解译不同时隔之间的动态变化状况,通过影像差值比较法计算不同时期植被覆盖变化量Δ FVCg ,若差值等于、大于与小于零分别代表植被覆盖未变化、增大与减小。计算公式见式（4）：

式中：IFVCg_t2与IFVCg_t1分别表示前与后期植被覆盖度等级。

对三个时隔进行影像差值比较,差值结果划分为七个等级,其中阈值负数在[-1,0）分三个等级、阈值等于零一个等级与阈值正数在（0,1] 分三个等级[7]。

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 建立像元二分模型运行ENVI 计算出2000年～2020年的三期植被覆盖度,并按照阈值分割标准划分得到天山区的三期植被覆盖度空间分布影像图。如图2 所示,极高与高植被覆盖度集中于区中部西侧和区西南部,呈小面积分散式分布,中与低植被覆盖度汇聚于极高与高植被覆盖度外围及区东部,呈大面积片状分布。

图2 天山区2000年～2020年植被覆盖空间分布

从不同级别分析图3（a）可知,天山区近21年期间总覆盖面积（不包括极低覆盖面积）、极高覆盖面积、中覆盖面积和低覆盖面积整体都减小趋势,高覆盖面积总体上稳定,极低覆盖面积整体增加趋势。在2000年～2020年天山区3 个时期覆盖面积统计结果中,总覆盖面积由2000年的136.81 km2减小至2020年的78.91 km2,面积减小57.91 km2,降幅为42.33%,接近减小一半面积；极高覆盖面积变化有波动,先增加后减小,2010年面积达到最大（15.05 km2）,由2000年的12.70 km2减小至2020年的5.39 km2,面积减小7.30 km2,降幅为57.53%,超出一半面积；中覆盖面积由2000年的23.84 km2减小至2020年的17.84 km2,面积减小6.00 km2,降幅为25.16%；低覆盖面积由2000年的92.11 km2减小至2020年的46.28 km2,面积减小45.84 km2,降幅为49.76%,减小面积占一半；高覆盖面积由2000年的8.17 km2增加至2020年的9.40 km2,面积增加1.23 km2,增幅为15.07%；极低覆盖面积由2000年的34.15 km2增加至2020年的92.05 km2,面积增加57.91 km2,降幅为169.59%,增加面积超过1.5 倍。不同时间段分析,总、极高、高、中、低与极低覆盖面积分别2000年～2010年与2010年～2020年增幅分别为-23.55%、18.54%、23.39%、-17.25%、-35.15%、94.49%与-24.56%、-64.17%、-6.74%、-9.56%、-22.53%、38.69%。

图3 天山区各个覆盖等级面积、植被平均覆盖度和NDVI均值变化

天山区不同时期植被平均覆盖度与NDVI 均值变化趋势图3（b）中可知,三期植被平均覆盖度呈增加趋势的同时,NDVI 均值也上升趋势,二者拟合有度值R2分别为0.978、0.9436,植被平均覆盖度值由2000年的2.258 减小至2020年的1.770,两者成反比关系。不同时间段分析,NDVI 均值由2000年的0.165 增加至2020年的0.193。不同时间段分析,植 被 平 均 覆 盖 度 与NDVI 均 值2000年～2010年、2010年～2020年与2000年～2020年增幅分别为-6.60%、10.55%,-16.06%、5.61%,-21.59%、16.74%。

3.2 植被覆盖度空间动态变化特征

为了揭示与分析天山区植被覆盖度动态变化情况,利用影像差值比较法计算天山区2000年～2020年植被覆盖绝对变化,差值结果小于0 表示减小、大于0 表示增加与等于0表示未发生变化。

揭示与分析结果可知（图4 与表1）,天山区植被覆盖变化呈不同面积的增加、减小与未发生变化。联合天山区覆盖空间与绝对变化量空间分布整体分析可知,不变区基本以极低覆盖等级区为主,覆盖增加区基本以低、中与极高覆盖等级区域为主。从三个时期揭示可知,2000年～2010年植被减小区域面积小于增加区域面积,其中轻度改善区（+1）占的面积比例最大,然则增加区与减小区展布状况分别为分散与集中；延安路街道、团结路街道与黑甲山街道交接处、赛马场街道中部植被有所极度与中度为主改善,其余区域轻度改善为主；乌拉泊水库西边、红雁街道最西南处与最北处、红雁池水库西侧与东侧植被明显严重与中度退化为主,其余区域轻度退化为主。2010年～2020年,覆盖面积以增加为主,除了红雁街道最北处、红雁街道与燕儿窝街道交接处大面积片状和小面积破碎式减小以外,其余区都不同程度碎片式增加,尤其是轻微改善为主。纵观2000年～2020年天山区覆盖面积总体增加,且以乌拉泊水库南侧、燕儿窝街道西侧、延安路街道西侧较为突出,其余轻微改善区为主；减小区域除了红雁池水库周围区、乌拉泊水库西侧、红雁街道最南侧与北侧显著外,其余碎片式减小。综合分析可知,天山区植被覆盖空间动态变化存在一定的时隔性和地域性差别。

表1 2000年～2020年天山区不同时隔的植被覆盖度空间等级量化面积变化

图4 天山区2000年～2020年植被覆盖度绝对变化量空间分布

3.3 土地利用结构变化

使用中科院地资所官网提供的数据进行裁剪得到2000年～2020年三期的天山区土地利用结构演变与空间分布状况（图5 和表2）。

表2 2000年～2020年天山区不同时隔的土地利用类型面积及所占比例

图5 天山区2005年～2020年4 个时期土地利用类型空间分布

从图5 的2000年～2020年三期的天山区土地利用空间动态分布状况可知,2000年天山区林地主要片状分布在燕儿窝街道南北,到了2010年、2020年林地全部转化为城市建设地、草地与耕地,其中转为城市建设地占比最大；2000年天山区未利用土地主要片状分布在红雁街道最西侧, 在2010年与2020年未利用土地都转化为城市建设地与水域,其中转为水域占比最大；未利用土地与林地转移相比其他土地类型转化状况中最突出。

从表2 可以看出各个土地利用类型面积及所占比例,耕地和建设用地面积增加趋势,此中耕地面积由2000年的1.26 km2增加至2020年的5.30 km2,增加了4.04 km2,增幅为320.6%；建设用地由2000年的51.59 km2增长至2020年的75.77 km2,增长了24.18 km2,降幅为46.9%。林地、草地、水域与未利用土地面积都呈减小趋势,其中林地面积2000年为12.10 km2,2010年与2020年都等于零；草地由2000年的95.62 km2减小至2020年的81.96 km2,减小了13.66 km2, 降幅为14.3%；水域面积相比其他土地类型相对稳定,2000年面积最大,2010年面积最小,纵观2000年～2020年期间面积减小了0.43 km2, 降幅为5.2%；未利用土地面积2000年为2.04 km2,2010年与2020年都等于0。

4 结论

（1）近21年,天山区植被覆盖面积总体上明显减小的同时,植被覆盖度显著下降。2020年相比2000年植被覆盖总面积减小了57.91 km2,降幅为42.33%。从不同覆盖等级分析可知, 极高植被覆盖面积变化有波动, 先增加后减小, 近21年减小了7.30 km2,降幅为57.53%；高植被覆盖面积整体稳定；中与低植被覆盖面积总体都均呈减小趋向,增长面积分别为6.00 km2和45.84 km2,降幅分别为25.16%和49.76%；裸地或极低覆盖面积增加较明显,增加面积为57.91 km2,增幅为169.59%。

（2）天山区植被覆盖空间动态变化存在一定的时隔性和地域性差别。从时隔性差别发现,2010年～2020年覆盖面积主要以轻度改善区为主；从地域性差别发现,乌拉泊水库南侧、燕儿窝街道西侧、延安路街道西侧增加较为突出,红雁池水库周围区、乌拉泊水库西侧、红雁街道最南侧与北侧减小显著。

（3）近21年,天山区林、草、水域与未利用土地面积都呈减小趋向,耕地和建设用地面积增长趋向。其中未利用土地与林地面积2020年变为0,建设用地面积增长率格外最显著。