基于NDVI的植被覆盖度的变化分析_以甘肃省张掖市甘州区为例_周兆叶

25卷12期Vol.25.No.12草业科学PRATACULTURALSCIENCE2312/2008基于NDVI的植被覆盖度的变化分析)))以甘肃省张掖市甘州区为例周兆叶,储少林,王志伟,陈全功(兰州大学草地农业科技学院农业部草地农业生态系统学重点实验室,甘肃兰州730020)摘要:为了分析张掖市甘州区自1987-2006年19年间的植被覆盖的变化,以归一化植被指数(NDVI)和植被覆盖度遥感定量模型为基础,以1987年、2006年2期的TM影像和张掖市1B10万地形图为数据基础,提取两期的植被覆盖等级图,定量的分析该地区植被覆盖度的变化情况。结果表明:近19年来,该区的植被盖度总体略呈下降趋势,荒漠化草地等植被覆盖状况较差的地区植被退化较为严重,绿洲地区的植被覆盖较为稳定,部分地区植被盖度呈上升趋势。关键词:甘州区;NDVI;植被覆盖;遥感中图分类号:TP79文献标识码:A文章编号:1001-0629(2008)12-0023-07*植被对生态环境具有指示作用,美国植物生态学家克勒门认为,/每一个植物或群落可以判断它们生长其中的条件的尺度0[1]。在自然诸因素中,植被是依赖性最大的一个因素,它对其它因素(气候、地形、地貌、土壤、水文条件等)的改变最敏感,所以它能很好的指示绿洲地区生态环境的变化[2]。因此,研究绿洲地区植被覆盖度的变化对于了解该区域的生态环境变化具有重要的现实意义。提取植被信息的传统方法是样本估算法,即在研究区内抽取一定数量的样本区域,通过测算样本区域的植被覆盖度来推算整个区域的植被覆盖度。但植被覆盖度存在明显的时空差异,这种传统的方法既耗时耗力又容易产生较大的误差,不利于大范围、多时相植被信息的提取。而采用遥感量测法可以快速的、大范围的提取植被信息。遥感量测法即利用遥感技术提取研究区的植被光谱信息,再将其与植被覆盖度建立相关关系,进而感影像数据,参考地面资料,借助遥感图像处理软件ERDASIMAGINE9.0图像分析软件ArcGIS9.1,提取张掖市不同时期的植被指数,把植被指数的值归一到0~255,根据土地利用类型图及灰度值与植被覆盖度的对应关系得到不同时期的植被覆盖等级图,定量分析该区植被覆盖度的多年变化,以期为进一步的生态恢复和重建工作提供参考和借鉴。1研究区概况张掖市甘州区位于甘肃省河西走廊中部,地处东经100b6c~100b52c,北纬38b32c~39b24c,南枕祁连山,北依合黎、龙首二山,是西部丝绸之路上重要的历史文化名城。该区总面积3698km2。张掖绿洲是河西最大的内陆河)))黑河流域中游地区,张掖绿洲是河西著名的三大农牧绿洲(武威绿洲、酒泉绿洲、张掖绿洲)之一,既属于西北绿洲又属于北方农牧交错带的典型地区[4]。其植被覆获得植被覆盖度[3]。归一化植被指数(theNor-盖变化会影响全流域的生态环境,黑河流域下游malizedDifferenceVegetationIndex,NDVI)ND-VI=(NIR-VIS)/(NIR+VIS)中,NIR表示近红外波段的反射率,VIS表示可见光波段的反射率。越健康的植物,红光反射值越小,红外反射值越大,其比值越大。以河西最大的内陆河)))黑河流域中游地区的张掖市甘州区为研究区域,采用多时相TM遥孕育着额济纳绿洲,它肩负着中国北方生态环境保护的重任。甘州区绿地面积占整个张掖绿洲面积的20%,主要耕作土壤为绿洲灌淤土,耕地土*收稿日期:2008-01-08作者简介:周兆叶(1982-),女,甘肃靖远人,在读硕士生。EËmail:[e-mail]通讯作者:陈全功PRATACULTURALSCIENCE(Vol.25.No.12)12/2008壤养分居全国中等水平,对发展农业生产具有得天独厚的条件[5]。所以对张掖甘州区的植被覆盖变化进行动态监测有着重要的生态及现实意义。2研究方法2.1数据来源主要包括1987年8月、2006年8月的TM影像、甘州区1B10万地形图。上述2个时期的遥感影像数据均摄于植被生长比较好的9.1空间分析模块下的掩膜工具以张掖市甘州区行政区划图的边界作为掩膜图层,提取甘州区行政范围内的影像数据。直方图匹配:对图像查找表进行数学变换,使一幅图像某个波段的直方图与另一幅图像对应波段相似,或使一幅图像的所有波段的直方图与另一幅图像所有对应波段相似,常用于多时相遥感[6]时期,能够较好的代表研究区植被的生长状况。图像动态变化研究的预处理工作。研究将1B10万地形图用于纠正影像。不同时相影像的选取使植被状况具有可比性。2.2遥感图像预处理预处理主要包括几何纠正、投影转换、研究区域的裁切、不同时相遥感影像直方图匹配等工作。几何纠正:根据甘州区1B10万地形图,运用ERDASIMAGINE9.0软件下的自动精纠正工具对遥感影像进行几何纠正,采用二次多项式拟合法进行影像配准,然后运用临近点插值法进行重采样,均方根误差控制在0.5个像元以内。投影转换:为了使陆地卫星数据资料与地面辅助图形的空间参考信息一致,必须进行投影转换,本文采用横轴墨卡托投影。研究区域裁切:根据研究需要,用ArcMap2006年的影像与1987年的影像匹配。2.3NDVI的计算及其与土地利用类型转换2.3.1NDVI的计算NDVI是目前应用最广泛的一种植被指数,NDVI的变化在一定程度上能代表地表植被覆盖变化情况[7]。NDVI的值在-1~+1变动,无植被的裸土地区,NDVI值很低,近于0;而植被密度较高的区域,NDVI的值较高,大于0.7;水域为负值[7]。NDVI是植被生长状况及植被空间分布密度的最佳指示因子,与植被覆盖分布呈线性相关[8,9]。因此,研究采用NDVI。在ERDASIMAGINE9.0软件的光谱增强模块中用indices命令对TM影像进行NDVI计算,得到研究区不同时相的NDVI灰度图(如图1所示)。图1甘州区植被指数灰度图24草业科学(第25卷12期)12/20082.3.2NDVI值与植被覆盖等级的转换要使植被指数能够定量的反映植被信息,必须赋予ND-VI值以相应的植被覆盖含义[10]。由于植被指数既反应了特定景观中群落面积同景观总面积的比例关系,也反映了植物群落层片结构的特点,既反映了植被的盖度分布,同时也间接反映了植物的生物量高低[11,12]。把植被指数转换为植被覆盖等级,实际上是对植被指数进行综合和简化,对于植被生态景观面积变化的定量评价更为直观[13]。为了便于显示和计算,利用公式NDVI0~255的值在0~128时,近红外波段对植被的反射值很低,地物类型基本为:荒漠、戈壁、水域和居民区等无植被的地区;NDVI0~255的值在129~255时,像元灰度值与植被覆盖程度正相关,像元灰度值越大,植被覆盖程度越高[14,15]。根据国家环保局2005年生态遥感监测与评价工程成果之一)))甘州区土地利用类型矢量图及图像灰度值直方图,以及国家/土地利用现状调查技术规程0,全国/草场资源调查技术规程0,/全国沙漠类型划分原则0的有关条款为指导[16,17],[18]aNDVI-NDVIminMDVI0~255=@255并结合干旱区植被特有的生态特征,将像元灰NDVImax-NDVImin度值分级并使其与土地利用类型相对应。式中,NDVI0~255表示归一为0~255的植被指数值;NDVImin、NDVImax分别表示最小、最大归一化植被指数值。把NDVI的值归一到0~255。根据表1中像元灰度分段值,将0~255的NDVI值灰度图进行分级,如图2。表1像元灰度值与植被覆盖等级对应表级别像元灰度值分段植被覆盖度土地利用类型覆盖等级一级191~25560%密灌木地、密林地、灌木林地等优等覆盖二级三级四级156~190139~155129~13830%~60%15%~30%5%~15%优良耕地、潜在退化土地、高盖度草地、林地等中低产草地、固定沙地、滩水地等荒漠草地、稀林地、零星植被等良等覆盖中等覆盖差等覆盖五级128以下5%以下荒漠、戈壁、水域和居民区等劣等覆盖图2甘州区植被覆盖等级图25PRATACULTURALSCIENCE(Vol.25.No.12)12/20082.2计算各级各时相植被覆盖的面积各时相影像的灰度图的栅格值被赋予1~5的属性值,为了统计各类的面积,将其转换为矢量图层,在ArcMap9.1软件中计算各图层的面积。各时相各类别的面积统计见表2。表2的数据表明:19年间,该区各类别植被面积发生较大的变化,其平均变化量达46.08%,其中二级、五级植被面积增加,其变化率分别为36.32%、53.51%。一级、三级、四级植被面积均减少,其变化率分别为54.81%、37.01%和46.32%。说明植被状况的退化与好转并存,人类活动的破坏与改善并举。但变化量只能衡量总体变化情况,并不能说明各类别之间的转移情况。2.3不同等级植被覆盖的动态变化在ArcMap9.1空间分析模块下运用TabulateArea工具,对2期植被盖度等级图进行运算,得到1987-2006年各植被覆盖等级面积的转移矩阵。转移矩阵可定量地描述各类别之间的相互转移情况。1987年级别表21987、2006年各级植被覆盖的面积及所占比例2006年变化量面积(km2)百分比(%)面积(km2)百分比(%)面积(km2)百分比(%)一级139.243.7762.921.70-76.3254.81二级600.8216.25819.0722.15218.2536.32三级493.9213.36311.128.41-182.8137.01四级1279.9934.61687.0518.58-592.9546.32五级1184.2232.021817.8649.16633.6353.51表3、表4的数据表明:一级植被主要转移为二级,也有部分植被由二级转为一级,但后者仅有前者的1/3,说明对灌木等优良植被的破坏大于治理。二级植被主要转出为三级植被,转移面积为106.97km2,但小于主要由三级转入的173.19km2。三级植被主要由二级植被转入,占其转入量的48.75%,但162.50km2的三级植被转出为五级,说明三级植被的退化比较严重。四级植被主要转出为五级植被,转移量达760.56km2,荒漠草地等植被覆盖很差的地区极易退化为荒漠等。五级植被中有101.76km2转出为四级植被。表31987-2006年各植被覆盖等级面积的转移矩阵一级二级三级四级五级级别面积百分比面积百分比面积百分比面积百分比面积百分比(km2)(%)(km2)(%)(km2)(%)(km2)(%)(km2)(%)一级11.047.936.036.011.522.34.370.32.430.2二级104.9576.4394.5465.7173.1935.192.047.351.854.4三级14.0211.1106.9717.893.2918.756.504.441.933.5四级3.892.849.218.2162.5032.7364.1428.5101.768.6五级2.501.814.162.355.3211.2760.5659.5986.9283.3表41987-2006年各级别转出、转入情况类项一级二级三级四级五级转出面积(km2)125.36206.37402.53913.47197.96转入面积(km2)54.35422.03219.42317.3683.25主要转出面积(km2)104.95106.97173.19760.56101.76百分比(%)83.7251.8343.0383.2651.40主要转入面积(km2)36.03173.19106.97162.50760.52百分比(%)66.2941.0448.7551.2091.352612/2008草业科学(第25卷12期)3结果分析3.1各时相各覆盖等级的总体变化不同等级植被覆盖的变化既有正向变化也有负向变化,但计算总体变化数据,负向变化略强于正向变化,该区植被覆盖总体略呈下降趋势。表2的统计结果表明:减少