基于RS和GIS的山东省植被覆盖的时空演变特 征及其成因研究

GeographicalScienceResearch地理科学研究,2015,4(3),95-109PublishedOnlineAugust2015inHans.://dx.doi.org/10.12677/gser.2015.43011文章引用:刘园园.基于RS和GIS的山东省植被覆盖的时空演变特征及其成因研究[J].地理科学研究,2015,4(3):95-109.:[e-mail]:Jul.13th,2015;accepted:Jul.30th,2015;published:Aug.6th,2015Copyright©2015byauthorandHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).基于RS和GIS的山东省植被覆盖的时空演变特征及其成因研究刘园园云南师范大学，云南昆明刘园园96Email:[e-mail]收稿日期：2015年7月13日；录用日期：2015年7月30日；发布日期：2015年8月6日摘要当前山东省处于快速发展阶段，经济的高速增长以及粗放的发展模式使得山东省的土地利用方式以及植被覆盖发生了深刻变化。本论文以山东省为研究区域，利用2002年至2011年1km分辨率的MODISNDVI数据，在ENVI技术的支持下，分析了山东省植被覆盖变化情况。研究结果表明气候干旱、多元化开发以及农业耕种是导致山东省植被覆盖变化的主要原因，山东省整个区域的植被指数空间分布具有明显的地域特征，MODIS-NDVI植被指数可以用来对不同的植被种类进行监测，还可以对同种植被的不同生长期变化进行监测，本研究的研究结果可以为政府环境管理经济规划等工作提供基础信息支持。关键词RS，GIS，植被覆盖，MODIS-NDVI植被指数，山东省1.引言随着人口的增长和工业化进程的加快，人为活动与自然灾害不断地改变着陆地覆盖类型。植被是一种重要的自然资源，也是生态环境的重要组成要素，它在维护区域生态平衡和促进区域可持续发展方面发挥着重要作用。合理开发、利用与保护植被资源一直是我国植被资源研究的重点。MODIS(ModerateResolutionImagingSpectroradiometer)的空间分辨率分别能够达到250、500和1000m，扫描带宽2330km，涵盖的信息非常丰富。通过遥感技术对植物物候机理的研究分析证明，植被指数可反映植被各物候期的特征，其中对归一化差异植被指数(NormalizedDifferenceVegetationIndex,NDVI)的时间序列的分析，已成为人们研究植被变化的有效手段，被广泛应用于基于遥感影像的植被分类。遥感技术在植被、土地利用/土地覆盖以及森林的变化监测中的应用研究至今已有几十年的历史[1]。利用遥感图像可迅速、动态地获取大区域的各种信息，从而为大范围、周期性的环境动态监测提供技术支持和成果精度保证[2]。张本昀等人利用LandsatMSS和TM影像，计算了北京市植被覆盖度，并对北京山区1979~2005年间植被覆盖的变化情况进行了遥感监测和定量分析[3]。杜刚等利用MODIS-NDVI植被指数对洞庭湖的芦苇长势进行了监测，并对洞庭湖的芦苇生长范围进行了提取[4]。尹超等利用临汾市90年代和21世纪初的TM和ETM影像，基于归一化植被指数NDVI，计算出两期的植被覆盖度，并对1990年~2002年间植被覆盖的变化情况进行了遥感监测及原因分析[5]。戴俣俣等利用线性光谱混合模型对河南省三门峡地区MODIS1B影像进行植被覆盖度(fv)信息提取，将结果与反映植被覆盖度的NDVI比较，并提出在实测资料缺乏的情况下利用同期高分辨率ETM+图像对选取样本区域进行定量验证的方法[6]。叶琦等利用多时相的TERRA/MODIS影像资料比较了皖江流域NDVI和EVI的时空分布特征并分析了空间分辨率和大气校正对NDVI和EVI的影响[7]。近年来，随着遥感与GIS技术的发展，植被资源的动态变化研究将成为今后植被资源研究的一个热点问题，一些学者就此进行了有益探讨。山东省的植被资源研究主要集中于山地丘陵区和黄河三角洲地区的植物多样性与生态环境保护研究。借助于遥感技术，分析山东省植被覆盖的最新变化，探讨山东省植被覆盖变化的原因。对于合理开发、利用与保护植被资源，促进山东省可持续发展具有重要意义[8]。目前大部分GIS软件和遥感图像处理软件都是采用文件方式来管理遥感影像数据，由于遥感影像数据库刘园园97并不仅仅包含图像数据本身，还包含大量的图像元数据信息(例如图像类型，摄影日期、摄影比例尺等)，而且数据的安全性、并发控制和数据共享等都将使文件管理无法应付，因此关系数据库是目前影像数据库发展的优势选择[9]。本文选取的数据是山东省2002年至2011年间，每年六月的1km分辨率的归一化植被指数NDVI，通过对山东省近十年来植被覆盖状况的分析，我们可以比较清楚的了解山东省植被覆盖状况的走势，并且由于选取的是植被长势较好的六月份，因而分析的结果具有一定的代表性，而且通过植被覆盖状况的变话，我们也可以从侧面的了解山东省土地利用状况的变化，这些对于我们能及时了解山东省的植被分布状况以便做好充分的准备来应对洪涝干旱等自然灾害等提供指示性帮助，对于山东省更加合理的进行土地利用规划提供参考。2.研究对象与方法2.1.研究对象山东省位于中国东部沿海，地处黄河下游，介于东经114˚36'~122˚43'，北纬34˚25'~38˚23'之间。全省东西最长距离700公里，南北420公里，总面积15.67万平方公里，约占全国总面积的1.6%(图1)。山东省辖17个地级市[10]。山东省属于暖温带半湿润季风气候。山东半岛三面环海，地势中部山地突起，东部丘陵起伏和缓，西南、西北低洼平坦。全省呈以山地、丘陵为骨架，平原盆地交错环列其间的地形大势。山东省分布的地带性植被为落叶阔叶林及温带针叶林，自然植被可划分为落叶阔叶林、针叶林、竹林、灌木丛、灌草丛、草甸、沼泽植被、砂生植被、盐生植被、水生植被等10个植被型。这些植被对全省自然环境的保护起着良好的作用。山东为农业省份，农业垦殖历史悠久，除自然植被外，尚有大量人工栽培植被-农业植被。由于不同区城自然环境、社会经济条件有明显差别，土地利用特点也有很大差异，所以本研究根据山东省2002年至2011年遥感影像数据，利用ENVI软件，提取山东省植被覆盖变化信息包括遥感数据源的选取、遥感信息的提取、分析结果的分类定级、山东省植被覆盖变化信息的生成等，得出山东省植被覆盖动态变化情况。为今后制定山东省土地利用规划，合理利用土地资源，充分发挥土地的宏观社会、经济和生态效益以及对旱涝等自然灾害的及时有效规避提供科学依据。2.2.研究方法与技术路线本研究以山东省每月一幅的分辨率为1km的植被指数数据为基础，根据山东省植被生长状况，选择2002年至2011年每年六月份为研究的主要时间段。2.2.1.数据转换、获取与还原利用MODISPROJECTIONTOOL将获得的MODIS-NDVI数据转换成朗伯方位坐标。将转换后的数据进行还原并对此中的NDVI分为六个等级：(−0.3,0)(0.000001,0.2)(0.2,0.4)(0.4,0.6)(0.6,0.8)(0.8,1)。对选定的ROI区域进行统计，提取山东省02年至11年NDVI值。上述对数据的还原、统计以及分级显示等均在软件ENVI4.6中进行。2.2.2.研究技术路线技术路线(图2)具体内容如下：1)山东省植被覆盖信息的获取，包括遥感数据源选取、遥感信息提取、分析结果的分类定级、山东省植被覆盖变化信息的生成等。刘园园98Figure1.AdministrativemapofShandongProvince图1.山东省行政区划图Figure2.Technologyroadmap图2.论文技术路线图2)通过密度分割形象的表现出山东省植被覆盖情况；3)通过比较不同年份的植被覆盖情况的数据，得出各年植被覆盖变化情况，并予以分析其变化原因。3.研究结果由于NDVI负值表示地面覆盖为云、水、雪等，对可见光高反射；0表示有岩石或裸土等，NIR和R近似相等；正值，表示有植被覆盖，且随覆盖度增大而增大，因此在这里我们重点分析NDVI为正值的部分，其中百分比的统计也是用当前像元数除当年NDVI为正的像元数之和乘100%得到。由于NDVIMODISNDVI数据下载源数据格式转换转换后数据裁切裁切后数据的还原还原后数据的密度分割山东省植被指数变化综合分析植被指数变化时空分析植被指数变化的空间分布分析合理化建议的提出及展望刘园园99值小于0的值主要是代表水体、裸地等，小于0.2的表示的主要是弱植被覆盖区，而本文主要研究的是植被的覆盖情况，因而在这里主要分析NDVI值大于0.2的区域，2002年至2011年NDVI值统计表，如表1所示。各年间不同的NDVI值的像元数占当年NDVI值大于零的像元总数的百分比如图3所示。从图3我们不难看出，除02年之外，其他年份0.6~0.8区间内的植被覆盖所占的比例最大，其次是0.4~0.6区间、0.8~1.0区间，这说明在近十年的时间内山东省的植被覆盖中高植被覆盖区占主要部分，次之为中植被覆盖区，然后是密集植被覆盖区，这三者占据了山东省总面积的绝大部分。说明目前山东省的植被覆盖状况较为理想。由于2002年全省气温偏高，降水偏少，干旱严重。全省各地年平均气温在12.1℃(成山头)~16.0℃(邹城)