近20年成都市植被覆盖度动态变化检测及原因分析

党 青，杨武年

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059;2.成都理工大学国土资源信息技术与应用国土资源部重点实验室/遥感与GIS研究所，成都 610059)

近20年成都市植被覆盖度动态变化检测及原因分析

党 青1，杨武年2

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059;2.成都理工大学国土资源信息技术与应用国土资源部重点实验室/遥感与GIS研究所，成都 610059)

利用1992年、2001年和2009年的TM遥感数据，采用归一化差值植被指数(NDVI)和像元二分法模型得到成都市植被覆盖度变化灰度图及变化等级图，从而客观、定量地得出了近20 a来植被覆盖度的变化状况，对于成都市制订调节气候、恢复植被、预防自然灾害等城市发展规划具有实际意义。数据分析结果表明，1992—2009年间，成都市植被覆盖度呈整体下降趋势，密林地，灌木林地，高、中产草地和耕地数量减少，其中1992—2001年植被覆盖度下降速度显著;2001—2009年植被覆盖度仍有所降低但下降速度较1992—2001年明显减缓，且城区出现斑点状分布的人工绿地，小局域气候状况在不断改善中。

植被覆盖度;归一化差值植被指数;动态变化

0 引言

城市绿地面积的变化直接关系到一个地区区域环境内气候、水文、土壤状况等因子的改变。植被覆盖度是衡量地表植被状况的一个重要指标，也是影响土壤侵蚀与水土流失的主要因子，对于区域环境变化和监测研究具有重要意义。近几十年随着城市化进程的不断加快以及土地利用格局的改变，我国区域自然环境发生了较大的变化，出现了一系列环境问题。特别是近几年，自然灾害的频繁发生引起了人们对区域环境更加广泛的关注。

针对植被覆盖度变化对环境影响这一课题，国内外学者取得了不少的研究成果，其中归一化差值植被指数(NDVI)是植被生长状态及植被覆盖度的最佳指示因子［1］。

本文以成都市市区为例，分别采用了成都市1992年、2001年和2009年3期遥感图像建立像元二分模型，假设像元只由植被覆盖地表与非植被覆盖地表两部分组成，排除其他地物的干扰，突出植被与非植被区域的对比差异，提取出不同时间段内植被的NDVI值，定量计算出近20 a成都市主城区植被覆盖度的变化情况，进而对成都市整体的区域环境变化做出分析。

1 研究区概况

成都市位于四川省中部、川西平原腹地，平均海拔500 m，东界龙泉山脉，南临云贵高原，西靠邛崃山，北依秦岭山脉，城市总面积12390 km2，中心城区面积598 km2，是我国西南地区最大的现代化城市。近几年随着城镇建设规模的扩大，城市土地利用格局发生较大改变，加之人为因素的影响，导致城区植被覆盖度变化显著。研究这一区域的植被覆盖度变化对于构建更好的生态环境和进行合理的城市规划具有重要的实践价值。

2 研究方法

2.1 数据源及预处理

本文采用的数据源是Landset 5 TM数据，图像获取时间分别为1992年8月、2001年8月和2009年8月，轨道号为129/039。在进行图像解译之前，先进行了图像预处理(包括横轴墨卡托投影变换、几何纠正和研究区裁剪)。几何精纠正在图像处理软件Erdas的支持下采用同期的一景已纠正好的遥感图像选取地面控制点(GCP)，运用二次多项式法实现了图像的几何精纠正;最后根据研究区的需要，借助ArcMap 9.3空间分析模块下的掩模运算工具，以成都市城区行政边界为掩模图层，提取了成都市范围内的遥感图像数据。

2.2 像元二分模型

像元二分模型假设在一景图像数据中的像元只由植被覆盖地表与非植被覆盖地表两部分构成［2］，即传感器所获得的像元值是由绿色植被覆盖地表所贡献的信息与非绿色植被覆盖地表所贡献的信息两者之和，即

式中，s为传感器所观测到的信息;sv为植被所贡献的信息;so为非植被地表成分所贡献的信息。

假设在图像中植被覆盖地表的面积比例即为该像元的植被覆盖度av，植被覆盖地表的纯像元所贡献的遥感信息为mv，混合像元中非植被所覆盖的地表面积为1－av，非植被纯像元所贡献的遥感信息为mo，则混合像元中植被成分所贡献的信息sv为

同理，非植被成分所贡献的信息so为

将式(2)、(3)带入式 (1)，得

对式(4)进行变换即可求出植被覆盖度av［3］，即

因为NDVI是植被生长状态及植被覆盖度的最佳指示因子，其值在(－1，1)之间波动，植被密度高的地区NDVI值大于0.7，非植被地区裸地、土壤等NDVI值趋于0，水体的NDVI值则为负值，所以在像元二分模型的基础上可以通过NDVI值来估算成都市市区植被覆盖度［2］。将 NDVI带入式(5)，得

式中，NDVIv为植被像元的NDVI值;NDVIo为非植被像元的NDVI值。

2.3 植被覆盖度变化信息提取

借助Erdas Imaging软件分别对3期遥感图像计算NDVI值。因本文研究对象为成都市主城区近20 a来的植被覆盖度变化情况，故计算的范围以2009年主城区范围为准，选用绕城高速公路作为边界展开计算，并将计算结果导入ArcGIS软件［4］，得出不同时段的植被覆盖度灰度值(图1)。

图1 成都市城区不同时期植被覆盖度灰度图Fig.1 The vegetation coverage greyscale of Chengdu in different periods

依据图1中灰度值(－1，1)(由水体到荒漠、裸地到茂盛植被)区间的波动，定性分析可以看出，在1992年8月植被覆盖度灰度图上，绿色植被在整个城区所占的面积较大;在1992年8月—2001年8月间，植被覆盖度降低，尤其是三环路范围以内植被覆盖度明显减少，其原因是随着经济的发展，城市规模由一环区域扩张到二、三环区域，加之土地利用结构的调整与建设用地的增多促使耕地、林地和草地面积缩减，植被覆盖度降低;在2001年8月—2009年8月的植被覆盖度图上，植被的退化程度仍在加剧，主要集中到三环路到绕城高速公路之间。但2009年的最大灰度值大于2001年的最大灰度值，2009年的最小灰度值小于2001年的最小灰度值，表明2001年8月—2009年8月间部分裸地及覆盖率极低的地表因人为因素对其进行了改善，出现了人工种植的零散草地和绿地，提高了地表覆盖率。为了更进一步客观、准确和定量化地表达出成都主城区的植被覆盖度在不同时段间的变化数量，需要对NDVI值赋予相应的植被覆盖等级，根据不同等级在各时段间的上下浮动值展开定量分析。归一化的NDVI可用下式求得，即

式中，NDVI0～255为归一到0～255的归一化差值植被指数值;NDVImin、NDVImax分别为最小、最大归一化差值植被指数值。

根据NDVI的归一化结果，结合国家“土地利用现状调查技术规程”和“全国沙漠类型划分原则”的规定，将像元的灰度值划分为不同的植被覆盖度等级［1］(表 1)。

表1 成都市主城区植被覆盖度等级对应表Tab.1 The correspondence table of vegetation coverage grade in Chengdu

依据表1，对成都市城区植被覆盖度进行分级，结果如图2所示。

图2 成都市城区不同时段植被覆盖度等级图Fig.2 The vegetation coverage grade in Chengdu in different periods

由图2可以直观地看出，在1992年8月—2009年8月间，成都市三环路内主城区的植被覆盖度面积呈逐年减少趋势(1992年成都市城区植被覆盖度总体状况较好，在现在的二环路、三环路以内植被基本上没有被破坏);在1992年8月—2001年8月间，城区植被覆盖度变化显著，除城区南北还保存有部分较好的植被外，其余区域的植被覆盖度均大量减少;在2001年8月—2009年8月间，由于人们环保意识的加强以及对气候环境关注程度的提高，城区植被覆盖度得到部分改善，主要集中在三环路范围以内出现斑点状分布的人工绿地，小区域植被覆盖度得到改善和提高。

2.4 植被覆盖度分级分时信息统计

在完成对各个时段影像植被覆盖度的分级的基础上，利用ArcMap软件对成都市主城区不同时段各级别植被覆盖度的面积进行统计，统计结果如表2所示。

表2 成都主城区植被覆盖度面积分级分时统计表Tab.2 The area statistics table of different vegetation coverage of Chengdu in different grades and different periods

3 结果分析

3.1 各时段各等级植被盖度的整体变化

分析表2可以看出，在1992年8月—2009年8月间，一至三级植被覆盖度的面积及其所占百分比呈下降趋势，其中1992年8月—2001年8月间一级植被覆盖度由28.15%下降到0.8%，每年植被覆盖度平均减少3.04%。结合分级标准可以看出，密林地、灌木林地等优等植被覆盖度急剧减少，在2001年8月—2009年8月间由0.8%减少到0.72%，平均年减少0.016%。由此可以看出，在2001年8月—2005年8月间植被覆盖度虽有减少但减少的速度较以往发生了明显的变化。二级植被覆盖度所占百分比由1992年8月的33.08%下降到2009年8月的2.89%，三级植被覆盖度所占百分比由1992年8月的9.6%下降到2009年8月的4.29%，其中三级包含了部分由一级、二级转化过来的面积。总地来看，成都市主城区在1992年8月—2009年8月间植被覆盖度整体大规模减少，虽部分区域保存有完好的公园、植物园等绿化用地，但密林地、灌木林地和高产、中产草地等均在数量上明显减少。

3.2 变化原因分析

3.2.1 降雨量对植被覆盖度的影响

水作为植被生长所不可或缺的要素，对植被的发展变化起着至关重要的作用。统计1950—2003年的成都市降雨量变化情况发现，成都市近50多年来降雨量分阶段呈现出一定的波动性。其中，1958年的年降雨量出现一个低点(年降雨量大概700 mm)，1958—1965年间降雨量呈上升趋势(年平均降雨量从1958年的700 mm上升到1965年的1100 mm左右)，1970—1990年的30 a间年平均降雨量大致保持在900 mm上下，1992—2000年间降雨量又开始下降(近10 a间年平均降雨量下降了大约100 mm)，2000年以后至今降雨量仍在不断下降。近50多年来成都市的降雨量虽然有一定的波段性，但总体上呈减少趋势(图3)，这也是植被覆盖度减少、草场退化的主要原因之一。

图3 成都各年份降雨量变化曲线［5］Fig.3 The variation curve of rainfall of Chengdu in different years［5］

3.2.2 气温对植被覆盖度的影响

气温与植被的NDVI值呈一定的相关性，近几十年气温的平均值不断攀升(图4)，而降水量又相继减少，当气温超过植株生长的最适温度时，便会使植物的净光合作用下降;同时温度上升使蒸发量增大、土壤干化，也会对植被生长起到抑制作用。

图4 成都各年份气温变化曲线［5］Fig.4 The variation curve of air temperature of Chengdu in different years［5］

3.2.3 人口对植被覆盖度的影响

除上面提到的降雨量、自然灾害、气温等自然环境变化对植被覆盖度的影响外，人文因素对植被覆盖度的影响更为强烈和巨大。近年来成都市基础设施建设快速发展，人口数量激增(图5)对资源的需求量必然增大，不仅给资源带来巨大的压力，而且需要砍伐树木建筑住所、开垦耕地种植粮食，这些生活、生产活动直接严重地破坏了原有的植被;而生产规模的不断扩大会带来更多的废弃物，处理不当也会造成环境污染并间接影响其他的自然因素，进一步对植被的生成造成不利影响。

图5 成都各年份人口变化Fig.5 The variations of total population of Chengdu in different years

4 结论

(1)本文分析结果与研究区的实际情况较为相符，对1992年8月—2009年8月间的植被覆盖度分析得出成都市主城区的植被覆盖度呈整体下降的趋势，其中1992年8月—2001年8月植被覆盖度下降速度显著，突出表现为密林地，灌木林地，高产、中产草地和耕地数量明显减少;2001年8月—2009年8月植被覆盖度仍有所降低，但伴随着人们环保意识的不断提升，植被覆盖度下降速度较1992年8月—2001年8月明显减缓，城区出现斑点状分布的人工绿地，小局域气候状况在不断改善中。

(2)成都市植被覆盖度变化与城市化进程中基础设施建设快速发展、人口不断增长、房地产开发等人们用地需求的猛增所导致的土地利用格局的改变以及降雨量的减少、自然灾害的繁发等因素密切相关。

(3)为改变成都市植被覆盖度的下降趋势，一方面可以通过对城市旧建筑进行拆除、在城市规划中增加绿化率、部分农田退耕还林还草等直接增加城市的植被覆盖度;另一方面还应加快对一些较大污染源(如热电厂、钢管厂)的治理与改造，通过对工业废气、固体废弃物的无毒排放，控制人口数量等措施，持久地、循序渐进地提高植被覆盖度。

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Dynamic Supervision and Reason Analysis of Vegetation Coverage Changes of Chengdu in the Past 20 years

DANG Qing1，YANG Wu－nian2
(1.State Key Lab of Geo－hazard Prevention and Geo－environment Protection，Chengdu 610059，China;2.Ministerial Key Lab of Information Technology ＆ Application of Land and Resources/Institute of Remote Sensing ＆GIS，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China)

Using 1992，2001 and 2009 TM remote sensing data，the authors estimated the vegetation coverage change status of Chengdu in the past 20 years objectively and quantitatively.The study has practical significance for adjusting the climate，resuming the vegetation and preventing the natural disasters.Normalized difference value vegetation index(NDVI)was used to estimate the vegetation coverage in different periods and draw the change grayness and change levels chart of Chengdu vegetation coverage.Data analysis results show that，from 1992 to 2009，the vegetation coverage in Chengdu was overall decreasing.The quantity of dense forest land，shrub land，high and middle grass and cultivated land was decreasing，in which the vegetation coverage decreased obviously from 1992 to 2001，the vegetation coverage remained reduced from 2001 to 2009，but the speed was slower than that from 1992 to 2001.In addition，the speckle distribution of artificial greenbelt appeared in the urban area，and the small－area climatic condition was improved continuously.

Vegetation coverage;Normalized difference vegetation index(NDVI);Dynamic change

TP 79

A

1001－070X(2011)04－0121－05

2011－02－15;

2011－03－14

地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室“科技减灾、重建家园”开放研究基金项目(编号:DZKJ－0806)资助。

党 青(1985－)，女，在读博士生，主要研究方向为地球探测与信息技术。

(责任编辑:刘心季)