基于Markov模型的植被覆盖动态变化预测研究

玛丽艳姑丽·阿西穆，塔西甫拉提·特依拜，买买提·沙吾提，张 飞

（1．新疆大学 资源与环境科学学院，乌鲁木齐830046；2．新疆大学 绿洲生态教育部重点实验室，乌鲁木齐830046）

植被是干旱区生态建设中的重要部分，而覆盖度是评判生态环境状况的重要指标。植被覆盖度不仅与区域水土流失、水资源储备有关，还与水环境质量，空气质量等密切相关［1－3］。植被状况和植被覆盖的变化从一定程度上反映了气候变化的趋势，是生态环境研究的热点之一［4－5］。遥感技术以其信息量大、观测范围广、精度高、速度快以及实时性和动态性等特点为开展植被监测和评估提供了有效的手段［6－8］。国内外利用遥感技术，监测植被动态变化并制图及用Markov模型预测方面，已作了大量的研究工作［9－13］。

渭干河—库车河流域生态环境极其脆弱，具有农牧交错带、森林边缘带以及沙漠边缘带等多种生态环境脆弱带特征，是新疆最典型的荒漠绿洲区。近50a来，渭干河—库车河三角洲天然绿洲面积逐年减小，盐生、沙生植被死亡，植被稀疏等问题引起了一系列水文和生态环境变化，这些变化已严重制约了绿洲的可持续发展和人居环境的可持续改善。本文利用3期遥感影像数据，定量分析渭干河—库车河流域植被覆盖度的多年变化，并且应用Markov测模型预测未来25a的植被覆盖度变化情况，揭示渭干河—库车河流域多年来植被覆盖的数量变化和空间变化特征，明确其变化的方向，对正确评价植被变化的发展过程和状态，对绿洲的水土资源管理和可持续利用决策及生态环境保护具有科学指导意义。

1 研究区概况

1．1 研究区概况

渭干河—库车河三角洲（以下简称渭库绿洲）位于天山中部南麓，塔里木盆地北缘，包括库车县，新河县和沙雅县3个县区，是一个典型而完整的扇形平原绿洲。研究区内的植被为多汁肉质盐生灌丛和泌盐植物，主要有盐穗木（Halostachyscaspica），盐节木（Halocnemumstrobilaceum），盐爪爪 （Kalidium Foliatum），骆 驼 刺 （Alagipseudoalhagi）、柽 柳（Tamarixchinensis）及 胡 杨 （EuphratesPoplar）。渭库绿洲气候干旱，蒸发强烈，为典型的绿洲农业，农作物生长全靠灌溉［14－15］。

1．2 研究数据及预处理

本文所采用的数据为3个时期的遥感影像，包括1989年9月25日，和2011年9月6日Landsat 5的TM影像和2001年8月1日Landsat 7的ETM＋影像，选用的遥感影像质量良好，均摄于农作物、天然植被以及人工植被生长较好的时期，不同时期的植被状况具有可比性，对研究区的植被生长状况具有一定的代表性。利用遥感影像处理软件ENVI 4．5将这些影像的分辨率转换为30m后，进行图像配准、几何校正、大气校正、图像增强等图像预处理操作。另外，实地调查数据为2007—2011年间在渭库绿洲进行6次相同标准的野外考察的植被类型、植被覆盖度等数据。

2 研究方法

本文利用3个时期Landsat TM／ETM＋数据定量分析研究区域的植被覆盖度变化情况，最后利用Markov模型对研究区未来25a内的植被覆盖度动态变化进行预测。

2．1 Markov模型原理

Markov分析是利用某一系统的现在状况及其发展动向，预测该系统未来状况的一种概率预测分析方法与技术［16］。Markov过程的基本假定条件为：系统状态转移概率矩阵不随时间变化而变化，状态转移仅受前一状态影响，即无后效性，在Markov链中，系统状态的转移可用概率矩阵P表示：

系统从t到t＋1时刻，状态Ei转移为Ej的频数nij之比，则为其转移概率：

Markow预测模型可以根据初始时刻各种状态的概率，通过状态转移概率矩阵，预测以后任一时刻的状态概率［17］。

2．2 Markov模型预测植被覆盖度

2．2．1 归一化植被指数（NDVI）的计算及其与植被覆盖度的转换 NDVI（normalized difference vegetation index，归一化植被指数）是植物生长、覆盖、生物量和植被种类情况等的综合反映，与植被分布密度呈线性相关［18－19］。本文利用植被覆盖度计算公式［20］：

Vc＝（NDVI－NDVImin）／（NDVImax－NDVImin）式中：Vc——植被覆盖度；NDVImax——归一化植被指数（NDVI）最大值；NDVImin——归一化植被指数（NDVI）最小值。考虑到影像存在噪声，在NDVI频率累计表上取频率为0．5%的值为NDVImin，取频率为99．5%的值为NDVImax。

2．2．2 植被覆盖度分级 参考前人的植被覆盖度分级标准［9，17，21］，结合野外植被调查资料，制定渭库绿洲植被覆盖度标准（表1）。根据植被覆盖度分级标准，得到覆盖度等级图（图1），然后计算得到植被覆盖面积及覆盖度转移矩阵（表2）。

表1 渭库绿洲植被覆盖度分级

图1 渭库洲绿洲植被覆盖度等级

表2 渭库绿洲在1989－2001年间不同覆盖度等级植被的面积变化

表2说明，1989—2001年12a间，除了高覆盖度植被（Ⅰ级）负增加以外，中覆盖度（Ⅱ级）、低覆盖度（Ⅲ级）、极低覆盖度（Ⅳ级）植被面积均呈现正增加，其增加面积分别为－0．086万 hm2，0．070 6万 hm2，0．064 1万 hm2，0．894 8万 hm2。从年均增减量来看，高覆盖度植被（Ⅰ级）增加面积（负增加）最大，中覆盖度植被（Ⅱ级）最小。可见在1989—2001年时间段内渭库绿洲植被退化较严重。

表3 渭库绿洲在2001－2011年间不同覆盖度等级植被的面积变化

由表3中可知，2001—2011年10a间，除了极低覆盖度植被（Ⅳ级）负增加以外，高覆盖度植被（Ⅰ级），中覆盖度植被（Ⅱ级），低覆盖度植被（Ⅲ级）面积均呈现正增加，其增加面积分别为－0．638 2万hm2，0．104 2万 hm2，0．070 6 万 hm2，0．466 4 万hm2。从年均增减量来看，极低覆盖度植被（Ⅳ级）增加面积（负增加）最大，中覆盖度（Ⅱ级）最小。可见在2001—2011年时间段渭库绿洲植被有一定的恢复，说明本地区生态保护措施起了一定的作用。

2．2．3 转移概率的确定及模型检验 选用2001—2011年间的转移状况及转移概率，利用Markov模型预测2001年和2011年植被覆盖（表4），将2001年的遥感影像图的分类结果设为初始状态，2011年的遥感影像图的分类结果设为最终状态，分别计算植被覆盖类型转化的像元数，得到2001—2011年间渭库绿洲植被转移频数矩阵（表5）。根据公式计算出2001—2011年间渭库绿洲植被转移状况矩阵，最后将10a间的转移概率进行平均化，得到年均转移概率矩阵（表6）。根据Markov模型的独立假设检验公式，可以计算出－2lnλ＝15218789。再根据表1，将植被覆盖度分为4个等级，序列自由度为λ＝9，选择置信水平σ＝0．005时，查χ2分布表得23．589，显然15218789＞23．589可以拒绝独立假设，说明不同年份植被覆盖度之间存在相关性，即状态之间有关联。

表4 2001－2011年的植被覆盖度统计

表5 2001－2011年间渭库绿洲植被类型转移频数矩阵

表6 2001－2011年间渭库绿洲植被类型转移概率矩阵

2．3 预测结果与分析

根据预测模型，获得未来25a的植被覆盖度面积（表7）。预测结果表明：若植被覆盖度平均转移概率保持不变，在未来25a内，在植被覆盖总面积为92．404 8万hm2情况下高覆盖度植被2015年为28．543 8万hm2占总面积的30．89%，低覆盖度植被为28．941 2万 hm2，占总面积的31．32%，极低覆盖植被7．207 6万 hm2，占总面积的7．80%；而到2030年为高覆盖度植被面积是17．593 9万hm2占总面积的19．04%，低覆盖度植被面积是36．758 6万hm2，占总面积的39．78%，极低盖度植被面积为7．392 4万hm2，占总面积的8．00%，这期间，变化幅度最大的为高覆盖度植被，减少了11．86%，次之是低覆盖度植被增加了8．64%。表明渭库河绿洲的植被覆盖度将有一定的减少趋势，生态环境将会有一定的恶化。造成上述植被覆盖度变化的主要驱动因素为自然因素、人为因素以及经济利益和政策［21］。

表7 渭库绿洲植被覆盖度变化预测

3 结论与讨论

本文利用3期遥感图像数据，定量分析评价了植被覆盖度的多年变化，并且应用Markov模型预测未来25a内渭库绿洲植被覆盖度变化情况。研究显示：在1989—2001年12a间，高覆盖度植被（Ⅰ级）呈现减小趋势，中覆盖度植被（Ⅱ级）、低覆盖度植被（Ⅲ级）和极低覆盖度植被（Ⅳ级）均呈增加趋势，植被退化比较严重；而2001—2011年的10a间，高覆盖度植被（Ⅰ级）从负增长逐渐变为正增长，中覆盖度植被（Ⅱ级）、低覆盖度植被（Ⅲ级）均增加，而极低覆盖度植被（Ⅳ级）从正增长逐渐变为负正增长，在此期间本研究区植被恢复比较好。1989—2011年的21a间，总体而言，高覆盖度植被（Ⅰ级）总体减小，减少面积为0．929 3万hm2，中覆盖度植被（Ⅱ级）、低覆盖度植被（Ⅲ级）、极低覆盖度植被（Ⅳ级）面积均增加，增加面积分别为0．141 2万hm2，0．530 5万hm2，0．257 0万hm2。

25a内高覆盖度植被面积会减少，而中覆盖度植被、低覆盖度植被、极低覆盖度植被面积均有增加趋势，其中低植被覆盖度的增加趋势比较明显。这些变化表明，虽然局部生态环境有一定改善，但整体生态环境仍呈恶化趋势。对于绿洲植被这种变化就暴露出了这样一个问题：当地人民虽然很重视治沙，在过渡带和沙漠的交接处植树造林，提高植被覆盖度［22］，但是没有保护好原有的绿洲，不合理的开发利用导致了植被盖度非常好的绿洲退化，形成了潜在的沙漠化地带，使整个绿洲的环境质量下降，生态环境也进一步恶化，加之对流域开发和水资源利用缺乏统一规划。有资料表明，该地区由于人口和耕地的急剧增长，兼之极不合理的利用水资源，给本已有限的水资源带来了巨大的压力。以塔里木河为例，上中游大量引水，导致水质咸化，河道流程缩短，造成水量极大浪费，1995年流水河道缩短了320km，下游水量锐减甚至断流，以至下游地区湖泊干涸，植被枯死，引起风蚀与流沙的扩展，因此，绿洲地下水过量开采，导致沙漠边缘植被用水无法保证，出现植被生长衰退的现象［23］。随着社会经济的发展，人们对环境保护，生态建设和可持续发展认识的不断提高，今后本地区应该坚持大搞农田基本建设，开展各种造林活动，使本地区绿洲生态环境得到改良、恢复，呈现新的发展。

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