基于遥感的北方生态脆弱区植被覆盖时空演变研究

付琴



基于遥感的北方生态脆弱区植被覆盖时空演变研究

付琴

重庆市环境科学研究院，重庆 401147

利用1989年和2012年两期Landsat TM/ETM获取归一化植被指数，在GIS空间分析支持下，对北方生态脆弱区榆林市植被覆盖时空动态演变特征进行了综合研究。结果表明：受气候条件、地貌特征和人类活动影响，榆林市植被覆盖状况主要以低植被覆盖为主，且空间分异明显。1989-2012年间，榆林市植被覆盖状况有所转好，NDVI指数在时段内增加了0.4，转好区域主要集中在西部和中部，说明近年开展的退耕还林（草）、植树造林等生态工程对改善区域植被覆盖起到了积极作用。

归一化植被指数；时空演变；榆林市

引言

植被是陆地生物圈的主体，也是对气候变化响应最直接、最重要的生态指示器[1-2]，它不仅在全球物质循环与能量流动中起着重要作用，而且在调节全球碳平衡、减缓温室效应以及维护全球气候稳定等方面具有不可替代的功能[3-4]。气候变化、人类活动以及大气中CO2的施肥效应均会对植被覆盖变化产生重要影响[5-6]，目前已有许多学者在全球和区域尺度研究了植被对环境变化的响应特征[7-9]。随着“3S”技术的发展，利用卫星遥感技术对自然植被覆盖进行调查和评估已成为区域性或全球性生态信息获取的有效手段[10]。20多年来，由NOAA/AVHRR数据得到的NDVI（归一化差值植被指数）被广泛用于全球与区域尺度植被覆盖研究，在过去很长一段时间内成为最常用的植被活动遥感监测指标[11-14]。Nicholsn等人于1989年对植被NDVI对降水量变化的时间响应，得出NDVI与降水量在季节性间和年际间尺度具有较好的相关性[15]；Kawabata等分析了1982～1990年间全球性的植被活动变化趋势，发现全球尺度上北半球中高纬度地区植被覆盖状况与温度变化具有较好的相关性[16]；张宏斌等人利用MODIS NDVI数据研究了内蒙古7类主要植被类型在2000～2008年间的年度最大植被指数的变化趋势[17]；李月臣等对中国北方13个省份在1982～1999年间气候变化对植被覆盖的影响在年和季节间做了综合分析，表明温度升高是植被活动增强的主要驱动因子[18]。

榆林市位于毛乌素沙漠向陕北黄土高原丘陵沟壑区的过渡地带，是中国北方农牧交错带上典型的生态脆弱区，是我国重要的防风固沙和土壤保持功能区。榆林市是一个比较特殊的陆地生态系统，气候类型由干旱逐渐演变为半干旱，大部分地区降雨量在300～400mm之间[19]。受气候条件影响，地貌特征呈风沙草滩向黄土沟壑过渡，原生自然植被为温带干草原为主，逐步过渡到森林草原。受松散地表物质基础、脆弱土体构型（主要是黄土）、降雨时空分布不均、干旱多风和侵蚀强烈等自然因素影响，生态系统脆弱性表现极为典型。植被覆盖变化是生态环境的直接结果，在很大程度上代表了区域生态环境的总体状况，植被覆盖时空演变研究有利于揭示陆地生态系统对于气候变化的响应，为加强区域生态建设提供了有用的空间信息和理论支持[36]。

1 研究区概况

榆林市位于陕西省最北部，地处毛乌素沙漠南缘，黄河中游和黄土高原北麓，为北方典型的农牧交错区和生态脆弱区，也是黄土高原和内蒙古高原的过渡地带。全市辖1区11个县，幅员面积42713.94km2，地理坐标介于北纬36°57’～39°35’，东经107°28’～111°15’之间。以古长城为界，以北是风沙草滩区，地势较缓；以南是黄土丘陵沟壑区，地形起伏较大。区内地势由西部向东南倾斜，西南部平均海拔1600～1800m，其他各地平均海拔800～1200m。气候上，属典型大陆性季风气候，具有低温、寒冷、降水稀少的气候特点，年平均降水量约400mm，多集中于6～9月份，年平均气温约10℃。榆林市境内有53条河汇入黄河，其中八里河是陕西省最大的内陆河，红碱淖是区内最大的内陆湖泊，总面积54km2，总储水量10亿平方米。榆林市居于晋陕宁蒙能源矿产金三角中心腹地，是中国煤气油盐富集地区，近年来作为国家一个重要的能源与矿产基地，在全国能源工业发展和能源基地建设布局中具有特殊重要的战略地位。由于强烈的土地利用与干旱、风沙、严重的水土流失等脆弱生态环境并存，使得榆林生态环境更加多样、复杂和脆弱。

2 研究方法与数据

2.1 数据来源

榆林市植被覆盖变化主要利用1989年和2012年的Landsat TM/ETM遥感数据计算归一化植被指数（Normalized different vegetation，NDVI），在GIS空间分析技术的支持下进行植被覆盖的动态演变特征。其中Landsat TM/ETM卫星影像主要为1989年8月和2012年8月的Landsat5 和Lansat 7卫星，空间分辨率为30m，榆林市所处轨道号为P126R34、P127R33、P127R34和P128R34四景图像。卫星影像来源为美国地质勘探局（United States Geological Survey，简称USGS，http：//earthexplorer.usgs.gov/）和国际科学数据服务平台（International Scientific Data Service Platform，http：//datamirror.csdb.cn/）。

在ERDAS9.2支持下，以榆林市30m GEDM数据为基础，利用二次多项式对遥感影像进行几何精校正。同时，为了保证研究区几何校正的精度，选取控制点多集中在地形条件较好的地区，并使控制点分布尽可能均匀，在整体RMS<0.5的前提下，研究区的几何畸变得到了有效控制。几何校正完成后，分别对四景图像第3波段和第4波段的分别拼接裁剪，得到研究范围的第3波段和第4波段两幅图像。

2.2 植被指数获取

植被指数是卫星遥感中通过红外与近红外波段的组合实现对植被信息状态的表达[20]。不同光谱波段反射率的比值是区分地表特征的一个较好指标，植被可吸收大部分红光或蓝光进行光合作用，而反射较多的近红外波段的能量，因此，对植被来说，近红外波段与红波段的比值比裸地要大得多。在研究植被时，常采用各种植被指数，最常用的植被指数是归一化植被指数，即：

NDVI=（CHIR-CHR）/（CHIR+CHR） （1）

式中，CHIR为近红外波段，对应LandsatTM/ETM影像第4波段，CHR为红光波段，对应landsat TM/ETM影像第3波段（图2）。

NDVI指数值范围为-1～1之间。通常情况下，NDVI<0为无植被覆盖区，NDVI>0地方有植被覆盖。

a）

b）

c）

d）

注：a）1989年band3；b）1989年band4；c）2012年band3；d）2012年band4

图2 榆林市Landsat卫星图像

2.3 分级标准

根据前人研究成果[21]以及NDVI指数本身特征，将研究区NDVI值分为四级（表1），分别为无植被覆盖区（NDVI≤0）、低植被覆盖区（0

表1 榆林市植被覆盖程度分级标准

3 结果与分析

由表2、表3和图3可知，1989年，榆林市平均NDVI指数为0.13。全市主要以低植被覆盖为主，面积为25490.56km2，占全市总面积的59.68%；其次是中度植被覆盖区，面积为7438.35km2，占全市总面积的17.41%；高植被覆盖区面积仅占全市总面积8.30%。各区县中，植被NDVI指数较高的是府谷、吴堡、清涧和绥德，NDVI平均值分别为0.23、0.23、0.22和0.25；四个区县高植被覆盖区的面积比分别达到了21.03%，22.68%，22.93%和30.29%。2012年，榆林市平均NDVI指数为0.17，较1989年上升了0.04。全市仍以低植被覆盖区为主，面积28513.04km2，占全市总面积的66.75%；中度植被覆盖区和高度植被覆盖区的面积分别为9034.62 km2和4853.78 km2。各区县中，植被NDVI指数较高的是清涧、绥德、子洲和米脂，平均NDVI指数分别为0.21、0.23、0.23和0.26。

1989～2012年间，榆林市植被覆盖总体呈增加趋势，首先，平均NDVI指数增加了0.4；其次，高度植被覆盖区和中度植被覆盖区面积比例分别增加了3.06%和3.07%，虽然低植被覆盖区面积比也增加了7.07%，但是无植被覆盖区的面积比例大大减少了13.88%。各区县中，植被NDVI指数发生明显增加的是定边、子洲、米脂、横山和靖边，时段内平均NDVI指数分别增加了0.15、0.07、0.09、0.07和0.10，其中米脂、子洲和靖边高度植被覆盖区面积比增幅分别达到了17.84%、11.01%和9.92%。

榆林市植被覆盖较高（NDVI>0.2）的区域主要分布在西部定边、靖边县境内（主要集中在白玉山），东南大部以及东北部零星地区。1989～2012年间，植被覆盖发生显著变化的地区为榆林市西部和中部地区，其中西部定边和靖边境内为显著增加，北部风沙草滩区植被覆盖也略有增加；而东北部神木和府谷境内东部黄河沿岸植被覆盖显著减少，东南部地区也有零星减少（图4、5、6）。

表2 榆林市1989年植被覆盖分级特征，单位：km2

表3 榆林市2012年植被覆盖分级特征，单位：km2

图3 榆林市植被覆盖指数变化

图4 榆林市1989年

图5 榆林市2012年植被NDVI分布

图6 榆林市1989-2012年NDVI空间变化分布

4 结论与讨论

受气候条件、地貌特征和人类活动影响，榆林市植被覆盖状况主要以低植被覆盖为主，且空间差异较大，植被覆盖较好的区域主要分布在西部和东南部，而北部风沙草滩区植被覆盖总体较低。1989～2012年间，榆林市植被覆盖状况有所转好，NDVI指数在时段内增加了0.4，植被覆盖转好主要集中在西部和中部，说明近年来开展的退耕还林（草）、植树造林等生态功能有效的提高了该地区植被覆盖率；而东北部黄河沿岸和东南部局部地区植被覆盖有下降趋势，这些区域均是水土流失严重区，应加强水土流失治理以及植被恢复。

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X171；P237

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1009-6434（2016）04-0084-05