基于RS的长株潭绿心区植被覆盖动态变化研究

杨 英， 喻喜良， 文 敏, 任煜堃

(1.桃源县林业局， 湖南 桃源 415700； 2.长沙市森林公安局， 湖南 长沙 410205；3.中南林业科技大学林学院 ， 湖南 长沙 410004)

基于RS的长株潭绿心区植被覆盖动态变化研究

杨 英1， 喻喜良2， 文 敏3, 任煜堃3

(1.桃源县林业局， 湖南 桃源 415700； 2.长沙市森林公安局， 湖南 长沙 410205；3.中南林业科技大学林学院 ， 湖南 长沙 410004)

以2000年、2005年、2011年3个时期的landsat5TM遥感影像为数据源，利用像元二分法模型反演三个时期的植被覆盖度，并研究3期植被覆盖度变化特征、植被覆盖度转移矩阵。结果表明:研究区植被覆盖状况良好，3期Ⅳ级和Ⅴ级植被覆盖度(fc>0.5)区域的面积和占总面积百分比均为79%以上。2000—2011年，研究区植被覆盖度总体呈下降趋势，2000年平均植被覆盖度为0.78，2005年平均植被覆盖度为0.72，2011年平均植被覆盖度为0.70。

RS； 像元二分法模型； 植被覆盖度

土壤侵蚀是当今世界关注的重大环境问题，而植被覆盖度的大小直接影响到水土流失程度，同时植被覆盖度具有地域差异性，因此准确估算植被覆盖度对土壤侵蚀程度评价具有重要意义[1-3]。植被覆盖度的定义为植被在地面的垂直投影面积占一定统计面积的百分比[4-5]。目前，国内外估算植被覆盖度的方法,主要是基于遥感源数据,运用基于归一化植被指数(NDVI)的像元二分模型来估算,该方法不需要大量地面实测数据,模型简单、可操作性强，应用广泛[6-10]。近年来，已有较多的国内外学者对植被覆盖的时间变化规律、空间分布特征进行了一些研究。本文以长株潭城市群生态绿心地区为例，基于2000年、2005年、2011年3个时期的landsat5TM遥感影像，运用像元二分模型，定量计算绿心地区植被覆盖度的变化情况，以期为长株潭城市群生态绿心地区水土流失监测提供参考。

1 研究区概况

长株潭城市群生态绿心地区位于湘中东北部，北至长沙绕城线及浏阳河，西至长潭高速西线，东至浏阳柏加镇，南至湘潭县梅林桥镇。地理坐标为东经111°58′—113°05′，北纬27°21′—28°06′，地貌以低山丘陵为主。区域水资源丰富，共有大小河川36条，总长603 km。属亚热带季风性湿润气候，酷暑期长，严冬期短，平均气温为16～17.3°，平均降水量1389.8 mm。植被种类繁多，资源丰富，土壤类型以红壤为主。

2 数据来源与研究方法

2.1数据来源

本文以Landset5TM遥感影像作为数据源，图像获取时间分别为 2000 年9 月、2005年5月和2011年7月，轨道号为 123/041，空间分辨率为30 m。首先使用ENVI5.1对3幅图像作辐射定标和大气校正，并以绿心地区矢量边界对遥感图进行裁剪，提取绿心地区遥感图像。

2.2研究方法

2.2.1 归一化植被指数(NDVI)的提取 植被指数能反映植物生长状况，与植被覆盖度有较好的关系，这成为运用植被指数估算植被覆盖度的理论基础。在遥感影像上植被指数可通过不同波段的线性组合和非线性组合计算得到，而归一化植被指数(NDVI)作为较早研究的植被指数之一，已有专家学者表明归一化植被指数与植被覆盖度的有较大的关联，是指示植被生长状况和植被覆盖度的最佳因子。归一化植被指数(NDVI)的数学表达式为近红外波段反射率值与红光反射率值之差除以两者之和[11-12]。见表达式(1):

(1)

式中: NDVI——归一化植被指数；

NIR——近红外波段反射率值；

R——红光波段反射率值。

NDVI取值范围为-1～1，对于有植被覆盖的区域，NDVI为正值，且NDVI值越大，表明植被覆盖状况越好[13]。

2.2.2 基于像元二分模型的植被覆盖度计算 由于遥感影像的空间分辨率和实际地物比较复杂等问题，通常遥感影像上一个像元是混合像元。像元二分模型基于此问题假设一个像元是由植被和土壤(非植被覆盖部分)组成的混合像元，其像元信息S为植被部分的信息SV和土壤部分的信息SS的加和。见表达式(2)：

S=SV+SS

(2)

对于某一混合像元，植被覆盖面积占该像元面积的比例为植被覆盖度fc，则土壤部分面积所占比例为1-fc。设纯净植被像元遥感信息为Sveg，纯净土壤像元信息为Ssoil，则混合像元的植被部分信息SV的表达式为：

SV=Sveg·fc

(3)

土壤部分信息Ss的表达式为：

Ss=Ssoil·(1-fc)

(4)

将表达式(2)、(3)、(4)联立，可得表达式(5)：

(5)

基于表达式(1)和(5)，可构建基于像元二分模型和归一化植被指数NDVI的植被覆盖度计算模型，见表达式(6)：

(6)

式中: NDVIveg——纯净植被像元的 NDVI 值；

NDVIsoil——纯净土壤像元的 NDVI 值。

本模型的关键在于NDVIveg和NDVIsoil值确定，NDVIsoil值理论上应接近于0，由于受土壤类型等影响，其值会产生一定的变化，但对于特定的土壤类型NDVIsoil值是确定的。而NDVIveg由于受植被生长季节与类型的影响，在不同的时间和空间上不同。因此，该模型在不同年份对NDVIveg和NDVIsoil的取值不同[14]。本文采用国内的一般方法置信度与置信区间处理，即选取每年累计频率为5%的NDVI值作为NDVIsoil，选取累计频率为95%的NDVI值作为NDVIveg。李娟等[15]研究表明该方法可提高植被覆盖度测算的准确度和精度。

2.3研究区植被覆盖度等级划分

为更方便研究长株潭绿心地区植被覆盖动态变化，依据《土壤侵蚀分类分级标准》，将研究区植被覆盖度分为五级：Ⅰ级植被覆盖度(fc<0.15)、Ⅱ级植被覆盖度(0.15≤fc<0.3)、Ⅲ级植被覆盖度(0.3≤fc<0.5)、Ⅳ级植被覆盖度(0.5≤fc<0.7)和Ⅴ级植被覆盖度(fc≥0.7)。

3 结果与分析

3.1研究区植被覆盖度总体特征

基于像元二分模型和NDVI，本文计算出3个时期的植被覆盖度，2000年平均植被覆盖度为0.78，2005年平均植被覆盖度为0.72，2011年平均植被覆盖度为0.70，3个时期的植被覆盖度较高的Ⅳ级和Ⅴ级区域(fc>0.5)的面积占总面积百分比均为79%以上，表明长株潭绿心区具有较好的植被覆盖状况。其中2000年植被覆盖度为0.5以上的面积为46890.81 hm2，占总面积的百分比为88.87%；2005年植被覆盖度为0.5以上的面积为43815.24 hm2，占总面积的百分比为83.04%；2011年植被覆盖度为0.5以上的面积为42014.88 hm2，占总面积的百分比为79.63%。

3.2研究区植被覆盖度变化特征

2000—2011年，研究区植被覆盖度总体呈下降趋势，总体上看，只有V级覆盖度面积在减少，其他等级覆盖度面积均增加。Ⅴ级覆盖度面积减少了9435.42 hm2，降幅为22.85%。Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级覆盖度面积分别增加了911.43 hm2、1142.64 hm2、2821.86 hm2、4559.49 hm2，增幅分别为28.43%、141.82%、151.5%、81.44%。

其中2000—2005年，Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级覆盖度面积分别增加了121.23 hm2、415.44 hm2、2538.90 hm2、5947.56 hm2，增幅分别为3.78%、51.56%、136.31%、106.23%。Ⅴ级覆盖度面积减少了9023.13 hm2，降幅为21.85%。2005—2011年，Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级覆盖度面积分别增加了790.20 hm2、727.20 hm2、282.96 hm2，增幅分别为23.75%、59.55%、6.43%。Ⅳ级、Ⅴ级覆盖度面积分别减少了1388.07、412.29 hm2，降幅为12.02%、1.28%。2000—2005年间，Ⅲ级、Ⅳ级植被覆盖度面积增幅较大，而2005—2011年Ⅰ级、Ⅱ级植被覆盖度面积增幅较大。说明2005—2011年比2000—2005年间植被破坏更严重，低植被覆盖度区域更多。

研究区3个时期植被覆盖等级见图1，3个时期植被覆盖等级分级统计结果见表1，3期植被变化统计结果见表2。

2000年

2005年

2011年

3.3研究区植被覆盖度类型变化转移矩阵

由表3和表4可知，2000—2005年和2005—2011年，研究区不同植被覆盖等级区域之间的转化较明显，研究区植被覆盖度等级没有发生变化的面积分别为35471.34 hm2、32374.71 hm2，占总面积的67.23%、61.36%。

表1 长株潭绿心地区2000—2011年3个时期植被覆盖度的分级统计结果Tab.1 Hierarchicalstatisticalresultofvegetationcoverdur-ingthethreeperiods年份植被覆盖度等级面积(hm2)比例(%)平均植被覆盖度Ⅰ3205.536.08Ⅱ805.681.53Ⅲ1862.643.5320000.78Ⅳ5598.9010.61Ⅴ41291.9178.26合计52764.66100.00Ⅰ3326.766.30Ⅱ1221.122.31Ⅲ4401.548.3420050.72Ⅳ11546.4621.88Ⅴ32268.7861.16合计52764.66100.00Ⅰ4116.967.80Ⅱ1948.323.69Ⅲ4684.508.8820110.70Ⅳ10158.3919.25Ⅴ31856.4960.37合计52764.66100.00

2000—2005年，研究区植被覆盖度等级没有发生变化的面积为35471.34 hm2，占总面积的67.23%。其中Ⅰ级覆盖度区域和Ⅴ级覆盖度区域总体变化不大，未变化的面积分别占2005年Ⅰ级、Ⅴ级区域面积的81.94%、92.16%。但Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级区域未变化的面积仅占2005年相应植被覆盖度等级区域面积12.37%、13.69%、19.51%，变化较大。Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级区域其主要来源均为Ⅴ级区域，分别占2005年相应植被覆盖度等级区域面积33.45%、57.98%、72.95%(见表3)。

表2长株潭绿心地区3个时期植被覆盖度变化统计结果Tab.2 Variationalstatisticalresultofvegetationcoverduringthethreeperiods年份植被覆盖度等级变化量(hm2)变化率(%)Ⅰ121.233.78Ⅱ415.4451.562000—2005Ⅲ2538.90136.31Ⅳ5947.56106.23Ⅴ-9023.13-21.85合计0.00Ⅰ790.2023.75Ⅱ727.2059.552005—2011Ⅲ282.966.43Ⅳ-1388.07-12.02Ⅴ-412.29-1.28合计0.00Ⅰ911.4328.43Ⅱ1142.64141.822000—2011Ⅲ2821.86151.50Ⅳ4559.4981.44Ⅴ-9435.42-22.85合计0.00

2005—2011年，研究区植被覆盖度等级没有发生变化的面积为32374.71 hm2，占总面积的61.36%。其中Ⅰ级覆盖度区域和Ⅴ级覆盖度区域总体变化不大，但相对2000—2005年变动更大，未变化的面积分别占2011年Ⅰ级、Ⅴ级区域面积的62.71%、77.78%。Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级区域未变化的面积仅占2011年相应植被覆盖度等级区域面积11.84%、20.26%、37.74%，变化较大。Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级区域其主要来源均为Ⅴ级区域，分别占2005年相应植被覆盖度等级区域面积31.45%、32.13%、46.68%(见表4)。

表3 2000—2005年各等级植被覆盖区域面积转移矩阵Tab.3 Thevegetationcoverchangetransitionmatrixfrom2000to2005等级ⅠⅡⅢⅣⅤ面积(hm2)比例(%)面积(hm2)比例(%)面积(hm2)比例(%)面积(hm2)比例(%)面积(hm2)比例(%)2000年合计面积(hm2)Ⅰ2725.9281.94262.5321.50170.823.8839.960.356.300.023205.53Ⅱ165.064.96151.0212.37312.577.10145.081.2631.950.10805.68Ⅲ161.824.86197.7316.19602.7313.69686.075.94214.290.661862.64Ⅳ105.393.17201.4216.49763.5617.352252.2519.512276.287.055598.90Ⅴ168.575.07408.4233.452551.8657.988423.0172.9529739.4292.1641291.912005年合计3326.76100.001221.12100.004401.54100.0011546.46100.0032268.78100.0052764.66

表4 2005—2011年各等级植被覆盖区域面积转移矩阵Tab.4 Thevegetationcoverchangetransitionmatrixfrom2005to2011等级ⅠⅡⅢⅣⅤ面积(hm2)比例(%)面积(hm2)比例(%)面积(hm2)比例(%)面积(hm2)比例(%)面积(hm2)比例(%)2005年合计面积(hm2)Ⅰ2581.7462.71229.7711.79240.935.14162.181.60112.140.353326.76Ⅱ283.326.88230.6711.84305.106.51236.072.32165.960.521221.12Ⅲ268.476.52434.8822.32949.1420.261183.8611.651565.194.914401.54Ⅳ353.798.59440.2822.601684.3535.963834.0937.745233.8616.4311546.46Ⅴ629.6415.29612.7231.451504.9832.134741.8346.6824779.0777.7832268.782011年合计4116.96100.001948.32100.004684.50100.0010158.39100.0031856.49100.0052764.66

4 结论与讨论

4.1结论

(1) 研究区植被覆盖状况良好，3个时期植被覆盖度较高的Ⅳ级和Ⅴ级区域(fc>0.5)的面积均占总面积的79%以上，平均覆盖度均在0.7以上。2000年平均植被覆盖度为0.78，2005年平均植被覆盖度为0.72，2011年平均植被覆盖度为0.70。

(2) 2000—2011年，研究区植被覆盖度总体呈下降趋势。其中Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级覆盖度面积分别增加了911.43 hm2、1142.64 hm2、2821.86 hm2、4559.49 hm2，增幅分别为28.43%、141.82%、151.5%、81.44%，但Ⅴ级覆盖度面积减少了9435.42 hm2，降幅为22.85%，且2005—2011年比2000—2005年间植被破坏更严重，低植被覆盖度(Ⅰ级、Ⅱ级)区域增幅更大。

(3) 由转移矩阵可知，各研究区不同植被覆盖等级区域之间的转化较明显。而其主要来源为Ⅴ级区域,这说明由于人类活动的干扰，植被覆盖度等级高的区域在减少，这可能是在城市建设过程中，人类活动增加，对植被有部分破坏，导致植被覆盖度下降。

4.2讨论

(1) 像元二分模型能够反演植被覆盖度的关键在于纯净植被像元NDVI和纯净土壤像元NDVI的确定，本文选用的landsatTM数据空间分辨率为30 m，无法获取纯净像元，在确定NDVIveg和NDVIsoil时采用的是国内一般处理方法，并没有实地调查数据，也没有探讨非密度和混合密度亚像元的情况[16]。在后续的研究中，应结合地面调查数据深入探讨植被覆盖度与环境之间的相关关系[17-18]。

(2) 植被覆盖度带有方向性[19]，随观测角度的变化而变化。而本文选用的像元二分模型并未考虑角度性问题，Peter[20]基于ATSR-2卫星数据在考虑角度问题的基础上对植被覆盖度进行了估算，但并未构建出合适的模型来估算植被覆盖度。因此也可对考虑角度问题的植被覆盖度进行更深入的研究。

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DynamicanalysisofvegetationcoverageinChangsha-Zhuzhou-Xiangtancoreregionbasedonremotesensing

YANG Ying1, YU Xiliang2, WEN Min3， REN Yukun3

(1.Forestry Bereau of Taoyuan County,Taoyuan 415700，China；2.Forest Public Security Bureau of Changsha City,Changsha 410004 ，China; 3.College of Forestry， Central South University of Forestry & Technology， Changsha 410004 ，China)

Based on three periods of remote sensing images of landsat5 TM (2000,2005,2011),we got the three periods of vegetation cover by conducting the pixel dichotomy model. And we analyzed the temporal changes of vegetation cover and transfer matrixes. The results showed that, vegetation coverage in study area was in good condition , three periods of the area of level Ⅳand Ⅴ vegetation coverage were above 79% of total area. From 2000 to 2011,vegetation coverage in the study area was on the decline. The average vegetation coverage was 0.78 in 2000, the average vegetation coverage was 0.72 in 2005, and it was 0.70 in 2011.

remote sensing; the pixel dichotomy model; vegetation coverage

2016-07-03

国家林业科学数据平台建设与运行服务(2016DKA32200)。

杨 英(1978-)，女，湖南省桃源县人，工程师，主要从事森林培育及森林资源调查规划设计。

X 835

A

1003-5710(2016)05-0071-06

10. 3969/j. issn. 1003-5710. 2016. 05. 014

(文字编校：龚玉子)