基于NDVI的乌拉特后旗植被覆盖度时空变化分析

莎日娜

(北京林业大学,北京 100083)

植被是生态系统的主要组成部分,也是生态系统存在的基础,而植被覆盖度是植被(包括叶、茎、枝)在地面的垂直投影面积占统计区总面积的百分比。植被覆盖度是衡量地表植被状况的一个最重要的指标,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[1]。植被的减少往往会出现很多问题,通过对植被覆盖度的研究,可以了解当地的环境状况,及时掌握其研究区域生态环境的动态变化。随着人们对环境的重视程度不断增加,对于一个城市来说,植被则是其生态系统中必不可少的重要元素,对于保护该地区生态环境有着不可忽视的重要作用,因此,通过运用遥感影像及GIS技术对植被覆盖度的计算,可以更好地了解当地环境状况及存在的问题。

植被覆盖是体现一个地区植物群落覆盖地层表面情况的一个重要指标,遥感技术为监测大面积区域的植被覆盖度提供了可能。植被覆盖图的测量可分为2种,即地面测量和遥感估算方法,地面测量适合像田间尺度这样的小区域使用,而对于大区域尺度的测量,可利用已发展较好的遥感技术进行,目前,比较实用的方法有像元二分模型,用此方法计算出的植被覆盖度估值的精准度一次次被证明可高达80%左右[2]。因此本文采用像元二分法来计算。

1 研究区概况

乌拉特后旗是内蒙古自治区巴彦淖尔市其中的一个旗县地区,地处北纬40°40′～42°22′,东经105°14′～107°36′,北部与蒙古国相接,是草原和荒漠化的过渡带。乌拉特后旗全旗东西总长210km,南北宽130km,总面积约为250亿m2,总人口 65 000人,是巴彦淖尔市国土面积中最大的旗县。乌拉特后旗的地形地貌较为复杂,阴山山脉贯穿旗境的南部,使河套平原与北部高原形成了一道分水岭。全旗地势南部高北部较低,平均海拔在 1 500m以上,最高海拔 2 365m。

乌拉特后旗地处中温带,近年来年平均气温在38℃左右,年平均降水量约为96～105.9mm,年均无霜期约为130d,而年均冻土深约为2.3m。属于典型性大陆性季风气候。该区受高空西风环流控制,天气系统多数自西向东移动。受地型地貌,太阳的辐射,大气环流等因素的影响,气候主要特点为冬季较为寒冷且干燥、风沙大,夏季日照强烈,较炎热,且降雨量相对少,蒸发量却大。

2 研究方法

2.1 数据来源

本文采用2006年7—8月Landsat7 ETM SLC-off,2010年7—10月Landsat7 ETM SLC-off、2015年7—9月Landsat 8三个时期的遥感影像,空间分辨率为30m×30m,其图像条的代号分别为130-31,129-31,130-32。选用DEM数字高程数据,其精度为30m。并通过网络下载巴彦淖尔市乌拉特后旗边界线和研究区域的行政地图,经过TIFF的格式转换后,为合成NDVI提供基础依据[3]。

2.2 数据处理

使用地理空间数据云和GIS图像处理软件对研究地域的遥感图作进一步预处理,即矫正、拼接、裁剪及大气校正和辐射定标,并运用相关公式计算出归一化植被指数[4],最终得出本研究地的植被覆盖图。

2.2.1NDVI值计算

基于GIS及NDVI,应用向元二分模型方法,得出了内蒙古乌拉特后旗的植被覆盖度具体变化情况。该方法的技术路线简单易行,可操作性较强,可准确表达出该研究地近些年内的植被生长情况,从而帮助分析地域的植被覆盖趋势及监测该区域植被覆盖的变化情况[5]。

NDVI归一化植被指数,也称生物量指标变化,NDVI 是植被覆盖度和植被生长状态的最有效的指示因子,被定义为近红外,即波段与可见光红波段数值的差和这两个波段数值之和的比值,计算公式[6]为:

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

式中:NIR为近红外波段的反射率,R为红光波段的反射率。

运用ENVI软件计算,最终得出乌拉特后旗3个年度的年均NDVI值。

2.2.2估算植被覆盖度

选择像元二分模型分别估算乌拉特后旗3个时期的植被覆盖度,将一个像元的NDVI值由全植被覆盖地面和无植被覆盖地面的形式组成,2种形式所占的比率,在像元中即为各因子的权重,其中,全植被覆盖的地面在像元中所占的百分比就是此像元的植被覆盖度,因此,利用下面的公式来估算出该研究区域的植被覆盖度。

fc=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

式中:NDVIsoil表示无植物像元的NDVI值,即为完全的裸地。NDVIveg表示纯植被像元的NDVI值,即为完全被植物覆盖的区域。根据彭飞等[7]提出的估算方法,无植物像元为NDVI最小值,有植物像元为NDVI最大值,但考虑到图像中有不可避免的噪音存在,其取值不能直接取最大值与最小值。因此,本文根据研究地区的土地现状情况,将NDVI值确定在置信度区间5%左右的值为最小值,将置信度区间95%左右的值确定为最大值。

3 结果与分析

3.1 植被覆盖度

运用GIS软件的栅格计算器,应用植被覆盖度公式可计算得出fc的值,将得到的植被覆盖度图利用自然间断点分级法分为以下4个等级[8]:微盖度植被覆盖(0≤fc<55%)、低盖度植被覆盖(55%≤fc<70%)、中盖度植被覆盖(70%≤fc<90%)、高盖度植被覆盖(90%≤fc<100%)。分类情况如下表1所示。

表1 乌拉特后旗各等级植被覆盖度所占面积比 %Tab.1 Area ratio of vegetation coverage grades in Wulatehouqi

3.1.1植被覆盖度时间变化

从整体上可以看出,乌拉特后旗的植被覆盖度呈现逐渐增加的趋势。从自然断点分级法分出的微覆盖度、低覆盖度、中覆盖度、高覆盖度4个类型的变化来看(图1),乌拉特后旗2006—2015年的植被覆盖情况除微植被覆盖度变化较明显外,低覆盖度、中覆盖度及高覆盖度变化以较小的比例保持基本不变的趋势[9]。2006—2015年整体微植被覆盖度从176.8亿m2增加到181.2亿m2,可见乌拉特后旗近10年的草场植被在不断增加,裸地面积逐步减少,说明该区域的植被覆盖度得到了显著的起色。2006—2015年间东南部河套平原地带的低植被覆盖度在均匀持续增加。而在2006—2010年河套平原地带的中植被覆盖度则呈缓慢增加的趋势,2010—2015年间则以较快的速度增加。乌拉特后旗的高植被覆盖度的比例一直以来都比较少,但是从2006—2015年阴山以南的平原地区还是有缓慢增加的趋势。

图1 乌拉特后旗等级植被覆盖度面积

3.1.2植被覆盖度空间变化

从2006年、2010年和2015年3个时期的植被覆盖度空间变化来看(图2)。在乌拉特后旗整个旗县的植被多数居中于东南部,即阴山以南的河套平原地带,呈东南部高而西北部的状态,2006年的黄色部分的微植被覆盖度占大多数,而绿色部分的高植被覆盖度明显较少,中间的阴山山脉地带的覆盖度在55%以下,以微植被覆盖度和低植被覆盖度为主；2006—2010年乌后旗的植被逐渐增加,阴山以南的平原地带的低植被覆盖度和中植被覆盖度出现明显增多的趋势,到2010年出现浅绿色部分增加较显著,高植被覆盖度也逐渐增加,整个旗县的植被覆盖度相比2006年有所好转；2015年乌拉特后旗全旗的植被覆盖度明显好转,阴山以北的荒漠及半荒漠化草原的覆盖度增加,浅绿色的中植被覆盖度显著增多,并出现零星高植被覆盖度,中间的阴山山脉出现大量中植被覆盖度增加的趋势,微植被覆盖度的面积明显减少[10]。植被覆盖度统计结果说明,乌拉特后旗植被覆盖度的情况有所改善,逐渐好转,尤其之前较大面积的低植被覆盖度也随之减少,而中植被覆盖度和高植被覆盖度逐渐增加。

图2 乌拉特后旗植被覆盖度

3.2 植被覆盖度变化因素

多年来,乌拉特后旗通过在牧区实施退牧还草、生态移民、林业生态建设等一系列项目,虽然局部生态恶化得到了有效的控制,但整体上生态恶化的势头仍然没有从根本上得到解决。其原因：一是植被退化严重,草原植被覆盖率从20世纪60年代的30%下降到目前的13%,天然梭梭林面积有16.7亿m2,减少到6.13亿m2,密度由原来降低了一半以上,草本植物种类由240种减少到80余种,畜牧可食性牧草由180余种减少到70余种,草场亩产草量由24.8kg降到9kg①乌拉特后旗政府.乌拉特后旗人民政府工作报告.2008.；二是超载放牧严重,1970年建旗是全旗牲畜不到10万头,后来发展到高峰期75万头,现在62万头,而全旗天然草场适宜载畜量为30万头单位,已超载1倍多①；三是降雨量不断减少,2006年不足75mm,加之本旗蒸发量高达3 000mm左右,是年降雨量的30倍之多①。降雨量少导致地下水位下降,沙漠化程度加剧,沙尘暴频繁发生。

3.2.1降水量对植被覆盖度的影响

从图3可看出:2006—2015年乌拉特后旗的年平均降水量逐渐增多,2015年相对2006年及2010年的降水量最多,NDVI值最大,植被覆盖度最好[11]。

图3 乌拉特后旗3个时期年平均降水量

20世纪70年代年平均降水量为188.5mm,80年代为153.5mm,90年代为138.5mm。而后在政府及时的管控和大力支持下,自2006年起,乌拉特后旗的生态环境保护措施的实施逐渐加大,实施生态移民,减人减畜,还在旗内建立大型人工河,河流总长2.7km,河宽50m,总面积约达118 200m2,也正是此湖的建设,大大提升了乌拉特后旗的局部小气候,逐渐使得该地域的湿度有所提高[12]。

3.2.2温度对植被覆盖度的影响

乌拉特后旗2006年、2010年、2015年3个年份的平均气温如图4所示。

图4 乌拉特后旗3个时期的年平均气温

2006—2015年10年间的年平均气温逐渐升高,2006年的年均气温最低,而2015年的年均气温相对较高,2010年及2015年中6—9月份的月平均温度相对2006年也逐渐升高,而上述所计算乌拉特后旗的NDVI值中植被覆盖度在2006—2015年同样在逐渐增高,这表明气候的不断变化是造成植被覆盖度变化的重要因素之一[13]。

3.2.3外部因素的影响

乌拉特后旗草牧场面积累计243.3亿m2,现草场基本全部退化,重度退化的占70%以上。对于畜牧业发达的乌拉特后旗,植被覆盖度多少的关键在于牧区中牧户放牧的情况,退牧还草政策对植被覆盖度的变化起到重要作用[14],因此,面对该旗植被大量退化的情况,旗政府积极响应国家退耕还林、退牧还草政策,采取大量措施战略,对乌拉特后旗的生态牧场进行了有效管控。

自2006年开始,乌拉特后旗政府便确立了“生态立旗”的战略,并坚持着“保护与建设并重、保护为主”的方针,采取生物工程措施和科学管理等手段相结合,突出重点,因地制宜,综合治理,进一步加强生态建设,制定了四项基本生态对策:全面实施生态移民工程；认真实施退牧休牧还林还草战略；依靠科技提高生态环境综合治理水平；转变生态建设和资源保护方式方法。采取四项重要措施建设生态强旗,即:以退为进,着力保护草原生态环境；以转为变,着力改善转移户生产生活水平；以治为重,着力构建北方生态屏障；以护为基,着力改善生态环境[15]。通过这四项措施,逐步改善当地生态环境和农牧民的生态条件,促进区域生态、经济、社会环境的共同发展,致力构建乌拉特后期良好的生态状况。

4 结论

1) 本文利用提取该地区的遥感影像计算了2006年、2010年、2015年的植被覆盖度,并分析了其动态变化情况。从时间上看,乌拉特后旗植被覆盖度整体呈上升趋势,微植被覆盖度由176.8亿m2减少到18.12亿m2,而低植被覆盖度、中植被覆盖度和高植被覆盖度的比例逐渐增加,中植被覆盖度增长了近3.5倍之多,最为明显。从空间上看,乌拉特后旗整个旗县由原先居中在东南部较少面积的植被逐渐增多,中植被覆盖度大面积呈现,高植被覆盖度也零星分布在全旗。

2) 本文运用NDVI初步的分析了乌拉特后旗植被覆盖度变化趋势,从而得出2006—2015年10年间的植被覆盖度的变化情况,根据这项趋势变化分析可对乌拉特后旗近年来生态环境的变化作出相应的判断,为将来环境的改善提供依据。并结合政府对生态环境整治的战略,可以更有效地使乌拉特后旗区域性生态状况向更好的方向发展。

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