湖南省植被覆盖遥感反演信息量化统计

符 静，秦建新

(湖南师范大学资源与环境科学学院,中国 长沙 410081)

湖南省植被覆盖遥感反演信息量化统计

符 静，秦建新

(湖南师范大学资源与环境科学学院,中国 长沙 410081)

本文基于2001—2013年MODIS NDVI多时序遥感影像，利用像元二分模型估算植被覆盖度，以湖南省14个地州市为对象进行统计，并探讨植被覆盖度变化产生的人为原因.结果表明：(1)整体上，近13年湖南省各市州植被覆盖度水平均较高，波动幅度较小；(2)湖南省西部各市州植被覆盖度水平略高于东部各市；(3)湖南省植被覆盖度变化大致以112°E为界，以西呈增加趋势，以东则表现为衰减趋势；(4)湖南省植被覆盖度变化显著增加的面积明显小于显著减少的面积；(5)植被覆盖度的短期变化受人类活动影响较大.

湖南省；MODIS NDVI；植被覆盖度；遥感；统计

AbstractBased on the multi-temporal MODIS NDVI data for the period from 2001 to 2013, in this work, we estimated the vegetation coverage in Hunan province. Taking 14 administrative districts of the studied area as examples, we systematically conduct statistic studies on vegetation coverage. Our results show that: (1) overall, the vegetation coverage was relatively high when changes were not significant over the span of 13 years (2001—2013); (2) the vegetation coverage of western Prefecture-level cities and West Hunan Tujia and Miao Autonomous Prefecture was slightly higher than that of eastern regions; (3) the change tendency of the vegetation coverage was approximately divided by 112° E , with regions located in the west of the line showed an increase whereas others demonstrated a reduction; (4) the area with significant increase of vegetation coverage was much smaller than that with significant reduction; and (5) it is noteworthy that human activities are the major driving force behind the spatial-temporal pattern variations for the vegetation coverage in the studied area during a relative short time period.

KeywordsHunan province; MODIS NDVI; vegetation coverage; remote sensing; statistics

由于经济快速发展、人口不断增长和城镇化进程加快等，人类活动对自然环境的负面影响有目共睹，导致人地矛盾激化，主要表现为环境污染与生态破坏.20世纪70年代以来，生态环境问题一直是国内外关注的热点.植被是陆地地表自然生态系统的核心组成要素，具有保持水土、涵养水源、调节气候、美化环境等生态功能[1].区域地表植被状况可用植被覆盖度来衡量[2]，其作为生态环境综合指示器，是生态系统质量及其服务功能评估以及生态环境评价的重要指标[3].

Rouse等1973年提出归一化植被指数[4](Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)，该指数与植被覆盖度高度相关[5-7]，广泛应用于遥感估算植被覆盖度[3, 8-11].近年来，通过植被覆盖状况监测生态环境变化的研究已成热点.Wang等利用2000—2010年MODIS NDVI时序数据，研究了中国南方丘陵山地带植被覆盖时空变化及其驱动因素[12].Zhang等基于MODIS数据，以中亚温带沙漠区为研究对象，得出该区域植被覆盖度与生物量的时空特征，并分析了二者与气候要素的关系[13].Liu等以中国山西大型露天矿山为研究对象，利用1990—2015年Landsat遥感影像计算出植被覆盖率，分析了矿山复垦后植被覆盖变化及其稳定性[14].为改善区域生态环境，需了解地理环境的整体性，同时也要研究更小尺度环境变化状况.

本文以湖南省为研究对象，首先获取了近13年的MODIS NDVI数据，利用最大值合成法得到月最大NDVI，基于像元二分法估算植被覆盖度，然后对该区域14个行政区年最大植被覆盖度均值进行统计分析，最后探讨了植被覆盖度变化的人为因素.以期长期监测该区域生态环境变化，为植被恢复及生态工程建设等决策提供参考.

1 研究区概况

湖南省介于北纬30°08′～24°38′，东经108°47′～114°15′之间，辖13个地级市、1个自治州、122个县(市、区)，总面积21.18万 km2(图1)，常住人口6 783.0万(2015年).该区域为典型亚热带季风气候，降水丰沛，雨热同期，河网密布，地处云贵高原向江南丘陵、南岭山地向江汉平原的过渡地带，地形复杂多样，地势落差大，植被资源丰富，形成了陆地植被生态系统的多样性，因此能够很好地体现植被覆盖度指标的时空异质性.

图1 研究区示意图Fig.1 Study area

2 研究方法

2.1 数据来源及预处理

遥感数据使用美国宇航局(NASA)提供的2001—2013年时空分辨率分别为16 d和250 m的MODIS NDVI时序数据.该数据集每年23期，合计299期；研究区范围覆盖3景：h27v05,h27v06和h28v06，合计897景.源数据已经过辐射与几何校正，在ENVI平台下完成影像镶嵌拼接、格式与投影转换、最大值合成(MVC)、裁剪、真值转换(DN=DN×0.000 1)，从而建立研究区近13年月最大NDVI影像数据库用以估算植被覆盖度.

其他数据包括湖南省基础地理数据、DEM影像、部分年份《湖南省统计年鉴》、1995—2013年湖南省土地利用矢量数据等.

2.2 像元二分法

基于MODIS NDVI数据，依据像元二分模型原理[11, 15]，采用植被指数法估算植被覆盖度.公式如下：

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

(1)

式中，fc为像元的植被覆盖度，NDVI表示各像元NDVI值，NDVIveg为纯植被像元值，NDVIsoil为裸土像元值.综合考虑图像及研究区实际情况，本文取置信度0.5%，将NDVI最大值(或累计频率最大值)、最小值(或累计频率最小值)分别作为植被与裸土贡献的模型参数，即提取累积频率在0.5%附近的NDVI值作为NDVIsoil及99.5%附近的值作为NDVIveg.最后，采用国际通用的MVC将植被覆盖度月值合成年最大植被覆盖度.

2.3 趋势分析

基于一元线性回归模型，模拟像元尺度上的年最大植被覆盖度变化趋势[3].公式如下：

(2)

式中：θ为植被覆盖度变化趋势斜率，其值大于0表明呈增加趋势，反之，小于0表明呈下降趋势，若其值等于0，表明无变化；n为研究年限；i=1, 2, 3,…,n；fc i为第i年的年最大植被覆盖度.

然后对模拟结果进行显著性检验(F检验)，公式如下：

(3)

式中，n表示研究期限；U为误差平方和；Q为回归平方和.依据F分布临界值表，划分植被覆盖度变化趋势为极显著(P<0.01)、显著(P<0.05)、不显著3个等级.

3 结果与分析

3.1 湖南省植被覆盖度量化特征

基于像元二分法得到湖南省2001—2013年最大化植被覆盖度，利用ArcGIS软件Zonal模块对该区域14个地州市植被覆盖度均值进行统计.整体上，湖南省各市州13年来植被覆盖度水平均较高，最大值于2011出现在张家界市，为0.801；最小值于2012年出现在湘潭市，为0.639(表1).近13年湖南省各市州植被覆盖度均值及其最大值、最小值见表1，其中，植被覆盖度最大值出现在2003，2004，2007和2009年的较多，最低值在2005，2010和2012年居多.

表1 2001—2013年湖南省植被覆盖度均值

此外，湖南省各市州植被覆盖度多年均值由高到低排列依次为怀化市、张家界市、湘西土家族苗族自治州、邵阳市、益阳市、常德市、郴州市、株洲市、永州市、娄底市、长沙市、湘潭市、岳阳市、衡阳市.其中，怀化市、张家界市、湘西土家族苗族自治州植被覆盖度分别为0.778，0.776和0.762，达到高植被覆盖度水平，原因在于亚热带山区，环境条件优越，受地形抬升影响，良好的水热条件促进植被生长，因此植被覆盖状况较好.衡阳市植被覆盖度最低，为0.652；岳阳市次之，为0.670，这与衡阳所处的盆地地形以及岳阳市的洞庭湖区水域环境有关.“长株潭”一体化区域植被覆盖度也处于相对较低水平，表明城镇化发展必然降低植被覆盖度.

3.2 湖南省植被覆盖度年际变化

2001—2013年，湖南省植被覆盖度波动幅度较小，其西部各市州植被覆盖度水平略高于东部各市(图2)，这主要与地形因素、人类活动强度以及经济发展水平有关.植被覆盖度变化大致以112°E为界，以西包括怀化市、张家界市、湘西土家族苗族自治州、邵阳市、益阳市、常德市、永州市和娄底市呈增加趋势，其中，怀化市、张家界市增长趋势相对较大，增速分别为2.2%/(10 a)和1.9%/(10 a)；以东包括郴州市、株洲市、长沙市、湘潭市、岳阳市和衡阳市则表现为衰减趋势，其中， “长株潭”一体化区域退化较为严重，长沙市最为明显，降速为-5.2%/(10 a)，其次为湘潭市(-3.2/(10 a))和株洲市(-3.1/(10 a))，此外，郴州市植被衰减也较明显，仅次于长沙市，降速为-3.7/(10 a)(图2).

图2 2001—2013年湖南省各市州植被覆盖度年际变化 (%/(10 a))Fig.2 Annual change of the vegetation coverage in each city and West Hunan Autonomous Prefecture of Hunan province from 2001 to 2013 (%/(10 a))

3.3 湖南省植被覆盖度变化显著性检验

基于一元线性回归方程，模拟像元尺度上的湖南省年最大植被覆盖度变化趋势，并作显著性检验，分区统计得到其14个地州市植被覆盖度有显著变化的面积见表2.

近13年湖南省植被覆盖度变化显著增加的面积(8 099.23 km2)明显小于显著减少的面积(11 860.26 km2)，植被存在明显退化(逆差-3 761.03 km2)(表2).具体来看，长沙市、株洲市、湘潭市、衡阳市、邵阳市、岳阳市、郴州市、怀化市面积逆差分别为-1 516.67,-845.86,-359.18,-529.13,-78.19,-197.54,-1 716.36和-111.68 km2，其中，7个行政区面积逆差在-100 km2以上，尤其有4个在-500 km2以上，仅邵阳市在-100 km2以下，表明这些地区植被覆盖状况存在衰减趋势；其余地区植被状况有所改善，湘西土家族苗族自治州植被覆盖面积顺差最大，为837.81 km2，其次为张家界市、益阳市和永州市，分别为375.71，118.71和101.59 km2，娄底市和常德市面积顺差相对较小，分别为99.17 km2和60.59 km2，表明这些区域生态建设和植被恢复等措施取得了一定的成果.

表2 2001—2013年湖南省植被覆盖度显著变化面积 单位：km2

3.4 人类活动对植被覆盖度的影响

3.4.1 城镇扩张对地表影响最为显著 人类赖以生存的生态环境长期受自然与人为因素共同影响，其中，人类活动对自然生态短期变化影响更大，尤其以城镇发展对地表影响最为显著.城镇化水平又称城镇化率，是衡量区域经济发达程度的重要指标，按照国家统计局规定，一般用一个地区的城镇常住人口与常住总人口的比例来表示.城镇化进程伴随着人口不断增长和用地规模不断扩张[16]，需要占用大量耕地和破坏地表植被.

建国以来湖南省城镇化水平呈逐年上升趋势：1949年，该区域城镇化率仅为7.90%；1978年上升为19.50%，约为建国时期2.5倍；2013年高达47.96%；近13年，城镇化率涨幅约17.16%(图3).1995—2013年湖南省城乡建设用地规模逐步扩大，1995年为2 737.94 km2，2013年增加到4 906 km2，其面积约为1995年的1.8倍；近13年，面积增加了约2 006.6 km2(表3).总之，由于湖南省东部地形相对平坦，经济发展水平较高，城市集中发展，城镇化速度较快，导致植被覆盖度下降明显，2001—2013年降速为-5.2%/(10 a)～-0.2%/(10 a)(图1和图2)，表明城镇扩张必然降低植被覆盖度.

图3 湖南省1949—2013年城镇化水平Fig.3 Urbanization level of Hunan province from 1949 to 2013

3.4.2 不合理的生产生活方式 伴随着经济快速发展、人口不断增长和城镇化进程加快，人地矛盾突出，对自然资源过度开发破坏地表植被，导致土地退化.湖南省虽然植被覆盖状况整体较好，但在人口、资源、城市化等多重压力影响下，不合理的人类活动(毁林开荒、滥砍滥伐、工程建设等)使得低山丘陵区植被遭遇毁灭性破坏，土壤因水土流失，红色砂岩裸露，形成“红漠化”；基岩大面积裸露或砾石堆积形成“石漠化”，张家界、湘西土家族苗族自治州、永州、邵阳、郴州等地山区为该区域石漠化集中分布区.结合表1和表2，湖南省近13年植被覆盖度变化显著增加的面积明显小于显著减少的面积(逆差-3 761.03 km2)，即增加的速率要小于减少的速率，说明该区域植被覆盖度水平整体呈下降趋势，降速为-0.9%/(10 a).

3.4.3 人类活动正向影响 人类活动的正向影响会提高植被覆盖度，改善生态环境状况.2000年以来，湖南省实施退耕还林、荒山造林、封山育林等政策使得植被覆盖状况向好的方向发展.同时防护林建设工程，天然林资源保护工程，滩地造林，农田绿化工程，以及大面积种植薪炭林等工程措施也有利于提高植被覆盖度水平.此外，在城市建设用地中，采取绿化工程措施以增加城市绿地面积，可适当改善城市及其周边地区的生态环境.湖南省中西部多为山区，经济相对落后，受地形限制，城镇化发展较慢，国家政策导向有利于环境保护，特别是在张家界市、湘西土家族苗族自治州等地重点发展旅游业，因而植被覆盖状况较好，近13年植被覆盖度水平普遍有增加趋势，增速为0.03～2.2%/(10 a)(图2).

4 结论

本文基于2001—2013年MODIS NDVI多时序遥感影像，利用像元二分模型估算植被覆盖度，以湖南省14个地州市为对象进行统计，并探讨了植被覆盖度变化产生的人为原因.结论如下：

(1)整体上，湖南省各市州13年来植被覆盖度水平均较高，波动幅度较小.植被覆盖度最大值出现在2003，2004，2007和2009年的较多，最低值在2005，2010和2012年居多.多年均值由高到低排列依次为怀化市、张家界市、湘西土家族苗族自治州、邵阳市、益阳市、常德市、郴州市、株洲市、永州市、娄底市、长沙市、湘潭市、岳阳市、衡阳市.其中，怀化市、张家界市、湘西土家族苗族自治州植被覆盖度分别为0.778，0.776和0.762，达到高植被覆盖度水平；衡阳市最低(0.652)，岳阳市次之(0.670)；“长株潭”一体化区域也处于相对较低水平.

(2)湖南省西部各市州植被覆盖度水平略高于东部各市.植被覆盖度变化大致以112°E为界，以西包括怀化市、张家界市、湘西土家族苗族自治州、邵阳市、益阳市、常德市、永州市和娄底市呈增加趋势，其中，怀化市、张家界市增长趋势相对较大，增速分别为2.2%/(10 a)和1.9%/(10 a)；以东包括郴州市、株洲市、长沙市、湘潭市、岳阳市和衡阳市则表现为植被衰减趋势，其中，“长株潭”一体化区域退化较为严重，长沙市退化最为明显，降速为-5.2%/(10 a)，其次为湘潭市(-3.2/(10 a))和株洲市(-3.1/(10 a)) 此外，郴州市植被衰减也较明显，降速为-3.7/(10 a).

(3)近13年湖南省植被覆盖度变化显著增加的面积(8 099.23 km2)明显小于显著减少的面积(11 860.26 km2)，植被存在明显退化(逆差-3 761.03 km2).长沙市、株洲市、湘潭市、衡阳市、邵阳市、岳阳市、郴州市、怀化市植被覆盖面积逆差分别为-1 516.67，-845.86，-359.18，-529.13，-78.19，-197.54，-1 716.36和-111.68 km2；湘西土家族苗族自治州面积顺差最大，为837.81 km2，其次为张家界市、益阳市和永州市，分别为375.71，118.71和101.59 km2，娄底市和常德市相对较小，分别为99.17 km2和60.59 km2.

(4)植被覆盖度的短期变化受人类活动影响较大.一方面，在人口、资源、城市化等多重因素影响下，湖南省虽然植被覆盖状况整体较好，但植被覆盖度水平呈下降趋势(-0.9%/(10 a)).另一方面，区域生态工程建设、植被恢复措施以及国家政策导向等人类活动的正向影响在一定程度上提高了植被覆盖度.

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(编辑 HWJ)

Quantitative Statistics on Vegetation Coverage of Hunan Province Derived from Long-term Remote Sensing Image Series

FUJing,QINJian-xin*

(College of Resources and Environmental Science, Hunan Normal University, Changsha 410081, China)

Q948

A

1000-2537(2017)05-0001-07

2017-05-21

国家自然科学基金资助项目(40971038)；湖南省研究生科研创新资助项目(CX2016B169)

*通讯作者,E-mail：qjxzxd@sina.com

10.7612/j.issn.1000-2537.2017.05.001