基于MODIS-NDVI的乐安湿地植被覆盖动态分析

毛 英，原作强，高清明，胡进耀*，胡连通，王 新，周大松

(1.绵阳师范学院，四川 绵阳 621000；2.中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁 沈阳 110000；3.四川大学，四川 成都 610000；4.四川省林业科学研究院，四川 成都 610000)

植被覆盖度(植被的垂直投影面积与单位面积之比)是反映湿地植物生长状况的重要生态学参数，在评估和监测生态环境方面有着重要的作用。因此获取地表植被覆盖度及其变化信息，对于归纳地表植被变化规律，分析监测区生态环境具有现实意义[1～2]。

植被覆盖度的测量方法可分为地表实测和遥感监测两类。由于遥感具有能够反映不同空间尺度的植被覆盖信息的优势，因而利用遥感数据估算植被覆盖是主要方法。随着定量遥感的迅速发展，为林业资源和植被变化监测提供了一种有效手段。其中归一化植被指数(NDVI)是目前最为广泛应用的表征植被状况的指数。国内学者针对不同空间尺度的植被覆盖开展了大量研究，例如，刘洋等[3]利用高质量MODIS观测约束历史AVHRR数据的反演，生成全球1981—2012年叶面积指数数据。刘振波等[4]基于MODIS BRDF遥感模型参数产品数据，估算植被指数，并将其与实测叶面积指数构建小兴安岭五营林区冠层叶面积指数反演模型。也有不少学者提出新的遥感数据处理方法来研究植被覆盖度，如杨绘婷等[5]基于植被覆盖度，提出了一种新的遥感数据提取方法——植被信息季节变换方法，将MODIS低分辨率遥感数据的时间分辨率优势与中高分辨率遥感数据的空间分辨率优势相结合，并将其应用到了福建省连江县的研究中。贾坤等[6]综合分析了用于植被覆盖度估算的遥感数据源，指出未来植被覆盖度遥感估算研究的主要方向是：高时空分辨率长时间序列的全球植被覆盖度数据集，多源遥感数据融合和同化技术；

作为长江上游生态屏障的重要组成部分，在2016年9月，国务院批复同意新增布拖县为国家重点生态功能区。乐安湿地位于布拖县境内，处于大凉山区，海拔 2 500 m～3 000 m,是全球同纬度地区少有的亚热带高原湿地,具有涵养水源、调节气候、净化水体、保护生物多样性等多种生态功能。研究该区域的植被变化，对于研究区域气候、生物多样性、当地畜牧业的发展和生态平衡以及维护区域生态系统稳定具有重要价值。近年来，四川西部生物多样性调查队[7]对布拖乐安地区的植物、植被、真菌、鱼类、两栖爬行类、兽类多样性及影响干扰因素进行了全面详细的调查。基于对乐安湿地的地面调查分析，桂林华等[8]提出了初步的湿地恢复建议，但是缺乏针对植被覆盖的相关研究。本文采用时间序列2011—2015年的MODIS-NDVI (Moderate-resolutionImaging Spectroradiometer-normalized Difference Vegetation Index，基于中分辨率成像光谱仪的归一化植被指数)数据，参考了李苗苗[9]的像元二分模型，定量研究乐安湿地保护区植被覆盖空间分布及变化趋势。

1 研究区概况

乐安湿地保护区(27°27’05”～27°42’27”N，102°52’30”～103°03’05”)又称乐安黑鹳自然保护区，位于四川省西南部，青藏高原向云贵高原过渡的凉山山脉，属长江上游的金沙江流域，在行政上隶属于四川省凉山彝族自治州布拖县，由乐安、四棵、乌衣、地洛等乡镇的部分区域组成，距县城30余km，距西昌市114 km；湿地保护区平均海拔 2 690 m，属亚热带滇北气候区，气候垂直变化大，具有明显的立体气候，降水主要集中在夏秋两季，年平均降水量 1 100 mm～1 400 mm，境内年平均气温10.1℃，大于等于10℃积温约 2 367.8℃[7]。乐安保护区面积 21 358.9 hm2，保护区的森林主要分布于海拔 1 800 m～3 000 m，主要有乔木马尾松、云南松、樟树、桦木等，林带上下分布着黄荆、马桑、杜鹃、禾草、莎草、蒿类等植被物种。保护区内植被属于川西偏干性常绿阔叶林,并具有明显的垂直地带性,海拔 1 000 m以下为稀疏草丛,海拔 1 000 m～1 800 m为常绿阔叶林,海拔 1 800 m～2 600 m为针阔混交林带，海拔 2 600 m～3 400 m为亚高山针叶林带和灌丛草地。

2 研究方法

2.1 数据源及遥感数据处理

本文研究数据包括遥感数据和其他数据。遥感数据包括2011、2012、2013、2014、2015年5个时相的MODND1M中国500M NDVI月合成产品，时间选取植被生长旺盛的8月，以便准确地监测植被覆盖度。该数据由MODND1D计算得来，计算方法为取月内每天最大值。其他数据包括：1∶55000地形图、乐安湿地保护区边界矢量数据等。

研究中运用ENVI5.1对遥感数据进行预处理及植被覆盖度计算，用Arc GIS10.2进行地形分析及制图。

2.2 NDVI计算与异常值处理

归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)是目前用来反映植被生长状态的重要指标因子，通常被定义为近红外波段NIR(0.7 μm～1.1 μm)与可见光红光波段R(0.4 mm～0.7 mm)反射率之差与反射率之和的比值，即

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

(1)

经过(1)计算得到的NDVI数据，由于NDVI值被限定在[-1,1]之间，阴影区域的NDVI在[-1,1]之外的则被称为异常值，可以通过ENVI5.1Band Math将这一部分的NDVI值变成背景值，即零值。

2.3 植被覆盖度提取

基于像元二分模型提取植被覆盖度(Fractional Vegetation Cover,FVC)，消除了地域的限制，易推广且精度较高。其原理[10]就是假设一个像元的信息可分为植被覆盖像元与裸土覆盖像元两部分，即Sv代表植被信息，Ss代表裸土信息，则

S=Sv+Ss

(2)

Sv=FVCxSveg

(3)

Ss=(1-FVC)xSsoil

(4)

因此，将公式(3)和(4)带入(2)，得到植被覆盖度FVC的计算公式：

FVC=(S-Ssoil)/(Sveg-Ssoil)

(5)

该模型引入参数Sveg和Ssoil削弱了植被类型、土壤背景和大气等对获取信息的影响，对植被覆盖度信息进行最大的保留。

根据研究，植被覆盖度与NDVI之间存在极显著的线性关系，由此，根据像元二分法原理，将NDVI代入公式，变换得到:

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

(6)

式中，NDVIveg为纯植被覆盖像元的NDVI值，NDVIsoil为裸土覆盖像元的NDVI值。

由于大气、地表状况、年份、季节和区域等条件影响，本研究采用李苗苗的简化模型，以NDVI累计频率5%和95%的为置信度区，确定研究区域的有效纯植被值和裸土覆盖值。表1为乐安湿地保护区2011—2015年的裸土和纯植被的NDVI取值。

表1研究区土壤和植被的NDVI取值

Tab.1ThevalueofNDVIsoilandNDVIveginthestudyarea

年份YearNDVIsoilNDVIveg20110.6610.87320120.6460.87920130.5300.85420140.2260.89220150.6150.838

2.4 植被覆盖度等级划分

为便于分析对植被覆盖动态变化，在对研究区2011—2015年植被覆盖度计算的基础上，结合实际情况，将FVC划分为5个等级[11～13]，即Ⅰ级低植被覆盖度(0～0.2)、Ⅱ级中低植被覆盖度(0.2～0.4)、Ⅲ级中植被覆盖度(0.4～0.6)、Ⅳ级中-高植被覆盖度(0.6～0.8)、Ⅴ级高植被覆盖度(0.8～1.0)通过拉伸生成植被覆盖度分布图。

3 结果与分析

3.1 植被覆盖度动态变化

2011—2015年每年8月乐安湿地的中高度+高植被覆盖区分别占研究区总面积的43.82%、41.70%、52.30%、68.55%、44.52%，其中中-高植被覆盖区占研究区的比重较大，超过20%，反映了植被覆盖状况良好。虽然保护区内植被覆盖度总体上呈稳定状态(见图1)，但是不同等级、不同时段的植被覆盖变化趋势存在差异。2011—2014年低、中-低(Ⅱ级)植被覆盖度面积变化呈先上升，然后下降，持续下降至2015年呈上升趋势。中等(Ⅲ级)植被覆盖度面积变化在2011—2012年呈下降趋势；2012—2013年呈上升趋势；2013—2014年呈下降趋势；2014—2015年呈上升趋势。中高(Ⅳ级)植被覆盖度面积变化经历先下降后上升再下降的过程，总体上该级植被覆盖度面积呈现增加。高(Ⅴ级)植被覆盖度面积变化在2011—2015年总体上呈现下降趋势，2011—2013年间呈现持续下降趋势，仅2013—2014呈现上升趋势，但是2014—2015年呈现急剧下降趋势(见表2)。

图1 乐安2011—2015年平均植被覆盖度(FVC)的年际变化Fig.1 Interannual variation of Le’an average fraction vegetation cover (FVC) in 2011—2015

表2乐安湿地不同时期植被覆盖度分级统计

>Tab.2 Statistics of fractional vegetation cover in different periods at the wetland of Le’an

注：面积km2，比例%。

图2 乐安2011—2015年植被覆盖分布图Fig.2 Distribution of FVC at wetland of Le’an from 2011 to 2015

3.2 植被覆盖空间格局变化

从乐安湿地保护区2011—2015年8月的植被覆盖分布图(见图2)可以看出，植被覆盖度在空间上呈现以万吨山、四棵乡一线向两侧降低的总体趋势。中高度、高度植被覆盖区主要集中在万吨山的南部及东部、浪珠乡、四棵乡、乐安乡东北部，主要是该区域的山区，以及水热条件的影响；中等植被覆盖区受水热条件的限制，主要分布于中高度、高度植被覆盖区的外围；低、中低植被覆盖区主要分布于万吨山的西北部和乐安湿地的人口聚居区，主要受地形地势和人为因素的影响。建筑用地、未经开发的或者植被破坏严重的裸地以及长势后期耕地区域低植被覆盖区与中低植被覆盖区的出现，导致在保护区域范围内中出现大面积空白区域或浅色区域(见图2)。

4 讨论分析

乐安湿地保护区与若尔盖湿地均为长江上游地区重要的水源涵养区。两者都是高寒湿地生态系统的典型区域[14]，但是两者的海拔高度不同，若尔盖湿地的海拔在 3 400 m～3 800 m，乐安湿地的海拔在 2 500 m～3 000 m。采用2011—2015年的MODND1M中国500M NDVI月合成遥感数据经相同方式处理后，得到的结果发现，若尔盖湿地植被以中高和中等的植被覆盖度等级为主[15]，而乐安湿地的则以高和中高植被覆盖度等级为主；2011—2015年若尔盖湿地的平均植被覆盖度为0.72，而乐安湿地在这5年间的平均植被覆盖度仅为0.54；经分析2011—2015年间两者平均植被覆盖度的变化趋势不同，两者植被覆盖度的影响因素也不一致，若尔盖湿地的植被覆盖度分布影响因素有气象因素的气温降水因子、地形因素的高程坡度和坡向、草原鼠和虫害因素以及社会因素的经济发展和地方政策等[16]，而乐安湿地的植被覆盖分布受水热、地形限制；近年来两者植被覆盖度降低的原因也不一样，若尔盖湿地草原退化、土壤沙化问题导致其植被覆盖度的降低，乐安湿地则是因为人为因素导致其植被覆盖度的降低。其人为原因主要是经济建设开发，如开工建设G356县城至昭觉三湾河段公路升级改造、S464普格至特木里镇段公路改建工程、包谷坪至罗家坪通乡油路工程，完成“十一五”遗留6个乡40.6 km通乡油路建设任务、麻地湾复建公路主体工程；基础设施建设，2015年完成6.63亿元，建设补尔、乐安风电场和包谷坪，合井光伏发电建设、城镇污水处理厂建设；投入 1 857.6万元实施奔诚矿业萤石采矿；投入608万元实施沙洛电站增效扩容等[17]。

本文基于MODIS-NDVI遥感数据，应用像元二分模型估算出乐安湿地保护区植被覆盖度，具有便捷、适应性强等优势，但是由于植被类型、生长状况和下垫面的复杂性和多样性，NDVIseg和NDVIsoil的确定是成为像元二分模型反演植被覆盖度的关键，虽然用置信域消除异常值的影响，但是仅是基于NDVIseg和NDVIsoil这两个调节因子的线性拉伸，其FVC估算值与实测值很难做到完全一致。且本文并未探究将混合像元分为等密度、非密度和混合密度的亚像元的模型，因此还需对此模型做进一步探索和改进。