基于Landsat TM/OLI影像的窟野河流域植被覆盖变化研究

摘 要：本文以窟野河流域为研究对象，采用2003、2010及2017年3期landsat TM/OLI影像为基础数据，计算归一化植被指数法NDVI，并根据像元二分模型，计算了窟野河流域内植被覆盖度，生成窟野河流域植被覆盖分级图，通过对结果分析得出，经过多年来的综合治理工作及气候变化等因素共同作用下，窟野河流域内植被覆盖增长趋势明显。从时间上看，窟野河流域植被覆盖总体上呈增长的趋势，低覆盖度类减少，中、高覆盖度类呈增长趋势;从空间上看，受人类活动和气候双重因素影响下，流域不同区域植被覆盖变化差异较显著，植被总体以改善为主，部分区域则表现为退化。

关键词：Landsat;归一化植被指数;植被覆盖度;窟野河流域

1 研究区概况

窟野河发源于内蒙古自治区东胜区的巴定沟，是黄河的一级支流之一，从伊金霍洛旗和陕西省府谷县流过，在陕西省神木县沙峁头村流入黄河[1]。流域地理范围位于东经109°25'56"～110°48'49"，北纬38°22'26"～39°51'18"之间，干流全长242km，平均比降为0.344%，流域总面积为8742 km2。由于窟野河流域处于北温带半干旱大陆性季风气候地带和独特的地理位置，导致其流域内降水分布在时间和空间上极不均勻。时间上，6～9月降水量占年降水量的大多数;空间上，降水量大致分布为东多西少、南多北少。窟野河流域地貌类型复杂多样，地表主要由黄土，风沙土和砒砂岩构成，受水蚀、沙蚀、风蚀等侵蚀极其严重，水土流失面积占总面积的90%以上，多年平均输沙量达到上亿吨，是黄河流域水土流失最严重的地区之一。流域内生态系统脆弱，属国家级水土流失重点治理区[1]。本文采用3期不同时间段的landsat7 TM/OLI遥感影像和植被归一化指数研究其流域内多年来的植被变化特征，其研究成果可以为该地区的生态恢复提供基础信息。

2 遥感数据源与数据预处理

根据窟野河流域所处的地理位置特征和有关植被研究，6～8 月为窟野河流域内植被主要生长季，此时植被覆盖度最高。因此本文选择 2003年、2010年以及 2017年的每年6月下旬共3期Landsat TM/OLI遥感影像为基础数据，影像的空间分辨率为30m，每期均由2景图像镶嵌而成。植被生长状况相近，并且云覆盖量接近于零，能够降低由于温度、降雨等自然因素引起的差异对植被长势的影响，极大地提高了研究的可靠性。

由于受到遥感系统的空间、时间、光谱和辐射分辨率的限制，复杂的地球表面信息很难准确记录，使得数据采集分析过程中不可避免地出现误差。正是由于存在这些误差，遥感数据的质量将会有所降低，从而影响图像分析的准确性。因此，为了更好地进行定量化研究，需要对遥感原始影像进行预处理。主要是对影像获取过程中产生的模糊、变形和噪音等误差进行纠正，还原图像最真实的信息[2]。本文主要采用ENVI软件实现影像的辐射定标和大气校正，把原始影像的DN值转化为地面目标的反射率。再利用窟野河流域边界矢量图对三期镶嵌的遥感影像进行裁剪，最终得到预处理后的研究区遥感影像图。

3 研究方法

3.1 归一化植被指数提取

归一化植被指数（normalized difference vegetation index，NDVI）是根据遥感影像波段抽象出来的，其值与植物的长势和生产率成正比。在一定程度上可以反映出植被覆盖度和植被生长状况，其计算公式为：

（1）式中：NIR为近红外波段;R为红外波段。

得到NDVI 值取值范围在-1到1之间，负值表示地面覆盖为河流、湖泊等水域;0值表示建筑物、岩石或裸地等无植被覆盖区;正值表示地面有植被覆盖，且NDVI值与植被覆盖度成正比。

3.2 植被覆盖度计算与分级

植被覆盖度（Fractional Vegetation Coverage，FVC）是指植被冠层的垂直投影面积与土地总面积之比，能比较直观地反映出植被的现状，并能够清晰地揭示植被覆盖的变化过程[3]。本文研究采用像元二分数学模型对NDVI结果进行分析计算，可以使植被指数定量化地反映植被信息并得到植被覆盖度，再对植被覆盖度进行分等级划分，以达到对植被覆盖演变程度量化的目的，使植被面积变化的定量评价更为直观可读。植被覆盖度计算的公式为[2]：

（2）式中：NDVIsoil为全土壤覆盖像元的NDVI值;NDVIveg 为全植被覆盖像元的NDVI值。参考文献[4]提出的关于NDVIveg和NDVIsoil的估算方法以及NDVI灰度值分布，截取5% 和95% 的NDVI值为上下限阈值分别近似代表 NDVIveg和NDVIsoil，计算出植被覆盖度。

通过植被覆盖度量化分级处理，可以直观地得到窟野河流域植被生长空间分布情况。本文根据国家《土地利用现状调查技术规程》和相关文献，结合研究区的植被状况和遥感图像的可解译程度，最终采用等间距分级法，将每期窟野河流域植被覆盖度计算结果划分为5个植被覆盖等级区：Ⅰ级（低植被覆盖度）：0～0.2，对应于沙漠、撂荒地、居民点及交通用地等;Ⅱ级（中低植被覆盖度）：0.2～0.4，对应于低产草地、疏林地等植被;Ⅲ级（中植被覆盖度）：0.4～0.6，对应于农田、中产草地等植被;Ⅳ级（中高植被覆盖度）：0.6～0.8，对应于中高产草地、林地、农田等植被;Ⅴ级（高植被覆盖度）：0.8～1，对应于保护良好森林、高产草地、良田等植被。

为了更好地描述窟野河植被覆盖在空间上的变化程度，利用（3）式计算植被覆盖度变化情况[3]。

（3）式中：FVCi为较晚年份（i年）的植被覆盖度;FVCj为较早年份（j年）的植被覆盖度。基于（3）式的植被覆盖度变化计算结果，设置临界值进行标准化分级确定植被覆盖度变化等级区域[3]。根据本研究区植被覆盖度变化的实际情况，将全区分为5个植被覆盖度变化等级区：D<-0.5为严重退化区，-0.5≤D<-0.1为轻微退化区，-0.1≤D<0.1为稳定区，0.1≤D<0.5 为轻微改善区，D≥0.5为强烈改善区。

4 植被覆盖度提取结果与分析

4.1植被覆盖度提取

根据研究方法，提取2003-2017年间3期影像的NDVI值，并将其转化为相应的植被覆盖度。不同分级的植被覆盖情况见表1，如图2所示为2003年、2010年和2017年3期植被覆盖度图。然后根据式（3）得到不同时间段内窟野河植被覆盖变化图。如图2所示，从图中可以清晰的看到，近14年来，窟野河流域植被覆盖度逐渐增加。

4.2 结果分析

由表1可以得到，2003年流域植被覆盖度相对较低，其中低植被覆盖度地区和中低植被覆盖度地区占全流域面积的比例最大，总共有64.63%，占了一半以上。2010年植被覆盖度总体上小幅度上升。各级别中，低植被覆盖度地区明显减少，由2003年的33.17%减至23.35%，中低植被覆盖度和中植被覆盖度地区面积小幅度增长，分别达到36.28%和20.88%，較2003年分别增长了4.82%和4.06%，中高植被覆盖度和高植被覆盖度地区轻微增长，分别增长了0.8%和0.14%，中低植被覆盖度和中植被覆盖度地区占流域面积达到57.16%。2017年植被覆盖状况较2010年有显著改善。中、中高和高植被覆盖度的地区占流域面积明显增加，分别增加了11.02%，9.08%和4.25%，中植被覆盖度和中高植被覆盖度地区占流域面积达到50.56%，中低植被覆盖度、低植被覆盖度的地区占流域面积减少量分别为12.83%和11.52%。总体在时间上来看，2003年-2017年窟野河流域植被覆盖度总体呈大幅度增加趋势，其中中植被覆盖度和中高植被覆盖度地区面积所占比例增加最为明显，分别增加了1.89倍和2.12倍。从图2可以明显地看出，在空间上研究区植被覆盖度改善的区域主要集中在流域东部，除局部地区外，流域植被覆盖度都在增加。

根据前人研究和相关资料分析得到，影响窟野河流域多年来植被变化的因素主要有以下两方面：一是人类活动。自水土保持生态治理工程以及退耕还林工程等项目开展以来，窟野河流域的植被覆盖状况得到了显著的改善，植被覆盖呈显著增加趋势。二是气候因素。气候的影响主要体现在降雨量和温度上。但是气温主要调节一年内植被的生长节律，与植被覆盖度的年际间变化关系不大，对植被覆盖度的增长贡献不大。但是降雨对植被有积极的影响，与植被覆盖度的年际间变化呈正相关。由文献[4]可知，多年来，窟野河流域在不同地区降雨呈现出一定的差异，流域年平均降雨量变化并不很大，甚至存在轻微下降的趋势，植被覆盖反而总体好转，这种情况表明降雨对植被覆盖度的增加也没有起到主要作用。虽然在2003-2017年，整体上看植被覆盖显著提高，但局部地区也有减少的情况，主要是由耕地扩张、城镇建设和矿产开采等原因造成的[5]。相关资料表明，含煤矿地区绝大部分地表覆盖植被，煤炭开采严重破坏地表植被。人类活动频繁，植被受干扰，部分地区植被退化比较严重，这表明该地区人类活动对植被的干扰远大于气候因素的作用。

5 结语

本次研究表明，利用Landsat TM/OLI遥感影像计算归一化植被指数的方法，可以快速准确地获取到区域植被覆盖度，为生态恢复以及区域植被监测提供了可靠的数据。由于受遥感数据限制，本文中没有研究农业用地等植被覆盖变化在窟野河植被覆盖变化过程中所产生的的影响及作用，在这一方面仍需进一步的研究。

参考文献：

[1] 王童，何海，吴志勇.近30年来窟野河流域土地利用与植被覆盖度变化分析[J].水电能源科学，2017，35（11）：127-130+83.

[2] 陈妮，李谭宝，张晓萍.北洛河流域植被覆盖度时空变化的遥感动态分析[J].水土保持通报，2013，33（3）：206-210+327.

[3] 李苗苗.植被覆盖度的遥感估算方法研究[D].中国科学院大学（中国科学院遥感与数字地球研究所），2003.

[4] 谷晓伟，陈丽，董国.近50a来窟野河流域水文情势变化研究[J]. 人民黄河，2014，66（12）：25-27.

[5] 苏旺德，史正涛等.城市水源地植被覆盖度遥感估算与时空变化动态分析[J].中国农村水利水电.2014，56（4）：39-43+54.

作者简介：

陈健（1995-），男，汉，河南省信阳市，研究生，研究方向：遥感地学应用.