安庆市植被覆盖度时空变化研究

方 刚，金 俊*，陈 丽

(1.宿州学院环境与测绘工程学院，安徽宿州 234000; 2.宿州市第二中学，安徽宿州 234000)

0 引言

植被是陆地生态环境系统的主要构成部分，在陆地生态系统中发挥着重要作用，是衡量生态环境状况的一种指标[1].植被覆盖度是植被(枝、茎、叶)的地面垂直投影面积与研究区陆地面积的百分比[2]，是衡量区域地表植被覆盖状况的一个重要指标.随着城市化进程水平的加快和人类环保重视程度的提高，对城市植被覆盖度的研究也越来越多.研究植被覆盖度的方法有：传统地面测量和遥感定量反演.传统地面测量方法主要包括：目估法、仪器法和采样法等[3].传统地面测量具有精度较低且耗时长的特点，如章文波[4]对密云和怀柔植被覆盖度进行动态监测，目估法绝对误差最高达40%，不宜用于植被覆盖度的模拟计算.随金明[5]提出：当样本量超过40个时，利用数码照片提取植被覆盖度才有更高的精度.

相比传统地面测量方法而言，利用遥感技术进行植被覆盖度定量计算更加高效.利用遥感技术定量计算植被覆盖度的方法有：经验模型法、像元分解模型法、植被指数法等决策树分类法等[6].当前国内外研究植被覆盖度的算法主要是利用像元分解模型法中的像元二分模型[7-8]，以NDVI指数作为参数来定量计算植被覆盖度，在此基础上对区域植被覆盖度时空变化进行分析.如：李钰溦[9]利用MODIS-NDVI数据和像元二分模型估算了中国北方地区2000-2012年间的植被覆盖度，结果表明：中国北方地区年最大植被覆盖度增长较缓慢，三北防护林区域植被覆盖度明显增长；路广[10]利用Landsat卫星影像和像元二分模型方法估算了黄河三角洲1986-2015年的植被覆盖度，得到黄河三角洲区域植被覆盖度时空变化明显；郑朝菊[11]利用MODIS-NDVI数据和改进的像元二分模型估算了西南地区植被覆盖度，并探讨了植被变化对气候和人类的影响.

论文以Landsat 5 TM和Landsat 8 OLI影像为数据源，以ENVI 5.3软件为平台，利用像元二分模型[12]提取安庆市2004和2017年的植被覆盖度，在此基础上分析安庆市植被覆盖度的时空变化.研究成果可为安庆市生态环境保护和可持续发展提供基础数据，也可为其他城市研究植被覆盖度变化提供参考和借鉴.

1 研究区概况

图1 安庆市遥感影像图Fig.1 Remote Sensing Image of Anqing

安庆市位于安徽省西南部，位于29°47′N～31°16′N和115°45′N～117°44′E之间，西部与湖北相邻，南部与江西相邻，西北倚大别山，东南连黄山余脉.属于亚热带季风性湿润气候.全市辖3区(迎江区、大观区和宜秀区)和7县(市)：岳西县、望江县、太湖县、宿松县、潜山市、怀宁县、桐城市，面积为13 589.99 km2，其中市区面积为821 km2，是国家森林城市.2017年末，安庆市常住人口为464.3万人，生产总值为1 708.6亿元，财政收入为290.9亿元[13].论文以安庆市市区为研究区，研究区遥感影像如图1所示.

2 数据源与数据处理流程

2.1 数据源

研究区两时相影像为2004年7月24日Landsat 5和2017年7月28日Landsat 8(影像波段参数见表1和表2)，数据来源于中国科学院地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn)，条带号为121/039.数据为Level 1T级，质量良好.

2.2 数据处理流程

根据研究区实际情况和影像分辨率，以ENVI 5.3软件为平台，首先对两时相遥感影像分别进行辐射定标和大气校正[14]，然后分别计算研究区NDVI值和植被覆盖度，最后分别对研究区植被覆盖度进行密度分割和时空变化分析.具体数据处理流程如图2所示.

图2 数据处理流程图Fig.2 Flow chat of the data processing

3 研究方法

3.1 NDVI指数的计算

归一化植被指数(NDVI)可反映植物的生长情况，在植被覆盖度研究中起着重要作用[15]，计算公式[16]如公式(1)所示.

(1)

公式(1)中：R表示遥感影像中地物在红色波段的反射值；NIR表示遥感影像中地物在近红外波段的反射值.可通过ENVI5.3软件计算研究区的NDVI值.由于影像波段运算后存在一定的异常值(即计算后部分区域的NDVI值在[-1,1]之外)，需对异常值进行去除.

3.2 像元二分模型

当前国内外研究植被覆盖度的算法主要是利用像元分解模型法中的像元二分模型，像元二分模型假设一个像元的地表由有植被覆盖部分和无植被覆盖部分组成[17].利用像元二分模型和NDVI指数提取研究区的植被覆盖度(FVC)，其计算公式[12]如公式(2)所示：

(2)

公式(2)中：NDVI表示归一化植被指数；NDVIsoil表示无植被覆盖区域(裸地)的NDVI值；NDVIveg表示完全植被覆盖区域的NDVI值；FVC表示植被覆盖度.由公式(2)可见，NDVIsoil和NDVIveg的确定将直接影响到植被覆盖度的精度.

论文根据研究区的土地利用实际情况，在参考前人研究成果的基础上[8,18-19]，以5%置信度来设置NDVIsoil值和NDVIveg值，最后分别计算安庆市2004年和2017年植被覆盖度，并利用ENVI 5.3软件去除异常值.由于部分水体表面有绿藻等植被，植被覆盖度估算精度仍受去除异常值后的水体影响.为了去除水体对植被覆盖度的影响，在实际研究中对水体区域进行掩膜，得到研究区陆地植被覆盖度影像(如图3和图4所示).

图3 2004年植被覆盖度影像Fig.3 FVC image in 2004图4 2017年植被覆盖度影像Fig.4 FVC image in 2017

3.3 密度分割

依据《土壤侵蚀分类分级标准》和ENVI 5.3软件将研究区植被覆盖度密度分割为5类：低植被覆盖度(0FVC<30%)、中低植被覆盖度(30%FVC<45%)、中植被覆盖度(45%FVC<60%)、中高植被覆盖度(60%FVC<75%)、高植被覆盖度(75%FVC100%)，安庆市植被覆盖度分布图如图5和图6所示.在此基础上将密度分割结果输出为分类影像，经统计得到各区植被覆盖面积(如表3所示).由表3知：2004年低植被覆盖区面积为51.86 km2，占研究区陆地面积的8.70%；中低植被覆盖区面积为33.79km2，占研究区陆地面积的5.67%；中植被覆盖区面积为54.65 km2，占研究区陆地面积的9.17%；中高植被覆盖区面积为109.61km2，占研究区陆地面积的18.39%；高植被覆盖区面积为346.24km2，占研究区陆地面积的58.08%.2017年低植被覆盖区面积为86.85km2，占研究区陆地面积的14.68%；中低植被覆盖区面积为64.74km2，占研究区陆地面积的10.94%；中植被覆盖区面积为93.18km2，占研究区陆地面积的15.75%；中高植被覆盖区面积为124.48km2，占研究区陆地面积的21.04%；高植被覆盖区面积为222.28km2，占研究区陆地面积的37.58%.

图5 2004年植被覆盖度分布图Fig.5 FVC distribution figure in 2004图6 2017年植被覆盖度分布图Fig.6 FVC distribution figure in 2017

表3 2004年和2017年不同植被覆盖区的面积与百分比Tab.3 The area and percentage of the different vegetation regions in 2004 and 2017

图7 2004年和2017年不同植被覆盖区面积变化Fig.7 The area changes of the different vegetation regions in 2004 and 2017

4 结果与分析

4.1 植被覆盖度的时间变化分析

由表3和图7可知，2004年自高植被覆盖区到低植被覆盖区面积占研究区陆地面积比分别为58.08%、18.39%、9.17%、5.67%和8.70%；2017年从高植被覆盖区到低植被覆盖区面积占研究区陆地面积比分别为37.58%、21.04%、15.75%、10.94%和14.68%.2004-2017年研究区内高植被覆盖区面积显著减少，减少了123.96 km2.低植被覆盖区、中低植被覆盖区、中植被覆盖区以及中高植被覆盖区面积是增加的，分别增加了34.99、30.95、38.53和14.87 km2.

4.2 植被覆盖度的空间变化分析

由图5和图6可知，安庆市绝大部分地区植被覆盖良好，其空间变化分布特征有：

(1)2004年，以高植被覆盖区和中高植被覆盖区面积为最大，主要集中分布在地势较高的宜秀区山区、大观区江心洲以及迎江区东部区域，呈片状分布.中等及以下植被覆盖区主要分布在菱湖风景区周边商业化较高区域以及部分农业用地.

(2)2017年，高植被覆盖区和中高植被覆盖区主要分布在宜秀区山区，中等及中等以下植被覆盖区主要分布在菱湖周边区域以及迎江区中部区域，高植被覆盖区呈片状分布，中等及以下植被覆盖区有碎片化趋势.

(3)2004-2017年，中低植被覆盖区和低植被覆盖区由菱湖向四周扩展；东部植被覆盖下降较多；菱湖周边植被覆盖得到明显改善，由低植被覆盖度变为中植被覆盖度和中低植被覆盖度.

5 结论

(1)2004-2017年，安庆市低植被覆盖区面积增加了34.99 km2，中低植被覆盖区面积增加了30.95 km2，中植被覆盖区面积增加了38.53 km2，中高植被覆盖区面积增加了14.87 km2，高植被覆盖区面积减少了123.96 km2.

(2)2004年，高植被覆盖区和中高植被覆盖区主要分布在宜秀区山区、大观区江心洲以及迎江区东部区域，呈片状分布；中等及中等以下植被覆盖区主要集中在菱湖风景区周边商业化较高区域以及部分农业区域.2017年，高植被覆盖区和中高植被覆盖区主要分布在宜秀区山区，呈片状分布；中等及中等以下植被覆盖区分布在菱湖周边区域以及迎江区中部区域；植被覆盖呈碎片化分布.

(3)研究成果可为安庆市生态环境保护和可持续发展提供基础数据，也可为其他城市研究植被覆盖度提供参考和借鉴.