黄山市近30 a植被盖度时空变化遥感分析

吴 见，彭 建，谷双喜

(滁州学院 地理信息与旅游学院，安徽 滁州 239000)

植被盖度是反映植被生长状况的重要指标，同时也能够体现局部地区的自然生态环境健康情况[1]。传统的地面植被盖度调查方法费时费力，精度也有待提高，遥感技术的兴起为植被盖度指标大面积快速准确地获取提供了有力的手段。目前，在大面积植被盖度信息获取方面，TM、SPOT、MSS等遥感影像得到广泛使用[2-3]，取得大量的研究成果，为植被盖度的准确获取奠定基础。

已有研究表明，光谱混合分析法(SMA)[4]、回归分析法[5]、植被指数法(VI)[6]、像元二分模型法[7]等是当前遥感影像提取植被盖度信息的主要方法。但这些方法中，光谱混合分析法需要获取研究区域不同端元的纯光谱信息，具体实施难度较大，需要大量的湿地考察光谱数据支撑；回归分析法不仅需要结合实地的植被盖度测量，而且属于经验性模型，人为干扰因素较大，难以推广；植被指数法不适合评价低植被覆盖区域，受土壤背景影响较为严重，评价区域较大时还需要设置众多参数来计算土壤调节植被指数；像元二分模型法仅仅需要确定研究区裸土和纯植被区域的光谱反射值，无需大量实地考察和人为参数设置[8-15]。综合考虑以上因素，本研究选取像元二分模型对研究区植被盖度进行计算。

黄山市是典型的旅游城市，旅游和城市扩建等对植被生长必定会带来一定的影响。近30 a来黄山市植被究竟发生了怎样的变化，是本研究重点关注的问题。本研究选取1988年、2002年和2018年的遥感影像，依据像元二分模型法获取黄山市不同年份的植被盖度信息，研究黄山市近30 a植被盖度时空变化特征。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

黄山市属于国家典型旅游城市、森林城市、安徽省重点林区，有着丰富的森林资源，该地区山区较多，森林覆盖率达到80%。其地理位置处于东经117°12′～118°53′、北纬29°24′～30°31′，属于亚热带季风湿润气候，四季分明，降水充沛。该区域主要树种包括华东黄杉、银杏、罗汉松、油茶、黄山松、南方铁杉、杉木、山核桃、香樟等。

1.2 数据来源与预处理

从地理数据空间云平台下载1988年、2002年、2018年3期8—10月的TM遥感影像数据，数据质量较好，含云量较低。采用ENVI软件对3期影像进行裁剪、拼接等预处理，结合黄山市行政边界获取预处理后的黄山市3期TM遥感影像图，为后续研究奠定了基础。

2 研究方法

2.1 归一化植被指数

选取TM影像的近红外和红波段计算归一化植被指数(Normalized difference vegetation index，NDVI)[12]

(1)

式中:R为红波段的光谱反射率，NIR为近红外波段的光谱反射率。

2.2 像元二分模型

将影像计算得到的NDVI值转换成植被盖度值最为有效的方法之一是像元二分模型。该模型是将像元接收到的光谱值R视为裸土光谱反射值Rsoil和纯植被光谱反射值Rveg两方面合成，其数学表达式为[12]

(2)

采用NDVI对像元二分模型中的光谱值R进行替换，进行影像植被盖度计算

(3)

式中：F为影像转换后的植被覆盖度；NDVImax为NDVI影像中纯植被覆盖的像元，本研究取NDVI影像统计中的最大值；NDVImin为NDVI影像中纯裸土覆盖的像元，本研究取NDVI影像统计中的最小值。

2.3 植被覆盖度分级

根据已有的研究成果，采用ARCGIS软件对获取的植被盖度结果进行分级[12]，便于后续研究分析，分级标准见表1。

表1 黄山市植被盖度分级

2.4 转移矩阵模型

该模型能够从时空的角度分析某一级别的植被盖度与其他级别的植被盖度之间互相转化的数量关系，一方面能够看到时间上的数量变化情况，另一方面也能够在一定程度上反映空间上的转移情况。具体模型表达为[12]

式中:Sij为第i级别的植被盖度变化成第j级别植被盖度的面积；i,j为两期影像植被覆盖度的级别；n为植被盖度级别的数量。

3 结果与分析

3.1 黄山市植被盖度变化分析

根据1988年、2002年和2018年的遥感影像，获取3个年份的NDVI值，依据像元二分模型计算黄山市3个年份的植被盖度，同时将植被盖度分为5级，统计不同年份各等级的植被面积和比例，结果见表2。

表2 黄山市植被盖度不同年份面积及比例统计

由表2可知，1988年、2002年和2018年3个年份的植被面积均从1～5级逐渐增加，其中，1988年和2018年植被盖度第5级的比例在50%以上，2002年则有所下降，植被盖度第5级的比例仅45.62%。1～3级植被盖度均是2002年最高，而4级植被盖度随着年份的增加而增加，这说明1988年到2002年间低植被盖度区域增加，而高植被盖度区域相应减少，而2002—2018低植被盖度区域减少，而高植被盖度区域相应增加。

由图1可知，黄山市整体植被盖度较高，高盖度植被主要分布于黄山市的西南部，黄山市北部以及中东部植被盖度相对较低，这主要与黄山市的水域和城区分布有关。

图1 黄山市不同年份植被盖度等级分布

3.2 黄山市植被盖度转移变化分析

利用ARCGIS空间分析功能，得到1988—2002、2002—2018的黄山市植被盖度等级转移矩阵，该转移矩阵可以从空间变化的角度分析不同年份不同盖度等级之间的植被转化情况，能够更加直观地量化表达植被空间动态变化(见表3和表4)。

表3 1988—2002黄山市植被盖度等级转移矩阵 km2

表4 2002—2018黄山市植被盖度等级转移矩阵 km2

由表3可知，1988—2002，等级1的植被盖度有99.81 km2未发生转变，有12.83 km2得到改善，变为等级2，变化至3～5等级的植被面积相对较少；等级2的植被盖度有93.16 km2未发生转变，有57.30 km2得到改善，变为等级3，同时也有16.13 km2退化至等级1；等级3的植被盖度有1 133.31 km2未发生转变，有368.33 km2得到改善，变为等级4或5，同时也有155.53 km2退化；等级4的植被盖度有1 001.58 km2未发生转变，有410.81 km2得到改善，变为等级5，同时也有870.67 km2退化；等级5的植被有1 543.61 km2退化。

1988—2002植被虽然有一部分情况好转，得到保护，但人为破坏的情况则更加严重，导致高盖度植被大面积退化，可能与1988—2002黄山市的城市建设、旅游开发等有关。

由表4可知，2002—2018，等级1的植被盖度有101.58 km2未发生转变，有20.39 km2得到改善，变为等级2，变化至3～5等级的植被面积相对较少；等级2的植被盖度到2018年有54.02 km2未发生转变，有238.84 km2得到改善，变为等级3～5，同时也有10.78 km2退化至等级1；等级3的植被盖度有664.26 km2未发生转变，有1 539.03 km2得到改善，变为等级4或5，同时也有57.41 km2退化；等级4的植被盖度有986.38 km2未发生转变，有1 366.29 km2得到改善，变为等级5，同时也有215.60 km2退化；等级5的植被有919.70 km2退化。

由表3和表4看出，2002—2018黄山市植被盖度有了明显的好转，低盖度区域转化为高盖度区域面积增加，同时高盖度植被区域也得到了有效地保护，退化为低盖度区域的面积明显减少，可能与近年来黄山市重视生态环境保护政策有关。

3.3 黄山市植被覆盖度时空演变特征分析

3.3.1 黄山市整体植被覆盖度时空演变特征分析

根据ARCGIS空间分析功能，将1988年与2002年、2002年与2018年植被等级图进行空间变化分析，分别得到1988—2002、2002—2018的黄山市植被空间变化分布，见图2。

图2 黄山市植被覆盖度时空演变特征

由图2和表5可知，1988—2002黄山市植被盖度总体处于退化阶段，其中，退化面积高达2 585.94 km2，改善的面积仅865.15 km2；黄山市北部和东部退化较为严重。2002—2018黄山市植被盖度总体处于改善阶段，其中，改善面积高达3 176.48 km2，而退化面积仅1 203.49 km2，除最西部部分区域和南部部分区域外，2002—2018黄山市

表5 黄山市植被覆盖度总体时空演变统计 km2

植被盖度基本上均有改善。

3.3.2 不同高程下植被覆盖度时空演变特征分析

根据ARCGIS空间分析功能，将黄山市DEM分为5级，分析统计1988—2002、2002—2018不同级别海拔区域的植被盖度改善、稳定和退化情况见表6和表7，DEM分级结果见图3。

表7 2002—2018黄山市不同海拔植被盖度变化情况

图3 黄山市DEM分级结果

从表6看出，改善区、稳定区和退化区植被覆盖面积均随着海拔的增加呈现先增加后降低的变化趋势，并且在海拔200～400 m的范围内达到最大值，改善区和退化区主要分布在海拔400 m以下，稳定区主要分布在200～600 m中海拔区域。在各海拔范围内，稳定区面积都大于改善区和退化区。

从表7看出，与1988—2002黄山市不同海拔植被盖度变化情况一致，2002—2018黄山市植被盖度改善较多的在海拔400 m以下，退化相对较多的在600 m以下，可能与低海拔区域人类活动强度较大有关。

4 结论与讨论

利用1988年、2002年、2018年3期TM遥感影像对黄山市近30 a植被盖度变化情况进行时空分析，得到结论如下：

1)黄山市植被较为丰富，过去30 a整体上得到了较好地保护，高盖度植被主要分布于黄山市的西南部。

2)1988—2002高盖度植被出现大面积退化，而2002—2018不仅低盖度区域得到了恢复，同时高盖度植被区域也处于基本稳定的状态，其中，改善面积高达3 176.48 km2，而退化面积仅1 203.49 km2。

3)改善区、稳定区和退化区植被覆盖面积均随着海拔的增加呈现先增加后降低的变化趋势，且低海拔处的植被较为丰富。