宁夏草地植被覆盖度动态变化监测

沙文生　魏淑花　牟高峰　马丽娟　王蕾　黄文广

摘要 为了研究宁夏草地植被覆盖度动态变化情况，研究以宁夏天然草原为研究对象，采用遥感监测的方法对宁夏草地2002、2006、2011、2016年不同时期草地植被覆盖度进行了计算。结果表明：在2002—2016年，宁夏地区草地覆盖度呈升高的趋势，草原覆盖度好转;草地植被覆盖度指数呈现先增加后减少的趋势。

关键词 草地植被覆盖度;NDVI;像元二分模型

中图分类号 X 835文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2020）23-0010-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.23.003

Monitoring the Vegetation Coverage Change of Grassland in Ningxia

SHA Wen-sheng1，WEI Shu-hua2，MOU Gao-feng1 et al

（1.Grassland Workstation of Ningxia，Yinchuan，Ningxia 750002;2.Plant Protection Institute， Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Yinchuan，Ningxia 750002）

Abstract To study the situation of the vegetation coverage dynamic change of grassland in Ningxia，the grassland in Ningxia was selected as a research object.The method of remote sensing monitoring was used to calculate the vegetation coverage of grassland in Ningxia during four periods which are 2002，2006，2011，2016.The results showed that the grassland vegetation coverage was increased，and the grassland vegetation index showed a trend of increasing first and then decreasing.

Key words Grassland vegetation coverage;NDVI;Dimidiate pixel model

植被覆盖度是指植物地上部分的垂直投影面积与样方总面积的百分比，是陆地生态系统的主要组成部分，是区域生态环境变化的指示器[1]。植被覆盖度是衡量地表植被覆盖的重要指标，

也是反映植被长势和描述生态系统的基本指标及重要的基础数据[2-3]。草地生态系统是陆地生态系统中分布最广、最为脆弱和敏感的生态系统类型之一[4]。

目前草地植被覆盖度估算主要有传统草地资源野外调查和3S遥感监测2种方法[5]。遥感监测方法弥补了传统调查方法效率低下、耗时长、浪费人力物力等缺点，可以开展不同尺度、大范围监测，遥感的时间序列数据可以用来监测地表植被动态变化[3]。

遥感监测方法效率高、耗时短，可以开展不同尺度、大范围监测，遥感的时间序列数据可以用来监测地表植被动态变化[5]。国内外许多学者通过对地表植被长时间序列变化趋势的分析，并利用植被指数获得了植被覆盖度空间分异、动态变化的情况，为遥感技术在草地生态方面的研究提供了理论基础[6-10]。笔者以2002、2006、2011、2016年4期TM遥感影像为数据源，提取归一化植被指数并反演草地植被覆盖度，分析了宁夏草地植被覆盖度动态变化情况，为宁夏自治区草地的生态建设和综合利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区自然概况

宁夏地区位于35°14′～39°23′N、104°17′～107°39′E，处在黄河中上游地区及沙漠与黄土高原的交接地带，全境海拔1 000 m以上，地势南高北低，高差近1 000 m。宁夏地区属温带大陆性干旱、半干旱气候，年平均气温在5～9°C，呈北高南低分布;多年平均年降水量183.4～677.0 mm，由南向北递减;年降水量150～600 mm，雨季多集中在6—9月;平均年水面蒸发量1 250 mm;夏季时间短，降水少，7月最热，平均气温24°C，冬季时间长，气温变化起伏大，1月最冷，平均气温-9°C;南部六盘山区阴湿多雨，气温低，无霜期短，北部日照充足，蒸发强烈，昼夜温差大，全年日照时数达3 000 h，无霜期150 d左右。宁夏地区的草原类型分别为温性草甸草原类、温性草原类、温性荒漠草原类、温性草原化荒漠类、温性荒漠类。草原的地带性分布从东南到西北依次呈现草甸草原类、温性草原类、温性荒漠草原类及温性荒漠类。

1.2 数据来源与处理 该研究选取2002年7月、2006年7月、2011年7月、2016年7月的TM影像为数据源，图像空间分辨率为30 m×30 m。基于ERDAS 9.2、ArcGIS 10.3软件进行投影转换、辐射定标、大气校正等預处理，然后用宁夏草地边界矢量界限对不同年份数据进行裁剪获取研究区内的影像数据。

1.3 草地植被覆盖度估算 归一化植被指数NDVI常用来进行区域尺度的植被分类和植被覆盖度研究，计算公式如下[11]：

式中，R表示红外波段;NIR表示近红外波段。

根据像元二分模型理论得到草地植被覆盖度计算公式[11]：

参照国家标准（GB 19377—2003），将宁夏地区草地植被覆盖等级分为5级，如表1。

1.4 草地植被覆盖度指数计算 草地植被覆盖度指数计算公式为

式中，GCVI为草地植被覆盖指数;Di为草地植被覆盖等级i的评分;Ai为草地植被覆盖等级i的分布面积（km2）;A为研究区草地总面积（km2）。

通过遥感反演获得逐年草地植被盖度的基础上，运用ERDAS编写运算程序，获得研究区草地植被盖度的空间格局，并计算逐年草地植被覆盖度指数，综合判别和分析该区时空格局（表2）。

2 结果与分析

2.1 不同时期宁夏草地植被覆盖度情况 根据草地植被覆盖度计算过程及方法，分别计算出了宁夏地区2002、2006、2011、2016年草地植被覆盖度等级分布情况，结果见图1。

由表3可知，2016年宁夏地区高覆盖草地的面积为892.45 km2，所占比重为3.38%，中高覆盖草地的面积为700.27 km2，所占比重为2.65%，中覆盖草地的面积为1 645.10 km2，所占比重为6.23%，低覆盖草地的面积为14 609.50 km2，所占比重为55.29%，极低覆盖草地面积为8 575.04 km2，所占比重为32.45%。其中低覆盖草地面积所占比重最大，中高覆盖草地面积所占比重最小。

2002年宁夏地区高覆盖草地面积为140.37 km2，所占比重为0.53%;中高覆盖草地面积为419.04 km2，所占比重为1.58%;中覆盖草地面积493.38 km2，所占比重为1.87%;低覆盖草地面积9 306.69 km2，所占比重为35.20%;极低覆盖草地面积为16 079.60 km2，所占比重为60.28%，其中高覆盖草地所占比重最小，极低覆盖草地面积所占比重最大。

到2006年，高覆盖草地面积216.53 km2，所占比重为0.82%;中高覆盖草地面积462.40 km2，所占比重为1.75%;中覆盖草地面积604.76 km2，所占比重为2.28%;低覆盖草地面积5 818.10 km2，所占比重为21.98%;极低覆盖草地面积19 368.70 km2，所占比重为73.17%其中高覆盖草地面积所占比重仍是最小，极低覆盖草地面积所占比重仍为最大。

到2011年，高覆盖草地面积为302.88 km2，所占比重为1.15%;中高覆盖草地面积641.71 km2，所占比重为2.43%;中覆盖草地面积809.32 km2，所占比重为3.06%;低覆盖草地面积8 427.31 km2，所占比重为31.88%;极低覆盖草地面积16 254.20 km2，所占比重为61.49%，其中高覆盖草地面积所占比重仍是最小，极低覆盖草地面积所占比重仍为最大。

由表4可知，从各年份的变化幅度来看，2002—2006年高覆盖草地面积和中高覆盖草地面积都呈增加趋势，但是增加较小，分别为76.16、43.36 km2;中覆盖草地面积增加了111.38 km2，低覆盖草地面积减少了3 488.59 km2，极低覆盖草地面积增加了3 289.10 km2。2006—2011年，高覆盖草地增加了86.35 km2，中高覆盖草地面积增加了179.31 km2，中覆盖草地面积增加了204.56 km2，低覆盖草地面积增加了2 609.21 km2，极低覆盖草地面积减少了3 114.50 km2。2011—2016年，高覆盖草地面积增加了589.57 km2，中高覆盖草地面积增加了58.56 km2，中覆盖草地面积增加了835.78 km2，低覆盖草地面积增加了6 182.19 km2，极低覆盖草地面积减少了7 679.16 km2，减幅最大。

总之，2002—2016年，高覆蓋草地面积呈增加趋势，共增加了752.08 km2，中高覆盖草地面积增加了281.23 km2，中覆盖草地面积增加了1 151.72 km2，低覆盖草地面积增加了5 302.81 km2，极低覆盖草地面积减少了7 504.56 km2，其中低覆盖草地面积增加最多，中高覆盖草地增加最小，仅极低覆盖草地面积减少，且减少幅度较大。

2.2 宁夏草地植被覆盖度动态变化情况

为了更好地分析宁夏地区草地植被覆盖度的时空变化情况，该研究依据马尔科夫（Markov）转移矩阵模型，并结合ArcGIS中工具箱中的分析工具→叠加分析→相交，对前后2期宁夏草地植被覆盖度数据进行空间叠加分析，得出研究区各覆盖度草地之间的转移情况（图2）。从图2得出不同年份各等级草地转移面积（表5～8）。

由表5可知，在2002—2006年，宁夏地区高覆盖草地面积有127.14 km2保持不变，有85.55 km2中高覆盖草地转为高覆盖草地，有0.36 km2中覆盖草地转为高覆盖草地。中高覆盖草地有297.56 km2保持不变，有138.26 km2中覆盖草地转为中高覆盖草地，9.24 km2低覆盖草地转为中高覆盖草地，11.07 km2的高覆盖草地转为中高覆盖草地。在中覆盖草地中有274.94 km2保持不变，283.64 km2低覆盖草地转为中覆盖草地，29.61 km2中高覆盖草地转为中覆盖草地。在低覆盖草地中有4 633.08 km2保持不变，有971.57 km2极低覆盖草地转为低覆盖草地，1.03 km2中高覆盖草地转为低覆盖草地，72.87 km2的中覆盖草地转为低覆盖草地。在极低覆盖草地中有14 978.70 km2保持不变，有0.09 km2中覆盖草地转为极低覆盖草地，4 186.04 km2低覆盖草地转为极低覆盖草地。

由表6可知，2006—2011年，宁夏地区高覆盖草地中有192.64 km2保持不变，103.17 km2中高覆盖草地转为高覆盖草地，1.66 km2中覆盖草地转为高覆盖草地。在中高覆盖草地中有342.23 km2保持不变，有251.93 km2中覆盖草地转为中高覆盖草地，15.51 km2低覆盖草地转为中高覆盖草地，20.28 km2高覆盖草地转为中高覆盖草地。在中覆盖草地中有301.89 km2保持不变，有462.20 km2的低覆盖草地转为中覆盖草地，有10.73 km2的中高覆盖草地转为中覆盖草地。在低覆盖草地中有4 405.45 km2保持不变，有3 797.21 km2极低覆盖草地转为低覆盖草地，0.22 km2中高覆盖草地转为低覆盖草地，35.06 km2中覆盖草地转为低覆盖草地。在极低覆盖草地中有15 354.20 km2保持不变，有0.15 km2中覆盖草地转为极低覆盖草地，800.03 km2低覆盖草地转为极低覆盖草地。

由表7可知，2011—2016年，宁夏地区高覆盖草地面积有292.33 km2保持不变，其中有509.28 km2中高覆盖草地转为高覆盖草地，有73.99 km2中覆盖草地转为高覆盖草地，分别有1.51和0.15 km2的低覆盖草地和极低覆盖草地转为高覆盖草地。中高覆盖草地中有116.92 km2保持不变，有433.33 km2中覆盖草地转为中高覆盖草地，有117.57 km2低覆盖草地转为中高覆盖草地，有2.24 km2极低覆盖草地转为中高覆盖草地，有4.75 km2高覆盖草地转为中高覆盖草地。在中覆盖草地中有243.94 km2保持不变，有1 313.15 km2低覆盖草地转为中覆盖草地，有13.75 km2极低覆盖草地转为中覆盖草地，有5.51 km2中高覆盖草地转为中覆盖草地。低覆盖草地中有6 473.35 km2保持不变，有7 849.20 km2极低覆盖草地转为低覆盖草地，0.20 km2中高覆盖草地转为低覆盖草地，30.06 km2中覆盖草地转为低覆盖草地。在极低覆盖草地中有8 197.50 km2保持不变，其中0.36 km2中覆盖草地转为极低覆盖草地，305.32 km2低覆盖草地转为极低覆盖草地。

由表8可知，2002—2016年，宁夏地区高覆盖草地面积有133.59 km2保持不变，其中有395.87 km2中高覆盖草地转为高覆盖草地，有240.58 km2中覆盖草地转为高覆盖草地，有102.21 km2低覆盖草地转为高覆盖草地，有0.84 km2极低覆盖草地转为高覆盖草地;在中高覆盖草地中有16.52 km2保持不变，185.22 km2中覆盖草地转为中高覆盖草地，465.06 km2低覆盖草地转为中高覆盖草地，2.86 km2高覆盖草地转为中高覆盖草地;在中覆盖草地中有54.73 km2保持不变，1 372.75 km2低覆盖草地转为中覆盖草地，146.37 km2极低覆盖草地转为中覆盖草地，2.66 km2中高覆盖草地转为中覆盖草地;在低覆盖草地中有6 553.43 km2保持不变，有7 760.91 km2极低覆盖草地转为低覆盖草地，有0.08 km2中高覆盖草地转为低覆盖草地，有6.12 km2中覆盖草地转为低覆盖草地。在极低覆盖草地中有7 931.75 km2保持不变，有0.45 km2中覆盖草地转为极低覆盖草地，有568.96 km2低覆盖草地转为极低覆盖草地。总之，在此期间宁夏地区草原植被覆盖度呈升高的趋势，草原覆盖度好转。

2.3 宁夏草地植被覆盖度指数结果分析 表9是宁夏地区2002、2006、2011、2016年的草地植被覆盖度指数。

根据表2中草地植被覆盖度指数的分级标准，结合表9统计结果，宁夏地区4个时间点的草地植被覆盖度指数均大于4，说明2002—2016年，宁夏地区的草地植被覆盖状态均为劣等覆盖草地;2002年草地覆盖度指数为4.54，2006年草地覆盖度指数为4.65，2011年草地覆盖度指数为4.50，到2016年草地覆盖度指数下降为4.11。在此期间，草地覆盖度指数呈现先增加后减少的趋势，草地覆盖状态在2002—2006年变差，而在2006—2016年草地覆盖状态呈现转好的趋势。

4 结论

从2002—2016年整个研究区间来看，高覆盖草地面积呈增加趋势，共增加了752.08 km2，中高覆盖草地面积增加了281.23 km2，中覆盖草地面积增加了1 151.72 km2，低覆盖草地面积增加了5 302.81 km2，极低覆盖草地面积减少了7 504.56 km2，其中低覆盖草地面积增加最多，中高覆盖草地增加最小，仅极低覆盖草地面积减少，且减少幅度较大。2002—2016年宁夏地区草地植被覆盖度呈升高的趋势，草原覆盖度好转。

2002、2006、2011和2016年宁夏地区的草地植被覆盖状态均为劣等覆盖草地，在此期间，草地植被覆盖度指数呈现先增加后减少的趋势，草地覆盖状态在2002—2006年变差，而在2006—2016年，草地覆盖状态呈现转好的趋势。

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基金项目 国家自然科学基金项目（31760705）。

作者简介 沙文生（1968—），男，宁夏银川人，工程师，从事草原资源保护与管理工作。*通信作者，副研究员，硕士，从事农业昆虫与害虫防治研究。

收稿日期 2020-05-06;修回日期 2020-05-19