山西省近10 年不同地形区植被覆盖度变化研究

□王 强，靳 晨

（太原师范学院 山西 晋中 030619）

1 研究背景

植被覆盖度在指示地表植被分布状况和规律、研究植被分布影响因素、精准确切地掌握其动态变化、分析评价区的生态环境及其发展趋势、保持区域生态平衡等方面具有重要的研究意义[1]。在计算植被覆盖度方面，归一化植被指数（NDVI）被使用的较多，目前已有众多学者从不同角度基于NDVI 对不同研究对象区的植被覆盖度进行了研究，取得了显著的研究成果。何航等（2020）[2]分析了中国北方NDVI 变化特征，发现NDVI 呈增加趋势，NDVI 空间分布格局存在异质性[2]。Zhaoning Gong 等（2017）[3]基于NDVI 分析了华北地区近10 年植被覆盖度年际变化，指出华北南部和北部山区植被覆盖度有所增加，河北、河南郊区农业区及京津唐城市圈植被覆盖度呈现下降趋势。崔娟敏等（2018）[4]研究了北京山区NDVI 变化，结果表明，该区域的山区植被指数呈升高趋势，城市扩张导致山前平原及山间盆地的植被指数逐步降低。扈宝全（2017）[5]基于NDVI 数据研究了山西省植被覆盖的时空变化特征，认为2001—2013 年山西省植被指数整体呈增加趋势，植被覆盖空间分布呈现南部优于北部、东部优于西部、山区好于平原。刘淼等（2009）[6]利用像元二分模型，分析了山西省植被覆盖度分布和变化的规律，得出了降水以及用水对植被覆盖度存在影响的结论。熊俊楠等（2018）[7]和冯莉莉等（2014）[8]探讨了植被覆盖度空间变化特征和地形因子的分布关系，认为地形与植被覆盖度存在一定的关系。

在已有研究的基础上，以山西省为研究对象区，通过NDVI 值计算和统计植被覆盖度，分析2006—2016 年山西省不同地形区植被覆盖度变化状况，以期为区域生态环境建设与治理提供科学依据。

2 研究区概况

山西省地处华北西部、黄土高原东侧，地形较为复杂多样，轮廓呈东北斜向西南的平行四边形，境内有山地、丘陵、高原、盆地、台地等地貌类型。从地形角度来看，山西省是一个由许多复杂山脉组成的高平台，其境内有六大盆地，即大同盆地、忻定盆地、太原盆地、临汾盆地、运城盆地和长治盆地。此外，东部还散布着阳泉盆地、寿阳盆地、襄垣盆地、黎城盆地、晋城盆地等小盆地。

山西省属于温带大陆性气候，夏季炎热多雨且短暂，冬季寒冷干燥、昼夜温差大。降水受地形因素影响较大，降水量季节分布不均，主要集中于夏季。

3 数据来源和研究方法

3.1 数据来源及预处理

3.1.1 数据来源

基础数据来源于地理空间数据云：①中国500 m NDVI 月合成产品中2006 年（6—8 月）、2010 年（6—8月）及2016 年（6—8 月）的MODIS 影像数据；②山西省行政边界矢量图；③山西省高程图。

3.1.2 数据预处理

影像的预处理主要包括：①使用ArcGIS 空间分析工具，将2006 年6—8 月的图像进行MAXIMUM叠加统计，得到全国2006 年的NDVI 数据，同理得到2010 年、2016 年全国NDVI 数据；②利用ArcGIS 数据管理工具，对得到的两幅影像进行裁切，得到山西省2006 年、2010 年、2016 年的NDVI 数据。

3.2 研究方法

3.2.1 差值法

图像差值是将两个不同时期、同一波段图像对应的像元值相减，推断变化情况。通过设定合适的阈值即可定量得到地表变化结果，该方法增强了变化信息，抑制了背景信息（未变化信息）[9]。NDVI 值的取值范围为-1～+1，由于其在可见光波段比近红外波段有较高的反射作用，云、水、雪的NDVI 为负值；岩石、裸土在两波段有相似的反射作用，其NDVI 值接近于0；绿色植被在近红外波段具有高反射而在红光波段具有强吸收的特点，其NDVI 值为正值，且NDVI 值随着植被覆盖度的增大而增大[10]。

3.2.2 像元二分法

把一个像元的NDVI 值表示为被植被覆盖和未被植被覆盖部分地表组成的形式，且假设影像上一个像元的反射率R可以划分为纯植被部分反射R1及非植被部分反射R2，那么任一像元的反射率值可表示为由植被反射率和非植被反射率的线性加权的和，即R=R1+R2。

假设影像上一个像元当中有植被覆盖面积比例为f1，即为该像元的植被覆盖度，那么非植被覆盖面积比例为f2，全植被覆盖的反射率为Rmax，无植被覆盖的 反 射 率 为Rmin，则R1=f1Rmax，R2=（1-f1）Rmin，得 到f1=（R-Rmin）/（Rmax-Rmin）。根据整幅影像上NDVI 的灰度分布，以0.5%的置信度截取NDVI 的植被覆盖度的最大值和最小值记为VFCmax和VFCmin，采用ArcGIS的栅格计算器，应用计算影像的植被覆盖度情况[11-12]。

4 结果与分析

根据山西省2006 年、2010 年、2016 年的NDVI数据，以及植被覆盖度划分的5 个等级，即0%～20%低植被覆盖度、20%～40%较低植被覆盖度、40%～60%中度植被覆盖度、60%～80%较高植被覆盖度、80%～100%高植被覆盖度[13]，得到山西省2006 年、2010 年、2016 年植被覆盖度，见图1、图2 和图3。

4.1 山西省植被覆盖度

通过计算，得到2006 年、2010 年和2016 年的植被覆盖度面积，见表1。由表1 可知，山西省2006—2016 年，低植被覆盖度、较低植被覆盖度、高植被覆盖度的面积持续增加。低植被覆盖度区域在全省面积所占比例由6.99%增加到11.53%；较低植被覆盖度区域由13.81%增加到17.76%；高植被覆盖度区域由21.84%增加到23.75%。截至2016 年，植被覆盖度持续增加的面积约占全省面积的53.04%。中度植被覆盖度区域面积减少后有所回升，变化程度较小，其面积截至2016 年约占全省面积的22.24%。较高植被覆盖度区域面积减少最为明显，从2006 年约占全省面积的33.71%，减少到2016 年24.71%。

对山西省近10 年植被覆盖度变化状况进行分类，分为植被覆盖度增加、不变和减少3 类，面积由矢量数据计算得出，具体数据见表2。由表2 可知，山西省2006—2010 年植被覆盖度不变的区域面积约占全省总面积的43.70%；植被覆盖度增加的区域面积约占全省总面积的23.31%；植被覆盖度减少的区域面积约占全省总面积的32.99%。2010—2016 年，植被覆盖度不变的区域面积约占全省总面积的46.66%；植被覆盖度增加的区域面积约占全省总面积的30.31%；植被覆盖度减少的区域面积约占全省总面积的23.03%。

综上，2006—2016 年山西省约2/5 以上的区域植被覆盖度维持不变；约1/4 以上的区域植被覆盖度持续增加；1/4～1/3的区域植被覆盖度减少。山西省高植被覆盖区域、较低植被覆盖区域、低植被覆盖区域面积持续增加；中度植被覆盖区域面积先减少，后有所回升；较高植被覆盖区域面积持续减少。

表1 山西省2006 年、2010 年和2016 年不同植被覆盖度面积及占比

表2 山西省2006—2010 年、2010—2016 年植被覆盖度增减状况

4.2 山西省不同地形区植被覆盖度

根据表3 地形区划分标准，将山西省大致划分为4 个地形区，分别为盆地、丘陵、台地、山地，如图4。

表3 地形区划分

表4 2006—2010 年山西省不同地形区植被覆盖度变化类型及面积

各地形区植被覆盖度变化见图5、图6，统计得出不同变化类型的面积及面积占比，具体数据见表4、表5。由表4 可知，2006—2010 年，盆地地区植被覆盖度大幅减少，减少面积为22 815 km2，占该地形区总面积的57.76%，植被净覆盖度区域减少45.38%。台地地区植被覆盖度减少面积为10 810 km2，占该地形区总面积的58.10%，植被覆盖度减少48.60%。同期，山西省内丘陵和山地地区的植被覆盖度有所上升，其中丘陵地区的植被覆盖度增加面积为9 772 km2，植被覆盖度净增加率为13.36%。山地地区植被覆盖度增加面积为19 394 km2，植被覆盖度净增加率达10.57%。

由表5 可知，2010—2016 年，山西省盆地和台地地区植被覆盖度增加明显。盆地地区植被覆盖度增加面积为18 595 km2，占该地形区总面积的47.12%，植被覆盖度净增加率为29.52%。台地地区植被覆盖度增加的面积为7 945 km2，占该地形区总面积的42.64%，植被覆盖度净增加率为30.87%。丘陵地区的植被覆盖度也有所增加，增加率为7.82%。同期，山地地区的植被覆盖度有所下降，植被覆盖度减少面积为19 544 km2，植被覆盖度减少12.12%。

5 结论

（1）2006—2016 年，山西省不同区域植被覆盖度一直处于动态变化之中。仅就植被覆盖度而言，2016 年与2006 年相比，覆盖度提升的区域面积增加，覆盖度维持不变的区域面积增加，覆盖度降低的区域面积减少，山西省生态环境持续向好发展。

（2）2006—2016 年，山西省丘陵的植被覆盖度增加的区域面积持续增加；山地植被覆盖度增加的区域面积先增后减；盆地与台地的植被覆盖度增加的区域面积先减后增。不同地形区生态环境变化差异明显。

（3）具体来看，山西省北部各地形区及中南部的太原盆地、运城盆地、阳泉盆地和晋城盆地的植被覆盖度都有明显下降，西部和东南部的丘陵和山地地区植被覆盖度明显增加。

表5 2010—2016 年山西省不同地形区植被覆盖度变化类型及面积