玉溪市红塔区植被覆盖时空变化与地形分异研究

郭锁，杨海兰，盛成艺，聂萍，吴广，尚敏

（玉溪师范学院地理与国土工程学院，云南玉溪 653100）

玉溪市红塔区位于滇中腹地，是连接昆明市与滇南地区和东南亚国家的“屏藩”之地，位于北纬24°08′30″～24°32′18″、东经102°17′32″～102°41′37″之间。红塔区境内四面环山，地势西北高东南低，自北向南依次倾斜，区内植被覆盖率达90%以上。东有龙马山屏障、南有凤凰山拱卫、西有高鲁山雄峙、北有大黑山横亘，主要以有林地为主。除此之外，区内还有疏林地和农用地，其中，农用地以种植水稻、玉米、蔬菜、小麦和烤烟为主。

本研究利用ENVI 5.3 软件，分别提取2000 年、2009 年、2018 年三期Landsat TM/OLI 影像的NDVI 值，利用ARCGIS 10.5 软件进行数字地形分析，最终揭示了2000 年-2018 年间玉溪市红塔区植被覆盖变化与地形分异特征，以期为今后的生态保护和区域发展等提供参考依据。

1 研究方法

1.1 植被覆盖度的提取

采用遥感监测法，即以遥感影像为基础提取植被覆盖度，利用ENVI 软件，采用归一化植被指数（NDVI）和像元二分法进行提取[1-3]。归一化差值植被指数NDVI[4-6]的求取公式为：

式（1），NIR 为近红外波段的反射值，R 为红外波段的反射值[7]。通常情况下，-1≤NDVI≤1，在有NDVI 的基础上，结合像元二分模型[8-10]提取植被覆盖度，具体求取公式如下：

式（2），FVC 即代表植被覆盖度，Ssoil为完全是裸土或无植被覆盖区域的NDVI 值，Sveg代表完全被植被覆盖像元的NDVI 值，即纯植被像元的NDVI 值。但NDVIsoil和NDVIveg这2 个值会随季节和气候等外部环境的影响而发生改变，对结果的准确性会有一定影响。因此，很多学者都采用置信度值，即Smin和Smax分别代表Ssoil和Sveg，根据具体情况，此时的Smin和Smax分别取5%和95%对应的DNVI 值。

由图1 可知，红塔区三期植被覆盖度（FVC）分为5个等级：≤30%为Ⅰ级，即低植被覆盖；＞30%～45%为Ⅱ级，即中低植被覆盖；＞45%～60%为Ⅲ级，即中度植被覆盖；＞60%～75%为Ⅳ级，即中高植被覆盖；＞75%为Ⅴ级，即高植被覆盖。

图1 红塔区植被覆盖等级特征分布图

1.2 地形因子的提取

研究以ASTER GDEM 30m 分辨率为基础数据，利用ArcGIS 软件提取高程、坡度、坡向信息。高程可在ArcGIS 软件中直接由ASTER GDEM 提取，坡度和坡向是利用表面分析工具中的slope 和Aspect 进行提取。

由图2 可知，根据红塔区的实地情况，将高程分为7 个等级：第1 级和第7 级分别为＜1500m、＞2500m，中间每隔200m 为1 个等级；坡度分为5 个等级：第1级和第5 级为＜15°、＞60°，中间每隔15°为1 个等级；坡向根据已有的研究，将其划分为平地（-1°～0°）、阴坡（0°～45°，315°～360°）、半阴坡（45°～135°）、阳坡（135°～225°）、半阳坡（225°～315°）5个等级。

图2 红塔区高程、坡度、坡向图

2 结果与分析

2.1 红塔区植被覆盖空间变化特征

利用ENVI 5.3 软件提取植被覆盖率，基于像元单元属性计算得出，2000 年、2009 年、2018 年平均植被覆盖率分别为70%、62%、65%，呈现先增加后减少的趋势。由图1 可知，红塔区西部地区植被覆盖率明显高于其他区域，原因是西部区域大多是农村及少数民族聚集地，植被覆盖率高，而靠近中部地区是城市区域，人口集聚、植被覆盖率较低。此外，2000-2018 年，红塔区植被覆盖呈现出高植被等级向较低级别植被等级变化，变化较快的地方集中在中部城市周边及北部区域，整体变化方向是从中心向四周扩张，这是由于中部地区城市扩张、工业发展及北部区域有高速公路和铁路建设造成。

2.2 植被覆盖等级变化特征

利用ArcGIS 软件，基于像元单元大小统计分析三期植被覆盖不同等级面积，间接通过面积反映植被覆盖等级变化特征。由表1 可知，红塔区植被覆盖是以高植被覆盖和中高植被覆盖为主，2000-2018 年高植被覆盖面积和低植被覆盖面积分别减少148.4km2、98.84km2；中低植被覆盖面积、中度植被覆盖面积、中高植被覆盖面积分别增加47.82km2、170.90km2、28.52km2。总体上呈线性变化趋势，高植被覆盖减少速率最快，中度植被覆盖增加速率最快。

表1 植被覆盖度等级面积统计表（km2）

2.3 植被覆盖地形分异

通过Arcgis 中的空间叠加分析功能，对红塔区植被覆盖与地形因子进行叠加分析，最后得出以下结论：

2.3.1 不同高程植被覆盖面积分布变化。由图3 可知，随着高程增加，植被覆盖总面积呈倒“U”形曲线，即先增加后减少的趋势，植被覆盖最大面积集中在1700～1900m高程范围内，占全区总面积的32.39%，高程在＜1500m和＞2500m 范围内的植被面积分布较少。历年不同高程下植被覆盖面积在1700～1900m、1900～2100m、2100～2300m、2300～2500m 范围内的植被度等级主要为Ⅴ级，1500～1700m 高程范围内Ⅰ级植被覆盖占主导地位。

图3 不同高程植被覆盖面积折线统计图

2.3.2 不同坡度植被覆盖变化。由图4 可知，红塔区植被覆盖普遍集中在坡度＜30°的区域，随着坡度的增加，Ⅴ级植被覆盖面积先增加后减少，其余不同等级的植被覆盖面积都是一直减少，整体上特别是从15°～30°过渡到30°～45°植被覆盖面积下降的速度最快。

图4 不同坡度植被覆盖等级面积折线统计图

2.3.3 不同坡向植被覆盖变化。由图5 可知，阴坡、半阴坡、阳坡、半阳破的植被覆盖度等级都以高植被覆盖为主，植被覆盖在半阴坡的面积最大，阴坡、阳坡、半阳破的植被覆盖面积相差较小，与现有研究的植被覆盖面积一般是呈现阳坡＞半阳坡＞半阴坡＞阴坡＞平地的特征有所差异。出现这种现象主要是因为红塔区地势相对平坦，对太阳辐射能量重分配、气候特征、土壤水分再分布等影响较小[11-12]。

图5 不同坡向植被覆盖等级面积条形统计图

2.4 结论

（1）红塔区从2000 年-2018 年平均植被覆盖率整体下降5%，西部人类活动较少的区域植被覆盖率高，中部和北部等人类活动频繁的区域植被覆盖率较低，特别是北部区域地形较为平坦的区域植被覆盖变化的速度相对较快。总体来看，红塔区从西到东植被覆盖呈现下降趋势。

（2）红塔区2000 年、2009 年、2018 年三期植被覆盖，主要都是以高植被覆盖（Ⅴ级）和中高植被覆盖（Ⅳ级）为主，低植被覆盖（Ⅰ级）和高植被覆盖（Ⅴ级）面积减少，其余等级植被覆盖面积在增加。

（3）伴随高程增加，植被覆盖面积呈现先增加后减少的倒“U”型变化，植被覆盖较高区域大多聚集在1700～2300m 高程范围内；植被覆盖普遍集中在坡度＜30°的区域，并且随着坡度的增加，不同等级的植被覆盖呈现出下降趋势；由于红塔区地形较为平坦，对太阳辐射能量重分配、气候特征、土壤水分再分布等影响较小，导致区域内的植被覆盖面积呈现出阴坡、半阴坡、阳坡、半阳坡面积分布相对均衡的特征，但平地植被覆盖依然相较于其他坡向是最低的。

3 结语

利用RS/GIS 技术，采用像元二分法分别提取2000年、2009 年、2018 年三期Landsat TM/OLI 影像的植被指数（NDVI），通过分析不同时期的植被覆盖状况，得到红塔区2000 年—2018 年期间的植被覆盖空间变化特征。同时，研究充分利用玉溪市红塔区的区位特点，结合30m 分辨率的ASTER GDEM 数据，从地形分异角度，进一步研究了玉溪市红塔区在不同地形条件下的植被覆盖整体情况，其研究结果对地区未来的土地利用总体规划和生态环境评估等具有重要意义。