近20年成都市植被覆蓋度動態變化檢測及原因分析

黨 青，楊武年

(1.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610059;2.成都理工大學國土資源信息技術與應用國土資源部重點實驗室/遙感與GIS研究所，成都 610059)

近20年成都市植被覆蓋度動態變化檢測及原因分析

黨 青1，楊武年2

(1.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610059;2.成都理工大學國土資源信息技術與應用國土資源部重點實驗室/遙感與GIS研究所，成都 610059)

利用1992年、2001年和2009年的TM遙感數據，采用歸一化差值植被指數(NDVI)和像元二分法模型得到成都市植被覆蓋度變化灰度圖及變化等級圖，從而客觀、定量地得出了近20 a來植被覆蓋度的變化狀況，對于成都市制訂調節氣候、恢復植被、預防自然災害等城市發展規劃具有實際意義。數據分析結果表明，1992—2009年間，成都市植被覆蓋度呈整體下降趨勢，密林地，灌木林地，高、中產草地和耕地數量減少，其中1992—2001年植被覆蓋度下降速度顯著;2001—2009年植被覆蓋度仍有所降低但下降速度較1992—2001年明顯減緩，且城區出現斑點狀分布的人工綠地，小局域氣候狀況在不斷改善中。

植被覆蓋度;歸一化差值植被指數;動態變化

0 引言

城市綠地面積的變化直接關系到一個地區區域環境內氣候、水文、土壤狀況等因子的改變。植被覆蓋度是衡量地表植被狀況的一個重要指標，也是影響土壤侵蝕與水土流失的主要因子，對于區域環境變化和監測研究具有重要意義。近幾十年隨著城市化進程的不斷加快以及土地利用格局的改變，我國區域自然環境發生了較大的變化，出現了一系列環境問題。特別是近幾年，自然災害的頻繁發生引起了人們對區域環境更加廣泛的關注。

針對植被覆蓋度變化對環境影響這一課題，國內外學者取得了不少的研究成果，其中歸一化差值植被指數(NDVI)是植被生長狀態及植被覆蓋度的最佳指示因子［1］。

本文以成都市市區為例，分別采用了成都市1992年、2001年和2009年3期遙感圖像建立像元二分模型，假設像元只由植被覆蓋地表與非植被覆蓋地表兩部分組成，排除其他地物的干擾，突出植被與非植被區域的對比差異，提取出不同時間段內植被的NDVI值，定量計算出近20 a成都市主城區植被覆蓋度的變化情況，進而對成都市整體的區域環境變化做出分析。

1 研究區概況

成都市位于四川省中部、川西平原腹地，平均海拔500 m，東界龍泉山脈，南臨云貴高原，西靠邛崍山，北依秦嶺山脈，城市總面積12390 km2，中心城區面積598 km2，是我國西南地區最大的現代化城市。近幾年隨著城鎮建設規模的擴大，城市土地利用格局發生較大改變，加之人為因素的影響，導致城區植被覆蓋度變化顯著。研究這一區域的植被覆蓋度變化對于構建更好的生態環境和進行合理的城市規劃具有重要的實踐價值。

2 研究方法

2.1 數據源及預處理

本文采用的數據源是Landset 5 TM數據，圖像獲取時間分別為1992年8月、2001年8月和2009年8月，軌道號為129/039。在進行圖像解譯之前，先進行了圖像預處理(包括橫軸墨卡托投影變換、幾何糾正和研究區裁剪)。幾何精糾正在圖像處理軟件Erdas的支持下采用同期的一景已糾正好的遙感圖像選取地面控制點(GCP)，運用二次多項式法實現了圖像的幾何精糾正;最后根據研究區的需要，借助ArcMap 9.3空間分析模塊下的掩模運算工具，以成都市城區行政邊界為掩模圖層，提取了成都市范圍內的遙感圖像數據。

2.2 像元二分模型

像元二分模型假設在一景圖像數據中的像元只由植被覆蓋地表與非植被覆蓋地表兩部分構成［2］，即傳感器所獲得的像元值是由綠色植被覆蓋地表所貢獻的信息與非綠色植被覆蓋地表所貢獻的信息兩者之和，即

式中，s為傳感器所觀測到的信息;sv為植被所貢獻的信息;so為非植被地表成分所貢獻的信息。

假設在圖像中植被覆蓋地表的面積比例即為該像元的植被覆蓋度av，植被覆蓋地表的純像元所貢獻的遙感信息為mv，混合像元中非植被所覆蓋的地表面積為1－av，非植被純像元所貢獻的遙感信息為mo，則混合像元中植被成分所貢獻的信息sv為

同理，非植被成分所貢獻的信息so為

將式(2)、(3)帶入式 (1)，得

對式(4)進行變換即可求出植被覆蓋度av［3］，即

因為NDVI是植被生長狀態及植被覆蓋度的最佳指示因子，其值在(－1，1)之間波動，植被密度高的地區NDVI值大于0.7，非植被地區裸地、土壤等NDVI值趨于0，水體的NDVI值則為負值，所以在像元二分模型的基礎上可以通過NDVI值來估算成都市市區植被覆蓋度［2］。將 NDVI帶入式(5)，得

式中，NDVIv為植被像元的NDVI值;NDVIo為非植被像元的NDVI值。

2.3 植被覆蓋度變化信息提取

借助Erdas Imaging軟件分別對3期遙感圖像計算NDVI值。因本文研究對象為成都市主城區近20 a來的植被覆蓋度變化情況，故計算的范圍以2009年主城區范圍為準，選用繞城高速公路作為邊界展開計算，并將計算結果導入ArcGIS軟件［4］，得出不同時段的植被覆蓋度灰度值(圖1)。

圖1 成都市城區不同時期植被覆蓋度灰度圖Fig.1 The vegetation coverage greyscale of Chengdu in different periods

依據圖1中灰度值(－1，1)(由水體到荒漠、裸地到茂盛植被)區間的波動，定性分析可以看出，在1992年8月植被覆蓋度灰度圖上，綠色植被在整個城區所占的面積較大;在1992年8月—2001年8月間，植被覆蓋度降低，尤其是三環路范圍以內植被覆蓋度明顯減少，其原因是隨著經濟的發展，城市規模由一環區域擴張到二、三環區域，加之土地利用結構的調整與建設用地的增多促使耕地、林地和草地面積縮減，植被覆蓋度降低;在2001年8月—2009年8月的植被覆蓋度圖上，植被的退化程度仍在加劇，主要集中到三環路到繞城高速公路之間。但2009年的最大灰度值大于2001年的最大灰度值，2009年的最小灰度值小于2001年的最小灰度值，表明2001年8月—2009年8月間部分裸地及覆蓋率極低的地表因人為因素對其進行了改善，出現了人工種植的零散草地和綠地，提高了地表覆蓋率。為了更進一步客觀、準確和定量化地表達出成都主城區的植被覆蓋度在不同時段間的變化數量，需要對NDVI值賦予相應的植被覆蓋等級，根據不同等級在各時段間的上下浮動值展開定量分析。歸一化的NDVI可用下式求得，即

式中，NDVI0～255為歸一到0～255的歸一化差值植被指數值;NDVImin、NDVImax分別為最小、最大歸一化差值植被指數值。

根據NDVI的歸一化結果，結合國家“土地利用現狀調查技術規程”和“全國沙漠類型劃分原則”的規定，將像元的灰度值劃分為不同的植被覆蓋度等級［1］(表 1)。

表1 成都市主城區植被覆蓋度等級對應表Tab.1 The correspondence table of vegetation coverage grade in Chengdu

依據表1，對成都市城區植被覆蓋度進行分級，結果如圖2所示。

圖2 成都市城區不同時段植被覆蓋度等級圖Fig.2 The vegetation coverage grade in Chengdu in different periods

由圖2可以直觀地看出，在1992年8月—2009年8月間，成都市三環路內主城區的植被覆蓋度面積呈逐年減少趨勢(1992年成都市城區植被覆蓋度總體狀況較好，在現在的二環路、三環路以內植被基本上沒有被破壞);在1992年8月—2001年8月間，城區植被覆蓋度變化顯著，除城區南北還保存有部分較好的植被外，其余區域的植被覆蓋度均大量減少;在2001年8月—2009年8月間，由于人們環保意識的加強以及對氣候環境關注程度的提高，城區植被覆蓋度得到部分改善，主要集中在三環路范圍以內出現斑點狀分布的人工綠地，小區域植被覆蓋度得到改善和提高。

2.4 植被覆蓋度分級分時信息統計

在完成對各個時段影像植被覆蓋度的分級的基礎上，利用ArcMap軟件對成都市主城區不同時段各級別植被覆蓋度的面積進行統計，統計結果如表2所示。

表2 成都主城區植被覆蓋度面積分級分時統計表Tab.2 The area statistics table of different vegetation coverage of Chengdu in different grades and different periods

3 結果分析

3.1 各時段各等級植被蓋度的整體變化

分析表2可以看出，在1992年8月—2009年8月間，一至三級植被覆蓋度的面積及其所占百分比呈下降趨勢，其中1992年8月—2001年8月間一級植被覆蓋度由28.15%下降到0.8%，每年植被覆蓋度平均減少3.04%。結合分級標準可以看出，密林地、灌木林地等優等植被覆蓋度急劇減少，在2001年8月—2009年8月間由0.8%減少到0.72%，平均年減少0.016%。由此可以看出，在2001年8月—2005年8月間植被覆蓋度雖有減少但減少的速度較以往發生了明顯的變化。二級植被覆蓋度所占百分比由1992年8月的33.08%下降到2009年8月的2.89%，三級植被覆蓋度所占百分比由1992年8月的9.6%下降到2009年8月的4.29%，其中三級包含了部分由一級、二級轉化過來的面積。總地來看，成都市主城區在1992年8月—2009年8月間植被覆蓋度整體大規模減少，雖部分區域保存有完好的公園、植物園等綠化用地，但密林地、灌木林地和高產、中產草地等均在數量上明顯減少。

3.2 變化原因分析

3.2.1 降雨量對植被覆蓋度的影響

水作為植被生長所不可或缺的要素，對植被的發展變化起著至關重要的作用。統計1950—2003年的成都市降雨量變化情況發現，成都市近50多年來降雨量分階段呈現出一定的波動性。其中，1958年的年降雨量出現一個低點(年降雨量大概700 mm)，1958—1965年間降雨量呈上升趨勢(年平均降雨量從1958年的700 mm上升到1965年的1100 mm左右)，1970—1990年的30 a間年平均降雨量大致保持在900 mm上下，1992—2000年間降雨量又開始下降(近10 a間年平均降雨量下降了大約100 mm)，2000年以后至今降雨量仍在不斷下降。近50多年來成都市的降雨量雖然有一定的波段性，但總體上呈減少趨勢(圖3)，這也是植被覆蓋度減少、草場退化的主要原因之一。

圖3 成都各年份降雨量變化曲線［5］Fig.3 The variation curve of rainfall of Chengdu in different years［5］

3.2.2 氣溫對植被覆蓋度的影響

氣溫與植被的NDVI值呈一定的相關性，近幾十年氣溫的平均值不斷攀升(圖4)，而降水量又相繼減少，當氣溫超過植株生長的最適溫度時，便會使植物的凈光合作用下降;同時溫度上升使蒸發量增大、土壤干化，也會對植被生長起到抑制作用。

圖4 成都各年份氣溫變化曲線［5］Fig.4 The variation curve of air temperature of Chengdu in different years［5］

3.2.3 人口對植被覆蓋度的影響

除上面提到的降雨量、自然災害、氣溫等自然環境變化對植被覆蓋度的影響外，人文因素對植被覆蓋度的影響更為強烈和巨大。近年來成都市基礎設施建設快速發展，人口數量激增(圖5)對資源的需求量必然增大，不僅給資源帶來巨大的壓力，而且需要砍伐樹木建筑住所、開墾耕地種植糧食，這些生活、生產活動直接嚴重地破壞了原有的植被;而生產規模的不斷擴大會帶來更多的廢棄物，處理不當也會造成環境污染并間接影響其他的自然因素，進一步對植被的生成造成不利影響。

圖5 成都各年份人口變化Fig.5 The variations of total population of Chengdu in different years

4 結論

(1)本文分析結果與研究區的實際情況較為相符，對1992年8月—2009年8月間的植被覆蓋度分析得出成都市主城區的植被覆蓋度呈整體下降的趨勢，其中1992年8月—2001年8月植被覆蓋度下降速度顯著，突出表現為密林地，灌木林地，高產、中產草地和耕地數量明顯減少;2001年8月—2009年8月植被覆蓋度仍有所降低，但伴隨著人們環保意識的不斷提升，植被覆蓋度下降速度較1992年8月—2001年8月明顯減緩，城區出現斑點狀分布的人工綠地，小局域氣候狀況在不斷改善中。

(2)成都市植被覆蓋度變化與城市化進程中基礎設施建設快速發展、人口不斷增長、房地產開發等人們用地需求的猛增所導致的土地利用格局的改變以及降雨量的減少、自然災害的繁發等因素密切相關。

(3)為改變成都市植被覆蓋度的下降趨勢，一方面可以通過對城市舊建筑進行拆除、在城市規劃中增加綠化率、部分農田退耕還林還草等直接增加城市的植被覆蓋度;另一方面還應加快對一些較大污染源(如熱電廠、鋼管廠)的治理與改造，通過對工業廢氣、固體廢棄物的無毒排放，控制人口數量等措施，持久地、循序漸進地提高植被覆蓋度。

［1］周兆葉，儲少林，王志偉，等.基于NDVI的植被覆蓋度的變化分析——以甘肅省張掖市甘州區為例［J］.草業科學，2008，25(12):23－29.

［2］馬 聰，武文波.阜新地區植被覆蓋度變化提取及分析［J］.測繪與空間地理信息，2010，33(1):77 －80.

［3］郭芬芬，范建容，嚴 冬，等.基于像元二分模型的昌都縣植被蓋度遙感估算［J］.中國水土保持，2010(5):65－67.

［4］黨安榮，王曉棟，陳曉峰，等.ERDAS IMAGINE遙感圖像處理方法［M］.北京:清華大學出版社，2003.

［5］郝麗萍，方之芳，李子良，等.成都市近50 a氣候年代際變化特征及其熱島效應［J］.氣象科學，2007，27(6):648 －654.

［6］秦 偉，朱清科，張學霞，等.植被覆蓋度及其測算方法研究進展［J］.西北農林科技大學學報:自然科學版，2009，34(9):163－166.

［7］劉占波.甘肅河西地區土地沙漠化的治理思考——以張掖市為例［J］.內蒙古農業大學學報:自然科學版，2005，26(2):43－47.

［8］王晶晶，白 雪，鄧曉曲，等.基于NDVI的三峽大壩岸邊植被時空特征分析［J］.地球信息科學，2008，10(6):808 －815.

［9］Chen J，J?nson P，Tamura M，et al.A Simple Method for Reconstructing a High－quality NDVI Time－series Dataset Based on the Savitzky － Golay Filter［J］.Remote Sensing of Environment，2004，91(3－4):332－344.

［10］徐興奎，陳 紅，張 鳳.中國西北地區地表植被覆蓋特征的時空變化及影響因子分析［J］.環境科學，2007，28(1):41 －47.

［11］李 震，閻福禮，范湘濤.中國西北地區NDVI變化及其與溫度和降水的關系［J］.遙感學報，2005，9(3):308 －313.

［12］韓貴鋒.中國東部地區植被覆蓋的時空變化及其人為因素的影響研究［D］.上海:華東師范大學，2007.

［13］Defries R S，Townshend J R G.NDVI－Derived Land Cover Classifications at a Global Scale［J］.International Journal of Remote Sensing，1994，15(17):3567 －3586.

［14］丁艷梅，張繼賢，王 堅，等.基于TM數據的植被覆蓋度反演［J］.測繪科學，2009，31(1):43 －45.

Dynamic Supervision and Reason Analysis of Vegetation Coverage Changes of Chengdu in the Past 20 years

DANG Qing1，YANG Wu－nian2
(1.State Key Lab of Geo－hazard Prevention and Geo－environment Protection，Chengdu 610059，China;2.Ministerial Key Lab of Information Technology ＆ Application of Land and Resources/Institute of Remote Sensing ＆GIS，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China)

Using 1992，2001 and 2009 TM remote sensing data，the authors estimated the vegetation coverage change status of Chengdu in the past 20 years objectively and quantitatively.The study has practical significance for adjusting the climate，resuming the vegetation and preventing the natural disasters.Normalized difference value vegetation index(NDVI)was used to estimate the vegetation coverage in different periods and draw the change grayness and change levels chart of Chengdu vegetation coverage.Data analysis results show that，from 1992 to 2009，the vegetation coverage in Chengdu was overall decreasing.The quantity of dense forest land，shrub land，high and middle grass and cultivated land was decreasing，in which the vegetation coverage decreased obviously from 1992 to 2001，the vegetation coverage remained reduced from 2001 to 2009，but the speed was slower than that from 1992 to 2001.In addition，the speckle distribution of artificial greenbelt appeared in the urban area，and the small－area climatic condition was improved continuously.

Vegetation coverage;Normalized difference vegetation index(NDVI);Dynamic change

TP 79

A

1001－070X(2011)04－0121－05

2011－02－15;

2011－03－14

地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室“科技減災、重建家園”開放研究基金項目(編號:DZKJ－0806)資助。

黨 青(1985－)，女，在讀博士生，主要研究方向為地球探測與信息技術。

(責任編輯:劉心季)