基于遙感的鄭州市黃河濕地植被覆蓋度變化研究

赫曉慧， 牛金星， 鄭東東， 王 璐， 郭恒亮

(鄭州大學 水利與環境學院， 河南 鄭州 450001)

植被覆蓋度可定義為單位面積內植被的垂直投影面積[1],它是衡量地表植被狀況的一個最重要的指標,也是許多學科的重要參數[2]，在對生態環境進行評估的時候頗具重要性。植被覆蓋度是生態學和水文學方面的重要指標，常見于多種氣候、水文模型中。對于植被覆蓋度的監測也被廣泛應用于生態環境調查、水土保持研究等多領域當中[3]。隨著遙感技術的不斷發展，采用遙感技術監測不同時相的植被覆蓋度也已成為可能。在各種監測方法中，應用最廣的當屬植被屬性與簡單光譜指數的相關分析法及其回歸模型法[4]。在此，我們采用基于NDVI的等密度模型[5]進行植被覆蓋度的反演，并結合鄭州市氣象局提供的降雨量數據、現場實地考察等與反演得到的植被覆蓋度情況進行相關行分析，明確花園口段濕地的生態環境分布情況和變化趨勢，為以后的濕地治理、保護、研究提供數據基礎。

1 研究區概況

鄭州市黃河濕地自然保護區位于鄭州市北部，屬黃河中下游地區，地理位置約為113°23′—114°02′E，34°51′—35°01′N。保護區建立于1999年，是黃河河流濕地中建立較早的保護區，屬暖溫帶大陸性季風氣候。在季風影響下，春季干燥多風，夏季炎熱多雨，秋季涼爽，冬季干寒，四季分明，光、熱、水資源比較豐富，雨熱同期，有利于多種植物生長。年平均氣溫14.2 ℃，年平均日照為2 366 h，年平均無霜期227 d，年平均降水天數82.3 d，年平均自然降雨量656 mm。區內河道年徑流量在3.0×1010～6.0×1010m3。

保護區濕地類型主要有河流濕地和沼澤濕地兩大類，其中河流濕地包括永久河流(河床、低河漫灘)、洪泛平原濕地(二灘)；沼澤濕地包括草本沼澤和灌叢沼澤。由于河流反復沖淤和人類頻繁活動，保護區天然森林早已蕩然無存，絕大部分自然植被被農田、人工林及村落取代，保護區內大部分農田分布在老灘，二灘在非汛季也有較多分布。主要農作物有小麥、玉米、大豆、花生、高粱等。

2 數據處理

本文采用了鄭州黃河濕地自然保護區1999—2011年的Landsat TM(ETM+)遙感數字圖像13景，成像時間為每年的9月，2010年10月的校正過的SPOT 5遙感數字圖像1景。采用改進的DOS大氣校正方法對13景TM(ETM+)影像進行大氣校正，圖像增強，并基于SPOT 5影像對TM(ETM+)影像進行幾何精校正。處理后的TM(ETM+)影像質量明顯提高。

3 研究方法

植被歸一化指數(NDVI)能反映出植物冠層的背景影響，其大小取決于植被覆蓋度VFC(水平密度)和葉面積指數LAI(垂直密度)等要素[6]，我們可以用NDVI反推植被覆蓋度VFC和葉面積指數LAI[7]。

等密度模型的應用前提是假設影像上的像元是由裸土和植被兩部分構成的，同時植被覆蓋部分的垂直密度要足夠的高(LAI→∞，NDVIVFC→NDVI∞)。得出植被指數與覆蓋度的關系式：

NDVI=VFC×NDVI∞+(1-VFC)×NDVI0

(1)

VFC=(NDVI- NDVI0)/(NDVI∞- NDVI0)

(2)

式中：NDVI0——裸土地或者無植被覆蓋區域的NDVI值； NDVI∞——完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值，即高垂直密度的NDVI值。在進行運算時，其置信度取5%，在置信區間(5%～95%)內將NDVI的最小值作為NDVI0，將NDVI的最大值作為NDVI∞[7]。植被覆蓋度反演技術路線見圖1。

圖1 植被覆蓋度反演技術路線

在ENVI 4.7-band math中輸入式(2)進行植被覆蓋度的反演，并將結果導入ArcGIS，按照0%～20%，20%～40%，40%～60%，60%～80%，80%～100%對植被覆蓋度進行分級處理，得到不同年份不同植被覆蓋度級別面積和分級圖。

4 植被覆蓋度變化情況分析

通過查閱資料發現，黃河小浪底水庫調水調沙實驗從2002年開始，截止到2011年，除了2003年調水調沙實驗時間為9月中旬，其他年份調水調沙實驗時間多是在6月份中下旬進行的。鄭州市多年月降雨量的分布圖見圖2。從圖2中可以看出，研究區的各月降雨量的分配為典型的單峰型曲線，多集中于5—9月，汛期降雨量占全年降雨量的60%以上。

圖2 鄭州站多年平均月降雨量

而我們選擇的遙感影像時間為9月份，一方面可以減少上游徑流量對本次研究的影響；另一方面，此時保護區內部的農田作物正處于灌漿和成熟期，生長穩定。此時反演的植被覆蓋度通過矩陣運算求得的年平均植被覆蓋度具有很強的代表性。

鄭州黃河濕地自然保護區1999—2011年植被覆蓋度和降雨量的變化曲線見圖3。圖3表明，2007年之前鄭州黃河濕地自然保護區植被覆蓋度受到降雨量的明顯影響：1999—2001年保護區植被覆蓋度隨著降雨量的下降而下降；2001—2003年，隨著鄭州市降雨量逐年增加，保護區植被覆蓋度相應增加。這兩個年份段的植被覆蓋度變化情況說明保護區生態環境很脆弱，對水分的依存度較高，植被缺水會對區域生態環境產生嚴重影響。2003—2007年保護區植被覆蓋度隨著降雨量的波動而相應波動。

圖3 1999-2011年鄭州黃河濕地自然保護區植被覆蓋度與降雨量變化

但是2007—2011年的保護區植被覆蓋度并未隨著降雨量的增減而相應增減，對此我們查閱了歷年保護區實地植被情況，并在2009—2011年對保護區進行了實地調研。保護區位于傳統農業區和人口密集區，距離鞏義、滎陽、鄭州、中牟等城市較近，鞏溫大橋、南水北調穿黃工程、黃河大橋、黃河二橋縱貫其間，四周為村落和農田所包圍，受人為活動的影響較大。雖然經過多年的保護，保護區濕地植被遭破壞的情況減少；但由于近年土地資源緊缺，尤其是靠近城市郊區的黃河老灘開發形式多樣，圍墾淤塞、挖塘造田、開溝排灌、無計劃用水引起黃河斷流以及無計劃地盲目開發等，保護區植被覆蓋度明顯衰退，植被覆蓋度由60%以上降到40%以下的地區多在上述地點附近。

5 結 論

(1)1999—2011年，鄭州市濕地保護區內生態水平整體大幅下降，保護區內部平均植被覆蓋度由60%下降到40%。從保障生態安全上講，保護區處于河南省中部生態脆弱地區，如果保護區生態遭到破壞，會影響到全省的工農業生產和生活， 從而威脅到鄭州市乃至河南省的生態安全。

(2)保護區植被狀況對降水的依賴顯著，這可從2007年之前的二者曲線圖明顯地看出來；2007年之后的趨勢與人類活動有很大關系，說明人類活動對生態環境的影響很大。

(3)人類活動對植被破壞頗大。通過實地調查資料表明，人類活動使該區濕地遭受了很大程度的破壞，如不及時予以保護，則典型黃河濕地植被將遭到破壞，降低其應有的保護價值。同時，也會加重水土流失，減少水源涵養，威脅黃河中下游用水安全，對區域生態環境產生嚴重影響。

通過研究鄭州濕地保護區植被覆蓋度分布情況與演變規律，使我們能夠了解該區域生態環境的現狀和驅動因素，認識保護區建設的必要性和緊迫性，從而制定修復該區植被的規劃以提高黃河濕地的生態價值和經濟價值。

[參考文獻]

[1]唐世浩,朱啟疆,周宇宇,等.一種簡單的估算植被覆蓋度和恢復北京信息的方法[J].中國圖像圖形學報，2003,8(11):1304-1309.

[2]李苗苗,吳炳方,顏長珍,等.密云水庫上游植被覆蓋度的遙感估算[J].資源科學,2004,26(4):153-159.

[3]胡良軍,邵明安.論水土流失研究中的植被覆蓋度量指標[J].西北林學院學報,2001,16(1):40-43.

[4]Asrar G F, Myneni R B, Choudhury B J. Spatial heterogeneity in vegetation canopies and remote sensing of absorbed photo-synthetical active radiation: A modeling Study [J] . Remote Sensing of Environment, 1992,41(2/3):85-103.

[5]Carlson T N, Ripley D A. On the relation between NDVI, fractional vegetation cover, and leaf area index [J]. Remote Sensing of Environment, 1997,62(3):241-252.

[6]陳晉, 陳云浩,何春陽,等. 基于土地覆蓋分類的植被覆蓋率估算亞像元模型與應用[J].遙感學報,2001,5(6):416-422.

[7]Gutman G, Ignatov A. The derivation of the green vegetation fraction from NOAA/AVHRR data for use in numerical weather prediction models [J]. International Journal of Remote Sensing， 1998,19(8):1533-1543.