施秉云臺山地區近40年來植被覆蓋度動態變化研究

趙衛權, 周文龍, 張 凡

(貴州省山地資源研究所, 貴陽 550001)

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施秉云臺山地區近40年來植被覆蓋度動態變化研究

趙衛權, 周文龍, 張 凡

(貴州省山地資源研究所, 貴陽 550001)

分別采用1973年、1993年和2010年三期遙感影像，基于植被指數與植被覆蓋度之間的關系建立植被覆蓋度指數模型，運用遙感與地理信息系統技術對施秉云臺山地被覆蓋度進行等級劃分，并對其近40 a的動態變化過程進行研究。結果表明：云臺山地區植被覆蓋度總體呈現退化態勢，但是局部地區植被覆蓋情況有改善趨勢；1973—2010年間，云臺山核心區覆蓋度等級明顯高于周邊地區，但是這一優勢在不斷衰退；核心區植被覆蓋度變化幅度小于周邊地區，核心區植被覆蓋度比周邊地區較為穩定，低等級覆蓋度變化幅度大于高等級覆蓋度；前20 a植被覆蓋度主要以退化趨勢為主，后20 a則呈現逐漸恢復態勢；植被覆蓋度變化趨勢受當地經濟發展模式和生態環境觀念改變影響較大。

施秉云臺山; 遙感與地理信息系統; 植被指數; 植被覆蓋度; 動態變化

施秉云臺山區域內地形崎嶇，氣候濕潤溫和，人為干擾少，水質環境好，生境多樣，森林覆蓋度高，生物種類繁多，是亞熱帶喀斯特地區珍貴而典型的物種基因庫，具有重要的保護和科學研究價值，已被列入世界自然遺產提名地。但隨著區域氣候條件和經濟發展的影響，植被覆蓋狀況也隨之發生變化。

早期的植被覆蓋研究主要靠野外調查估算，量化指標有限，而且準確度較差、成本高、實效性差。隨著遙感技術的快速發展，人們不但可以對其進行較為準確的估算，而且還可以根據需要進行動態監測。萬恩璞等[1]利用不同時相衛星象片資料、DTM信息及野外實地驗證,分析了長白山區植被覆蓋動態變化及現狀,為合理利用長白山自然資源提供了科學依據；孫紅雨等[2]利用連續69個月的NOAA時間序列數據，進行中國植被覆蓋變化的空間，以及時間序列分析，證實了在中國植被覆蓋隨時間的推移規律，空間分布規律，以及植被覆蓋變化與氣溫、降水的定量關系；唐志光等[3]通過多景北京一號衛星(BJ-1)多光譜遙感影像和90 m分辨率DEM數據對三江源自然保護區植被覆蓋度進行了估算，并對估算精度進行了驗證，結果表明使用此方法進行大面積植被覆蓋度的遙感估算是有效可行的；王兮之等[4]利用2001—2009年的MODIS遙感數據與歸一化植被指數的像元二分模型,并結合湟水流域的地形特征數據,分析流域內植被覆蓋度時空變化動態特征;甘春英等[5]利用TM影像數據，基于NDVI的像元二分模型，計算和分析了連江流域1998年和2006年植被演變特點及分布特征；龐吉林等[6]從鹽池縣1999年、2004年和2010年3期TM/ETM 影像圖入手，利用歸一化植被指數(VDVI)反演了鹽池縣的植被蓋度;穆少杰等[7]基于MODIS-NDVI遙感數據反演了內蒙古地區2001—2010年植被覆蓋度的空間格局和變化規律，并對其氣候相應進行了研究，結果表明草原區月植被覆蓋度對降雨量的響應存在時滯效應;李小亞等[8]基于MODIS-NDVI遙感數據，利用像元二分模型估算河東地區2000—2010年的植被覆蓋度，并在像元尺度上分析河東地區植被覆蓋度的時空變化規律及其驅動因子。

生態環境的嚴酷性和脆弱性是喀斯特地區的基本特征[9]，云臺山自然保護區的生態環境監測和保護已迫在眉睫。地表植被是生態系統中一個重要組成要素，也是生物圈和生態系統的核心部分[10]，植被覆蓋度變化是整個生態環境變化的最直接反映[11]。本文采用1973年、1993年和2010年三期遙感影響數據，利用遙感和GIS技術對施秉云臺山地區的植被覆蓋度進行監測和研究，可以提高對整個地區生態系統的監測效率，也可以為世界自然遺產申報提供科學支撐。

1 研究區域概況

施秉云臺山地區位于黔中山地向湘西丘陵過度的斜坡上，為黔中中山區，地勢由西、西北向東、東南部逐漸降低，平均海拔526 m左右，最高海拔1 869 m，最低海拔486 m，山脈走向與構造線一致，多呈北—東、北—北—東—走向，是一個受河流切割嚴重的亞熱帶喀斯特高原。云臺山地處長江流域沅江水系舞陽河中游地區，主要包括完整的杉木河水系和瓦橋河水系，同時匯入舞陽河，構成喀斯特發育的區域侵蝕-溶蝕基準面。研究區域范圍結合自然保護區和鄉級行政區劃確定，研究區域959.46 km2，其中核心區面積為107.37 km2。

2 數據來源及方法

2.1 數據來源與處理

研究數據采用1973年12月份的MSS影像、1993年1月份的TM影像以及2010年12月份的ALOS影像數據。三期遙感影像數據經過輻射校正、云體處理、大氣校正等處理。利用ERDAS軟件進行格式轉換和投影變換(Albers/WGS1984)，采用ArcGIS 10.0軟件數據管理和計算。

2.2 研究方法

2.2.1 方法介紹 植被指數是對地表植被覆蓋和生長情況的一種反映,通過植被指數可以評價植被覆蓋、生長狀況和生物量等，指植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統計區域總面積的百分比,是植物群落覆蓋地表狀況的一個綜合量化指標[12-13]。植被覆蓋度和NDVI之間存在極顯著的線性相關性，通常通過建立二者之間的轉換關系，直接提取植被覆蓋度信息[7，14]，本研究采用歸一化植被指數像元二分法估算植被覆蓋度。

假設每個像元的NDVI值可以由植被和土壤兩部分合成，則其公式如下[7]：

NDVI=NDVIVCi+NDVIS(1-Ci)

(1)

式中：NDVIV——全部植被覆蓋度部分的NDVI值；NDVIS——全裸土或無植被覆蓋的NDVI值；Ci——植被覆蓋度。根據公式(1),Ci的算式如下：

Ci=(NDVI-NDVIS)/(NDVIV-NDVIS)

(2)

對于大多數裸地表面，NDVIS理論上應該接近0，并且不易變化；但由于受眾多因素影響，NDVIS會隨著空間而變化。同時，NDVIV值也會隨著植被類型和植被的時空分布而變化。本文選取研究區內NDVImax和NDVImin代表NDVIV和NDVIS，計算公式表示為。

Ci=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(3)

式中：NDVI——歸一化植被指數；NDVImax——歸一化植被指數最大值；NDVImin——歸一化植被指數最小值；Ci——植被覆蓋度。

2.2.2 植被覆蓋度分級 利用ArcGIS 10.0軟件,依據植被覆蓋度灰度值對其進行密度分割，得到不同時期的植被覆蓋度等級圖。利用得到柵格數據獲取各植被覆蓋度等級的像元個數，用于計算不同等級植被覆蓋度所占面積比例。植被分級標準參照楊勝天[15]、蘇偉[16]和張麗[17]等人對區域植被覆蓋度的分級方法，將施秉云臺山地區植被覆蓋度分為5類(見表1)。

2.3 植被覆蓋度動態變化

為了更好地表達和描述研究區域植被覆蓋度時空演變規律，利用ArcGIS的空間分析功能構建植被覆蓋度動態變化模型D，D=Fj-Fi,其中，Fj為第j年植被覆蓋度賦值，j取值為1973年,1993年和2010年；Fi為第i年植被覆蓋度賦值,i取值為1973年,1993年和1999年,D取值范圍為-4～4。具體描述見表2。

表1 植被覆蓋度分級表

表2 植被覆蓋度變化描述

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋度分析

根據圖1a，1973年云臺山地區植被覆蓋度整體較高，中高覆蓋度和高覆蓋度占區域總面積的91.34%，低覆蓋度面積比例只占0.32%；根據圖1b，1993年，地表植被覆蓋情況整體較差，中高覆蓋度和高覆蓋度占區域總面積的49.21%，低覆蓋度面積比例增加到6.77%，中覆蓋度增加到26.82%；根據圖1c，2010年，中高覆蓋度和高覆蓋度占區域總面積的62.57%，低覆蓋度面積比例減少到1.11%，中覆蓋度面積增加到28.59%。

圖1 不同年份云臺山地區植被覆蓋度分級

低覆蓋度和中高覆蓋度變化較大，1993年的低覆蓋度明顯高于1973年和2010年，說明低覆蓋度經歷了“低—高—低”，2010年云臺山地區植被覆蓋度分級圖變化過程，而中高覆蓋度則是經歷了“高—低—高”變化過程；中低覆蓋度的變化雖然沒有低覆蓋度和中高覆蓋度變化明顯，但是也經歷了“低—高—低”變化過程；中覆蓋度一直呈現增長態勢，由1973年的5.93%增長到2010年28.59%；高覆蓋度則呈現連續下降趨勢，由1973年的25.21%下降到2010年12.98%。

云臺山核心區的地表植被覆蓋度空間分布和變化與周邊區域略有不同(表3)。1973年，核心區低覆蓋度面積比例為0.61%，略低于云臺山地區總體水平；中低覆蓋度為4.33%，高于云臺山地區總體水平；中覆蓋度面積比例為8.19%，高于云臺山地區總體水平；中高覆蓋度和高覆蓋度面積比例為86.87%，低于云臺山地區總體水平。1993年，核心區低覆蓋度面積比例為0.32%，遠低于云臺山地區總體水平；中低覆蓋度為4.90%，遠低于云臺山地區總體水平；中覆蓋度面積比例為9.56%，遠低于云臺山地區總體水平；中高覆蓋度和高覆蓋度面積比例為85.22%，明顯高于云臺山地區總體水平。2010年，核心區低覆蓋度面積比例為0.58%，略低于云臺山地區總體水平；中低覆蓋度為10.84%，略低于云臺山地區總體水平；中覆蓋度面積比例為14.10%，相當于云臺山地區總體水平的一半；中高覆蓋度和高覆蓋度面積比例為74.48%，明顯高于云臺山地區總體水平。

表3 云臺山核心區植被覆蓋度統計 %

由此可知，云臺山核心區地表植被覆蓋度在1973—2010年間，低覆蓋度呈現“低—低—高”的變化過程；中低覆蓋度呈現持續升高的變化態勢；中覆蓋度亦呈現出持續遞增變化過程；中高覆高度表現出“低—高—低”的變化規律；高覆蓋度則呈現持續下降的變化過程，且變化幅度較大。

總之，云臺山核心區的地表植被覆蓋度相對于研究區域整體水平而言，高覆蓋度變化幅度略高，其它等級植被覆蓋度變化幅度較小。核心區的中高覆蓋度和高覆蓋度面積比例小雨周邊地區和整體水平，而且變化趨勢較為均勻。

3.2 植被覆蓋度變化趨勢分析

在1973—1993年間，有26.17%區域植被覆蓋出現明顯退化現象；有29.81%的植被覆蓋發生一般性退化或退化不是很明顯；有31.05%的區域植被覆蓋度等級未發生變化，地表植被覆蓋相對穩定；有11.39%的地區植被覆蓋有所改善；只有1.55%的地區植被覆蓋情況改善明顯。在1993—2010年間，只有4.72%的地區植被覆蓋發生明顯退化；有21.49%的區域植被覆蓋發生一般性退化；有33.72%的區域地表植被相對穩定，植被覆蓋度未發生變化；有25.40%的區域植被有所改善；14.67%的區域植被覆蓋度升高，地表植被覆蓋情況改善明顯。整體而言，云臺山地區的地表覆蓋度變化主要發生在1993—2010年，且變化幅度較大(圖2)。

云臺山核心區植被覆蓋變化方向與周邊區域不盡相同(圖3)。在1973—1993年間，有14.12%區域植被覆蓋出現明顯退化現象，其面積比例遠小于云臺山地區的整體水平；有26.70%的植被覆蓋發生一般性退化或退化不是很明顯，面積比例略小于云臺山地區的整體水平；有39.98%的區域植被覆蓋度等級未發生變化，地表植被覆蓋相對穩定，面積比例大于云臺山地區的整體水平；有16.29%的地區植被覆蓋有所改善，面積比例亦大于云臺山地區的整體水平；有2.91%的地區植被覆蓋情況改善明顯，面積比例接近云臺山地區的整體水平的2倍。在1993—2010年間，有7.32%的地區植被覆蓋發生明顯退化，面積比例亦大于云臺山地區的整體水平；有28.51%的區域植被覆蓋發生一般性退化，面積比例大于云臺山地區的整體水平；有36.23%的區域地表植被相對穩定，植被覆蓋度未發生變化，面積比例亦大于云臺山地區的整體水平；有19.98%的區域植被有所改善，面積比例小于云臺山地區的整體水平；7.95%的區域植被覆蓋度升高，地表植被覆蓋情況改善明顯，面積比例小于云臺山地區的整體水平。云臺山核心區植被覆蓋度變化較為溫和，前20 a間和后20 a間的變化幅度差距較小，基本處于相對平衡狀態。

圖2 云臺山地區植被覆蓋度變化趨勢

總體而言，云臺山核心區的地表植被覆蓋度變化幅度整體相對小于周邊地區及研究區域的平均水平；植被覆蓋整體呈現退化態勢，主要退化幅度發生在1973—1993年，部分區域的地表植被覆蓋情況有所改善，主要改善幅度發生在1993—2010年間；退化和改善幅度大的區域主要在周邊地區，核心區相對變化較小。

4 結論與討論

通過基于遙感和地理信息系統技術進行植被覆蓋度提取和分析，對施秉云臺山地區近40 a來地表植被覆蓋度進行研究，主要得出以下結論：1) 云臺山地區植被覆蓋度從1973—2010年間植被覆蓋整體呈現退化態勢，但是部分區域的植被覆蓋情況有改善趨勢；2) 高覆蓋度面積比例呈現持續下降趨勢，且下降幅度較為均勻，中覆蓋度面積比例基本呈上升態勢，而低覆蓋度和中低覆蓋度出現波動性變化，且變化幅度較大；3) 核心區植被覆蓋度退化幅度小于周邊地區，且中高覆蓋度和高覆蓋度面積比例明顯高于研究區域平均水平；4) 地表植被覆蓋度變化主要發生在近20 a間，人為干擾對地表植被覆蓋影響較大，核心區受干擾程度明顯低于周邊地區；5) 地表植被覆蓋狀況是喀斯特生態環境質量的直接表現，隨著地表植被覆蓋情況越發退化，區域生態環境隨之惡化；6) 成立自然保護區可以有效地減緩地表植被覆蓋退化速度，保護生態環境。

另外，由于云臺山周邊地區人類活動較為頻繁，而核心區域一致處于未開發或保護狀態，兩者之間的區別較為明顯。隨著經濟發展和環境保護雙重作用，人類活動對植被覆蓋度影響的動態定量研究將是該區域生態環境研究的重要方向。

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Study on Dynamics of Vegetation Coverage of Yuntai Mountain Area in Shibing County in Recent 40 Years

ZHAO Weiquan, ZHOU Wenlong, ZHANG Fan

(InstituteofMountainResourcesofGuizhou,Guiyang550001,China)

This paper adopted three periods of remote sensing images in 1973, 1993 and 2010, respectively, to establish the vegetation coverage index model based on the relationship between vegetation index and vegetation coverage, divided the grades of vegetation coverage using the technology of RS and GIS, and studied the process of dynamic change in recent 40 years. The result shows that vegetation coverage generally degraded Yuntai mountain area, but it showed the improving tendency in the local area; the grade of coverage in the core area was much higher than that in the surrounding area in the period from 1973 to 2010, but this advantage was declining; the change in the core area was less than the surrounding area, and the coverage change of the lower grade was more significant than the high grade, the vegetation coverage in core area was more stable than the surrounding area, the change of lower level coverage was greater than the high level coverage; in the first 20 years, the vegetation coverage mainly presented the trend of degradation, but it was restored gradually in the recent 20 years; the economic development models and the concept of ecological environment played important roles in the trend of the vegetation coverage change.

Yuntai Mountain in Shibing; RS & GIS; NDVI; vegetation coverage; dynamic variation

2013-07-18

2014-05-20

貴州省社發公關項目“基于地表起伏度的云臺山景區與自然保護區生態系統健康評價”(SY字[2012]3164號)

趙衛權(1982—),男,甘肅寧縣人,副研究員,研究方向為資源環境與3S技術應用。E-mail:zwq82@163.com

Q948；TP79

1005-3409(2015)02-0241-05