基于遙感與GIS的黃岡市植被覆蓋時空特征研究

張盛霖+項俊+吳博文+黃勇奇

摘要：利用遙感和GIS技術處理黃岡市2000-2013年共14年的同時相的MODIS影像，獲得其植被覆蓋度，并對植被覆蓋度進行分級。同時對植被覆蓋度進行地形統計和分區統計，較清晰地反映了黃岡市植被覆蓋度的時間變化和空間三維分布狀況。研究結果表明，從2000年到2008年黃岡市植被覆蓋度處于上升趨勢，從2008年到2013年黃岡市植被覆蓋度則處于下降趨勢，但總體而言黃岡市的植被覆蓋度良好；從2000年到2013年黃岡市植被覆蓋度年際變化中變化不明顯、上升所占比例較大，下降、急劇下降和快速上升的比例很低；植被覆蓋度較高的縣市主要有英山縣、羅田縣、麻城市，植被覆蓋較低的縣市主要有黃州區、武穴市、黃梅縣。

關鍵詞：植被覆蓋度；MODIS影像；歸一化植被指數；時空變化；黃岡市

中圖分類號：X87 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）10-2358-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.10.013

植被覆蓋時空變化與可持續發展戰略有著密切的聯系，植被生物量在全球碳循環研究中起著重要作用，是陸地地表生態系統中能量和物質運輸的主要環節，相關領域的研究為區域資源管理開發、環境保護和糧食生產提供直接有效的技術支持[1]。當前人類社會發展面臨著土地荒漠化、生物多樣性減弱、水資源減少和臭氧層損耗等諸多環境問題，而這些問題的產生與變化和地表植被覆蓋時空變化緊密相關[2]。因此，對陸地地表植被覆蓋時空變化的機制與過程的研究是保證人類社會經濟健康發展的重要因素之一。在20世紀末，植被覆蓋時空變化研究受到重視，在2004年之后出現了大量的研究成果。植被覆蓋的研究者主要分為2個層次，一是政府相關部門管理者，他們是社會資源，經濟資源，生態資源的總協調者，指引著植被覆蓋時空變化研究的方向；二是學術界，通常能夠綜合各方信息，運用嚴謹的、科學的研究方法，結合相關理論對植被覆蓋狀況做出判斷[3-5]。

隨著社會經濟的迅速發展，中國土地利用覆蓋變化的深度、廣度和速度都呈現出急劇增加的趨勢[6-9]，在此種大背景下陸地地表植被覆蓋時空變化的研究也引起了中國有關領域研究者的密切關注。植被覆蓋時空變化研究的空間尺度可以分為全球、國家、區域3個層面。黃岡市作為局部區域，其植被覆蓋時空變化的研究還很少，亟待人們加以深入的研究。

本研究利用遙感和GIS技術處理黃岡市2000-2013年同時相的MODIS遙感影像，獲得其植被覆蓋度，并對植被覆蓋度進行分級。同時對植被覆蓋度進行地形統計和分區統計，較清晰地反映了黃岡市植被覆蓋度的時空分布特征。通過對黃岡市的植被覆蓋在時空方面的變化研究，可以對黃岡市植被覆蓋狀況有一個直觀清晰的了解，并為政府與相關部門的決策提供科學依據。

1 研究區域概況與數據來源

1.1 研究區域概況

黃岡市地處湖北省東部，大別山南麓，長江中游北岸，位于東經114°25′-116°8′，北緯29°45′-31°35′。現轄黃州區和紅安、羅田、英山、浠水、蘄春、黃梅、團風7個縣以及一個縣級龍感湖農場，代管武穴、麻城兩個縣級市，屬亞熱帶大陸性季風氣候，江淮小氣候區，四季光熱界線分明，光照豐富，雨量充足，年平均降雨量1 223～1 493 mm。研究區自北向南逐漸傾斜，東北部與豫皖交界為大別山脈，主脊呈西北向東南走向；中部為丘陵區，海拔高度多在300 m以下，高低起伏；南部為狹長的平原湖區，海拔高度在10～30 m之間，河港、湖泊交織。

1.2 數據來源

遙感數據利用2000-2013年7月28日的Mod13q1 NDVI，Mod13q1數據為16 d合成的250 m植被指數產品，包含NDVI與EVI兩種數據，地圖投影為正弦曲線投影，空間分辨率250 m×250 m。Mod13q1是為表現植被狀況的時空綜合特征而生產的。覆蓋黃岡市的Mod13q1數據有h27v05、h27v06、h28v05、h28v06共4幅影像。高程數據采用SRTM-DEM 90 m分辨率數據，黃岡市行政區劃邊界從全國縣界1：400萬的矢量數據提取（影像數據與DEM數據下載于地理空間數據云網站，全國縣界1∶400萬的矢量數據下載于國家基礎地理信息系統網站）。

2 數據處理與結果分析

2.1 遙感圖像的預處理

下載黃岡市Mod13q1遙感數據后，利用MODIS數據處理工具Modis Reprojection Tool （MRT）對每期的4幅影像進行拼接、投影轉換，并轉換成ERDAS、ArcGIS軟件兼容的影像格式*.img。地形數據采用SRTM-DEM 90 m分辨率數據。利用全國1∶400萬縣界的矢量圖，提取出黃岡市行政邊界，在ArcGIS中生成.shp文件，然后在ERDAS 9.2中讀取該文件，并重新生成.aoi文件，然后利用ERDAS軟件的Subset Imagine功能進行遙感圖像裁剪，得到覆蓋研究區域的Mod13q1遙感圖像。

2.2 植被覆蓋度信息的提取

由像元二分模型可知，每一個像元點上的NDVI值可表示為有植被部分所提供的信息NDVIveg和無植被覆蓋部分所提供的信息NDVIsoil組成。因此計算植被覆蓋度公式如下：

Fc=（NDVI-NDVIsoil）/（NDVIveg-NDVIsoil）

式中，NDVIsoil是無植被覆蓋區域或完全裸土的NDVI值；NDVIveg則代表完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值。在沒有實測數據的情況下，取NDVImax與NDVImin值為圖像中給定置信度的置信區間內最大值與最小值，NDVIsoil值取影像中NDVImin值；NDVIveg值取影像中NDVImax值。endprint

由植被覆蓋度計算公式可知，植被覆蓋度與植被指數NDVI成正比，即NDVI大的區域，植被覆蓋度也大；反之，亦然。

2.3 植被覆蓋度分級

植被覆蓋度等級的劃分主要根據研究區內植被的基本特征，充分考慮遙感圖像的可解譯程度以及當地的植被狀況等因素，制定研究區域植被蓋度的分級標準為0～0.2，0.2～0.4，0.4～0.6，0.6～0.8，0.8～1，目的在于為當地生態環境評價和管理服務，為當地的主題功能區規劃與實施提供科學數據。各覆蓋度等級所對應的地物如下：1級為低植被覆蓋，植被覆蓋度0～0.2，對應于撂荒地、居民點及交通用地等；2級為較低植被覆蓋，植被覆蓋度0.2～0.4，對應于低產草地、林地、農田等植被；3級為平均植被覆蓋，植被覆蓋度0.4～0.6，對應于農田、林地、中高產草地等植被，屬中覆蓋度植被；4級為較高植被覆蓋，植被覆蓋度0.6～0.8，對應于高產草地、林地；農田等植被；5級為高植被覆蓋，植被覆蓋度0.8～1.0，對應于保護良好森林，良田等植被。通過ArcGIS軟件中的Spatial Analyst Tool，依據植被覆蓋度灰度值對其進行密度計算，并賦予相應的顏色，得到不同時期的植被覆蓋度等級圖，并進行統計分析。

從圖1中可以得知，對多年平均植被覆蓋度而言，黃岡市低植被覆蓋、較低植被覆蓋和中等植被覆蓋所占面積比例較小，這三項所占的面積比例分別為1.42%、1.36%和5.11%，合計7.89%；黃岡市植被覆蓋等級主要分布在較高植被覆蓋和高植被覆蓋中，這兩項所占的面積比例分別為54.49%和37.62%，合計92.11%，這說明黃岡市總體上植被覆蓋是非常良好的。

2.3.1 黃岡市植被覆蓋度空間分布特征 黃岡市低植被覆蓋、較低植被覆蓋主要分布在海拔9～30 m處，即平原湖區；該區域分布了很多湖泊河流，并受人類活動干擾很大，有很多城鎮建設用地、交通用地，其中湖泊河流占了很大面積比例。黃岡市中等植被覆蓋主要分布在海拔9～95 m處，主要位于平原湖區和崗地；該區域受人類活動干擾比較嚴重，分布有很多城鎮建設用地、交通用地、草地、耕地、林地，其中城鎮建設用地、耕地占了很大面積比例。黃岡市較高植被覆蓋主要分布在海拔9～200 m處，主要位于崗地和丘陵處；該區域受人類活動干擾不嚴重，分布有很多草地、耕地、林地，其中耕地、林地占了較大面積比例。黃岡市高植被覆蓋主要分布在海拔9～700 m處，主要位于崗地、丘陵、低山和中低山處；該區域受人類活動干擾較小，分布有大量的草地、耕地、林地，特別保護良好的森林占很大面積。

2.3.2 黃岡市植被蓋度時間變化分析 從圖2中可以得知，從2000年到2008年黃岡市平均植被覆蓋基本呈上升趨勢，上升趨勢明顯；從2009年到2013年則基本呈下降趨勢，下降趨勢也很明顯，甚至超過了上升趨勢。所以黃岡市平均植被覆蓋從2000年到2013年總體呈下降趨勢，但趨勢不明顯，這表明黃岡市平均植被狀況處于輕微退化狀態。黃岡市植被覆蓋度標準差也是以2008年為分界點，2000-2008年標準差基本呈下降趨勢，下降趨勢不明顯，2009-2013年則呈上升趨勢，并且上升趨勢很明顯，所以黃岡市植被覆蓋度標準差從2000年到2013年總體呈上升趨勢，但趨勢不明顯。這表明黃岡市植被覆蓋度差異處于擴大狀態。

由表1可知，黃岡市低植被覆蓋所占面積比例2000-2009年基本呈輕微下降趨勢，2010-2013年則基本呈明顯上升趨勢，所以總體上呈上升趨勢，但趨勢不明顯，這說明黃岡市低植被覆蓋呈輕微退化。黃岡市較低植被覆蓋所占面積比例2000-2008年基本呈輕微下降趨勢，2009-2013年則基本呈明顯上升趨勢，所以總體上呈上升趨勢，且趨勢比較明顯，這說明黃岡市較低植被覆蓋擴大化比較明顯。黃岡市中等植被覆蓋所占面積比例2000-2008年基本呈明顯下降趨勢，2009-2013年則基本呈明顯上升趨勢，所以總體上呈下降趨勢，但趨勢都不明顯，這說明黃岡市中等植被覆蓋雖然變化明顯，但總體上只呈輕微退化狀態。黃岡市較高等植被覆蓋所占面積比例2000-2007年基本呈輕微下降趨勢，2008-2013年則基本呈輕微上升趨勢，總體上呈輕微上升趨勢，這說明黃岡市較高植被覆蓋雖然變化明顯，但總體上只呈輕微改善狀態。黃岡市高等植被覆蓋所占面積比例2000-2007年基本呈明顯上升趨勢，2008-2013年則基本呈明顯下降趨勢，總體上呈輕微下降趨勢，這說明黃岡市高植被覆蓋雖然變化明顯，但總體上只呈輕微退化狀態。

2.3.3 黃岡市植被覆蓋年際變化程度分析 利用ArcGIS中的柵格計算器將黃岡市2007年植被覆蓋柵格數據減去黃岡市2000年植被覆蓋圖柵格數據，黃岡市2013年植被覆蓋柵格數據減去黃岡市2007年植被覆蓋圖柵格數據，得到兩個對比時相植被覆蓋差值。在此基礎上對這兩個對比圖進行分類，其分類標準和級別為：-1.00～-0.60，急劇下降；-0.60～-0.05，下降；-0.05～0.05，變化不明顯；0.05～0.60，上升；0.60～1.00，快速上升。基于以上數據處理得2000-2007年和2007-2013年2個時相的黃岡市植被變化等級圖，然后進行植被覆蓋變化分級數據統計。

從表2可以看出，2007年對比2000年急劇下降的面積比例為0.05%，下降的面積比例為5.21%，變化不明顯的面積比例為32.43%，上升的面積比例為62.08%，快速上升的面積比例為0.24%。從中可以看出2007年對比2000年黃岡市覆蓋度變化主要以上升和變化不明顯為主，急劇下降和快速上升所占的比例都很小，因此這時期黃岡市植被覆蓋處于改善狀態。

2013年對比2007年急劇下降的面積比例為0.20%，下降的面積比例為41.94%，變化不明顯的面積比例為49.43%，上升的面積比例為8.34%，快速上升的面積比例為0.09%。從中可以看出2013年對比2007年黃岡市覆蓋度變化主要以變化不明顯和下降為主，急劇下降和快速上升所占的比例都很小，因此這時期黃岡市植被覆蓋處于退化狀態。endprint

2013年對比2000年急劇下降的面積比例為0.04%，下降的面積比例為11.25%，變化不明顯的面積比例為51.26%，上升的面積比例為37.35%，快速上升的面積比例為0.10%。從中可以看出，2013年對比2007年黃岡市覆蓋度變化主要以變化不明顯和上升為主，急劇下降和快速上升所占的比例都很小，因此2013年對比2000年黃岡市植被覆蓋處于改善狀態。

2.4 黃岡市植被覆蓋的分區統計分析

利用ArcGIS中的分區統計功能對2000-2013年黃岡市植被覆蓋度分別進行各縣市的分區統計，得到各縣市的植被覆蓋度分區統計圖和統計表。

從表3可知，各縣市植被覆蓋度從低到高依次為黃州、武穴、浠水、團風、黃梅、紅安、蘄春、麻城、羅田、英山。由此看出，高植被覆蓋度主要分布在黃岡市東北部的丘陵和中低山處，而黃岡市西部與南部的平原湖區和崗地植被覆蓋則相對而言要差些。從黃岡市多年平均植被覆蓋度標準差分區統計圖可知，各縣市植被覆蓋度分布均勻性從高到低依次為紅安、英山、羅田、麻城、團風、蘄春、浠水、黃梅、武穴、黃州。由此看出，高植被覆蓋度分布比較均勻的區域主要集中在諸如紅安、英山、羅田等受人類活動干擾較小的縣市。

英山縣多年植被覆蓋排名基本穩定在第一名，羅田縣多年植被覆蓋排名基本在第二、三名，黃州區多年植被覆蓋排名則穩定在第十名，其他縣排名變化較大。排名比較穩定的縣市處于受人類活動干擾較少的區域，或處于受人類嚴重改造的城建區和多湖泊河流的區域。英山縣、羅田縣全境以丘陵、中低山為主，森林覆蓋率均高達70%；黃州區以平原為主，兼有丘陵崗地，境內多湖泊，水面與城鄉建設用地面積達69.12%，而森林覆蓋率只有11.30%。而在耕地、草地、林地較多的崗地、丘陵地區的縣市則排名變化較大，主要原因是由于氣候、地形、土壤等自然因素和經濟社會發展等人為因素，使得土地利用/覆蓋在頻繁地發生變化和轉換，從而導致植被覆蓋發生變化。

根據表3分析可知，2000-2013年黃岡市植被覆蓋呈上升趨勢的有武穴市、英山縣、蘄春縣、浠水縣、團風縣，黃州區、黃梅縣、羅田縣、紅安縣、麻城市則呈下降趨勢，并且趨勢都越來越明顯。除了武穴市、黃州區植被覆蓋變化基本平穩，其余縣市的植被覆蓋變化起伏較大，并且幾乎均以2008年為界，前期植被覆蓋基本處于上升趨勢，后期基本處于下降趨勢，只不過是上升或下降的程度不同而已。根據黃岡市氣象資料，2008年全市平均氣溫為16.3～17.7 ℃，比常年偏高0.1～0.9 ℃，年極端最高氣溫為麻城的38.5 ℃，出現在7月28日；日照時數為1 681～2 173 h，英山、蘄春偏多1～2成，羅田偏少1成，其他縣接近常年；年降水量1 111～1 710 mm，北多南少。該氣象條件有利于植被的生長，特別是對農業來說是風調雨順。另一方面，2005年以來，黃岡市經濟連年邁大步，年年上臺階，城鎮化程度大大加強，對植被覆蓋破壞日益嚴重。因此2008年黃岡市植被覆蓋基本達到最佳狀態。

3 結論

通過分析可得出以下結論。

1）黃岡市植被覆蓋等級主要分布在較高植被覆蓋和高植被覆蓋中，這2項所占的面積比例達92.11%，這說明黃岡市總體上植被覆蓋是非常良好的。

2）黃岡市低植被覆蓋、較低植被覆蓋主要分布在平原湖區；黃岡市中等植被覆蓋主要分布在平原湖區和崗地；黃岡市較高植被覆蓋主要分布在崗地和丘陵處；高植被覆蓋主要分布在崗地、丘陵、低山和中低山。

3）從2000年到2008年黃岡市平均植被覆蓋基本呈上升趨勢，上升趨勢明顯；從2009年到2013年則基本呈下降趨勢，下降趨勢也很明顯，甚至超過了上升趨勢。所以黃岡市平均植被覆蓋從2000年到2013年總體呈下降趨勢，但趨勢不明顯。

4）2013年對比2000年黃岡市覆蓋度變化主要以變化不明顯和上升為主，急劇下降和快速上升所占的比例都很小，因此2013年對比2000年黃岡市植被覆蓋處于改善狀態。

5）各縣市植被覆蓋度從低到高依次為黃州、武穴、浠水、團風、黃梅、紅安、蘄春、麻城、羅田、英山。高植被覆蓋度主要分布在黃岡市東北部的丘陵和中低山處，而黃岡市西部與南部的平原湖區和崗地植被覆蓋則相對而言要差些。

總而言之，植被覆蓋度的時空分布特征是受氣象、地形等自然因素和經濟與城鎮化建設等人為活動的影響。黃岡市植被覆蓋度的時空分布規律可以為政府相關部門的決策提供科學依據。

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