2005-2015年三江源地區瑪沁縣植被覆蓋度變化分析

馮亞杰

(青海民族大學 公共管理學院,青海 西寧 810007)

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2005-2015年三江源地區瑪沁縣植被覆蓋度變化分析

馮亞杰

(青海民族大學 公共管理學院,青海 西寧 810007)

基于美國Landsat TM衛星遙感影像數據，通過ArcGIS10.0與ENVI5.1軟件，提取并分析了瑪沁縣不同時期的植被覆蓋度動態變化總體特征。分析結果表明：2005年、2010年、2015年的平均植被覆蓋度依次為72.53 %、65.76 %、68.27 %，植被覆蓋度fc>0.65的區域面積占總面積的比例達到60 %以上，植被覆蓋總體情況良好；植被覆蓋變化面積轉移矩陣表明,近10年來植被覆蓋度呈現出下降趨勢，各級植被覆蓋度減少面積近4 000 hm2，自然生態環境退化程度明顯；瑪沁縣植被覆蓋度減少區面積占比20.96 %，比重較大，植被覆蓋不穩定并呈現退化趨勢，自然生態環境亟待保護。

植被覆蓋度；動態變化；GIS

植被是地球陸地表面分布最為廣泛的土地覆蓋類型，同時植被對于陸地表面生態環境的持久、有序、健康運行起著至關重要的作用，而且植被對于全球范圍內的物質能量循環及其生物化學性質的演變過程具有十分重要的影響[1]。植被覆蓋度是植被指數的一種，同樣也是衡量陸地表面植被覆蓋的最重要的指標之一，是用來描述研究區域植被群落及其生態環境系統的重要影響因子[2]。中國疆域廣闊，地形復雜，各個地區植被覆蓋以及生物群落系統形態千差萬別，加之近年來自然災害時有發生，例如地震、山體滑坡、泥石流等對于地表植被的破壞性大大增加。此外，中國城市化、工業化的發展以及人類的種種開發活動，譬如開采礦藏、毀林開荒、擴展城市發展邊界等行為在一定程度上也會對地表植被造成破壞，植被覆蓋的穩定性大大降低，從而引發其他自然生態環境問題。張宏斌等基于 NASA(美國國家航天局)提供的 MODIS NDVI 植被指數產品闡述了內蒙古草原2000-2008年草原植被的時空變化過程與穩定趨勢，為草原的保護與治理提供了基礎科學數據[3]。對于植被覆蓋度這一基本植被指數的研究，近年來一直受到學術界的廣泛關注。其中比較成熟的方法是基于歸一化植被指數(NDVI)，通過地理信息系統軟件(ArcGIS)或者遙感圖像處理軟件(ENVI)計算得出[4-5]。遙感測算方法相比較于傳統的野外實地測算具有時效性強、精確度高、研究范圍廣等明顯優勢。劉憲峰等基于MODIS-NDVI數據，輔以線性趨勢分析、Hurst指數等方法，從氣溫、降水及潛在蒸散三個方面分析了2000-2011年三江源區植被覆蓋的時空變化特征[6]；穆少杰等基于MODIS-NDVI遙感數據，從不同的空間與時間尺度上分析了內蒙古地區2001-2010年植被覆蓋度的時空演化特征[7];馬琳雅等基于Terra/MODIS月植被指數數據,對甘南州2001-2011年草地植被覆蓋度進行了空間分布以及面積動態分析[8]；曹永翔等利用歸一化植被指數NDVI提取青海省都蘭縣察汗烏蘇綠洲植被覆蓋度，定量分析評價了1990-2006年植被覆蓋度的時空變化特征[9]。綜合國內外學者對植被覆蓋度的研究成果來看，研究區域主要位于中國中東部地區，而對于廣大的西部地區特別是自然生態環境十分脆弱的青藏高原地區研究較少。近年來，由于人類活動的影響，青藏高原生態環境安全面臨著嚴重威脅。

本文的研究區瑪沁縣地處三江源國家自然保護區核心地帶，屬于典型的牧業區，生態系統異常敏感和脆弱，也是黃河重要的流經區域與水源涵養地，其特殊的自然地理條件，使得對其植被覆蓋進行研究具有特殊的意義。瑪沁縣生態區位十分重要，任何微小的變化都足以牽動整個三江源地區乃至黃河流域的生態變化，是國家生態環境建設的重點地區[10]。

本文基于2005年、2010年和2015年三個時期的衛星遙感影像數據和歸一化植被指數像元二分模型，利用GIS和RS技術研究瑪沁縣植被覆蓋度時空變化特征，為瑪沁縣的土地資源合理分配及其生態環境建設提供理論依據與基礎數據。

1　研究區概況

瑪沁縣位于東經98°～100°56'，北緯33°43'～35°16'，地處青海省東南部，果洛藏族自治州東北部，東部與甘肅省瑪曲縣毗連，北部與海南州同德縣、興海縣相鄰，西與瑪多縣、達日縣接壤，南與甘德縣相連，系國家級“三江源”生態保護區。全縣總面積1.34萬km2，其中草場面積117.57萬hm2，可利用草場面積108.53萬hm2,占草場面積的92.3 %，屬典型的高原山地類型，平均海拔4 100 m以上。研究區地理位置如圖1。

圖1　研究區地理位置

2　數據來源及研究方法

2.1數據來源

為了突出瑪沁縣植被覆蓋的真實情況，根據植被與地表景觀的時間差異，故選取2005年8月14日、2010年8月7日、2015年7月11日的美國 Landsat 衛星TM遙感影像數據。根據瑪沁縣植被生長的實際情況(植被生長期為每年的7、8月份)，三幅影像成像時間接近，且影像云量均低于10 %，影像數據的分辨率均為30 m×30 m，因此在時間與空間上都具有可比性，便于進行數據處理與分析研究。本文使用的所有遙感衛星影像數據的空間參考都處理為WGS-84坐標系。非遙感數據主要包括青海省測繪局發布的1:280 000瑪沁縣地圖、青海1:250 000數字化地圖、瑪沁縣統計年鑒以及青海省國民經濟和社會發展統計年鑒等官方統計資料。對遙感影像進行處理的軟件均采用ArcGIS10.0與ENVI5.1。

2.2數據處理

由于受衛星自身運動、地球自轉、地表大氣折射以及多光譜掃描儀掃描范圍等因素的影響，會導致遙感衛星影像信息缺失以及影像畸變等現象。因此，為了得到反映瑪沁縣地表植被覆蓋的真實影像數據，需要對遙感影像進行預處理。一般包括：(1)幾何校正。本文所使用的遙感影像數據選取Landsat4-5TM、Landsat7 ETM SLC-off與Landsat8 OLI_TIRS 所提供的影像，該衛星影像的大地測量校正是基于精確的地面控制點以及高精度DEM數據，幾何校正的工作無需重復進行。(2)圖像鑲嵌。瑪沁縣TM影像數據由行列號為132-36、133-36、133-37三幅影像組成，需要在ENVI5.1中使用影像無縫鑲嵌工具Seamless Mosaic，將三幅影像數據鑲嵌到一起。(3)圖像裁剪。利用瑪沁縣矢量掩膜數據，在ENVI5.1中使用Subset Data from ROIs 工具，獲得瑪沁縣衛星影像圖。(4)大氣校正。利用ENVI5.1中FLAASH大氣校正模型對瑪沁縣遙感影像進行校正，消除大氣中水蒸氣、大氣分子與氣溶膠散射對地物反射的影響，從而獲得瑪沁縣地物真實反射率。

2.3植被覆蓋度計算

2.3.1歸一化植被指數NDVI計算

植被指數是指通過多光譜遙感影像數據，在一定數學計算的基礎上提取地表植被狀況的多光譜數值。植被指數能夠反映豐富的植被生長信息以及地物狀態[11]。其中，歸一化植被指數NDVI因其能夠充分的反應地表植被生長情況，因而被廣泛的利用于植被覆蓋度的計算。NDVI的提取公式為

式中，NDVI為歸一化植被指數；NIR為近紅外波段(0.7～1.1 μm)地表反射率；R為可見光紅波段(0.4～0.7 μm)地表反射率。

本文通過ArcGIS10.0中地圖代數工具的柵格計算器，計算瑪沁縣三個時期的歸一化植被指數。其中NDVI的取值范圍為-1≤NDVI≤1，負值表示地表有水、雪、云等覆蓋，0一般表示存在裸地或者巖石，正值則表示有植被覆蓋，且隨著值的增大，植被覆蓋度也隨之增大。

2.3.2植被覆蓋度的計算

植被覆蓋度的計算，學界比較成熟的方法是利用像元二分模型進行計算，這種方法是基于一個像元所測的地表實際狀態由有植被與無植被兩部分組成，而遙感影像所包含的信息也正是這兩個組成因子的線性加權合成，能夠進行直觀地比較與計算，各個因子的權重則是各自的面積在像元中的比率[12]。根據像元二分模型，每個像元的NDVI值可以看作是由兩個部分組成，即純植被覆蓋NDVIveg與無植被覆蓋(即裸土)NDVIsoil。因此，植被覆蓋度公式可表達為

式中,fc為植被覆蓋度，NDVI為瑪沁縣各個時期NDVI的實際值，NDVIveg與NDVIsoil分別為瑪沁縣在各個時期內純植被覆蓋像元與裸土覆蓋像元的NDVI。但就實際情況而言，受到很多實際情況的影響，NDVIsoil的值不會接近理論值0，一般會在-0.1到0.2之間[13]。目前關于NDVIveg與NDVIsoil取值的方法，有的研究者根據自身研究需要以及研究經驗，將二者的值取為定值來進行fc的計算，有的研究者則根據整幅影像上NDVI的灰度圖，以0.5 %置信度分別截取NDVI的上下限閥值來代表NDVIveg與NDVIsoil[12]。本文根據研究區域瑪沁縣自然地理的實際狀況，衛星影像的成像時間(7、8月份)正處于瑪沁縣植被生長季內，NDVI值也有一定的飽和現象。故本研究采取瑪沁縣植被生長季內出現的像元的NDVI最大值與像元的最小值來代表NDVIveg與NDVIsoil。根據《土壤侵蝕分類分級標準》，將不同的水土流失等級對應于不同等級的植被覆蓋度，并根據實際情況，將得出的植被覆蓋度劃分為5個等級進行研究：fc≤0.35、0.350.8分別命名為低覆蓋度、中低覆蓋度、中覆蓋度、中高覆蓋度、高覆蓋度。

2.4植被覆蓋度動態變化分析

為了更加直觀的解釋瑪沁縣植被覆蓋度的動態變化特征，利用差值影像算法，將瑪沁縣2015年的植被覆蓋度減去2005年的植被覆蓋度，得到瑪沁縣近10年來植被覆蓋度變化專題圖[14]。參考眾多學者的研究成果，本研究將瑪沁縣植被覆蓋度動態變化分為7個等級[7,14-15]。分別為極顯著減少(<-20 %)、顯著減少(-20 %～-10 %)、弱顯著減少(-10 %～-5 %)、穩定區(-5 %～5 %)、弱顯著增加(5 %～10 %)、顯著增加(10 %～20 %)、極顯著增加(>20 %)。

3　結果與分析

3.1瑪沁縣植被覆蓋度的時空分布及總體變化分析

瑪沁縣三個時期的植被覆蓋圖分別如圖2、圖3和圖4。

圖2　瑪沁縣植被覆蓋圖(2005年)

圖3　瑪沁縣植被覆蓋圖(2010年)

圖4　瑪沁縣植被覆蓋圖(2015年)

根據瑪沁縣三個時期不同的植被覆蓋圖，結合瑪沁縣植被覆蓋圖統計數據，可以得出瑪沁縣植被覆蓋空間分布的總體特征。低植被覆蓋度(fc≤0.35)和中低植被覆蓋度(0.350.8)草地主要分布于瑪沁縣中東部的東傾溝鄉、大武鎮、拉加鎮的低山丘陵地區，以及瑪沁縣東北部的切木曲林場、洋玉林場和德科河林場，這里海拔較低，人類活動少，因而植被覆蓋度高。2005-2015年瑪沁縣植被覆蓋度變化的面積統計見表1。

表1　2005-2015年瑪沁縣植被覆蓋度變化

從表1可以得出：瑪沁縣植被覆蓋度fc>0.65的區域面積占總面積的比例達到60 %以上，植被覆蓋度總體良好。其中，中高植被覆蓋度(0.650.8)與中植被覆蓋度(0.5

2005-2015年瑪沁縣植被覆蓋度總體變化情況表明，近10年的時間內瑪沁縣植被覆蓋度呈現總體良好，但隨時間的推移植被覆蓋度呈下降趨勢，瑪沁縣2005年、2010年和2015年平均NDVI依次為：0.46、0.37、0.39。NDVI作為反映地表植被生長的重要指數，指數下降表明瑪沁縣植被狀況呈惡化趨勢。其中，高植被覆蓋度(0.8) 區域面積下降幅度最大，與2005年相比，2015年降幅達到14.89 %，減少面積1 587.78 hm2，僅2010年至2015年間高植被覆蓋度區域面積共減少2 000 hm2。其次，中低植被覆蓋度(0.35

3.2瑪沁縣植被覆蓋度區域面積轉換分析

僅針對瑪沁縣各級植被覆蓋度在2005-2015年的面積變化情況并不能很好的反映出各級植被覆蓋度的區域面積轉化特征，故本文在綜合分析瑪沁縣各個時期植被覆蓋度面積變化的基礎上，利用ArcGIS10.0進行矩陣分析后得到瑪沁縣在2005-2015年各級覆蓋度面積轉移矩陣(見表2)。

表2　2005-2015年瑪沁縣植被覆蓋度區域面積轉移矩陣

注: 表中各級植被覆蓋度的面積橫向表示 2005-2015 年間轉出面積，縱向表示 2005-2015 年間轉入面積。

統計分析結果表明，近10年間瑪沁縣自然生態環境存在退化風險，各級植被覆蓋度均呈現下降趨勢。瑪沁縣高植被覆蓋度(fc>0.8)區域與中高植被覆蓋度(0.65

3.3瑪沁縣植被覆蓋度動態變化穩定性分析

在對瑪沁縣2005-2015年植被覆蓋度進行總體變化統計分析與區域植被覆蓋度面積轉換矩陣分析之后，仍需進一步對瑪沁縣植被覆蓋度的動態變化特征及穩定性進行分析，從而能夠更加深入全面的了解到瑪沁縣植被覆蓋度時空演變特性。2005-2015年瑪沁縣植被覆蓋變化穩定性及變化情況如圖5、圖6。

圖5　2005-2015年瑪沁縣植被覆蓋度變化穩定性

圖6　2005-2015年瑪沁縣植被覆蓋度變化

對2005-2015年瑪沁縣植被覆蓋度動態變化穩定性分析，得到其植被覆蓋度變化總體特征。其中，植被覆蓋度變化穩定的區域主要位于瑪沁縣西北部的下大武鄉、昌麻河鄉以及南部的優云鄉和當洛鄉的大山深溝地區，地理位置偏遠，海拔較高，人類活動對覆被變化影響較小，植被覆蓋穩定；此外，位于瑪沁縣東部的大武鎮、拉加鎮等距離人口聚居區一定范圍以外的地區以及切木曲、洋玉、德科河三大林場，海拔較低，自然條件適宜植被生長，植被覆蓋比較穩定。在不穩定的區域，植被覆蓋度減少的區域主要位于瑪沁縣西北部的雪山鄉、大武鄉東部以及當洛鄉北部等高海拔高山地區，垂直地帶性顯著，自然條件惡劣，植被覆蓋減少較為明顯。位于瑪沁縣東部地區的大武鎮、拉加鎮等人口聚居區，由于人類生產生活的影響，地表覆被已被改造，植被覆蓋度降低；不穩定區域中植被覆蓋度增加的區域主要位于東傾溝鄉以及當洛鄉南部的低山深谷地區，此外瑪沁縣東部的切木曲、洋玉、德科河三大林場，海拔較低，自然條件適宜植被生長，植被覆蓋度有所增加。

統計分析結果表明，瑪沁縣植被覆蓋度減少區、穩定區、增加區面積分別為2 815.94，6 337.89，4 279.28 hm2，占瑪沁縣總面積分別為20.96 %、47.18 %、31.86 %(見表3)。

表3　瑪沁縣植被覆蓋度動態變化

在減少區域，弱顯著減少(-10 %～-5 %)區域為2 046.12 hm2，占總面積的15.23 %，占減少區面積的72.66 %；在增加區域，弱顯著增加(5 %～10 %)區域為2 869.69 hm2，占總面積的21.36 %，占增加區面積的67.06 %。瑪沁縣植被覆蓋度動態變化表明，植被覆蓋度不穩定趨勢明顯，植被生態系統脆弱性顯著，穩定區域內包括大量低以及中低植被覆蓋區域，自然生態環境退化，需要采取有效手段保護瑪沁縣生態系統的安全。

3.4瑪沁縣植被覆蓋度動態變化因素分析

本研究顯示，瑪沁縣三個時期平均植被覆蓋度依次為72.53 %、65.76 %、68.27 %，雖然植被覆蓋總體情況良好，但呈下降趨勢，結合瑪沁縣生產生活實際，植被覆蓋度下降的主要原因是：

(1)農牧民收入來源單一，過度依賴畜牧業。瑪沁縣是三江源地區典型的牧業縣，社會經濟發展水平較低，農牧民生活收入來源主要依靠畜牧業。隨著草原上牲畜的增加，加之牲畜飼養技術水平落后，牲畜飼養規模逐漸超出了草地生態系統的自然承載力，造成草場退化，土地沙化等一系列問題；加之人們生態環保意識薄弱，私挖濫采蟲草、藏藥，對地表植被造成了破壞，嚴重威脅著草原生態系統的健康與安全。

(2)森林生態系統防護功能弱化。瑪沁縣生態防護林建設工作開展滯后，天然林主要分布在東傾溝鄉、大武鄉以及拉加鎮北部地區，且分布零散，人工林主要分布在拉加鎮一帶。生態防護林管護工作存在區域廣、人員少、資金少、難度大等困難，造成當地生態工程管護不到位，嚴重破壞了生態工程建設成果，導致水土流失，林地間涵養水源以及水土保持功能下降，造成瑪沁縣植被覆蓋度呈現下降趨勢。

4　結　語

瑪沁縣2005年、2010年、2015年的平均植被覆蓋度依次為72.53 %、65.76 %、68.27 %，中高植被覆蓋度(0.65

針對瑪沁縣生態系統狀況存在的問題，政府應采取有效措施，大力發展生態生態旅游業，一方面轉變農牧民生計來源，提高農牧民生態環境保護意識；另一方面強化森林生態安全建設，加強管護隊伍專業人才的教育與培訓，切實保護瑪沁縣自然生態環境。

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(責任編輯鄒永紅)

Changes of Vegetation Coverage from 2005 to 2015 of Maqin County in Three-river Headwater Region

FENG Ya-jie

(College of Public Administration, Qinghai Nationalities University, Xining Qinghai 810007, China)

Based on the remote sensing data of US Landsat TM satellite, using ArcGIS 10.0 and ENVI 5.1 software, we extract and analyze the dynamic changes of overall characteristics of vegetation coverage of Maqin County in different periods. The results show that: in 2005, 2010 and 2015, the average vegetation coverage were 72.53 %, 65.76%, 68.27 % respectively. Vegetation coverage area ratio which are more than 0.65 are over 60 % of the total area. The overall situation of the vegetation cover is good. The transition matrix changes of vegetation coverage area over the past decade showed that vegetation coverage showed a downward trend, reducing the levels of vegetation coverage area of nearly 4 000 hm2. The degree of degradation of the natural environment is significant. The reducing of Maqin county vegetation coverage area accounted for 20.96 %, which is a large proportion. Because the vegetation cover showed an unstable and degraded trends, we should protect the natural environment.

vegetation coverage; dynamic change; GIS

2096-1383(2016)05-0450-07

2016-05-25；最后

2016-07-11

國家自然科學基金項目(41161030)；青海民族大學理工自然科學項目(2015XJZ23)。

馮亞杰(1991-)，男，山西臨汾人，青海民族大學公共管理學院碩士研究生，主要從事土地生態安全研究。

TP79;Q948

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