基于遙感和GIS的京津風沙源區地表植被覆蓋變化研究

王 斌

（天津市環境監測中心，天津 300191）

基于遙感和GIS的京津風沙源區地表植被覆蓋變化研究

王 斌

（天津市環境監測中心，天津 300191）

本文以京津風沙源區地表植被作為研究對象，利用遙感和GIS分析手段，開展了2005年～2009年風沙源區地表植被土地利用狀況及變化趨勢、植被指數變化等方面的分析研究。結果表明，京津風沙源區植被面積呈上升趨勢，其中耕地總面積減少2635．59 km2，林地總面積增加13218．43 km2，草地總面積增加13332．62 km2。通過SPOT-VGT NDVI計算發現，2005年～2008年風沙源區年最大植被指數呈波動上升趨勢，各年份月季最大NDVI均在8月達到峰值。區域生態環境質量正在穩步提高。

遙感；GIS；風沙源；植被覆蓋

一、研究區域

2000年6月經國務院批準，我國政府開展了大規模的京津風沙源治理工程，在北京、天津、河北、山西、內蒙古五省區市的65個縣旗進行試點，2001年，試點范圍由65個縣旗增加到75個，試點面積進一步擴大。2002年3月，國務院正式批復工程規劃，工程全面啟動。為分析風沙源區地表植被覆蓋變化，參照林業部門對京津風沙源治理工程范圍，選取內蒙古自治區、河北省、北京市、天津市4個省市的62個市旗區縣作為研究區域。

二、研究方法

采用2005年、2009年兩個年份分辨率為30米的美國陸地資源衛星Landsat TM5遙感影像作為數據源，經人工目視解譯，開展耕地、林地、草地在內的植被類型土地利用變化分析。選用2005年～2008年SPOT-VGT NDVI，開展風沙源區域植被指數定量化研究，評估區域植被覆蓋狀況。

三、數據來源及處理

3.1 土地利用狀況提取

TM影像數據獲取月份為當年6月至9月，單景云量小于10%，受人為干擾影響比較大易發生態變化的區域沒有云覆蓋。影像波段組合為432 RGB類型。幾何糾正投影類型采用Albers Conical Equal Area，橢球體為Krasovsky，中央經線為東經110°，雙標準緯線為北緯25°和北緯47°，投影起始緯度12°，中央經線偏差和起始點偏差都為0。影像再經圖像增強、顏色匹配處理，參照原國家環保總局“中國中東部地區生態環境遙感調查”中土地利用/土地覆蓋類型的分類系統，在地理信息系統軟件支持下進行動態變化的人工判讀及地面數據的對比核查；建立經過線狀地物和細小地物扣除、轉換的土地利用/土地覆蓋動態變化數據庫。

3.2 植被指數處理

地表植被對氣候變化反應非常明顯，歸一化植被指數（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）是評估植被狀況的最有效參數之一，能很好地反映植被生長狀態和植被覆蓋度，也是衡量區域生態系統變化的重要信息。選用2005年～2008年SPOT-VGT NDVI植被指數，該數據包含每10天合成的四個波段的光譜反射率及10天最大化NDVI，空間分辨率為1km，時間分辨率為逐旬。該數據集已被國內很多學者用于植被及生態環境的研究，都取得了比較好的應用效果。

預處理包括大氣校正，輻射校正，幾何校正，生產10天最大化合成的NDVI數據，并將-1到-0.1的值設置為-0.1，再通過公式轉換到0-250的DN值。主要處理流程如下：

（1）圖像裁切利用遙感圖像處理軟件ENVI 4.2掩膜功能及京津風沙源區域境界，裁剪出SPOT-VGT NDVI植被指數圖。

（2）植被指數反算

根據如下公式：NDVI=DN×0.004-0.1

將遙感影像中每個像元的DN值轉化為對應的NDVI值，即可得研究區的實際NDVI數據圖。

（3）植被指數合成

SPOT-VGT NDVI數據的合成因地理位置不同，方法也不同。一般所在區域的降水量、氣溫、干濕狀況以及作物生長期等條件決定合成方法的選擇。對于自然條件惡劣、生態環境脆弱的干旱半干早區域，為突出植被覆蓋狀況，可取全年NDVI的最大值；對于自然條件一般、植被生長季不到一年的半濕潤地區，可取植被生長季內NDVI的累加值；對于自然條件優越、全年都有植被覆蓋的濕潤區，可取全年NDVI的平均值。針對京津風沙源所在區域，選擇合成最大化植被指數，來客觀反映區域植被生長狀況。

（4）最大化植被指數（MNDVI）計算

MVC（Maximum Value Composite）是目前國際上通用的最大化合成法，該方法可以進一步消除大氣、云和太陽高度角的部分干擾。每月的NDVI數據通過最大值合成法（MVC）獲得，其計算公式為：

NDVI i= Max（NDVIij）

NDVI 是第i個月的NDVI值，NDVIij是第i月第j旬的NDVI的值，以使NDVI更為貼近實際的反映每月地表植被覆蓋的狀況。

由于年最大NDVI可以較好地反映年度植被長勢最好季節地表植被覆蓋程度，因此將全年12個月的遙感數據按最大值合成得到各年最大NDVI，以生成代表當年植被生長最旺盛時期NDVI的最大值，合成之后的NDVI數據消除了不同地區季節變化對植被覆蓋變化的影響。其公式如下：

NDVIm= Max（NDVImn）

NDVI 是第m年的NDVI值，NDVI 是第m年第n月的NDVI的值。

（5）年均NDVI的計算

研究自2005年以來風沙源區域植被生長狀況，采用均值法統計全區的NDVI，即對單位時間內區域年最大NDVI數據所有像元的NDVI值進行平均，用該值來反映全區植被覆蓋狀況。

四、植被土地利用變化

2009年，風沙源區耕地62998.96 km2，林地87666.27 km2， 草 地265917.71 km2， 水 域13270.60 km2，城鄉工礦居民用地7387.12 km2，未利用地20586.08 km2。在土地利用結構中，草地、林地、耕地等植被類型所占比重較大，分別占國土總面積的58.1%、19.1%和13.8%。植被總面積416582.94 km2，占91.0%。與2005年相比，耕地總面積減少2635.59 km2，林地總面積增加13218.43 km2，草地總面積增加13332.62 km2，植被總面積增加23915.46 km2。

五、SPOT-NDVI變化

2005～2008年間，京津風沙源區域年最大植植被指數各像元平均值呈現波動上升趨勢。其中分為兩個階段，2005～2006年間，NDVI值由0.508上升至0.526；2007～2008年間，NDVI值由0.404上升至0.492，這主要是與風沙源區域重點林業工程實施后，地區生態環境發生了極為明顯的變化，地表植被覆蓋面積有較大程度的增長有關。2006～2007年，NDVI值有所下降，這主要是與年氣候因素對區域植被生長影響有關。各年份月季最大NDVI均在8月達到峰值，表明植被生長在8月達到最旺盛季節，其中在2006年達到最大值。

圖2 京津風沙源區年均NDVI、月最大NDVI變化趨勢

六、結論

利用遙感和GIS手段分析京津風沙源區地表植被覆蓋變化表明，通過風沙源區域一系列林業生態工程、退耕還林、還草工作的實施，區域地表植被覆狀況有了明顯的提高。2005～2009年風沙源區林地、草地面積有所增長，耕地面積處于減少態勢；區域年最大植被指數像元平均值呈現波動上升趨勢，各年份月季最大NDVI均在8月達到峰值。區域生態環境質量正在穩步提高。

王斌，1982年生，男，天津市人，工程師，主要從事生態環境監測與評價方面的研究工作。