基于NDVI的蘭州市城關區植被覆蓋度變化研究

牛莉婷，周 波，陳建榮，吳玉鋒 ，金 毅

（1.甘肅省水土保持科學研究所，甘肅 蘭州 730020）

基于NDVI的蘭州市城關區植被覆蓋度變化研究

牛莉婷1，周 波1，陳建榮1，吳玉鋒1，金 毅1

（1.甘肅省水土保持科學研究所，甘肅 蘭州 730020）

基于遙感和地理信息系統技術， 利用2000年Landsat5 TM和2015年Landsat8 OLI兩期遙感影像，提取蘭州市城關區不同時期的歸一化植被指數（NDVI），運用像元二分模型估算了植被覆蓋度（FVC），分析了2000～2015年城關區的植被覆蓋狀況及動態變化情況。結果表明，15 a間城關區低植被覆蓋度（0＜FVC≤15%）和中植被覆蓋度（15%＜FVC≤40%）分別增加9%和15%，中高植被覆蓋度（40%＜FVC≤70%）和高植被覆蓋度（70%＜FVC≤100%）分別減少17%和9%；植被覆蓋度增加面積約10 km2，減少面積約21 km2。

遙感；地理信息系統；植被覆蓋度；蘭州市城關區

本文利用2000年Landsat5 TM影像和2015年Landsat8 OLI影像，基于ENVI5.1軟件提取蘭州市城關區2000年和2015年的歸一化植被指數（NDVI）；運用像元二分模型估算植被覆蓋度，并對其劃分等級，根據差值法分析城關區15 a來植被覆蓋度的變化情況，從整體上了解該區域植被的生長和分布狀況，為評價區域內的生態建設效果提供參考[1-6]。

1 研究區概況

城關區是蘭州市的政治、經濟、文化、科研、交通及商貿等的中心，地理坐標為103°45'37"～103°59'00"E、 35°57'50"～36°09'32" N ；東西長 20.02 km，南北寬22.6 km，總面積約 220 km2，海拔為 1 600～2 171 m 。黃河由西向東貫穿整個城關區，并將其分割為南北兩部分。黃河以北是丘陵溝壑區，以南是主城區和皋蘭山山地。整個區域氣候干燥，溫差大，降水稀少，蒸發量大，光照充足，太陽輻射強，生態環境脆弱。

城關區南北兩山城郊植被包圍，綠地沿河、溝、路分布，公園、游園植被綠化，形成點、線、面相結合的植被建設體系；并且城關區擁有豐富的低丘緩坡溝壑等未利用土地資源，大量的荒山溝壑土地比較貧瘠。

2 研究數據和研究方法

2.1 研究數據的來源與處理

本文采用的數據是空間分辨率為30 m的2000-09-21 Landsat5 TM遙感影像和2015-09-15 Landsat8 OLI 遙感影像及蘭州市城關區的矢量邊界數據。兩期遙感影像來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站 (http://www.gscloud.cn)，數據級別為L1T，已經做過幾何糾正，精度滿足要求。兩期遙感影像數據都攝于植被生長比較良好的時期，對比較區域的植被變化情況具有一定的可行性。

首先采用ENVI5.1遙感軟件對兩期影像數據作輻射定標和大氣校正處理，消除因大氣散射引起的輻射誤差，然后對蘭州市城關區的矢量邊界數據作投影轉換處理，最后利用矢量邊界數據裁剪兩期遙感影像，得到城關區的影像數據。

2.2 研究方法

2.2.1 歸一化植被指數計算

歸一化植被指數（NDVI）定義為近紅外波段（NIR）與可見光紅波段（R）數值之差和這兩個波段數值之和的比值[7]：

歸一化植被指數（NDVI）既能部分消除由天氣變化、觀察姿態所造成的誤差，又能較好地反映地表植被的分布狀況，在植被指數中占居非常重要的位置[8]，是遙感估算植被覆蓋度研究中最常用的一種植被指數。

利用Landsat5 TM影像，公式（1）可表示為：

利用Landsat8 OLI影像，公式（1）可表示為：

根據公式（2）、（3），用 ENVI5.1 軟件提取蘭州市城關區2000-09和2015-09的歸一化植被指數（NDVI），見圖 1、2 。

計算 2000-09 的 NDVI值為 -0.579～0.773，2015-09 的 NDVI值為 -0.664～0.935，負值表示地表覆蓋為黃河、其他水域等；0表示為無植被覆蓋；正值表示為有植被覆蓋，NDVI值越大，植被覆蓋越好。

圖1 2000年城關區NDVI圖

圖2 2015年城關區NDVI圖

2.2.2 植被覆蓋度估算

像元二分模型不受地域限制、不依賴實測數據，且能削弱大氣、植被類型及土壤等影響，在采用遙感量測植被覆蓋度的方法中應用十分廣泛[9,10]，故本文采用像元二分模型計算植被覆蓋度。像元二分模型假定一個像元的地表由植被和土壤兩部分組成，每個像元的NDVI是完全被植被覆蓋的NDVI（NDVIveg）和裸地覆蓋的NDVI（NDVIsoil）的線性加權值。利用像元二分模型計算植被覆蓋度的公式為[11,12]：

NDVIveg和NDVIsoil隨地表濕度、土壤類型、植被類型等的變化而變化。本文選擇5%的置信度，在置信度范圍內取最大值和最小值，見表1。

表1 NDVIveg和NDVIsoil的取值表

將 表1中2000年、2015年 的NDVIveg和NDVIsoil代入公式（4），計算城關區的植被覆蓋度。

2.2.3 植被覆蓋度分級

將計算得到的植被覆蓋度分為5個等級[2]：無植被覆蓋（FVC=0） 、低植被覆蓋度（0＜FVC≤15%）、中植被覆蓋度（15%＜FVC≤40%） 、中高植被覆蓋度（40% ＜FVC≤70%）和高植被覆蓋度（FVC＞70%）。在ArcGIS10.2軟件下，根據上述分級方法對植被覆蓋度進行重分類，得到2個時期的植被覆蓋度分級圖，見圖3、4。

圖3 2000年城關區植被覆蓋度圖

圖4 2015年城關區植被覆蓋度圖

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋度時空分布

統計2000年和2015年城關區各級植被覆蓋度的像元數以及像元所占整個區域的比例，見表2、3和圖5。

表2 2000年城關區各級植被覆蓋度像元比例統計表

表3 2015年城關區各級植被覆蓋度像元比例統計表

圖5 2000年、2015年各級植被覆蓋度所占像元數

根據圖3、4、5和表2、3，城關區2000年主要以中高植被覆蓋度為主，占總面積的38%，主要分布在黃河以北海拔較高的山地及黃河以南海拔較高、人為干擾較少的皋蘭山山地；無植被覆蓋度占5%，主要分布在黃河和黃河以南地勢比較平緩、人口聚集的主城區；低植被覆蓋度占11%，主要分布在主城區；中植被覆蓋度占24%，主要分布在黃河以北海拔較高的山地；高植被覆蓋度占23%，主要分布在皋蘭山山地、主城區的雁灘區域和黃河以北的低丘緩坡區域。2015 年主要以中植被覆蓋度為主，占總面積的39%，主要分布在黃河以北海拔較高的山地；無植被覆蓋度占5%，主要分布在黃河及主城區；低植被覆蓋度占20%，主要分布在主城區和黃河以北的山地；中高植被覆蓋度占21%，主要分布在皋蘭山山地；高植被覆蓋度占14%，主要分布在皋蘭山山地和黃河以北的低丘緩坡區域。

由此看出，城關區從2000～2015年，無植被覆蓋的總面積無明顯變化；低植被覆蓋度和中植被覆蓋度有所增加，增加幅度分別為9%、15%；中高植被覆蓋度和高植被覆蓋度有所減少，減少幅度分別為17%、9%。

3.2 植被覆蓋度動態變化

通過ENVI5.1的變化檢測（change detection）工具和ArcGIS10.2的空間分析功能，提取城關區2000～2015年植被覆蓋度的動態變化情況，見圖6。

如圖6所示，綠色區域為植被覆蓋度增加的區域，紫色區域為植被覆蓋度減少的區域。15 a間城關區植被覆蓋度增加的面積約10 km2，減少的面積約21 km2，增加的區域主要分布在黃河以北。

圖6 城關區2000～2015年植被覆蓋度變化圖

3.3 植被覆蓋度變化原因分析

城關區2000～2015年的植被覆蓋狀況既有改善也有退化。植被覆蓋狀況得到改善的原因主要有：1）在國家和甘肅省的大力支持下，蘭州市建設了南北兩山綠化工程，增加了植被覆蓋，鞏固和提高了兩山的生態建設；2）退耕地造林、荒山造林、封山育林等退耕還林工程的實施，增大了城關區的植被覆蓋；3）公園、游園的植被綠化及黃河、道路兩側的植被建設等有效改善了主城區的植被覆蓋。植被覆蓋狀況退化的原因主要有：1） 蘭州市2012～2016年實施的低丘緩坡溝壑等未利用地綜合開發利用試點項目中的青白石未利用地綜合開發利用項目、碧桂園項目和三條嶺未利用地開發利用項目都位于城關區黃河以北，項目的實施有效拓展了城關區發展的空間，但也不同程度地降低了黃河以北區域的植被覆蓋；2）建筑業和房地產業等的飛速發展，導致主城區特別是雁北街道和高新開發區的植被退化。

綜上分析，建議城關區在今后的植被建設中加強對中高植被覆蓋和高植被覆蓋的植被保護，合理開發未利用地，快速恢復植被退化區域中的植被，促進低植被覆蓋、中植被覆蓋向中高植被覆蓋、高植被覆蓋的轉化。

4 結 語

本文基于RS和GIS提取蘭州市城關區的NDVI，采用像元二分模型估算植被覆蓋度，分析15 a間植被覆蓋度的變化情況，技術路線簡單、可操作性強。整體了解城關區的植被覆蓋狀況，對評估該區域的生態環境、水土流失綜合治理效果具有重要意義，同時有助于推進城關區的植被恢復。

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P237.9

B

1672-4623（2017）12-0028-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.12.009

2016-09-27。

甘肅省科技支撐計劃社會發展類基金資助項目（1504KFCA074）。

牛莉婷，碩士，主要從事3S技術在水土保持中的應用研究。