基于像元二分模型的典型綠洲區近20年植被覆蓋變化及分析

王金強，李俊峰,2, 王昭陽,2，楊 廣,2，何新林,2

(1.石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832003；2.現代節水灌溉兵團重點試驗室，新疆 石河子 832000)

植被作為陸地生態系統的主體，其對某個地區季節、環境的變化能夠做出較為直觀的響應[1, 2]。植被覆蓋度是指植被(莖、枝、葉)在地面的垂直投影面積占統計區總面積的百分比[3]，能直接的反映某個地區的植被覆蓋情況[4,5]，是衡量某個區域內植被變化的重要依據，常用于植被變化、生態環境、水土保持和氣候等方面的研究[6]。計算植被覆蓋度的方法有目估法、樣方法[7]以及借助于采樣儀器的測量方法，如空間定量計、移動光量計[8]等，但這些傳統的方法需要耗費大量的人力、物力和財力，且研究區域范圍有限，受主觀因素影響較大，不同的人做有不同的結果，誤差較大[3]，因此不適合在范圍較大的區域。

隨著科學技術水平的提升，遙感作為一項成熟的技術被使用在各個行業[9,10]。其中利用遙感估算大面積尺度的植被覆蓋度已成為當前植被覆蓋監測的重要手段之一[10,11]。目前較為常見的利用遙感估算植被覆蓋度的方法有回歸模型法[12]、植被指數法[13]、像元分解模型法[14]、FCD模型法[15]以及神經網絡法[12-17]等方法。像元二分模型計算植被覆蓋度的方法成熟且簡便有效[18-20]，TM和OLI影像在多源數據中精度較高，圖像處理簡單且易于獲取；適合大面積尺度的植被覆蓋變化研究。

新疆為全國最大的高效節水區，而石河子地區作為新疆乃至全國最早使用節水灌溉的城市之一，滴灌等新型節水灌溉方式以及渠道防滲技術的大規模應用，使得農作物對水分的利用效率提升，減少了對水資源的浪費[21]，從而降低了生產成本，但忽視了對生態所帶來的負面效應：原本依靠漫灌或表層土壤水分為主要水分來源的植物水分利用被阻斷[22]，造成植物的衰減與退化；地下水的過度開采使得地下水位下降過快，導致以深層土壤水或地下水為主要水分來源的防護林等植物根部生長的速度小于地下水下降的速度，因而此類植物水分利用得不到保障[23]，出現了大規模的“頂梢枯死”現象。綜上所述，該地區的植被處于動態變化過程中，但是對于這種動態變化的研究相對較少。故本文在前人研究的基礎上，選取TM和OLI數據，統計石河子地區土地利用情況，并基于像元二分模型方法估算該地區近20年植被覆蓋度的演變情況，分析并對其劃分等級，進一步做密度分割，運用轉移矩陣統計該地區植被覆蓋度的變化情況；結合水文、氣象等資料，對植被的退化和恢復進行評估，旨在為今后石河子地區的生態文明建設和可持續發展提供科學依據。

1 研究區概況

石河子地區地處新疆維吾爾自治區北部，屬于天山北坡經濟帶中段，是新疆生產建設兵團第八師師部所在地，地處古爾班通古特大沙漠和準噶爾盆地南緣，東以瑪納斯河為界，與瑪納斯縣為鄰，南、西、北三面與沙灣縣接壤[24]。屬典型的溫帶大陸性氣候，冬季寒冷漫長，夏季炎熱短暫，氣溫由南向北遞減，研究區處于瑪納斯河流域，屬于典型的綠洲區；年平均氣溫7.5～8.2 ℃,年降水量為125.0～207.7 mm之間[24]。

2 數據獲取與處理

研究所用的石河子地區矢量文件來源于國家基礎地理信息系統；Landsat 5/TM和Landsat 8/OLI數據參數及來源見表1。其他數據來源為Google Earth和石河子地區統計年鑒。

表1 數據類型及來源Tab.1 Data types and sources

整個研究過程基于ENVI 5.4軟件進行，包括三個時期的土地分類、植被覆蓋度的計算以及各信息的變化提取三部分。對圖像進行輻射定標、大氣校正和圖像鑲嵌裁剪等預處理，使得像元值能夠更加準確的表達出實際地物信息，從而較為直觀地反映植被覆蓋特征；使用Cart決策樹分類方法對土地進行分類[24]，能夠較為準確地反映出石河子地區的土地利用信息，具體流程及詳細操作方法參考周淑玲[25]等人的研究成果。分類結果見圖1。

由于植被覆蓋度和植被歸一化指數(NDVI)之間存在較高的線性關系，因此可以采用NDVI的像元二分模型估算植被覆蓋度，并統計其平均植被覆蓋度[26]。像元二分模型是一種簡單實用的遙感估算模型，它將地表區域劃分為有植被覆蓋部分與無植被覆蓋部分，其原理如下[27]：

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

(1)

式中：NDVImax表示區域最大NDVI值；NDVImin表示區域最小NDVI值。

改進的像元二分法模型[28]：

VFC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(2)

NDVIsoil=(VFCmax×NDVImin-VFCmin×NDVImax)/

(VFCmax-VFCmin)

(3)

NDVIveg=[(1-VFCmin)×NDVImax-(1-VFCmax)×

NDVImin]/(VFCmax-VFCmin)

(4)

式中：NDVIsoil代表無植被覆蓋區域的歸一化植被指數(NDVI)；NDVIveg代表完全為植被區域的歸一化植被指數(NDVI)值。

為了能夠更好地對該地區的植被覆蓋情況進行分析和評價，本文在前人的研究基礎上將植被覆蓋度劃分為五個等級，分別代表劣等植被、差等植被、中等植被、中高等植被、高等植被[29]，分類標準見表2。

表2 植被覆蓋度等級劃分Tab.2 The grades of the VFC

3 結果分析

3.1 土地分類結果

三個時期圖像覆蓋區域的土地類型主要包括林地、農業用地、建筑用地、水體和其他(包括未利用土地)，各分類面積見圖1；所評價的依據是原始影像的目視解譯和Google Earth影像圖，通過建立土地利用變化分類混淆矩陣，計算其總體精度和Kappa系數，結果表明1998年，2007年和2017年的總體精度分別為86.34%，87.70%和86.44%，Kappa系數分別為0.85，0.87和0.83，因此其結果具有一定的參考意義。

圖1 1998-2017年土地利用面積(km2)及所占百分比(%)Fig.1 Land use area (km2) and percentage (%) in 1998-2017

根據圖1可知石河子地區1998-2017年土地利用主要以農業、建筑用地為主，其中農業用地面積在減少，城市面積在不斷擴張，由1998年的61.11 km2增加到2017年的216 km2，林地面積小幅度增加，水體面積基本保持不變。

3.2 植被覆蓋度變化分析

計算研究區的植被覆蓋度，結果顯示：研究期間植被覆蓋度的最大值為2007年的60%，1998年和2017年植被覆蓋度分別為52%和48%；利用2017年8月研究區內25個樣點測量植被覆蓋度數據進行精度驗證(圖2)，相關系數為0.730 4，說明估算值與實際值具有一定的相關性。植被覆蓋區域以農耕地為主；中部城市區域面積不斷擴大，其植被覆蓋度也相對較低。

3.3 不同等級變化情況

進一步對NDVI做密度分割(圖3)，并統計不同等級的植被覆蓋度面積和植被覆蓋度面積變化表(表3)。

根據表3得出：1998年研究區植被覆蓋面積較大，其中差等以下植被覆蓋面積為56.83 km2，占研究區的比重為11.64%；2007年植被覆蓋面積增加，差等以下植被覆蓋面積為50.36 km2，占研究區的比重為10.32%，較1998年減少；2017年植被覆蓋度減小，中部地區植被縮減較大，差等以下植被覆蓋面積為60.86 km2，占研究區的比重為12.46%。

圖2 植被覆蓋度估算值與實測值相關性分析Fig.2 Correlation analysis of vegetation coverage between estimated and measured results

1998-2017年研究區Ⅱ級和Ⅲ級植被覆蓋面積增加，其擴增速率分別為平均每年1.17%和1.56%；Ⅰ級,Ⅳ級和Ⅴ級植被覆蓋面積縮小，其退縮速率分別為0.05%，0.26%和0.75%。

表3 不同等級的植被覆蓋面積變化Tab.3 Cover changes of the different grades of vegetation

圖3 1998，2007和2017年的植被覆蓋度等級分類結果Fig.3 Classification results of VFC in 1998, 2007 and 2017

3.4 植被覆蓋度動態變化分析

統計不同時段的植被覆蓋面積轉移矩陣(表4和表5)，以便更加清楚的表達出研究區植被覆蓋度的時空變化過程。

表4 1998-2007年植被覆蓋區面積轉移矩陣Tab.4 Transition matrix of the VFC area during 1998 to 2007

表5 2007-2017年植被覆蓋區面積轉移矩陣Tab.5 Transition matrix of the VFC area during 2007 to 2017

由表4可得出：1998-2007年有50.72%的植被覆蓋未發生變化，其中：

Ⅰ級植被覆蓋轉出面積為30.22 km2，轉入面積為24.60 km2，轉出面積大于轉入面積，說明劣等植被的面積在減少；Ⅱ級植被覆蓋轉出面積為15.36 km2，轉入面積為14.51 km2，Ⅱ級植被覆蓋轉出與轉入基本持平。

Ⅲ級植被覆蓋轉出面積為60.15 km2，其中24.64 km2由Ⅲ級轉變為Ⅴ級植被覆蓋；轉入面積為40.86 km2，主要由Ⅳ級植被轉入26.49 km2，說明Ⅳ級植被部分轉變為Ⅲ級植被。

Ⅳ級植被覆蓋轉出面積為92.90 km2，轉入面積為51.53 km2；Ⅴ級植被覆蓋轉出面積為41.95 km2，轉入面積為109.08 km2，其中58.61 km2由Ⅳ級植被轉入Ⅴ級植被，24.89 km2由Ⅴ級植被轉入Ⅳ級植被，說明Ⅳ級和Ⅴ級植被相互轉化量較多。

1998-2007年石河子地區植被覆蓋度呈上升趨勢，劣等、差等植被在減少，中等、中高等、高等植被面積在增加。

由表5可得出：2007-2017 年未發生植被覆蓋變化的區域有50.97%，其中：

Ⅰ級植被覆蓋轉出面積為22.25 km2，轉入面積為21.32 km2，轉出面積略大于轉入面積，轉出面積中轉向中等植被的比例較大。

Ⅱ級植被覆蓋轉出面積為13.97 km2，其中8.11 km2由Ⅱ級轉變為Ⅲ級植被覆蓋，占轉出總面積的58.05%；轉入面積為19.21 km2，主要由Ⅴ級植被轉入8.82 km2，說明Ⅴ級植被轉為Ⅱ級植被，即部分高等植被轉向差等植被，差等植被面積增加。

Ⅲ級植被覆蓋轉出面積為34.69 km2，其中23.78 km2由Ⅲ級轉變為Ⅴ級植被覆蓋，占總轉出面積的68.55%；轉入面積為85.4 km2，主要由Ⅴ級植被轉入37.1 km2，說明Ⅴ級植被部分轉變為Ⅲ級植被，也即是高等植被和中等植被在相互轉化。

Ⅳ級植被覆蓋轉出面積為51.06 km2，其中31.52 km2由Ⅳ級植被轉入Ⅲ級植被，占總轉出面積的61.73%；轉入面積為86.19 km2，主要由Ⅴ級植被轉入55.08 km2，說明Ⅴ級植被部分轉變為Ⅳ級植被，也即是高等植被轉向中高等植被。

Ⅴ級植被覆蓋轉出面積為114.15 km2，其中55.08 km2由Ⅴ級植被轉入Ⅳ級植被，占總轉出面積的48.25%；轉入面積為24 km2，主要由Ⅳ級植被轉入14.03 km2，轉出面積遠大于轉入面積，說明高等植被在退化。總的來說，1998-2017年，劣等植被的覆蓋在逐漸減少，說明劣等植被的擴張得到了遏制，但是中高等、高等植被在中差等植被的轉變增多，且由高級轉向低級的植被覆蓋面積大于低級轉向高級的面積，即退化面積大于恢復面積。

3.5 討 論

圖4是1998-2017年石河子地區降水量和氣溫值，由圖可知研究區在試驗期間的降水量變幅不大，其降水量和溫度都呈小幅度上升趨勢，降水量多，溫度適宜，則植被覆蓋度則越高；2007年降水量289.70 mm達到最大，結合圖像反映出該年的植被覆蓋度最高，這與通過遙感影像解譯出的結果相同；宋莎等人[30]通過對石河子地區2001-2009年植被覆蓋度的研究發現，2007-2008年高植被覆蓋的面積增加較多，這也與本文研究結果相同。

圖4 石河子地區1998-2017年平均降水量和平均氣溫變化Fig.4 Changes of the average precipitation and temperature in 1998-2017 in Shihezi

根據新疆統計年鑒數據顯示，石河子地區1998-2017年人口由56.79萬增長到63.26萬，人口的增長會增加居民用地面積，破壞一部分植被；水分是限制植被生長的因素之一[8]，隨著經濟的大規模發展，人類對于水的需求變得更大，該地區用水主要依靠地下水供給,1998年地下水年開采量約為2 660 萬m3，2013年開采量約達到7 600 萬m3，而中心區可開采量僅為約3 380 萬m3，由于地下水的開采量遠遠超過其地下水的補給量,石河子地區的地下水位每年以0.5 m的速度下降,部分地區達到了1 m以上[31]，直接造成部分以深層土壤水和地下水為主要水分來源的植被發生退化；另外，該地區節水灌溉面積由1998年的小規模試行到2008年的14.7 萬hm2，增長到2017年的23.7 萬hm2[32]，節水灌溉使得農業用水效率更高，但同時破壞了生態用水的補償機制，使得生態用水量減少[33, 34]；另外從解譯結果來看，林地面積有所增加，影像顯示林地區域較為規則，初步判斷為人工種植的林帶，本文認為是在國家退耕還草還林等政策影響下，人們對植被的保護意識有所提高并采取了相應的措施有關。

4 結 語

石河子地區1998年、2007年和2017年植被覆蓋度先增加后減少，其中2007年植被覆蓋度達到3個時期的最大值，無植被覆蓋區1998年占8.2%，2017年占8.11%，基本保持不變；中部城市擴大的區域植被覆蓋減少；差等和中等植被覆蓋區分別以平均每年1.17%和1.56%的速率逐年遞增；劣等、中高等和高等植被覆蓋區分別以平均每年0.05%，0.26%和0.75%的速率遞減；通過轉移矩陣得出該地區植被退化面積大于恢復面積；自然方面，降水量較氣溫對植被覆蓋狀況影響大；人為方面，城市化的擴大和地下水的過度開采加劇了植被的退化過程。