銀朵朵,王艷慧,*
1 首都師范大學(xué)資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)北京市重點實驗室, 北京 100048 2 首都師范大學(xué)三維信息獲取與應(yīng)用教育部重點實驗室, 北京 100048 3 首都師范大學(xué)城市環(huán)境過程與數(shù)字模擬國家重點實驗室培育基地, 北京 100048
植被是地球系統(tǒng)中的活躍成員,對生境變化較為敏感。植被在類型、數(shù)量或質(zhì)量方面必然對陸地生態(tài)系統(tǒng)的變化有所響應(yīng), 被認為是監(jiān)測生態(tài)環(huán)境變化的綜合指示器[1]。植被變化長期來都是諸多學(xué)者關(guān)注和研究的重點問題[2- 5]。而植被覆蓋度(Fractional Vegetation Cover,FVC)不僅是描述地表植被生長狀況的重要指標,也是反映生態(tài)系統(tǒng)變化的重要變量[6]。FVC是以歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)為基礎(chǔ)改進而提出的[7],指植被冠層在單位面積內(nèi)垂直投影的占比[8],反映了植被的茂密程度,對于 NDVI對高覆蓋度的植被易飽和、而對低覆蓋度的植被難區(qū)分的不足有所改善[9],可以更好地反映植被覆蓋動態(tài)變化特征。
近年來,植被覆蓋度被廣泛應(yīng)用于區(qū)域植被變化研究[10- 15]。其中,基于NDVI數(shù)據(jù),采用像元二分模型估算植被覆蓋度的方法效果良好,已有豐富的成果。如劉春靜等[16]以中國新疆及中亞五國為研究區(qū),探討了大陸干旱性氣候區(qū)近14年的植被覆蓋度時空演變特征。張文強等[5]分析了黃土高原15年植被覆蓋變化情況,黃土高原作為溫帶大陸性半干旱半濕潤季風氣候區(qū)的典型,植被覆蓋度呈增加趨勢。張學(xué)玲等[17]以江西省武功山為例研究了中亞熱帶濕潤氣候區(qū)植被覆蓋度的時空變化情況,發(fā)現(xiàn)植被覆蓋總體呈上升趨勢,且與地形因子有密切關(guān)系。趙婷等[18]將秦嶺作為研究區(qū),探究了暖溫帶半濕潤氣候與亞熱帶濕潤氣候過渡帶的植被變化情況,發(fā)現(xiàn)該區(qū)近17年植被覆蓋度良好,整體呈上升趨勢,植被覆蓋變化具有明顯的地形分異效應(yīng)。鄭朝菊等[19]研究西南地區(qū),包括亞熱帶季風氣候、熱帶季雨林氣候及高原氣候近15年的植被覆蓋度時空變化及與氣候、人類活動的關(guān)系。
上述已有研究對認識各氣候區(qū)的植被變化和驅(qū)動因素具有重要意義,但對溫帶大陸性半干旱季風氣候區(qū)植被變化的研究還不多見。陳效逑,王子玉等[20-21]以內(nèi)蒙古為例研究了氣候變化和人類活動對植被變化的影響。但已有研究表明植被變化不僅與氣候,人類活動顯著相關(guān),且對地形因子高度響應(yīng)[22-28]。影響植被分布的生境因子眾多,其中地形是最基本的影響因子。地形因子(坡度、坡向和海拔等)不僅會影響氣候條件的空間差異,也會影響人類的生產(chǎn)與生活,進而影響植被的空間分布格局,因此研究地形因子與植被覆蓋度變化的關(guān)系可以很好地揭示植被的空間分布規(guī)律[29]。
內(nèi)蒙古大青山位于溫帶大陸性半干旱季風氣候區(qū),是對全球氣候變化最為敏感的地區(qū)之一,2008年成為國家級自然保護區(qū),對于衡量氣候變化大背景和重大人為活動影響下區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化具有重要的指示作用。因此,本文以內(nèi)蒙古大青山為例,選用4期Landsat影像,計算植被覆蓋度,分析植被覆蓋度時空變化以及地形對植被覆蓋分布格局的影響,以期為溫帶大陸性半干旱季風氣候區(qū)植被監(jiān)測與保護提供參考。
大青山位于109°47′— 112°17′E,北緯 40°34′—41°14′N之間,面積為3918.9km2(圖1)。地處陰山山脈中段,是蒙古高原草原區(qū)與黃土高原草原區(qū)的分水嶺。大青山海拔在1030—2338m之間,屬于中山山地。山體呈東西走向,北部較平緩,地貌南北差異大。氣候條件為溫帶大陸性半干旱季風氣候,冬季寒冷漫長,夏季溫和,降水集中在夏季,日照充足,歷年平均氣溫6.7°C,年降雨量350—400mm。隨地勢的升高,土壤類型呈現(xiàn)出明顯的垂直分布特征,植被類型也呈現(xiàn)出灌叢草原-森林灌叢草原-森林草原-山地草原的分布規(guī)律。大青山因其重要的生態(tài)服務(wù)功能,受到各級政府的極度重視。2008年,國家批準建立內(nèi)蒙古大青山國家級自然保護區(qū)。2013年,內(nèi)蒙古自治區(qū)通過了《內(nèi)蒙古自治區(qū)大青山國家級自然保護區(qū)條例》,自此大青山的生態(tài)保護和建設(shè)工作進入了一個全新的時期。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Overview of the study area
研究區(qū)6月至8月降水集中,為減小云量對研究分析的影響,特選取9月晴朗無云且日期相近的四期數(shù)據(jù)。本文采用的遙感數(shù)據(jù)為2000、2006、2011年landsat- 5 TM影像和2017年landsat- 8 OLI影像,軌道編號為126/031、126/032、127/032。四期數(shù)據(jù)云量均小于10%,質(zhì)量良好。此外, 研究還用到DEM數(shù)據(jù)(30m分辨率),用于提取地形信息。所有數(shù)據(jù)都來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn/),投影坐標系為UTM-WGS 84。
在ENVI 5.3中對TM和OLI數(shù)據(jù)做幾何配準,校正誤差均嚴格限制在0.5個像元以內(nèi),重采樣分辨率為30m。然后進行輻射定標和大氣校正,先將影像灰度值轉(zhuǎn)化為輻射亮度值,再進行大氣校正以去除大氣對地物輻射的影響,呈現(xiàn)地物較為真實的反射光譜特征。標注大氣校正后數(shù)據(jù)中的負值和大于100的高值,并改正這些異常值。對每一期的多幅影像,拼接后用大青山邊界矢量裁剪,得到研究區(qū)四期遙感數(shù)據(jù)。提取大青山的DEM,并在ArcGIS 10.6 中使用3D分析模塊,生成研究區(qū)的高程圖、坡度圖及坡向圖。通過重新劃分高程、坡度、坡向等級,再與研究區(qū)植被覆蓋度分布圖疊加,探討大青山地形因子對植被覆蓋度分布格局的影響。
已有的諸多研究表明將NDVI代入像元二分模型計算得到的植被覆蓋度,彌補了NDVI研究高植被覆蓋和低植被覆蓋效果欠佳的缺點,監(jiān)測植被覆蓋變化效果良好,可以更好地表征區(qū)域植被的生長和變化情況[30-32]。因此,采用像元二分模型計算研究區(qū)植被覆蓋度,并在ArcGIS10.6中對4期植被覆蓋度圖進行差值運算,分析研究區(qū)植被覆蓋度時空動態(tài)變化,進而對地形因子(高程,坡度,坡向)進行重分類,探測植被覆蓋度的地形分異規(guī)律。
1.4.1植被覆蓋度計算和定級方法
采用像元二分模型,基于NDVI數(shù)據(jù)來計算植被覆蓋度。NDVI一般定義為近紅外波段(0.7—1.1 μm) 與可見光紅光波段 (0.4—0.7μm) 反射率之差與反射率之和的比值。NDVI值的范圍為[-1,1],植被覆蓋越好,值越大,值為1表示該像元為純植被覆蓋,值為0表示該像元為純裸土覆蓋。
而像元二分模型假定一個像元的信息由植被覆蓋和裸土覆蓋提供。遙感影像上任一像元的遙感信息記為S,若像元信息完全由植被提供的純像元遙感信息記為Sveg,像元信息完全由裸土提供的純像元遙感信息記為Ssoil,則植被覆蓋度的計算公式為:
FVC = (S-Ssoil)/(Sveg-Ssoil)
(1)
將NDVI帶入像元二分模型,得到基于NDVI的植被覆蓋度計算公式:
FVC=( NDVI - NDVIsoil) /(NDVIveg- NDVIsoil)
(2)
式中,NDVI為每個像元的歸一化植被指數(shù)值,NDVIveg為純植被覆蓋像元的歸一化植被指數(shù)值,NDVIsoil為純裸土覆蓋像元的歸一化植被指數(shù)值。
實際計算中,受數(shù)據(jù)預(yù)處理影響,部分像元的NDVI值在[-1,1]之外,這部分NDVI值為異常值,為便于后期計算,本文將異常值轉(zhuǎn)化為背景值,公式如下:
NDVI = NDVI1×0 + NDVI2×0 + NDVI3×NDVIg
(3)
式中,NDVIg表示原始NDVI值,NDVI1為小于-1的原始NDVI值,NDVI2為大于1的原始NDVI值,NDVI3為 [-1,1]的原始NDVI值,NDVI表示去除異常值后的NDVI值。
受年份、大氣等條件影響,NDVIsoil和NDVIveg隨時間和空間的不同會產(chǎn)生變化,因此取累計直方圖的 5%和95%為置信度區(qū)間,確定研究區(qū)的NDVIsoil和NDVIveg值[33- 34](表1)。

表1 研究區(qū)純裸土和純植被的NDVI取值
FVC值的范圍為[0,1],為分析植被覆蓋度動態(tài)變化情況,結(jié)合研究區(qū)實際情況,將FVC等間距劃分為3個等級[17]。1等:FVC<0.3,低植被覆蓋度;2等:0.3≤FVC<0.6中植被覆蓋度;3等:FVC≥0.6,高植被覆蓋度。生成植被覆蓋度分級圖并統(tǒng)計面積。
1.4.2植被覆蓋度動態(tài)分析方法
采用差值法分析植被覆蓋度動態(tài)變化特征,公式如下[35]:
ΔFVC=FVC2-FVC1
(4)
ΔFVC表示植被覆蓋度變化等級,FVC1和FVC2分別表示前后兩個時期的植被覆蓋度等級。ΔFVC值表征的含義如下:ΔFVC=2時,記為重度改善;ΔFVC=1時,記為輕度改善;ΔFVC=0時,記為未變化;ΔFVC=-1時,記為輕度退化;ΔFVC=-2時,記為重度退化。
1.4.3植被覆蓋度對地形因子響應(yīng)分析方法
地形特征是一個多維變量,不同高程、坡度和坡向具有的不同外部形態(tài)造成不同的水熱條件分布和養(yǎng)分移動堆積,在某一特征尺度上不同的地形特征對植被覆蓋度的影響強度會存在空間上的差異[17]。 為定量研究植被覆蓋度對地形因子的響應(yīng),對大青山高程、坡度、坡向數(shù)據(jù)重分類(圖2),再對植被覆蓋度分區(qū)統(tǒng)計,分析高程、坡度、坡向各區(qū)間內(nèi)的植被覆蓋度分布規(guī)律。

圖2 大青山坡度與坡向空間分布圖Fig.2 The spatial distribution of slope and aspect in Daqing Mountain
采用等間距法將研究區(qū)高程重分類為10個等級:<1200m;1200—1300m;1300—1400m;1400—1500m;1500—1600m;1600—1700m;1700—1800m;1800—1900m;1900—2000m;>2000m,然后統(tǒng)計各高程帶的植被覆蓋度。
根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007)中的臨界坡度分級法,將研究區(qū)的坡度重分類為6級:0°—5°;5°—10°;10°—15°;15°—25°;25°—45°;45°—90°。按照劃定的坡度等級統(tǒng)計大青山的植被覆蓋度分布規(guī)律。
根據(jù)國土資源部頒布的《第二次全國土地調(diào)查技術(shù)規(guī)程》,將研究區(qū)的坡向分為平地(0°)、陰坡(315°—45°) 、半陰坡(45°—135°) 、陽坡(135°—225°) 、半陽坡(225°—315°) 五類。統(tǒng)計研究區(qū)各坡向的植被覆蓋度。

圖3 2000—2017年大青山平均植被覆蓋度空間分布及面積占比Fig.3 The spatial distribution and area rate of average vegetation cover in Daqing Mountain from 2000 to 2017
基于NDVI的像元二分模型,計算得到2000—2017年大青山的平均植被覆蓋度(圖3)。由圖3知,大青山植被覆蓋度空間分布特征為“東部高,西部低;南部高,北部低”。2000—2017年,大青山的植被覆蓋類型以中高植被覆蓋度(FVC≥0.3)為主,平均占64.19%的研究區(qū)域。
為詳細研究各時期植被覆蓋度的分布情況,依據(jù)1.4.3的等級標準劃分大青山4個時期的植被覆蓋度,得到如圖4和表2的2000、2006、2011、2017年大青山植被覆蓋度等級圖及分布特征。
從圖4來看,植被覆蓋度呈現(xiàn)東北高西南低的空間分布特征。2000年,中高植被覆蓋主要在烏蘭察布段和呼和浩特段,低植被覆蓋以包頭段和呼和浩特段南部為主。2006年和2011年,高植被覆蓋面積較小,中植被覆蓋主要分布在烏蘭察布段和呼和浩特段,低植被覆蓋以包頭段為主。2017年,高植被覆蓋聚集在東北部;植被覆蓋度等級自東北向西南依次從高、中到低植被覆蓋過渡。
由表2知:雖然不同等級的植被覆蓋面積占比都隨時間呈動態(tài)變化,但總體來看中植被覆蓋區(qū)在研究區(qū)總面積中占比最大,其次是低植被覆蓋區(qū)的比例,而高植被覆蓋區(qū)占比最小。此外,中低植被覆蓋類型的面積比例在四個時期分別占到了77.70%、92.94%、99.67%和80.12%,是研究區(qū)主要的植被覆蓋度類型。這與研究區(qū)地理區(qū)位密切相關(guān),大青山地處大陸性半干旱季風氣候區(qū),植被類型以北方草原為主,所以中低植被覆蓋區(qū)域廣。而高植被覆蓋主要由山地森林貢獻,主要受人為因素影響。
18年間,低植被覆蓋區(qū)的面積先減后增再減,總體呈減少趨勢。中植被覆蓋區(qū)面積變化最大,共增加24.47%。高植被覆蓋區(qū)總體變化較平穩(wěn)。說明大青山地區(qū)十八年間植被向著恢復(fù)的方向發(fā)展。這是因為大青山地區(qū)自2013年施行《內(nèi)蒙古自治區(qū)大青山國家級自然保護區(qū)條例》以來,依據(jù)完善的保護條例,加強保護區(qū)內(nèi)各類開發(fā)建設(shè)活動的監(jiān)督管理,清理整頓工礦企業(yè),加大對私自放牧的管理力度,加強森林草原防滅火工作,加快了大青山植被的恢復(fù)。

圖4 2000年、2006年、2011年和2017年大青山植被覆蓋空間格局Fig.4 The spatial pattern of vegetation cover in Daqing Mountain in 2000, 2006, 2011 and 2017

表2 大青山4個時期植被覆蓋度特征
為研究大青山地區(qū)18年間植被覆蓋在空間上的變化情況,在ArcGIS 10.6中對四期植被覆蓋度等級圖進行疊加運算,得到如圖5和表3、表4、表5、表6所示的大青山植被覆蓋空間分布格局及其演變特征。

圖5 2000—2017年大青山植被覆蓋度差值Fig.5 Vegetation Coverage changes in Daqing Mountain from 2000 to 2017

表3 2000—2006年大青山植被覆蓋度等級轉(zhuǎn)移矩陣/km2

表4 2006—2011年大青山植被覆蓋度等級轉(zhuǎn)移矩陣/km2

表5 2011—2017年大青山植被覆蓋度等級轉(zhuǎn)移矩陣/km2

表6 2000—2017年大青山植被覆蓋度等級轉(zhuǎn)移矩陣/km2
由圖5和表3知:2000至2006年大青山植被趨于退化。高植被覆蓋區(qū)轉(zhuǎn)出693.8km2,僅轉(zhuǎn)入100.34km2,損失面積大。這一時期大青山保護范圍主要在呼和浩特段,其余區(qū)段保護力度小,開發(fā)力度大。研究區(qū)內(nèi)礦山企業(yè)挖掘地表類的開采直接破壞地表植被,山區(qū)農(nóng)牧民開墾放牧。還有,用于山林防火、生態(tài)保護的經(jīng)費不足。這些因素綜合作用導(dǎo)致了大青山植被覆蓋度下降。
由圖5和表4知:2006至2011年大青山植被趨于退化。中高植被覆蓋面積減小,轉(zhuǎn)化為低植被覆蓋度。原因有二:一方面,降水及蒸散發(fā)量制約當年植被覆蓋,統(tǒng)計年鑒顯示2011年降水量較往年有所下降;另一方面,人類活動在短期內(nèi)對區(qū)域植被生長影響顯著。大青山中南部緊鄰呼和浩特市的人口聚居區(qū),受人類生產(chǎn)生活影響,該區(qū)域植被退化嚴重。而西部受人為干擾較小,植被變化較穩(wěn)定。
由圖5和表5知:2011至2017年大青山植被趨于改善。低植被覆蓋大量轉(zhuǎn)化為中高植被覆蓋,中植被覆蓋度主要轉(zhuǎn)出為高植被覆蓋。6年間植被覆蓋度增加,生態(tài)向好發(fā)展。2013年《內(nèi)蒙古自治區(qū)大青山國家級自然保護區(qū)條例》的頒布施行,使大青山地區(qū)保護工作有例可循。且大青山管理部門響應(yīng)國家的生態(tài)建設(shè),緊隨其后制定了針對礦山企業(yè),私自放牧以及生態(tài)建設(shè)等的數(shù)個方案,加強執(zhí)行力度,使大青山生態(tài)恢復(fù)迅速,中高植被覆蓋面積大幅增加。
由圖5和表6知:18年間大青山植被覆蓋度總體呈上升趨勢。中植被覆蓋度的變化量最顯著,且為正值。低覆蓋度呈負向變化,高覆蓋度變化量較小。低植被覆蓋度主要的轉(zhuǎn)出類型為中植被覆蓋度,中植被覆蓋度主要的轉(zhuǎn)出類型為高植被覆蓋度,說明18年間,植被覆蓋度由低、中覆蓋度類型向中、高覆蓋度類型轉(zhuǎn)變,變化趨勢向好。

圖6 2000—2017年大青山植被覆蓋度變化及其面積占比 Fig.6 Changes and area rate of vegetation cover in Daqing Mountain from 2000 to 2017
圖6為大青山2000年至2017年植被覆蓋度等級變化情況。18年間,大青山西部地區(qū)以輕度改善為主。中部地區(qū)變化小,以輕度改善為主,有小面積的輕度退化。東部以輕度退化為主,小范圍內(nèi)存在重度改善和重度退化現(xiàn)象。
植被覆蓋等級變化以輕度改善面積最大,達到1152.45km2,分布最廣,自東北向西南均有輕度改善趨勢。輕度退化面積次之,有395.29km2,主要分布在中部局地和東部。植被重度改善與重度退化區(qū)面積較小,聚集性強。植被重度退化區(qū)域最小,說明研究區(qū)植被無嚴重的惡化情況。總體上,改善類型占32.46%,退化類型占12.92%,表明大青山18年間植被覆蓋度總體改善。
2.4.1大青山植被覆蓋度海拔梯度差異

圖7 高程對大青山植被覆蓋度的影響 Fig.7 Effect of elevation on vegetation coverage of Daqing Mountain
圖7表明,大青山植被覆蓋度隨著海拔的升高持續(xù)增長,在2000—2296m最高,936—1200m最低。且在低于1500m的高程帶,植被覆蓋度增長緩慢;1500m以上的區(qū)域增長速度較快。海拔不同,區(qū)域的水熱條件也會有相應(yīng)改變,從而影響植被生長。低海拔區(qū)水熱條件較好,但受到人類活動的干擾,植被覆蓋度較小。海拔高于1500m,人類活動受到相當程度的限制,植被覆蓋好轉(zhuǎn)。且大青山最高海拔2296m,屬于中山山地,并不會使限制植物生長的熱量條件受到影響。因此,大青山植被覆蓋隨海拔升高而增大。
2.4.2大青山植被覆蓋度坡度差異
圖8表明,隨坡度增加,大青山的植被覆蓋度逐漸增高,在坡度0°—5°最低,45°—90°最高。這是由于坡度較緩的地區(qū)方便人類活動,而坡度越高,人類活動受到地形限制逐漸減少,對植被生長的干擾也就越小,因此植被覆蓋度隨坡度增加而呈上升趨勢。
2.4.3大青山植被覆蓋度坡向差異
圖9表明,陰坡植被覆蓋度最高,其次是半陰坡和半陽坡; 植被覆蓋度最低的是陽坡。主要是因為陽坡接收的太陽輻射較其他坡向更強,而研究區(qū)屬于半干旱季風氣候,晝夜溫差較大,水分蒸發(fā)量較多,植被分布以山地草甸為主。山地森林、灌叢主要分布在陰坡,其次分布在半陰坡和半陽坡,所以植被覆蓋度的分布規(guī)律為陰坡>平地>陽坡。
使用基于NDVI的像元二分模型計算植被覆蓋度,并對4期植被覆蓋度進行分級、計算平均覆蓋度、差值運算,以及對地形因子(高程,坡度,坡向)重分類,據(jù)此獲得研究區(qū)的植被覆蓋度時空演變過程及其與地形因子的響應(yīng)情況。2000—2017 年,大青山植被總體覆蓋狀況良好且呈上升趨勢,植被覆蓋空間分布、變化趨勢及其與地形因子的相關(guān)性如下:

圖8 坡度對大青山植被覆蓋度的影響 Fig.8 Effect of slope on vegetation coverage of Daqing Mountain

圖9 坡向?qū)Υ笄嗌街脖桓采w度的影響 Fig.9 Effect of slope direction on vegetation coverage of Daqing Mountain
(1)大青山以中高植被覆蓋度為主,64.19%的區(qū)域植被覆蓋類型為中高植被覆蓋度。不同時期的植被覆蓋度有所波動,18年來大青山植被覆蓋度先降低后升高,總體呈上升趨勢。前期植被覆蓋度降低成因是大青山地區(qū)的諸多經(jīng)濟開發(fā)活動,如旅游業(yè)的發(fā)展、工礦企業(yè)的開設(shè)、私自放牧等。而自大青山國家自然保護區(qū)成立,尤其2013年保護區(qū)條例通過后,大青山保護不斷完善,生態(tài)逐漸恢復(fù),植被覆蓋度升高。
(2)植被覆蓋度空間格局特征明顯,總體上呈“東部高,西部低;南部高,北部低”的分布特征。中高植被覆蓋度集中在大青山呼和浩特段南部和烏蘭察布段,而低植被覆蓋度主要分布在西段山體。
(3)空間上,植被輕度改善分布最廣,自東北向西南均有輕度改善趨勢。輕度退化主要分布在中部局地和東部。重度改善與重度退化區(qū)面積較小,聚集在東部小范圍內(nèi)。數(shù)量上,研究區(qū)植被改善類型占32.46%,退化類型占12.92%,其中以輕度退化為主。說明研究區(qū)18年間植被覆蓋度為改善趨勢。
(4)植被覆蓋度的地形分異變化明顯:植被覆蓋度隨海拔升高呈增加趨勢,在2000—2296m高程帶最高。植被覆蓋度與坡度正相關(guān),坡度越高,植被覆蓋度越大。植被覆蓋度在不同坡向上差異明顯,呈現(xiàn)陰坡>半陽坡>半陰坡>平地>陽坡的分布規(guī)律。
當然,本文還存在一些不足之處。首先,在數(shù)據(jù)源上,本研究采用4期TM/OLI影像圖提取NDVI,未使用多源NDVI數(shù)據(jù)集進行相互驗證。另外,本研究中對植被覆蓋度的地形分異規(guī)律進行了分析,但地形對植被覆蓋的影響還可以引入植被類型、土地利用、地質(zhì)數(shù)據(jù)等來進一步展開。且限于時間與篇幅,本文未能進行地形面積差異修正以評價地形對植被變化的影響效應(yīng),這將成為下一階段的研究工作。