基于遙感影像的河北省張家口市植被覆蓋度變化監(jiān)測分析

基于遙感影像的河北省張家口市植被覆蓋度變化監(jiān)測分析

0植被覆蓋度監(jiān)測1979年，國家決定在西北、華北以北和東北地區(qū)嚴(yán)重缺水和水土流失嚴(yán)重的地區(qū)修建大規(guī)模的森林保護(hù)項(xiàng)目，即北方森林保護(hù)。最后，三北地區(qū)森林覆蓋率從5.05%增加到14.95%。沙漠土地得到有效控制，水土流失基本得到控制，生態(tài)環(huán)境和人民生活條件顯著改善。遙感量測法即利用遙感技術(shù)提取研究區(qū)的植被光譜信息,再將其與植被覆蓋度建立相關(guān)關(guān)系,進(jìn)而獲得植被覆蓋度,采用遙感量測法可以快速地、大范圍地提取植被信息。植被覆蓋度是指植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的百分比。植被覆蓋度在提示地表植被分布規(guī)律,探討植被分布影響因子,分析評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境,及時準(zhǔn)確地掌握其動態(tài)變化,分析其發(fā)展趨勢對維護(hù)區(qū)域生態(tài)平衡等方面都具有重要意義。在利用遙感方法對植被生長狀況進(jìn)行監(jiān)測研究方面,國內(nèi)外已有大量的科學(xué)研究:Rouse等提出監(jiān)測植被生長狀態(tài)的歸一化植被指數(shù)(NDVI),該指數(shù)常被用來進(jìn)行區(qū)域和全球的植被狀態(tài)研究;甘甫平等根據(jù)植被在685nm附近的最大吸收深度相對地劃分植被污染程度。歸一化植被指數(shù)是植物生長狀態(tài),以及植被空間分布密度的最佳指示因子,與植被分布密度呈線性相關(guān)。當(dāng)植被覆蓋度較低時,NDVI對覆蓋度增減反應(yīng)靈敏,當(dāng)覆蓋度較大時,NDVI趨于飽和。以河北省“風(fēng)口”張家口為例,采用多時相TM遙感影像數(shù)據(jù),借助遙感圖像處理軟件ERDASIAGINE9.2和ArcGIS9.2,提取張家口市在經(jīng)過三北防護(hù)林前三期綠化建設(shè)和京津周圍綠化工程建設(shè)幾年后的植被覆蓋指數(shù),根據(jù)灰度值與植被覆蓋度的對應(yīng)關(guān)系等到不同時期植被覆蓋等級圖,定量分析三北防護(hù)林在張家口市的建設(shè)進(jìn)展情況。1土地利用現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)河北省張家口市,位于中國河北省西北部,地處京、冀、晉、蒙四省(市)區(qū)交界處,是北京的北大門,土地總面積36873km2。土地利用現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)是:耕地占土地總面積的32.7%,林地面積占15.5%,草場占12.42%。張家口市屬大陸性氣候,四季分明,雨熱同季,晝夜溫差大,降水量較少,從1978年三北防護(hù)林一期工程開始,該市便是河北省的重點(diǎn)造林地區(qū),在國家林業(yè)局對生態(tài)工程進(jìn)行整合后,又被列入環(huán)北京風(fēng)沙源工程區(qū)之內(nèi)。2學(xué)習(xí)方法2.1數(shù)據(jù)來源2006年9月及2010年8月的TM影像數(shù)據(jù)、1∶50000張家口市行政區(qū)劃圖。2.2遙感圖像預(yù)處理遙感圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括:幾何糾正、投影轉(zhuǎn)換、研究區(qū)域的裁切、不同時相遙感影像直方圖匹配等工作。2.3ndvi監(jiān)測常用于植被覆蓋度遙感監(jiān)測的植被指數(shù)有:NDVI,PVI,SAVI,MSAVI,TSAVI,GEMI,MVI等。其中,歸一化植被指數(shù)———NDVI對土壤背景的變化較為敏感,隨綠色植被覆蓋度的增加而迅速增大,當(dāng)覆蓋度增加到一定程度時,綠度值增加緩慢,是植被空間分布較好的指示因子,適用于農(nóng)作物早、中期的監(jiān)測。由于NDVI具有靈敏度高、檢測范圍較寬、能消除地形和群落結(jié)構(gòu)的陰影和輻射干擾、削弱太陽高度角和大氣帶來的噪音等方面的優(yōu)點(diǎn),故被廣泛應(yīng)用于植被覆蓋度的動態(tài)監(jiān)測。NDVI(NormalizedDiffereneeVegetationIndex)———?dú)w一化植被指數(shù)的計(jì)算公式為:其中:NIR為近紅外波段,R為紅波段。得到NDVI圖如圖1,圖2所示。2.4植被覆蓋率的計(jì)算在NDVI基礎(chǔ)上進(jìn)一步計(jì)算研究區(qū)的植被覆蓋度,需要將NDVI轉(zhuǎn)化為植被覆蓋度,本文采用像元二分模型法計(jì)算植被覆蓋度。2.4.1植被覆蓋度計(jì)算假設(shè)一個像元的信息可以分為土壤與植被兩部分。通過遙感傳感器所觀測到的信息S,就可以表達(dá)為由綠色植被成分所貢獻(xiàn)的信息Sv,與由土壤成分所貢獻(xiàn)的信息Ss這兩部分組成。將S線性分解,為Ss與Sv兩部分:對于一個由土壤與植被兩部分組成的混合像元,像元中有植被覆蓋的面積比例即為該像元的植被覆蓋度fc,而土壤覆蓋的面積比例為1-fc。設(shè)全由植被所覆蓋的純像元,所得的遙感信息為Sveg?；旌舷裨闹脖怀煞炙暙I(xiàn)的信息Sv可以表示為Sveg與fc的乘積:同理,設(shè)全由土壤所覆蓋的純像元,所得的遙感信息為Ssoil?；旌舷裨耐寥莱煞炙暙I(xiàn)的信息Ss可以表示為Ssoil與1-fc的乘積:將公式(3)與(4)代入公式(2),可得:對公式(5)進(jìn)行變換,可得以下計(jì)算植被覆蓋度的公式:其中,Ssoil與Sveg都是參數(shù),因而可以根據(jù)公式(6)利用遙感信息來估算植被覆蓋度。像元二分模型實(shí)際上是基于Ssoil與Sveg這兩個調(diào)節(jié)因子所做的線性拉伸,即將大氣、土壤背景與植被類型等對遙感信息的影響降至最低,只留下植被覆蓋度的信息。2.4.2soil和ndvi將歸一化植被指數(shù)(NDVI)代入公式(5)可以被近似為:其中,NDVIsoil為裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值,即無植被像元的NDVI值;而NDVIveg則代表完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值,即純植被像元的NDVI值。由公式(7)變換可得下面利用NDVI計(jì)算植被覆蓋度的公式:2.5ndvi權(quán)分布在ERDAS中得到的NDVI灰度圖并不是植被覆蓋圖,需通過ERDAS軟件中的Modeler空間建模工具,利用公式:在NDVIsoil和NDVIveg的取值方面,由于時間、大氣、地表濕度等條件的變化對其造成的影響,NDVIsoil和ND-VIveg的值是不確定的,NDVIsoil的變化范圍一般在-0.1到0.2之間。由于本研究無法根據(jù)植被和土地利用類型取得具體對應(yīng)的值,所以采用近似值代替的方法,確定置信度為1%,分別計(jì)算兩幅影像NDVI概率分布在置信區(qū)間內(nèi)的最大值NDVImax與最小值NDVImin。觀察2006年與2010年NDVI概率分布表,尋找其中在1%和99%附近的值,取得NDVImax與NDVImin的具體值,即2006年NDVImax=0.470954,NDVImin=-0.15145,2010年NDVImax=0.661208,NDVImin=-0.01321。此時,得到的植被覆蓋圖仍為灰度圖,為了更好地分析比較,在ERDAS里對其進(jìn)行分類并賦色,本文采用非監(jiān)督分類法。本文將植被覆蓋度分為五個等級,即0~20%、20%~40%、40%~60%、60%~80%、80%~100%,并分類進(jìn)行賦色。2006年及2010年植被覆蓋度如圖3,圖4所示。3植被的等級分布2006—2010年張家口植被覆蓋度變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。從表中可以看出,2010年張家口市的整體綠化面積比2006年同期增加了698.44km2。其中,第二等級的綠化面積增長幅度最大,為1546.24km2,第五等級增加1083km2,說明在經(jīng)過三北防護(hù)林三期工程、京津周圍綠化工程和北京風(fēng)沙源工程后,植被得到了很好地管理和保護(hù);第一等級增加幅度不大,為468.23km2;而第三等級和第四等級面積出現(xiàn)了不同程度的減少,分別減少了1979.5和868.83km2,這說明在三北防護(hù)林三期工程建設(shè)和京津周圍綠化等工程中,可能出現(xiàn)過一段時間的停滯。此外,第三、四等級面積的減少和第一等級面積的小幅度增加,可能也正是受到了2009年下半年張家口市旱情的影響。此外,從圖2中可以看出,張家口市東南部靠近北京區(qū)域的植被數(shù)量明顯增加,說明了京津周圍綠化工程和北京風(fēng)沙源工程效果顯著。4應(yīng)用ndvi方法的可行性1)本研究基于NDVI,運(yùn)用像元二分模型方法,得到了張家口市在經(jīng)過三北防護(hù)林前三期建設(shè)和京津周圍綠化工程后的植被覆蓋度變化情況。該方法技術(shù)路線簡單,可操作性強(qiáng),適用于不同分辨率的遙感數(shù)據(jù),完全能滿足動態(tài)地、定量地監(jiān)測植被覆蓋度的變化。2)本研究得出如下結(jié)論:從2006年到2010年四年間張家口市植被覆蓋面積增加698.44km2,與第二次國家林業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)基本相符,誤差在9%以內(nèi),說明利用NDVI監(jiān)測植被覆