內(nèi)蒙古陰山北麓地區(qū)植被覆蓋變化的遙感監(jiān)測

內(nèi)蒙古陰山北麓地區(qū)植被覆蓋變化的遙感監(jiān)測

1基于ve區(qū)別的植被覆蓋測量銀山市位于北方農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)交錯(cuò)帶的中部。它是中國典型的生態(tài)脆弱帶和北方重要的生態(tài)屏障。它可以及時(shí)、準(zhǔn)確地反映世界變化的區(qū)域影響。由于植被是生態(tài)系統(tǒng)的指示器,所以監(jiān)測植被覆蓋變化是研究該地區(qū)以及農(nóng)牧交錯(cuò)帶對(duì)全球變化響應(yīng)問題的基礎(chǔ)和切入點(diǎn)。NDVI(normalizeddifferencevegetationindex,歸一化植被指數(shù))是植物生長情況、覆蓋情況、生物量情況和植被種類情況等的綜合反映,與植被分布密度呈線性相關(guān),是指示大尺度植被覆蓋的良好指標(biāo),廣泛應(yīng)用于植被覆蓋方面的研究。本文應(yīng)用SPOT-4/VEGETATION的NDVI數(shù)據(jù)集(S10)作為數(shù)據(jù)源來研究植被覆蓋的狀況,較NOAA數(shù)據(jù)有如下優(yōu)點(diǎn):①VEGETATION傳感器的4個(gè)波段是專門針對(duì)植被的生物特征設(shè)計(jì)的,其NDVI合成數(shù)據(jù)能很好地反映地表植被的生長狀況,較NOAA更適合來研究大尺度的植被覆蓋狀況;②法國、瑞典和比利時(shí)分工協(xié)作的地面數(shù)據(jù)處理機(jī)構(gòu)體系每天對(duì)VEGETATION數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的獲取、處理和存檔,其提供的經(jīng)過高精度的幾何糾正與輻射糾正的數(shù)據(jù)產(chǎn)品代表了當(dāng)前歐洲低分辨率遙感數(shù)據(jù)的領(lǐng)先水平,質(zhì)量很高;③VEGETATION傳感器的推帚式掃描儀系統(tǒng)在信噪比上優(yōu)于NOAA/AVHRR的光機(jī)掃描儀。2植被覆蓋情況的空間分布研究區(qū)包括內(nèi)蒙古烏蘭察布盟的四子王旗、察哈爾右翼中旗、察哈爾右翼后旗、商都縣、化德縣,包頭市的固陽縣和達(dá)茂旗,呼和浩特的武川縣,錫林郭勒盟的太仆寺旗和多倫縣等10個(gè)旗縣,行政區(qū)總面積為76176km2,寬度約70km~80km。該地屬我國中溫帶北部和半干旱偏旱氣候區(qū),年均溫1.5℃~3.7℃,年降水量最南部可達(dá)400mm,大部分農(nóng)區(qū)在250mm~300mm。由于植被主要生長在林地、草地及耕地上,本文只對(duì)林地、草地及耕地的植被覆蓋狀況進(jìn)行分析。據(jù)2000年該地區(qū)的1∶10萬土地利用圖,林地、草地和耕地的面積分別為3264km2、38992km2和32912km2,總面積74512km2。林地在全區(qū)分布的范圍較小,主要是在研究區(qū)西南部固陽和武川的南部,西北部達(dá)茂旗的南部,中部察哈爾右翼中旗的西南部和東部多倫縣的東南部,其他地區(qū)較為稀少;草地集中分布于研究區(qū)西北部的達(dá)茂旗和四子王旗,另外中部察哈爾右翼后旗的中南部、東部太仆寺旗的西南部和多倫縣的西北部也有分布,其他地區(qū)只是零星分布;耕地在全區(qū)分布最廣,除達(dá)茂旗和四子王旗的其他8個(gè)旗縣都較為集中分布。3數(shù)據(jù)來源與研究方法3.1遙感影像的選取本研究使用的遙感數(shù)據(jù)為SPOT-4/VEGETATION傳感器的數(shù)據(jù)產(chǎn)品,從比利時(shí)VITO研究所網(wǎng)站下載,包括1998年4月至2003年12月的中國區(qū)每旬最大化NDVI數(shù)據(jù)集(S10)產(chǎn)品,圖像的空間分辨率為1km×1km;1∶400萬全國縣界圖由國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)網(wǎng)站提供;1∶10萬土地利用圖來源于中國科學(xué)院。使用圖像處理軟件(Erdas8.4和Arc/Info8.1)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,說明如下:(1)從矢量格式的1∶400萬全國縣界圖中抽取出研究范圍內(nèi)10旗縣的縣界圖,將其投影方式轉(zhuǎn)換成與VEGTATION遙感數(shù)據(jù)一致的AlbersConicalEqualArea,并使二者疊合,繼而從全幅中國區(qū)VEGETATION遙感影像中抽取出研究區(qū)10旗縣的遙感影像。(2)依據(jù)2000年該地區(qū)1∶10萬的土地利用圖,不考慮城鄉(xiāng)用地、工礦用地、居民用地、水域和未利用土地的覆蓋部分,抽取出其中的耕地、林地、草地覆蓋部分,即為本文的研究對(duì)象,再按上述方法從10旗縣VEGETATION遙感影像中抽取出研究對(duì)象的影像。(3)根據(jù)如下轉(zhuǎn)換公式:NDVI=DN?0.004?0.1(1)ΝDVΙ=DΝ?0.004-0.1(1)將遙感影像中每個(gè)像元的DN(digitalnumber,像元的初始數(shù)值)值轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的NDVI值,即可得研究區(qū)的NDVI數(shù)據(jù)圖。(4)以月為單位,按公式2對(duì)每月3旬的NDVI數(shù)據(jù)作最大值合成(MVC)處理,記為月NDVI,進(jìn)一步消除云、大氣、太陽高度角等的部分干擾,以使NDVI更為貼近實(shí)際的反映每月地表植被覆蓋的狀況。NDVIi=Max(NDVIij)(2)ΝDVΙi=Μax(ΝDVΙij)(2)式中:NDVIi是第i月的月NDVI值,NDVIij是第i月第j旬的NDVI值。(5)根據(jù)該地區(qū)植被生長的實(shí)際狀況,每年5月~10月地表有明顯的植被覆蓋,而年初1月~4月和年末11月~12月地表只有零星植被覆蓋甚至完全沒有植被,于是本文只對(duì)5月~10月的植被狀況進(jìn)行分析。將每年5月~10月這6個(gè)月的月NDVI進(jìn)行平均,輸出當(dāng)年的NDVI平均值,記為年均NDVI,以反映該年植被生長的平均狀況。(6)將每年5月~10月的18旬的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行最大化合成,輸出當(dāng)年的NDVI最大值,記為年最大NDVI,反映當(dāng)年植被最豐盛時(shí)期的狀況。3.2ndvii變化率計(jì)算方法(1)采用均值法統(tǒng)計(jì)全區(qū)(或部分區(qū)域)的NDVI(月NDVI、年均NDVI、年最大NDVI),即對(duì)統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)所有格網(wǎng)的NDVI值進(jìn)行平均,記為全區(qū)NDVI(全區(qū)月NDVI、全區(qū)年均NDVI、全區(qū)年最大NDVI),用這個(gè)值來反映相應(yīng)指標(biāo)的全區(qū)平均狀況。(2)采用差值法量化兩個(gè)年份的NDVI(月NDVI、年均NDVI、年最大NDVI)的變化,將變化值記為NDVIv,即用后一時(shí)期的所有格網(wǎng)的NDVI值減去前一時(shí)期的所有格網(wǎng)的NDVI值,如公式3:NDVIvij=NDVIi?NDVIj(3)ΝDVΙvij=ΝDVΙi-ΝDVΙj(3)式中:NDVIvij為第i年相對(duì)第j年的NDVI變化值;NDVIi和NDVIj分別為第i年和第j年的NDVI值。為反映NDVI變化的大小程度,劃分如下級(jí)別(為便于表示,記NDVI變化值為NDVIv):當(dāng)NDVIv≤-0.15時(shí)記為嚴(yán)重退化;-0.15<NDVIv≤-0.05時(shí)記為中度退化;-0.05<NDVIv≤0時(shí)記為輕微退化;0<NDVIv≤0.05時(shí)記為輕微改善;0.05<NDVIv≤0.15時(shí)記為中度改善;NDVIv≥0.15時(shí)記為高度改善。(3)采用簡單差分方法,生成第i年相對(duì)第j年的NDVI變化率圖像(為便于表示,記NDVI變化率為NDVIr),NDVI變化率按公式4計(jì)算:NDVIrij=(NDVIi?NDVIj)/NDVIi?100%(4)ΝDVΙrij=(ΝDVΙi-ΝDVΙj)/ΝDVΙi?100%(4)式中:NDVIrij為第i年相對(duì)于第j年的NDVI變化率;NDVIi和NDVIj分別為第i年和第j年的NDVI值。那么,NDVIrij數(shù)據(jù)圖中每一個(gè)像素的值代表了第i年的NDVI值相對(duì)第j年的變化率。為反映NDVI變化的顯著性水平,我們作了如下劃分:若NDVIr≥20%劃分為顯著增加;10%<NDVIr≤20%劃分為較顯著增加,0<NDVIr≤10%劃分為不顯著增加;0<NDVIr≤-10%劃分為不顯著減少;-20%<NDVIr≤-10%劃分為較顯著減少,NDVIr≤-20%劃分為顯著減少。其中NDVI的變化值雖然與變化率存在一定的關(guān)系,但前者表示的是變化的絕對(duì)大小,后者表示的是相對(duì)大小。4結(jié)果分析4.1ndvi時(shí)間序列變化分析4.1.1年生時(shí)期ndvi月、年、月內(nèi)變化計(jì)算每年5月~10月每月的全區(qū)月NDVI、林地月NDVI、草地月NDVI和耕地月NDVI,再將1998年~2003年對(duì)應(yīng)月份的值平均,得出5月~10月各月在6年內(nèi)的平均值,其反映的6年平均的年內(nèi)變化如圖1。就全區(qū)NDVI的年內(nèi)變化而言,NDVI從5月到8月逐漸增大,5月~6月因?yàn)橹脖粵]有完全生長成熟所以NDVI值相對(duì)較低,7月、8月份的NDVI值在一年中較大,其中8月最大,時(shí)值植被生長的最佳時(shí)段;8月以后NDVI逐漸減小,9月~10月因?yàn)樽魑锵嗬^收割、林木與草場也逐漸進(jìn)入枯萎期所以相對(duì)較低,反映的植被生長狀況與實(shí)際相符。就林地、草地和耕地NDVI的年內(nèi)變化而言,三者NDVI年內(nèi)變化走勢與全區(qū)的大體相似,從5月逐漸增大至7、8月達(dá)到最大,其后又逐漸減小。其中7月和8月的NDVI大小順序是:耕地>林地>草地,而其他月份是林地>耕地>草地。林地、草地和耕地的年內(nèi)NDVI的變化范圍分別為0.25~0.42、0.16~0.26和0.22~0.46,可見三者年內(nèi)NDVI變化幅度的大小順序?yàn)?耕地>林地>草地。4.1.2ndvi的年際變化就全區(qū)NDVI的年際變化而言,如圖2,1998年~2003年全區(qū)年最大NDVI和全區(qū)年均NDVI這兩項(xiàng)指標(biāo)的變化走勢幾乎完全一致,相關(guān)系數(shù)達(dá)0.99,前者比后者大0.1。可見全區(qū)年最大NDVI越大,全區(qū)年均NDVI就越大,也就是說當(dāng)年全區(qū)植被生長的最好狀況越好,植被生長的平均狀況就越好,于是在以下分析中只采用年最大NDVI來說明植被生長的狀況。如圖3,1998年~2003年全區(qū)年最大NDVI變化于0.30~0.43之間,1999年~2001年逐步減少至最低,爾后2002年和2003年又連續(xù)回升;其間1999年和2001年較上年分別有15.34%和17.07%的較顯著減少,2002年和2003年較上年分別有24.2%的顯著增加和13.83%和較顯著增加。期末2003年與期初1998年的年最大NDVI分別為0.42和0.43,基本持平。就林地、草地和耕地NDVI的年際變化而言,如圖3,1998年~2003年林地、草地和耕地的年最大NDVI的變化走勢與全區(qū)的大體一致,1999年~2001年連續(xù)減少至最低,然而2002年~2003年連續(xù)回升。耕地年最大NDVI比林地的和草地的分別平均高0.04和0.21,林地的比草地的平均高0.17。其間1999年林地和草地較上年分別有16.90%的較顯著減少和24.71%的顯著減少;2001年林地、草地和耕地較上年分別有19.13%、17.38%和18.21%的較顯著減少,2002年較上年又分別有41.96%、27.30%和20.45%的顯著增加,而且2003年耕地較上年仍有21.55%的顯著增加。期末2003年林地和耕地的年最大NDVI較期初1998年分別有3.76%和10.58%的增加,而草地卻有15.44%的較顯著減少。1998年~2003年間林地、草地和耕地年最大NDVI的變化范圍分別為0.33~0.52、0.22~0.34和0.39~0.57,可見這6年間林地、草地和耕地年最大NDVI變化幅度大小順序是:林地>耕地>草地。4.2ndvi變化的空間差異分如上所述,全區(qū)6年內(nèi)植被覆蓋變化的總體走勢是1999年~2001年連續(xù)退化至最差,而其后兩年連續(xù)改善,于是從NDVI變化的大小與變化的顯著性兩個(gè)方面,分別對(duì)1998年~2001年、2001年~2003年及1998年~2003年間植被覆蓋變化的空間差異進(jìn)行分析,這3組時(shí)段內(nèi)年最大NDVI變化情況的面積比例情況詳見表1。4.2.1研究區(qū)的地區(qū)分布就年最大NDVI變化的大小而言,如圖4(a)所示,全區(qū)除達(dá)茂旗中部、多倫縣東部和商都縣東南部的少許地區(qū)有所改善外,2001年96.65%的絕大部分地區(qū)的年最大NDVI較1998年都呈現(xiàn)退化的局面。嚴(yán)重退化的地區(qū)占研究區(qū)面積的37.3%,主要分布在四子王旗和達(dá)茂旗的東南部,固陽、武川、察哈爾右翼中旗和察哈爾右翼后旗的南部,商都和化德的北部,以及太仆寺旗的東北部;11.47%的地區(qū)呈現(xiàn)輕微退化,主要分布在達(dá)茂旗西北部、商都南部和多倫縣的中部,其他47.88%的地區(qū)都呈現(xiàn)中度退化。就年最大NDVI變化的顯著性而言,除達(dá)茂旗中部、多倫縣東部和商都縣東南部等極少數(shù)地區(qū)呈現(xiàn)較顯著和不顯著增加外,2001年其他96.66%的地區(qū)的年最大NDVI較1998年都呈現(xiàn)減少局勢,其中達(dá)茂旗的中部及西部一些地區(qū)、商都縣中南部、太仆寺的西北及東南部、多倫縣的西南部及東部一些地區(qū)呈較顯著和不顯著減少,其他73.18%的地區(qū)都呈顯著減少的局面。4.2.2大部地區(qū)的分布就年最大NDVI變化的大小而言,圖4(b)表明2003年的年最大NDVI較2001年呈現(xiàn)總體改善的局面,全區(qū)唯有達(dá)茂旗西北部、多倫縣東部零星地區(qū)呈現(xiàn)中度和輕微退化,其他86.71%的大部地區(qū)都有所改善,其中40.2%的地區(qū)呈現(xiàn)高度改善,主要分布在達(dá)茂旗的東南角、固陽和武川的大部,四子王旗和察哈爾右翼中旗的南部,察哈爾右翼后旗、商都和化德的北部及太仆寺旗的東半部。就年最大NDVI變化的顯著性而言,2003年的年最大NDVI較2001年全區(qū)呈現(xiàn)總體顯著增加、局部顯著減少的局面,其中6.57%的地區(qū)顯著減少,主要分布在達(dá)茂旗西北部,13.29%的地區(qū)有不顯著或較顯著增加,主要分布在多倫縣、商都縣東南部、四子王旗和達(dá)茂旗的中部若干地區(qū)、察哈爾右翼中旗和后旗的中部,其他73.03%的地區(qū)顯著增加。4.2.3ndvi的顯著性就年最大NDVI變化的大小而言,圖4(c)表明2003年的年最大NDVI較1998年總體變化不大,全區(qū)整體上西北部中度退化,其他地區(qū)退化與改善并存。中度和輕微退化的地區(qū)占研究區(qū)面積的51%,主要分布在四子王旗和達(dá)茂旗;42.17%的地區(qū)有輕微和中度改善,主要分布在固陽縣北部、武川縣東部、太仆寺旗大部和四子王旗中部少許地區(qū),其他地區(qū)多為改善和退化交錯(cuò)出現(xiàn)。就年最大NDVI變化的顯著性而言,2003年的年最大NDVI較1998年全區(qū)呈現(xiàn)西北部顯著減少、其他地區(qū)減少與增加并存的局勢。其中27.21%的地區(qū)顯著減少,主要分布在四子王旗和達(dá)茂旗;16.99%的地區(qū)顯著增加,主要分布在固陽縣西北部、武川縣與四子王旗交界周圍部分、太仆寺旗大部和四子王旗中部少許地區(qū),其他地區(qū)多為增加和減少交錯(cuò)分布。5原因分析5.1氣象條件的變化引起植被覆蓋變化的自然因子有氣象氣候、土壤、地質(zhì)地貌、大氣、水文等,但在1998年~2003年這六年間,只有氣象條件有較大的變化,因而只有這個(gè)自然因子才真正對(duì)植被覆蓋起到影響作用。就氣象因子而言,因?yàn)橐话阍诿磕?月份后土壤才完全解凍,植被才開始逐步生長,而年最大NDVI出現(xiàn)在每年7月~8月,因而5月~8月份的降水量和氣溫對(duì)植被生長狀況的好壞有很大影響。據(jù)內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局提供的研究區(qū)內(nèi)10旗縣1998年~2003年的氣象數(shù)據(jù),整體上是1998年~2001年逐步變得干熱,而2001年~2003年逐步變得冷濕。(1)2001年10旗縣5月~8月的氣象條件較1998年而言,除達(dá)茂、固陽、四子王和商都的6月降水量與多倫、太仆寺、化德和察哈爾右翼后旗的8月降水量有0.67%~192.05%的增加外,總體上2001年10旗縣5月~8月的各月均溫較1998年有4.76%~18.40%的上升,各月降水量較1998年有4.39%~90.47%的減少。可見總體上,2001年5月~8月氣象條件相對(duì)1998年較為干熱,不利于植被繁茂生長。(2)2003年10旗縣5月~8月的氣象條件較2001年而言,除化德縣的7月降水量與太仆寺旗的8月降水量分別有31.07%和42.88%的減少外,總體上2003年10旗縣5月~8月的各月均溫較2001年有0.38%~21.15%的下降,各月降水量較2001年有4.14%~12.48%的增加?？梢娍傮w上,2003年5月~8月氣象條件相對(duì)2001年較為冷濕,比較有利于植被繁茂生長。5.2人工因素(1)注重保護(hù)與重建良好生態(tài)環(huán)境的意識(shí),增強(qiáng)保護(hù)與重建良好生態(tài)環(huán)境的意識(shí),增強(qiáng)保護(hù)與重建良好生態(tài)環(huán)境的意識(shí),增強(qiáng)保護(hù)與重建良好生態(tài)環(huán)境的意識(shí),增強(qiáng)保護(hù)與重建良好生態(tài)環(huán)境的意識(shí),增強(qiáng)保護(hù)與重建良好生態(tài)環(huán)境的意識(shí),增強(qiáng)保護(hù)與重建良好生態(tài)環(huán)境的意識(shí),促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的意識(shí),促進(jìn)社會(huì)2000年內(nèi)蒙古全面啟動(dòng)退耕還林還草工程,將植被保護(hù)與重建提上日程,從政府職員到普通老百姓,保護(hù)與重建良好生態(tài)環(huán)境的意識(shí)逐步增強(qiáng)。退耕還林還草、圍欄禁牧、舍飼圈養(yǎng)牲畜、禁止濫墾濫伐、推廣防風(fēng)蝕及增產(chǎn)耕種技術(shù)等各種政策與措施的實(shí)施,從2002年來已初見成效。(2)時(shí)狀的變化種植業(yè)結(jié)構(gòu)變化造成各種農(nóng)作物的種植面積發(fā)生變化,而不同農(nóng)作物的植被覆蓋狀況有較大差異,如油菜較小麥植被覆蓋狀況好得多,因而勢必造成植被覆蓋狀況的變化。據(jù)2001年~2003年內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)村牧區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒資料,近年來各旗縣種植業(yè)結(jié)構(gòu)都有所調(diào)整,如武川縣主要農(nóng)作物之一的小麥種植面積從2000年的1.95×104hm2逐漸減少到2002年的1.23×104hm2,而油菜的種植面積從2001年的1.21×104hm2逐漸增加到2003年的1.49×104hm2,而且據(jù)實(shí)地野外調(diào)查和農(nóng)戶調(diào)查,2004年較上年小麥種植面積減少而油菜種植面積增加的現(xiàn)象仍然明顯。6影像照片的照片照片特征2002年和2003年的7月~8月,我們在武川縣、達(dá)茂旗、四子王旗進(jìn)行了植被覆蓋度的實(shí)測工作。首先選定了一些較為均質(zhì)的林地樣地(共20塊)、草地樣地(共40塊)和耕地樣地(共40塊),樣地范圍為1km×1km,即一個(gè)像元大小。接著采用的測量方法是垂直照相法(數(shù)碼相機(jī)),即在距地面2m高處將鏡頭垂直于地面拍攝,在每塊樣地中隨機(jī)地拍攝4張相片,然后截取數(shù)字圖像長、寬各2/3的中心地帶,以消除相片邊緣部分變形較大的影響,繼而在遙感圖像處理軟件ERDAS8.4中對(duì)相片進(jìn)行監(jiān)督分類,將其分為植被和非植被兩類,再統(tǒng)計(jì)有植被部分的面積,除以截取后的相片面積,即得這幅相片的植被覆蓋度,最后對(duì)在同一塊樣地中隨機(jī)攝取的4張圖片的植被覆蓋度進(jìn)行平均,將平均值記為對(duì)應(yīng)樣地(像元)的植被覆蓋度。將這些實(shí)測的林地、草地和耕地植被覆蓋度數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)像元對(duì)應(yīng)旬?dāng)?shù)的NDVI數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)聯(lián)系,結(jié)果表明林地、草地與耕地的實(shí)測植被覆蓋度與對(duì)應(yīng)像元對(duì)應(yīng)旬?dāng)?shù)NDVI的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了0.88、0.90和0.85,均達(dá)到高度相關(guān)。由此說明NDVI的變化能很好地表征實(shí)際植被覆蓋度的變化,本文分析的NDVI動(dòng)態(tài)變化具有明顯的現(xiàn)實(shí)意義。7后記和討論7.1對(duì)于陰山東北部植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化的實(shí)際意義,在當(dāng)事人本研究忽略了1998年~2003年間土地利用變化引起的林地、草地和耕地覆蓋地域的變化,但認(rèn)為這種變化帶來的誤差對(duì)研究結(jié)論的影響不大,出于以下考慮:①2000年介于1998年與2003年之間,是研究時(shí)段的一個(gè)