基于NDVI數(shù)據(jù)的蘭州市和銀川市植被覆蓋情況對(duì)比分析

1、基于ndvi數(shù)據(jù)的蘭州市和銀川市植被覆蓋情況對(duì)比分析曹勝鶴（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 蘭州 730070）摘 要：植被覆蓋度是反應(yīng)地區(qū)生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)，利用2007年蘭州市和銀川市l(wèi)andsat-7衛(wèi)星etm+影像數(shù)據(jù)，得出歸一化植被指數(shù)(ndvi)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上分別計(jì)算出2007年蘭州市和銀川市植被覆蓋度并得出植被覆蓋度分級(jí)圖，以此分析出兩個(gè)地區(qū)植被覆蓋分布情況。兩個(gè)地區(qū)的植被覆蓋相對(duì)較低，具體表現(xiàn)在：蘭州市低植被覆蓋地區(qū)的面積占20，中等植被覆蓋地區(qū)的面積占71，中高植被覆蓋地區(qū)的面積占5.8，高植被覆蓋地區(qū)的面積占3.1；銀川市低植被覆蓋地區(qū)的面積占21，中等植被覆蓋地區(qū)的面積占5

2、3，中高植被覆蓋地區(qū)的面積占19，高植被覆蓋地區(qū)的面積占6.2。關(guān)鍵詞：ndvi 植被覆蓋度 蘭州市 銀川市 像元二分模型1.引言植被是覆蓋地表的森林、灌叢、草地與農(nóng)作物等群落的總稱，具有截流降雨、減緩徑流、防沙治沙、保水固土等功能。同時(shí)，也是反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境優(yōu)劣的重要監(jiān)測(cè)指標(biāo)之一。植被覆蓋是全球、區(qū)域變化眾多監(jiān)測(cè)模型中所需的重要參數(shù)，是描述生態(tài)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用；較大尺度的植被覆蓋變化體現(xiàn)了自然和人類活動(dòng)對(duì)自然生態(tài)環(huán)境的作用。因此，獲取地表植被覆蓋及其變化信息，對(duì)揭示地表空間變化規(guī)律、探討變化的驅(qū)動(dòng)因子和驅(qū)動(dòng)力、分析評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。隨著遙感技

3、術(shù)的發(fā)展，植被覆蓋度測(cè)量由原來(lái)傳統(tǒng)的地面測(cè)量，改進(jìn)為現(xiàn)在的遙感數(shù)據(jù)估算，尤其是為大范圍地區(qū)的植被覆蓋度監(jiān)測(cè)提供可能。且隨著觀測(cè)儀器的改進(jìn)，出現(xiàn)了一些基于影像反射物理模型的新方法，主要包括回歸模型法、植被指數(shù)法與像元分解模型法。其中,回歸模型法依賴于對(duì)特定區(qū)域的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),雖在小范圍內(nèi)具有一定的精度,但在推廣應(yīng)用方面卻受到諸多限制。而植被指數(shù)法則不依賴于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，其中歸一化植被指數(shù)（ndvi）被定義為近紅外波段（nir）與可見(jiàn)光紅波段（r）數(shù)值之差和這兩個(gè)波段數(shù)值之和的比值，即ndvi=（nir-r）/（nir+r），它在運(yùn)用遙感圖像進(jìn)行植被及植物物候研究方面得到廣泛應(yīng)用，是植物生長(zhǎng)狀態(tài)及空間分布

4、密度的最佳指示因子。因此本次研究主要通過(guò)對(duì)2007年蘭州市l(wèi)andsat-7衛(wèi)星etm+影像數(shù)據(jù)的ndvi提取，得出該地區(qū)植被覆蓋分布情況，分析植被覆蓋與該區(qū)域的地理位置、氣候、降水、土地利用以及人類活動(dòng)等因素的關(guān)系，對(duì)區(qū)域綠化工程和植被的恢復(fù)與重建具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。2.研究區(qū)域概況2.1蘭州市區(qū)域概況蘭州市是甘肅省省會(huì)，處在北緯3602，東經(jīng) 10344，距西北其他四省（自治區(qū)）的省會(huì)平均距離最近。市區(qū)南北群山環(huán)抱，東西黃河穿流而過(guò)，枕山帶河，依山傍水，平均海拔1500米，具有帶狀盆地城市的特征。地處黃河上游，屬中溫帶大陸性氣候，特點(diǎn)是降水少，日照多，光能潛力大，氣候干燥，晝夜溫差大，年日

5、照時(shí)數(shù)為2600小時(shí)，無(wú)霜期為180天，年平均降水量在250-350毫米，并集中分布在6-9月，年平均氣溫9.1。該地區(qū)的植被類型主要是典型草原向荒漠草原過(guò)度類型。全市現(xiàn)轄城關(guān)、七里河、西固、安寧、紅古5個(gè)區(qū)和永登、榆中、皋蘭3個(gè)縣。蘭州市域地貌格分石質(zhì)山地、黃土梁峁丘陵和河谷川盆臺(tái)地三大類型，分別占全市土地總面積的19、66和15。石質(zhì)山地分布在市域西部和南部海拔2000-3600米的高峻地區(qū)，天然植被發(fā)育良好，為市域內(nèi)的兩大“濕島”；黃土梁峁丘陵主要包括南部黃土長(zhǎng)梁及大面積的黃土梁峁溝壑區(qū)，植被稀疏，地表破碎，水土流失較嚴(yán)重；河谷川臺(tái)盆地主要沿黃河、湟水、大通河、莊浪河及宛川河谷地展開(kāi)分布

6、，是蘭州市相對(duì)發(fā)達(dá)的“黃金地帶”。 2.2銀川市區(qū)域概況銀川市是寧夏回族自治區(qū)的首府，處在在東經(jīng)10616，北緯3820，總面積9 555.38平方公里。位于黃河上游寧夏平原中部，東與鹽池縣接壤；西依賀蘭山，與內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟為鄰；南與同心縣、吳忠市利通區(qū)、青銅峽市相連；北接平羅縣與內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂托克旗相鄰。銀川市下轄興慶區(qū)、金鳳區(qū)、西夏區(qū)3個(gè)區(qū)，靈武市和永寧縣、賀蘭縣。銀川市地貌自西向東依次劃分為賀蘭山地、山前洪積傾斜平原、洪積沖積平原(俗稱老階地)及黃河沖積平原四大部分。賀蘭山山地分布著大面積的大然次生林，是國(guó)家級(jí)的自然保護(hù)區(qū)；山前洪積傾斜平原分布著植被比較稀疏的大然草場(chǎng)，是寧夏灘羊產(chǎn)

7、區(qū)；洪積沖積平原分布著農(nóng)墾系統(tǒng)和區(qū)市機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位的國(guó)營(yíng)農(nóng)、林、牧場(chǎng)；黃河沖積平原是老灌區(qū)，是國(guó)家級(jí)的商品糧基地。3.研究方法利用遙感圖像專業(yè)處理軟件erdas imagine 8.5對(duì)蘭州市和銀川市的原始etm圖像進(jìn)行了預(yù)處理，并生成了ndvi圖像和植被覆蓋度圖像；利用輔助軟件arcmap對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分級(jí)顯示和統(tǒng)計(jì)分析。主要有以下步驟：一是對(duì)蘭州市和銀川市各景遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并進(jìn)行多波段組合；二是根據(jù)研究區(qū)域的界限進(jìn)行遙感影像裁剪，生成結(jié)果見(jiàn)圖1：(a)為蘭州市etm圖，(b)為銀川市etm圖像；三是植被指數(shù)的提??；四是植被覆蓋度的估算。該技術(shù)流程見(jiàn)圖2。(a)(b)圖1 蘭州市與

8、銀川市etm圖etm原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)處理成果銀川市etm數(shù)據(jù)銀川市ndvi數(shù)據(jù)銀川市植被覆蓋度蘭州市etm數(shù)據(jù)蘭州市ndvi數(shù)據(jù)蘭州市植被覆蓋度圖圖植被覆蓋對(duì)比分析 圖2 技術(shù)路線圖3.1植被覆蓋度遙感估算模型論文使用像元二分模型，利用ndvi估算植被覆蓋度。像元二分模型，假設(shè)像元只由兩部分構(gòu)成：植被覆蓋地表與無(wú)植被覆蓋地表，所得的光譜信息也只由這兩個(gè)部分因子線性合成，它們各自的面積在像元中所占的比率即為各因子的權(quán)重，其中植被覆蓋地表占像元的百分比即為該像元的植被覆蓋度，因而可以使用此模型來(lái)估算植被覆蓋度4。用公式表達(dá)為： (1)其中，為通過(guò)傳感器所觀測(cè)到的信息；為由綠色植被成分所貢獻(xiàn)的信息；為

9、無(wú)植被地表成分所貢獻(xiàn)的信息。對(duì)于一個(gè)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，而土壤裸露的面積比例為。設(shè)全由植被所覆蓋的純像元所得的遙感信息為，混合像元的植被成分所貢獻(xiàn)的信息可以表示為： (2)同理,設(shè)全由土壤裸露的純像元所得的遙感信息為?；旌舷裨耐寥莱煞炙暙I(xiàn)的信息可以表示為： (3)將式(2)與式(3)帶入公式(1)，可得： (4)對(duì)(4)式進(jìn)行變換，可得以下計(jì)算植被覆蓋度的公式： (5)其中和都是參數(shù)，因而可以根據(jù)公式(5)利用遙感信息來(lái)估算植被覆蓋度。3.2植被指數(shù)（ndvi）估算植被覆蓋度 歸一化植被指數(shù)ndvi，定義為近紅外波段nir與可

10、見(jiàn)光紅波段r數(shù)值之差和這兩個(gè)波段數(shù)值之和的比值，即公式： (6)根據(jù)像元二分模型，一個(gè)像元的值可以表達(dá)為由綠色植被部分所貢獻(xiàn)的信息與由無(wú)植被覆蓋(裸土)部分所貢獻(xiàn)的信息這兩部分組成，將歸一化植被指數(shù)(ndvi)代入公式(2)可得： (7)其中，為無(wú)植被像元的值;而為純植被像元的值5。3.3植被覆蓋度分級(jí)根據(jù)水利部1996年頒布的土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（sl190-96），將不同的水土流失等級(jí)對(duì)應(yīng)于不同等級(jí)的植被覆蓋度，同時(shí)結(jié)合蘭州市和銀川市具體情況，將植被覆蓋度大小分為五級(jí)：無(wú)植被覆蓋（f=0）、低植被覆蓋(0f15)、中等植被覆蓋( 15f40)、中高植被覆蓋(4070)，根據(jù)上述分級(jí)方法，將

11、植被覆蓋度計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為植被覆蓋分級(jí)圖，見(jiàn)圖3。(a)(b)圖3 蘭州市與銀川市植被覆蓋分級(jí)圖4.結(jié)果分析4.1蘭州市植被分布的總體情況由圖3可以看出蘭州市主要是以低植被覆蓋和中等植被覆蓋為主。植被覆蓋度高的地區(qū)主要集中于山區(qū)，如榆中縣、永登縣，越接近城區(qū)，植被越稀疏，植被覆蓋度低。也就是說(shuō)蘭州的植被覆蓋由南部和西部山區(qū)向北、向東逐步遞減，出現(xiàn)這種情況的原因有很多，但主要有以下幾條：首先，蘭州市大部屬黃土高原丘陵區(qū)，呈半干旱荒漠草原狀態(tài)。受青藏高原山脈東延的影響，市域西部和南部山地具有高寒陰濕的地理環(huán)境特征；北部地區(qū)受蒙新高原干旱的制約，呈半干旱干旱荒漠化植被景觀。其次，蘭州市域地勢(shì)相對(duì)高亢，

12、大陸性較強(qiáng)，受東亞季風(fēng)影響，具有較顯著的山地或高原氣候特征，降水量少，變率大，降水由南部和西部山地向北、向東逐漸遞減。再次，土地利用方向與結(jié)構(gòu)直接影響到地表植被覆蓋，全市農(nóng)用地面積109.108萬(wàn)公頃，占市域總面積的83.19，其中農(nóng)用地包括耕地、園地、牧草地、水面以及林地，蘭州市的天然林地集中分布于西部和南部濕潤(rùn)山區(qū)，具有水源涵養(yǎng)、自然保護(hù)和旅游娛樂(lè)等多種功能。蘭州市建設(shè)用地面積6.0709萬(wàn)公頃，占市域總面積的4.63，其中包括居民地及工礦用地、交通用地和水利設(shè)施用地。蘭州市未利用地面積15.9865萬(wàn)公頃，占全市區(qū)域總面積的12.19。最后，隨著人口數(shù)量的快速增長(zhǎng)，尤其是城鎮(zhèn)人口增長(zhǎng)最為

13、迅速，城市占地面積擴(kuò)大，生產(chǎn)生活需求量加大，對(duì)生態(tài)環(huán)境不可避免要產(chǎn)生負(fù)面影響。人口數(shù)量越多、密度越大的地區(qū)，植被覆蓋越差；相反，人口密度小的地區(qū)，植被覆蓋就越好，如人口密度大的城區(qū)，植被覆蓋度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人口很少的周邊山區(qū)。由此可見(jiàn)，蘭州市植被覆蓋分布與蘭州市所處的地理位置、氣候、降水、土地利用以及人類活動(dòng)等因素有著很密切的關(guān)系。4.2銀川市植被分布的總體情況同樣由圖3(b)可以得出銀川市是以中等植被覆蓋為主，其次是中低等植被覆蓋和中高等植被覆蓋，比重相當(dāng)。植被覆蓋度高的地區(qū)主要集中于山區(qū)，越接近城區(qū)植被覆蓋度越低，即銀川地區(qū)的植被覆蓋由東部的山區(qū)向西部遞減。出現(xiàn)這種情況的原因有很多，但主要的條件

14、有：首先，銀川市區(qū)地形分為山地和平原兩大部分。西部、南部較高，北部、東部較低，略呈西南-東北方向傾斜，地貌類型多樣，西山東川，西高東低，黃河順境、三級(jí)階地是銀川市地貌格局的基本特征，東北和西南都有沙漠盤踞。其次，土地利用方面來(lái)說(shuō)，全市土地總面積354981.2公項(xiàng)，其中耕地100483.7公頃，占全市土地總面積的28.31%；園地5269.6公頃，占1.48%；林地25289.0公頃，占7.12%；牧草地89635.2公頃，占25.25%；居民點(diǎn)及工礦用地22685.7公頃，占6.39%；交通用地5022.7公頃，占1.41%；水域36161.5公頃，占10.19%；未利用地70431.8公頃

15、，占19.84%。最后，隨著人口數(shù)量的快速增長(zhǎng)，尤其是城鎮(zhèn)人口增長(zhǎng)最為迅速，城市占地面積擴(kuò)大，生產(chǎn)生活需求量加大，對(duì)生態(tài)環(huán)境不可避免的要產(chǎn)生負(fù)面影響。人口數(shù)量越多、密度越大的地區(qū)，植被覆蓋越差，相反，人口密度小的地區(qū)，植被覆蓋就越好，如人口密度大的城區(qū)，植被覆蓋度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人口很少的周邊山區(qū)。由此可見(jiàn)，銀川市植被覆蓋分布與其所處的地理位置、氣候、地形、地貌、降水、土地利用以及人類活動(dòng)等因素亦有著很密切的關(guān)系。4.3兩市植被覆蓋分布對(duì)比分析論文主要是對(duì)蘭州市和銀川市的植被覆蓋進(jìn)行了對(duì)比分析，并統(tǒng)計(jì)了兩個(gè)地區(qū)各級(jí)植被覆蓋度所占的百分比，見(jiàn)表1。 表1蘭州市、銀川市植被覆蓋度面積百分比統(tǒng)計(jì)結(jié)果 植被覆

16、蓋度城市無(wú)植被覆蓋低植被覆蓋中等植被覆蓋中高植被覆蓋高植被覆蓋蘭州市植被覆蓋率0.120715.83.1銀川市植被覆蓋率0.82153196.2蘭州市和銀川市植被覆蓋分布相同的情況主要是：都以中等植被覆蓋為主，并且高植被覆蓋區(qū)同樣分布在山區(qū)，離城區(qū)越近，植被越稀疏，它們都與地區(qū)所處地理位置、氣候、降水量和土地利用等因素密切相關(guān)。根據(jù)表1可以得出，蘭州市和銀川市的植被覆蓋分布情況有很多不同之處：（1）各植被覆蓋的區(qū)域面積所占百分比不同，蘭州市無(wú)植被覆蓋面積百分比為0.1，低植被覆蓋面積百分比為20，中等植被覆蓋面積百分比為71，中高植被覆蓋面積百分比為5.8，高植被覆蓋面積百分比為3.1。銀川市

17、無(wú)植被覆蓋面積百分比為0.8，低植被覆蓋面積百分比為21，中等植被覆蓋面積百分比為53，中高植被覆蓋面積百分比為19，高植被覆蓋面積百分比為6.2。（2）蘭州市城區(qū)的植被覆蓋度偏低，銀川城區(qū)的植被覆蓋度較低，但總體上說(shuō)銀川市城區(qū)的植被覆蓋率高于蘭州市城區(qū)的植被覆蓋率。（3）蘭州市的高植被覆蓋區(qū)主要集中在西部和南部，而銀川市高植被覆蓋的地區(qū)分布相對(duì)零散。因?yàn)樘m州市降水由南部和西部山地向北、向東逐漸遞減，銀川地表水充足，水質(zhì)良好，富含泥沙，境內(nèi)溝渠成網(wǎng)，湖泊濕地眾多。5結(jié)論通過(guò)對(duì)蘭州市和銀川市的植被覆蓋度進(jìn)行估算和分析得出，蘭州市植被覆蓋總體上偏低，表現(xiàn)為低植被覆蓋和中等植被覆蓋的地區(qū)所占比重相對(duì)

18、較高，高植被覆蓋的地區(qū)所占比重偏小。銀川市植被覆蓋總體上也是相對(duì)偏低的，主要表現(xiàn)為高植被覆蓋的地區(qū)所占比重很低。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市化建設(shè)的加快以及土地利用的不合理，加上人口的增加、建筑用地的不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致植被呈現(xiàn)退化趨勢(shì)。因此，建議加大生態(tài)保護(hù)與治理，特別要堅(jiān)決停止天然林砍伐和天然草地開(kāi)墾，并進(jìn)行退耕還林還草，加大土地的合理利用，適量控制人口，保持該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的良好發(fā)展，為兩個(gè)地區(qū)的人民營(yíng)造更好的生存環(huán)境。參考文獻(xiàn)1秦偉,，朱清科.植被覆蓋度及其測(cè)算方法研究進(jìn)展j.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,34(9):163-166.2夏照華,張克斌,李瑞,等.基于ndvi的農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)

19、植被覆蓋度變化研究:以寧夏鹽池縣為例j.水土保持研究,2006,13(6):179-181.3孫紅雨,王長(zhǎng)耀,牛錚,等.中國(guó)地表植被覆蓋變化及其與氣候因子關(guān)系基于noaa時(shí)間序列數(shù)據(jù)分析j.遙感學(xué)報(bào),1998,2(3):205-210.4高飛,刑文淵.和靜草地覆蓋變化遙感監(jiān)測(cè)及分析j.草業(yè)科學(xué),2007,24(4):27-30.5劉先華,陳佐忠,秋山侃,莫文紅,富久尾步.定居放牧方式下歸一化植被指數(shù)(ndvi)的空間變化特征j.植被生態(tài)學(xué)報(bào).2000,24(6):662-666.6孫睿,劉昌明,朱啟疆.黃河流域植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化與降水的關(guān)系j.地理學(xué)報(bào),2001,56(6):667-672.7

20、趙靜,姜琦剛,李衛(wèi)東,等基于ndvi變化的三江源生態(tài)環(huán)境演變分區(qū)研究j世界地質(zhì),2008,27(4):427-431.8趙英時(shí).遙感應(yīng)用分析原理與方法m.北京:科學(xué)出版社,2003.387-398.9黨安榮,王曉棟,陳曉峰,等.erdas imagine遙感圖像處理方法m.北京:清華大學(xué)出版社,2003:110-113.10 cheng q,huang j f,wang r c. preliminary analysis of difference between modis and noaa/avhrr vegetation indices .bulletin of science andt

21、echnology, 2005, 21 (2) :205-209 .11 dana f. morawitz,tina m. blewett,alex cohen,marina alberti. using ndvi to assess vegetative land cover change in central puget soundj. environmental monitoring and assessment, 2006(114):1-3.12 budde m e, tappan g, rowland j, et al. assessing land cover performanc

22、e in senegal, west africa using 1-km integrated ndvi and local variance analysis .journal of arid environments, 2004,(59) :481-498. analysis on vegetation distribution in lanzhou city based on ndvi datacao shenghe (college of resources and environmental sciences,gansu agricultural university, lanzhou ,730070)abstract: the vegetation coverage is an important indicator