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)嚴重缺水和水土流失嚴重的地區(qū)修建大規(guī)模的森林保護項目，即北方森林保護。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關系,進而獲得植被覆蓋度,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,及時準確地掌握其動態(tài)變化,分析其發(fā)展趨勢對維護區(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行監(jiān)測研究方面,國內外已有大量的科學研究: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。當植被覆蓋度較低時,NDVI對覆蓋度增減反應靈敏,當覆蓋度較大時,NDVI趨于飽和。以河北省“風口”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,提取張家口市在經過三北防護林前三期綠化建設和京津周圍綠化工程建設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關系等到不同時期植被覆蓋等級圖,定量分析三北防護林在張家口市的建設進展情況。1土地利用現(xiàn)狀結構河北省張家口市,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)狀結構是: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年三北防護林一期工程開始,該市便是河北省的重點造林地區(qū),在國家林業(yè)局對生態(tài)工程進行整合后,又被列入環(huán)北京風沙源工程區(qū)之內。2學習方法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遙感圖像預處理遙感圖像數(shù)據(jù)預處理主要包括:幾何糾正、投影轉換、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構的陰影和輻射干擾、削弱太陽高度角和大氣帶來的噪音等方面的優(yōu)點,故被廣泛應用于植被覆蓋度的動態(tài)監(jiān)測。NDVI(NormalizedDiffereneeVegetationIndex)———歸一化植被指數(shù)的計算公式為: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植被覆蓋率的計算在NDVI基礎上進一步計算研究區(qū)的植被覆蓋度,需要將NDVI轉化為植被覆蓋度,本文采用像元二分模型法計算植被覆蓋度。2.4.1植被覆蓋度計算假設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,就可以表達為由綠色植被成分所貢獻的信息Sv,與由土壤成分所貢獻的信息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的信息Sv可以表示為Sveg與fc的乘積:同理,設全由土壤所覆蓋的純像元,所得的遙感信息為Ssoil。混合像元的土壤成分所貢獻的信息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)進行變換,可得以下計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。像元二分模型實際上是基于Ssoil與Sveg這兩個調節(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計算植被覆蓋度的公式:2.5ndvi權分布在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的值,所以采用近似值代替的方法,確定置信度為1%,分別計算兩幅影像NDVI概率分布在置信區(qū)間內的最大值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)計結果見表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,說明在經過三北防護林三期工程、京津周圍綠化工程和北京風沙源工程后,植被得到了很好地管理和保護;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,這說明在三北防護林三期工程建設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沙源工程效果顯著。4應用ndvi方法的可行性1)本研究基于NDVI,運用像元二分模型方法,得到了張家口市在經過三北防護林前三期建設和京津周圍綠化工程后的植被覆蓋度變化情況。該方法技術路線簡單,可操作性強,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)調查數(shù)據(jù)基本相符,誤差在9%以內,說明利用NDVI監(jiān)測植被覆