北方农牧交错带植被覆盖变化遥感监测研究——以河北省沽源县为例
李攀1,2,3, 胡德勇1,2,3, 赵文吉1,2,3
1.首都师范大学资源环境与旅游学院,北京 100048
2.三维信息获取与地学应用教育部重点实验室,北京 100048
3.资源环境与地理信息系统北京市重点实验室,北京 100048

第一作者简介: 李攀(1986- ),男,在读硕士,研究方向为遥感与地理信息系统应用。

摘要

基于河北省沽源县1998年、2003年和2008年同期TM遥感影像,利用像元二分模型和专家分类器,结合研究区土地利用图和野外考察资料,对该县近10 a来植被覆盖度动态变化时空特征进行分析, 并参考统计数据,分析其生态治理情况。结果表明: 在3个时间监测点内该县大部分地区处于中度覆盖和较高覆盖水平,植被覆盖度总体得到提高; 1998年9月~2003年9月间植被覆盖处于稳定状态,2003年10月~2008年9月间植被覆盖度提高; 轻微提高地区主要分布在高原农牧区,稳定区主要为南部低山林区; 治理工程效果显著。

关键词: 遥感; 植被覆盖度; 动态变化; 时空
中图分类号:X171.4 文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2010)02-0113-05
The Monitoring of Changes of Land Vegetation Covers by Remote Sensing in Farming-pastoral Mixed Zones of North China: A Case Study in Guyuan County, Hebei Province
LI Pan1,2,3, HU De-yong1,2,3, ZHAO Wen-ji1,2,3
1. College of Resource Environment and Tourism, Capital Normal University, Beijing 100048,China
2.Key Laboratory of 3D Information Acquisition and application of Ministry, Beijing 100048, China
3.Resources,Environment and GIS Key Laboratory of Beijing, Beijing 100048, China
Abstract

Based on the TM remote sensing images obtained in Guyuan County of Hebei Province in 1998, 2003 and 2008 and the land-use map as well as field data of the study area , the authors analyzed the spatial and temporal patterns for dynamics changes of the vegetation cover in Guoyuan County in the past ten years by using the dimidiate pixel model and expert classifier and consulting the statistical data with the purpose of understanding the situation of ecological control The results show that most areas were in the moderate and relatively high cover in the three monitoring periods, with the vegetation cover being improved in general. The condition of vegetation cover was stable between 1998 and 2003, and was improved between 2003 and 2008. The areas with slightly increased vegetation cover was mainly distributed in the plateau farming-pasture area, and the stable areas were mainly distributed in the southern low mountain areas. The effect of the regulation project is remarkable.

Keyword: Remote sensing; Vegetation cover; Dynamic change; Spatial and temporal
0 引言

中国北方农牧交错带是我国北方干旱、半干旱地区向湿润地区过渡的交汇地带, 也是将我国农业区与草原牧区分割开来的半农半牧、时农时牧交替变化区域[1]。河北省沽源县地处北方农牧交错带中段, 南部邻近京津地区。该区属温带大陆性草原气候, 植被状况容易发生变化, 其生态环境状况对京津地区环境具有重要的影响。本文利用遥感影像提取沽源县1998年9月~2008年9月期间植被覆盖变化情况, 并进行分析, 为该区环境治理提供服务。

植被是地球表面环境的重要组成因子, 是反映区域生态环境的标志之一, 对全球变化具有指示作用[2]。植被覆盖度指单位面积内植被(包括叶、茎、枝)在地面垂直投影的百分比[3]。通过对一定时期内植被覆盖度动态变化分析, 可以获取当地生态环境变化信息, 为区域生态环境恢复和可持续发展提供参考。近几十年来, 许多学者利用遥感数据对植被动态变化信息进行研究分析。信忠保等[4]利用GIMSS/NDVI数据对黄土高原地区近20 a间植被覆盖时空变化与气候间的关系进行研究, 认为降水是影响黄土高原植被覆盖变化的重要因素; 刘蕾等[5]利用一定时期内的NDVI时间序列, 研究分析天山南坡中段不同植被类型的时间变化特征, 了解该区域植被类型年际变化趋势; 杨胜天等[6]对黄河流域1982~1999年间的NDVI进行研究分析, 评估黄河流域植被覆盖状况, 对我国干旱半干旱地区植被变化研究具有重要意义; 陈云浩等[7]对中国北方草地和农牧交错带植被的NDVI-TS空间变化特征进行分析, 更为全面地对植被变化特征进行研究。还有众多学者通过研究土地利用/覆盖变化情况, 对农牧交错带生态环境进行评价认为, 影响农牧交错带土地利用的驱动力因素包括自然因素和人为因素, 主要为人为因素[8, 9, 10, 11], 将遥感影像与土地利用/覆盖动态变化信息相结合能够更全面地分析农牧交错带植被覆盖变化情况。

本文利用1998年、2003年和2008年河北省沽源县同期TM遥感影像, 计算得到相应的植被覆盖度, 建立1998年9月~2003年9月和2003年10月~2008年9月植被覆盖度时间变化序列, 同时结合该县土地利用/覆盖变化信息、地形图和野外考察等数据资料, 分析该县植被覆盖变化情况, 对该县近10 a的植被覆盖变化情况进行研究。

1 研究区概况

研究区为位于河北省农牧交错带中部的沽源县, 地理位置东经114° 50'19″~ 116° 04'34″, 北纬41° 13'55″~41° 56'54″, 全县总面积约3 654 km2(图1)。 总的地势南高北低、东高西低, 地貌类型主要为坝上波状高原、疏缓丘陵和坝缘山地。平均海拔1 536 m, 气候寒冷, 南冷北温, 年均气温-0.3℃~3.7℃ , 降水由东南向西北减少, 年均降水量267~450 mm, 河流总长365 km。 截至2007年末, 全县总人口约22万人, 耕地面积81 291 hm2, 林地面积101 678 hm2, 二者共占全县面积的50.07%。

图1 沽源县位置Fig.1 The location of Guyuan

2 数据源和研究方法
2.1 数据源

主要数据资料有: 1998年9月15日、2003年9月13日和2008年9月10日的TM影像, 沽源县行政边界矢量图、土地利用图和DEM数据, 野外点位数据由环北京项目组2008年10月在研究区实测获得, 其他参考数据为沽源县1998~2008年年鉴。

2.2 研究方法

本文研究过程如图2所示。

图2 植被覆盖度变化遥感监测技术路线Fig.2 Technology flow chart of remote sensing monitoring of vegetation cover changes

首先, 对3期影像进行几何纠正和大气校正, 完成影像配准, 并依据沽源县行政边界矢量图对3期影像进行裁切。

归一化植被指数是监测植被覆盖变化最经典的植被指数[12]。本文利用归一化植被指数结合像元二分模型[13]计算植被覆盖度(fc), 即

fc=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)(1)

式中, NDVIsoil为纯土壤像元的NDVI值; NDVIveg为纯植被像元的NDVI值。统计每一期数据中像元NDVI分布情况, 设置置信度为1%, 得到累计像元个数分布概率在1%~99%之间的最小NDVI和最大NDVI, 分别做为NDVIsoilNDVIveg[14]

然后, 结合当地植被情况按照不同覆盖度区间将植被覆盖度分为5级: 低覆盖0~20%、较低覆盖20%~40%、中度覆盖40%~60%、较高覆盖60%~80%和高覆盖80%~100%。建立影像相减模型, 分别得到两个时期的植被覆盖度差值数据, 并利用专家分类器, 建立植被覆盖变化专家知识库(图3)。图中fcci为植被覆盖度变化区间, fcc为植被覆盖度变化程度, 正值表示植被覆盖度增加, 负值表示减少。

图3 植被覆盖变化专家知识库Fig.3 Expert knowledge of vegetation cover changes

按照图3中变化阈值进行分级, 获得植被覆盖度动态变化图(图4)。

图4 沽源县植被覆盖度变化
(左: 1998年9月~2003年9月; 右: 2003年10月~2008年9月)
Fig.4 Map of changes of Guyuan vegetation cover

3 研究区植被覆盖动态变化遥感分析
3.1 时序分析

通过表1可以看出: 在3个监测时间点, 沽源县90%以上土地面积为中度覆盖和较高覆盖, 中度覆盖比例呈显著下降, 较高覆盖和高覆盖比例增加, 低覆盖面积略有减少, 较低覆盖面积略有增加。1998年9月~2003年9月、2003年10月~2008年9月植被覆盖度变化情况如表2所示。

表1 沽源县植被覆盖度分级情况 Tab.1 Vegetation cover classification of Guyuan
表2 沽源县植被覆盖度变化情况 Tab.2 Vegetation cover classification changes of Guyuan

表2可知: 1998年9月~2003年9月间, 研究区内大部分地区植被覆盖度处于稳定状态, 这与2000年之后实施了退耕还林还草和风沙治理工程存在一定关系, 治理工程使得植被覆盖有所改善, 维持了该期间研究区大部分地区植被覆盖度的稳定。但局部地区植被退化比较严重, 植被覆盖度总体上得到高度提高的面积比较少, 这在一定程度上反映了2000年实施治理工程前后植被覆盖度的对比变化。2003年10月~2008年9月间, 覆盖度轻微提高植被变化类型所占的比例最大, 依次为覆盖度稳定和中度提高类型, 反映出这段时间全县大部分地区植被覆盖逐渐变好, 治理工程取得了一定的成果; 另外, 在此期间仍有局部地区植被退化较为严重, 这可能与当地人为活动有密切关系。总体上来看, 沽源县植被覆盖度在1998年9月~2003年9月间处于稳定, 2003年10月~2008年9月间得到提高。

3.2 空间格局分析

根据研究区3期影像的植被覆盖度分级解译结果, 参考沽源县地形图、DEM数据和沽源县土地利用类型分区图[8], 该县植被覆盖度较高地区主要分布在南部中低山牧林土地利用区和中北部波状高原牧农林区的部分地区, 中度覆盖区主要分布在中北部波状高原牧农林区和西部高原农牧林交错区。根据两期植被覆盖度变化图, 前期中部高原牧农区、东部低山牧农林区和南部低山牧林区植被覆盖度处于稳定状态, 覆盖度轻微提高地区主要分布在西南高原农牧林区和北部高原牧区的局部地区, 北部为沽源县牧场所在地, 该地区草地保护相对较好。植被覆盖度下降地区主要分布在该县西北部牧农林区, 该区是北部波状高原和西部高原的交接地带, 植被受地形影响较大; 植被覆盖得到高度提高的地区主要为中北部河流湖泊附近, 这与不同年份的降水量有密切关系[15]。后期该县有一半面积的植被覆盖度得到轻微提高, 主要分布在北部牧场区、东部低山牧农林区和西部高原林牧农区, 这些地区河流分布相对较为密集; 南部中低山地区的大部分处于稳定状态, 该地区林地较多。植被覆盖度下降地区主要分布在该县中部农牧类型区, 该区域人口密度相对较高, 城镇建设用地扩张可能是导致该区域植被覆盖度下降的主要原因。

从总体上来看, 1998年9月~2003年9月间该县植被得到改善的地区为北部高原牧区和西南高原林牧农类型区, 2003年10月~2008年9月间该县由南向北植被覆盖逐渐得到改善。

3.3 结果分析与验证

根据沽源县近10 a的统计年鉴, 结合1996 ~ 2006年沽源县土地利用动态变化信息[8], 1998~2008年的10 a间, 沽源县植被覆盖度整体提高。沽源县从2000年起开始实施退耕还林还草、京津风沙源治理等多项生态建设工程, 在2000~2003年间, 全县共造林约479 km2, 约占全县面积的13.11%, 主要分布在中西部高原林牧区。 在北部牧区, 草地得到了很好的保护, 植被覆盖得到一定程度改善。 从2003年末~2007年末, 沽源县林地面积由753.58 km2增加到1 016.78 km2, 到2007年末, 林地面积约占全县面积的27.83%, 林地面积增加大大提高了该县的植被覆盖度。

通过对两个时间段植被覆盖度变化数据进行时空分析, 可以看出, 1998~2008年间沽源县北部地区植被覆盖度提高幅度较大, 中部高原地区和西部高原地区次之, 南部低山地区稍有提高, 这与前人的研究分析基本相符[16]

4 结论

利用归一化植被指数和像元二分模型得到影像的植被覆盖度, 然后建立影像差值模型求出一定时间段内的植被覆盖度差值, 结合当地的土地利用信息, 可以较好地得到植被覆盖变化情况, 是一种从宏观上监测特定区域植被治理情况的方法。本文研究表明, 沽源县在1998年9月~2003年9月期间, 植被覆盖度总体上处于稳定状态, 北部高原牧区和西南高原林牧农类型区得到改善; 2003年10月~2008年9月期间, 植被覆盖整体上得到改善, 植被恢复治理工程取得不错效果。

本文在进行研究区生态治理监测分析时, 主要以植被覆盖变化情况来反映生态治理情况, 而影响生态环境的因素还有很多, 因此, 在今后的研究中, 应综合考虑多种影响因素以及不同的因素在不同地区的影响权重, 对区域生态环境变化做出更准确的分析。

The authors have declared that no competing interests exist.

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