基于遥感与GIS的黄冈市植被覆盖时空特征研究
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇基于遥感与GIS的黄冈市植被覆盖时空特征研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要：利用遥感和GIS技术处理黄冈市2000-2013年共14年的同时相的MODIS影像，获得其植被覆盖度，并对植被覆盖度进行分级。同时对植被覆盖度进行地形统计和分区统计，较清晰地反映了黄冈市植被覆盖度的时间变化和空间三维分布状况。研究结果表明，从2000年到2008年黄冈市植被覆盖度处于上升趋势，从2008年到2013年黄冈市植被覆盖度则处于下降趋势，但总体而言黄冈市的植被覆盖度良好；从2000年到2013年黄冈市植被覆盖度年际变化中变化不明显、上升所占比例较大，下降、急剧下降和快速上升的比例很低；植被覆盖度较高的县市主要有英山县、罗田县、麻城市，植被覆盖较低的县市主要有黄州区、武穴市、黄梅县。
关键词：植被覆盖度；MODIS影像；归一化植被指数；时空变化；黄冈市
中图分类号：X87 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）10-2358-05
DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2015.10.013
植被覆盖时空变化与可持续发展战略有着密切的联系，植被生物量在全球碳循环研究中起着重要作用，是陆地地表生态系统中能量和物质运输的主要环节，相关领域的研究为区域资源管理开发、环境保护和粮食生产提供直接有效的技术支持[1]。当前人类社会发展面临着土地荒漠化、生物多样性减弱、水资源减少和臭氧层损耗等诸多环境问题，而这些问题的产生与变化和地表植被覆盖时空变化紧密相关[2]。因此，对陆地地表植被覆盖时空变化的机制与过程的研究是保证人类社会经济健康发展的重要因素之一。在20世纪末，植被覆盖时空变化研究受到重视，在2004年之后出现了大量的研究成果。植被覆盖的研究者主要分为2个层次，一是政府相关部门管理者，他们是社会资源，经济资源，生态资源的总协调者，指引着植被覆盖时空变化研究的方向；二是学术界，通常能够综合各方信息，运用严谨的、科学的研究方法，结合相关理论对植被覆盖状况做出判断[3-5]。
随着社会经济的迅速发展，中国土地利用覆盖变化的深度、广度和速度都呈现出急剧增加的趋势[6-9]，在此种大背景下陆地地表植被覆盖时空变化的研究也引起了中国有关领域研究者的密切关注。植被覆盖时空变化研究的空间尺度可以分为全球、国家、区域3个层面。黄冈市作为局部区域，其植被覆盖时空变化的研究还很少，亟待人们加以深入的研究。
本研究利用遥感和GIS技术处理黄冈市2000-2013年同时相的MODIS遥感影像，获得其植被覆盖度，并对植被覆盖度进行分级。同时对植被覆盖度进行地形统计和分区统计，较清晰地反映了黄冈市植被覆盖度的时空分布特征。通过对黄冈市的植被覆盖在时空方面的变化研究，可以对黄冈市植被覆盖状况有一个直观清晰的了解，并为政府与相关部门的决策提供科学依据。
1 研究区域概况与数据来源
1.1 研究区域概况
黄冈市地处湖北省东部，大别山南麓，长江中游北岸，位于东经114°25′-116°8′，北纬29°45′-31°35′。现辖黄州区和红安、罗田、英山、浠水、蕲春、黄梅、团风7个县以及一个县级龙感湖农场，代管武穴、麻城两个县级市，属亚热带大陆性季风气候，江淮小气候区，四季光热界线分明，光照丰富，雨量充足，年平均降雨量1 223～1 493 mm。研究区自北向南逐渐倾斜，东北部与豫皖交界为大别山脉，主脊呈西北向东南走向；中部为丘陵区，海拔高度多在300 m以下，高低起伏；南部为狭长的平原湖区，海拔高度在10～30 m之间，河港、湖泊交织。
1.2 数据来源
遥感数据利用2000-2013年7月28日的Mod13q1 NDVI，Mod13q1数据为16 d合成的250 m植被指数产品，包含NDVI与EVI两种数据，地图投影为正弦曲线投影，空间分辨率250 m×250 m。Mod13q1是为表现植被状况的时空综合特征而生产的。覆盖黄冈市的Mod13q1数据有h27v05、h27v06、h28v05、h28v06共4幅影像。高程数据采用SRTM-DEM 90 m分辨率数据，黄冈市行政区划边界从全国县界1：400万的矢量数据提取（影像数据与DEM数据下载于地理空间数据云网站，全国县界1∶400万的矢量数据下载于国家基础地理信息系统网站）。
2 数据处理与结果分析
2.1 遥感图像的预处理
下载黄冈市Mod13q1遥感数据后，利用MODIS数据处理工具Modis Reprojection Tool （MRT）对每期的4幅影像进行拼接、投影转换，并转换成ERDAS、ArcGIS软件兼容的影像格式*.img。地形数据采用SRTM-DEM 90 m分辨率数据。利用全国1∶400万县界的矢量图，提取出黄冈市行政边界，在ArcGIS中生成.shp文件，然后在ERDAS 9.2中读取该文件，并重新生成.aoi文件，然后利用ERDAS软件的Subset Imagine功能进行遥感图像裁剪，得到覆盖研究区域的Mod13q1遥感图像。
2.2 植被覆盖度信息的提取
由像元二分模型可知，每一个像元点上的NDVI值可表示为有植被部分所提供的信息NDVIveg和无植被覆盖部分所提供的信息NDVIsoil组成。因此计算植被覆盖度公式如下：
Fc=（NDVI-NDVIsoil）/（NDVIveg-NDVIsoil）
式中，NDVIsoil是无植被覆盖区域或完土的NDVI值；NDVIveg则代表完全被植被所覆盖的像元的NDVI值，即纯植被像元的NDVI值。在没有实测数据的情况下，取NDVImax与NDVImin值为图像中给定置信度的置信区间内最大值与最小值，NDVIsoil值取影像中NDVImin值；NDVIveg值取影像中NDVImax值。
由植被覆盖度计算公式可知，植被覆盖度与植被指数NDVI成正比，即NDVI大的区域，植被覆盖度也大；反之，亦然。
2.3 植被覆盖度分级
植被覆盖度等级的划分主要根据研究区内植被的基本特征，充分考虑遥感图像的可解译程度以及当地的植被状况等因素，制定研究区域植被盖度的分级标准为0～0.2，0.2～0.4，0.4～0.6，0.6～0.8，0.8～1，目的在于为当地生态环境评价和管理服务，为当地的主题功能区规划与实施提供科学数据。各覆盖度等级所对应的地物如下：1级为低植被覆盖，植被覆盖度0～0.2，对应于撂荒地、居民点及交通用地等；2级为较低植被覆盖，植被覆盖度0.2～0.4，对应于低产草地、林地、农田等植被；3级为平均植被覆盖，植被覆盖度0.4～0.6，对应于农田、林地、中高产草地等植被，属中覆盖度植被；4级为较高植被覆盖，植被覆盖度0.6～0.8，对应于高产草地、林地；农田等植被；5级为高植被覆盖，植被覆盖度0.8～1.0，对应于保护良好森林，良田等植被。通过ArcGIS软件中的Spatial Analyst Tool，依据植被覆盖度灰度值对其进行密度计算，并赋予相应的颜色，得到不同时期的植被覆盖度等级图，并进行统计分析。
从图1中可以得知，对多年平均植被覆盖度而言，黄冈市低植被覆盖、较低植被覆盖和中等植被覆盖所占面积比例较小，这三项所占的面积比例分别为1.42%、1.36%和5.11%，合计7.89%；黄冈市植被覆盖等级主要分布在较高植被覆盖和高植被覆盖中，这两项所占的面积比例分别为54.49%和37.62%，合计92.11%，这说明黄冈市总体上植被覆盖是非常良好的。
2.3.1 黄冈市植被覆盖度空间分布特征 黄冈市低植被覆盖、较低植被覆盖主要分布在海拔9～30 m处，即平原湖区；该区域分布了很多湖泊河流，并受人类活动干扰很大，有很多城镇建设用地、交通用地，其中湖泊河流占了很大面积比例。黄冈市中等植被覆盖主要分布在海拔9～95 m处，主要位于平原湖区和岗地；该区域受人类活动干扰比较严重，分布有很多城镇建设用地、交通用地、草地、耕地、林地，其中城镇建设用地、耕地占了很大面积比例。黄冈市较高植被覆盖主要分布在海拔9～200 m处，主要位于岗地和丘陵处；该区域受人类活动干扰不严重，分布有很多草地、耕地、林地，其中耕地、林地占了较大面积比例。黄冈市高植被覆盖主要分布在海拔9～700 m处，主要位于岗地、丘陵、低山和中低山处；该区域受人类活动干扰较小，分布有大量的草地、耕地、林地，特别保护良好的森林占很大面积。
2.3.2 黄冈市植被盖度时间变化分析 从图2中可以得知，从2000年到2008年黄冈市平均植被覆盖基本呈上升趋势，上升趋势明显；从2009年到2013年则基本呈下降趋势，下降趋势也很明显，甚至超过了上升趋势。所以黄冈市平均植被覆盖从2000年到2013年总体呈下降趋势，但趋势不明显，这表明黄冈市平均植被状况处于轻微退化状态。黄冈市植被覆盖度标准差也是以2008年为分界点，2000-2008年标准差基本呈下降趋势，下降趋势不明显，2009-2013年则呈上升趋势，并且上升趋势很明显，所以黄冈市植被覆盖度标准差从2000年到2013年总体呈上升趋势，但趋势不明显。这表明黄冈市植被覆盖度差异处于扩大状态。
由表1可知，黄冈市低植被覆盖所占面积比例2000-2009年基本呈轻微下降趋势，2010-2013年则基本呈明显上升趋势，所以总体上呈上升趋势，但趋势不明显，这说明黄冈市低植被覆盖呈轻微退化。黄冈市较低植被覆盖所占面积比例2000-2008年基本呈轻微下降趋势，2009-2013年则基本呈明显上升趋势，所以总体上呈上升趋势，且趋势比较明显，这说明黄冈市较低植被覆盖扩大化比较明显。黄冈市中等植被覆盖所占面积比例2000-2008年基本呈明显下降趋势，2009-2013年则基本呈明显上升趋势，所以总体上呈下降趋势，但趋势都不明显，这说明黄冈市中等植被覆盖虽然变化明显，但总体上只呈轻微退化状态。黄冈市较高等植被覆盖所占面积比例2000-2007年基本呈轻微下降趋势，2008-2013年则基本呈轻微上升趋势，总体上呈轻微上升趋势，这说明黄冈市较高植被覆盖虽然变化明显，但总体上只呈轻微改善状态。黄冈市高等植被覆盖所占面积比例2000-2007年基本呈明显上升趋势，2008-2013年则基本呈明显下降趋势，总体上呈轻微下降趋势，这说明黄冈市高植被覆盖虽然变化明显，但总体上只呈轻微退化状态。
2.3.3 黄冈市植被覆盖年际变化程度分析 利用ArcGIS中的栅格计算器将黄冈市2007年植被覆盖栅格数据减去黄冈市2000年植被覆盖图栅格数据，黄冈市2013年植被覆盖栅格数据减去黄冈市2007年植被覆盖图栅格数据，得到两个对比时相植被覆盖差值。在此基础上对这两个对比图进行分类，其分类标准和级别为：-1.00～-0.60，急剧下降；-0.60～-0.05，下降；-0.05～0.05，变化不明显；0.05～0.60，上升；0.60～1.00，快速上升。基于以上数据处理得2000-2007年和2007-2013年2个时相的黄冈市植被变化等级图，然后进行植被覆盖变化分级数据统计。
从表2可以看出，2007年对比2000年急剧下降的面积比例为0.05%，下降的面积比例为5.21%，变化不明显的面积比例为32.43%，上升的面积比例为62.08%，快速上升的面积比例为0.24%。从中可以看出2007年对比2000年黄冈市覆盖度变化主要以上升和变化不明显为主，急剧下降和快速上升所占的比例都很小，因此这时期黄冈市植被覆盖处于改善状态。
2013年对比2007年急剧下降的面积比例为0.20%，下降的面积比例为41.94%，变化不明显的面积比例为49.43%，上升的面积比例为8.34%，快速上升的面积比例为0.09%。从中可以看出2013年对比2007年黄冈市覆盖度变化主要以变化不明显和下降为主，急剧下降和快速上升所占的比例都很小，因此这时期黄冈市植被覆盖处于退化状态。
2013年对比2000年急剧下降的面积比例为0.04%，下降的面积比例为11.25%，变化不明显的面积比例为51.26%，上升的面积比例为37.35%，快速上升的面积比例为0.10%。从中可以看出，2013年对比2007年黄冈市覆盖度变化主要以变化不明显和上升为主，急剧下降和快速上升所占的比例都很小，因此2013年对比2000年黄冈市植被覆盖处于改善状态。
2.4 黄冈市植被覆盖的分区统计分析
利用ArcGIS中的分区统计功能对2000-2013年黄冈市植被覆盖度分别进行各县市的分区统计，得到各县市的植被覆盖度分区统计图和统计表。
从表3可知，各县市植被覆盖度从低到高依次为黄州、武穴、浠水、团风、黄梅、红安、蕲春、麻城、罗田、英山。由此看出，高植被覆盖度主要分布在黄冈市东北部的丘陵和中低山处，而黄冈市西部与南部的平原湖区和岗地植被覆盖则相对而言要差些。从黄冈市多年平均植被覆盖度标准差分区统计图可知，各县市植被覆盖度分布均匀性从高到低依次为红安、英山、罗田、麻城、团风、蕲春、浠水、黄梅、武穴、黄州。由此看出，高植被覆盖度分布比较均匀的区域主要集中在诸如红安、英山、罗田等受人类活动干扰较小的县市。
英山县多年植被覆盖排名基本稳定在第一名，罗田县多年植被覆盖排名基本在第二、三名，黄州区多年植被覆盖排名则稳定在第十名，其他县排名变化较大。排名比较稳定的县市处于受人类活动干扰较少的区域，或处于受人类严重改造的城建区和多湖泊河流的区域。英山县、罗田县全境以丘陵、中低山为主，森林覆盖率均高达70%；黄州区以平原为主，兼有丘陵岗地，境内多湖泊，水面与城乡建设用地面积达69.12%，而森林覆盖率只有11.30%。而在耕地、草地、林地较多的岗地、丘陵地区的县市则排名变化较大，主要原因是由于气候、地形、土壤等自然因素和经济社会发展等人为因素，使得土地利用/覆盖在频繁地发生变化和转换，从而导致植被覆盖发生变化。
根据表3分析可知，2000-2013年黄冈市植被覆盖呈上升趋势的有武穴市、英山县、蕲春县、浠水县、团风县，黄州区、黄梅县、罗田县、红安县、麻城市则呈下降趋势，并且趋势都越来越明显。除了武穴市、黄州区植被覆盖变化基本平稳，其余县市的植被覆盖变化起伏较大，并且几乎均以2008年为界，前期植被覆盖基本处于上升趋势，后期基本处于下降趋势，只不过是上升或下降的程度不同而已。根据黄冈市气象资料，2008年全市平均气温为16.3～17.7 ℃，比常年偏高0.1～0.9 ℃，年极端最高气温为麻城的38.5 ℃，出现在7月28日；日照时数为1 681～2 173 h，英山、蕲春偏多1～2成，罗田偏少1成，其他县接近常年；年降水量1 111～1 710 mm，北多南少。该气象条件有利于植被的生长，特别是对农业来说是风调雨顺。另一方面，2005年以来，黄冈市经济连年迈大步，年年上台阶，城镇化程度大大加强，对植被覆盖破坏日益严重。因此2008年黄冈市植被覆盖基本达到最佳状态。
3 结论
通过分析可得出以下结论。
1）黄冈市植被覆盖等级主要分布在较高植被覆盖和高植被覆盖中，这2项所占的面积比例达92.11%，这说明黄冈市总体上植被覆盖是非常良好的。
2）黄冈市低植被覆盖、较低植被覆盖主要分布在平原湖区；黄冈市中等植被覆盖主要分布在平原湖区和岗地；黄冈市较高植被覆盖主要分布在岗地和丘陵处；高植被覆盖主要分布在岗地、丘陵、低山和中低山。
3）从2000年到2008年黄冈市平均植被覆盖基本呈上升趋势，上升趋势明显；从2009年到2013年则基本呈下降趋势，下降趋势也很明显，甚至超过了上升趋势。所以黄冈市平均植被覆盖从2000年到2013年总体呈下降趋势，但趋势不明显。
4）2013年对比2000年黄冈市覆盖度变化主要以变化不明显和上升为主，急剧下降和快速上升所占的比例都很小，因此2013年对比2000年黄冈市植被覆盖处于改善状态。
5）各县市植被覆盖度从低到高依次为黄州、武穴、浠水、团风、黄梅、红安、蕲春、麻城、罗田、英山。高植被覆盖度主要分布在黄冈市东北部的丘陵和中低山处，而黄冈市西部与南部的平原湖区和岗地植被覆盖则相对而言要差些。
总而言之，植被覆盖度的时空分布特征是受气象、地形等自然因素和经济与城镇化建设等人为活动的影响。黄冈市植被覆盖度的时空分布规律可以为政府相关部门的决策提供科学依据。
参考文献：
[1] 李苗苗.植被覆盖度的遥感估算方法研究[D].北京：中国科学院遥感应用研究所，2003.
[2] 殷守敬，陈晓玲，吴传庆，等.基于时序NDVI的江西省植被覆盖时空变化分析[J].华中师范大学学报（自然科学版），2013，47（1）：129-135.
[3] 李洪伟.浙江省植被覆盖的时空变化研究[D].杭州：浙江师范大学，2010.
[4] 王 柳，段 英，周 静，等.珠三角地区地表植被时空变化及其空间异质性分析[J].嘉应学院学报，2010，28（2）：82-87.
[5] 刘志红，郭伟玲，杨勤科，等.近20年黄土高原不同地貌类型区植被覆盖变化及原因分析[J].中国水土保持科学，2011，9（1）：16-23.
[6] 钞振华，张培栋，袁赛帅，等.山东省MODIS遥感植被指数时空变化研究[J].生态环境学报，2012，21（10）：1160-1164.
[7] 李双双，延军平，万 佳.近10年陕甘宁黄土高原区植被覆盖时空变化特征[J].地理学报，2012，67（7）：960-970.
[8] 穆少杰，李建龙，陈奕兆，等.2001-2010年内蒙古植被覆盖度时空变化特征[J].地理学报，2012，67（9）：1255-1268.
[9] 蒋 冲，王 飞，穆兴民，等.退耕还林（草）背景下渭河流域植被覆盖时空变化分析[J].农业现代化研究，2012，33（4）：470-474.