河南省植被覆蓋度的時空變化特征

李京忠等

摘要：利用1990年和2000年兩期河南省TM遙感影像數據，通過對數據進行大氣校正、輻射校正、圖像鑲嵌、圖像分割等數據預處理工作，然后計算出每期影像的NDVI（歸一化植被指數），利用像元二分模型把植被指數轉換為植被覆蓋度，并對這兩個時期的植被覆蓋度進行對比分析。結果表明，從植被覆蓋度的時間變化上看，10年間極低與低植被覆蓋度類型的面積減少，但是中、中高和高植被覆蓋度類型的面積明顯增加，這說明河南省的植被覆蓋總體上是好轉的；從植被覆蓋度的空間變化上看，豫北濮陽、鶴壁，豫東商丘，豫南駐馬店等區域植被覆蓋度增長明顯，而豫西平頂山、三門峽及商丘南部植被覆蓋度減少變化明顯。

關鍵詞：TM影像；河南??；植被覆蓋度；NDVI

中圖分類號：X826 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）16-3908-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.16.019

Temporal and Spatial Variation of Vegetation Coverage in Henan Province

LI Jing-zhong1，2，LIU Yong-mei1，FENG Fei-fan3，GAO Yuan1，CHANG Wei1，HAN Ya-lei2

（1.College of Urban and Environmental Science， Northwest University， Xian 710127， China；

2. College of Urban and Rural Planning and Landscape， Xuchang University， Xuchang 461000，Henan， China；

3.Institute of Geophysics and Geomatics， China University of Geosciences， Wuhan 430074， China）

Abstract：Based on two TM remote sensing image data of Henan Province in 1990 and 2000， by performing data preprocessing of atmospheric correction， radiometric correction， image mosaic and image segmentation， NDVI （Normalized Difference Vegetation Index） in each image were calculated. The vegetation index was converted to vegetation coverage through dimidiate pixel model， and the two images of vegetation coverage were compared and analyzed. The results showed that， in terms of time variation in vegetation coverage， very low and low vegetation coverage degree type area decreased during the past 10 years， while middle， upper-middle and high vegetation coverage degree type area were significantly increased， indicating that the vegetation coverage in Henan province was generally improved. In terms of time variation in vegetation coverage， Puyang， Hebi， Shangqiu， Zhumadian visibly increased， while Pingdingshan， Sanmenxia and southern Shangqiu obviously reduced.

Key words：TM images； Henan province； vegetation coverage； NDVI

植被覆蓋度是指示地表植物生長態勢和變化的重要參數，可以通過該參數研究特定區域內的植被變化情況，對于了解該區域的生態環境現狀和發展趨勢具有重要的現實意義[1-3]。植被覆蓋度的傳統量算方法主要就是地面測量，限制較大而且精度不高，難以實現大面積的信息提取[4]?；谶b感影像的提取方法具有同步獲取大區域范圍內的數據信息并且受主觀影響因素較小、精度較高等特點，成為當今地面植被覆蓋度信息提取和植被監測的主要手段[5]。

河南省是中國重要的農業糧食基地、農副產品加工基地，同時也是國家東西部地區的連接樞紐和中原經濟區的主要承載地。因此河南省的糧食產量和農副產品的加工量對于國家的糧食安全、經濟發展有著不可忽視的重要作用[6]。而植被覆蓋度的優劣會引起生態環境的變化，這對糧食的產量和農副產品的加工量有著決定性的影響[7]。本研究以多時相的遙感影像為數據源，利用像元二分模型估算區域植被覆蓋度，對比不同時期的植被覆蓋狀況從而得到研究區植被覆蓋度的空間和時間變化特征，并分析其與相應區域的經濟發展、城市化進程的關系，為河南省經濟發展過程中的生態環境評價提供數據支撐。

1 研究區概況

河南省位于中國中部，北緯31°23′-36°22′，東經110°21′-116°39′之間。國土面積16.7萬km2，居全國?。▍^、市）第十七位，約占全國總面積的1.73%。河南省地處沿海與中西部結合部，地勢西高東低，北、西、南三面依次由太行山脈、伏牛山脈、桐柏山脈和大別山脈沿省界呈半環形分布；中、東部屬華北平原南部區域；西南部為南陽盆地，跨越黃河、淮河、海河、長江四大水系，山水相連。在全省面積中，山地丘陵面積7.4萬km2，占全省總面積的44.3%；平原和盆地面積9.3萬km2，占總面積的55.7%。復雜多樣的土地類型為農、林、牧、漁業的綜合發展提供了有利的條件。

2 數據與方法

2.1 數據源與預處理

數據主要來自國際科學數據服務平臺、美國地質調查局下屬的地球資源觀測和科學中心（EROS）、馬里蘭大學地球數據中心的Landsat TM影像數據及河南省的行政區域矢量圖。

本研究中收集河南省在1990年和2000年共28景的TM數據，要求該數據盡量在植被覆蓋較好的夏季7、8月份，并對遙感數據進行輻射校正、地形校正、幾何精校正等預處理工作。然后對所有的影像數據進行勻色鑲嵌處理，并根據河南省的行政區劃圖進行裁剪得到研究區遙感影像集。

2.2 植被覆蓋度的提取

植被指數是利用紅光和紅外波段的不同組合進行植被信息指示的參數，可以定量地表明植被的活力，相對于單個波段來說該參數對植被生物量的探測具有更好的靈敏性[8]。目前，全球關于植被指數的模型超過150種，但是這些植被指數模型中只有極少數經過系統驗證并應用到實踐中[9]。其中歸一化植被指數（NDVI）由于檢測靈敏度高、檢測范圍較寬，可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所帶來的噪音等優點，取得了廣泛的應用。NDVI對植被狀況的評估非常有效，已被廣泛應用到地表植被生產力評估、植被覆蓋估算及變化趨勢分析的研究中[10，11]。本研究采用常見的歸一化植被指數，其計算公式為：

NDVI=（NIR-R）/（NIR+R） （1）

其中NIR為近紅外波段，R為紅波段[12]。

本研究以NDVI作為主要參數應用于像元二分模型計算河南省植被覆蓋度，其基本原理是一個像元的NDVI值可以表達為由綠色植被部分所貢獻的信息與由無植被覆蓋（裸土）部分所貢獻的信息兩部分組成，像元二分模型植被覆蓋度（VFC）的計算公式為：

VFC=（NDVI-NDVImin）÷（NDVImax-NDVImin） （2）

NDVImax和NDVImin分別為區域內最大和最小的NDVI值。由于不可避免存在噪聲，NDVImax和NDVImin一般取一定置信度范圍內的最大值與最小值，也就是植被純像元和土壤純像元。由于植被分布、近鄰地物輻射等因素影響，置信度的取值主要根據研究區影像的實際情況來定，在沒有大量實測數據作為參考的情況下，通常采用累積百分數5%和95%作為置信區間[13]。本研究中采用累積百分數5%作為裸土的純像元，累積百分數95%作為植被純像元，根據式（2）計算出1990年和2000年的植被覆蓋度圖像。

2.3 植被覆蓋度分級

在植被覆蓋度結果圖的基礎上，參考馬志勇等[14]對植被覆蓋度等級分類范圍的分類標準，將植被覆蓋度圖像分為5級（表1）。按照分級標準，進行密度分割，相同植被級別賦予同一顏色，利用專家系統決策樹方法生成植被覆蓋度分級圖。

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋度的時間變化

依據河南省1990、2000年的植被覆蓋度等級圖，可以計算1990-2000年不同植被覆蓋等級的面積及10年間變化。河南省10年間植被覆蓋面積有所增加，由1990年的157 483.95 km2增加到2000年的157 627.34 km2，10年間的植被覆蓋的增加面積為143.39 km2，其年增長率為14.3 km2/年。并統計各個植被覆蓋等級的面積及10年間面積變化情況見表2。

對表2進行分析發現，1990年低覆蓋度類型所占面積最大，為37 834.74 km2；其次是高覆蓋度類型，為37 433.29 km2；第三是中覆蓋度的類型，面積為33 314.44 km2；極低覆蓋度類型的最少，面積為23 367.66 km2。2000年時植被覆蓋度面積最大的是高覆蓋度類型，面積為39 018.47 km2；其次是中覆蓋度類型，面積為36 010.38 km2；排在第三位的是低覆蓋度類型，面積為32 571.27 km2；面積最少的是極低覆蓋度類型，面積僅為20 614.27 km2。從植被覆蓋分等級的變化角度上分析，10年間極低與低植被覆蓋度類型的面積減少，這和城市發展的擴展和人類活動的影響密不可分，造成土地利用屬性的改變，使得極低與低覆蓋度的面積減少，其中低覆蓋度類型減少得最多，為5 263.47 km2。但是中、中高和高植被覆蓋度類型的面積都明顯增加，這說明河南省的植被覆蓋總體上是好轉的。特別是森林植被的覆蓋上，中、高植被覆蓋度的增加量明顯，其中中高覆蓋度類型增加的面積最多，為3 879.13 km2。

3.2 植被覆蓋度的空間變化

由圖1可以看出，河南省1990年植被覆蓋度大于40%的區域主要分布在中部的漯河、周口、許昌地區，南部的駐馬店、大別山信陽境內及西部的伏牛山、熊耳山、崤山等地區；2000年植被覆蓋度大于40%的區域主要分布在北部濮陽、新鄉、鶴壁地區，東部的商丘、開封及周口部分區域，南部的大別山信陽境內及西部的三門峽、洛陽、南陽部分地區。

為了分析植被覆蓋度的空間變化情況，在ENVI（完整的遙感圖像處理平臺）中，對研究區域內兩期植被覆蓋圖像進行變化檢測分析，以1990年的植被覆蓋度圖像作為變化前的圖像，2000年的植被覆蓋度圖像作為變化后的圖像，通過變化檢測，得到河南省1990-2000年植被覆蓋動態變化圖（圖2）。從圖2可以看出豫北濮陽、鶴壁，豫東商丘，豫南駐馬店等區域植被覆蓋度增長明顯，而豫西平頂山、三門峽及商丘南部植被覆蓋度減少明顯。

4 小結與討論

利用遙感影像和GIS相結合的手段，可以快速、準確地反映研究區域內地表植被覆蓋的動態變化。將提取的植被覆蓋度分級圖以及動態變化圖與研究河南省行政區劃圖以及河南省經濟社會發展變化的特征相結合，可以看出河南省在1990-2000年間植被覆蓋面積有所增加，植被覆蓋變化的主要地物類型包括林地、草地和人工園林等，在植被覆蓋減少區域主要是由于地方經濟建設用地的占用、農業結構的調整、水土流失、森林濫砍濫伐等因素。隨著城市化進程的日益發展，土地利用類型發生了很大變化，最重要的原因是農業用地向非農業用地的轉變。同時，植被覆蓋度的空間分布特點也與經濟發展有著密切聯系，其分布特點受到經濟建設與城市化發展的影響。河南省植被覆蓋度變化的空間特征明顯，即植被覆蓋增加的區域多是加大了生態環境的保護力度，并增加了植樹造林的面積，使區域保持生態平衡；而植被覆蓋減少的區域，一方面是由于城市化發展過程不可避免的對林地、草地等植被覆蓋區域的占用，以進行城市建筑、道路、公共設施的建設，另一方面則是人們不重視保護環境，大量砍伐森林，加之對山區的開發，使具有高植被覆蓋度的林區減少，部分區域甚至消失。

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