打开文本图片集
（新疆大学，a.资源与环境科学学院；b.绿洲生态重点实验室，乌鲁木齐 830046）
摘要：基于新疆维吾尔自治区察布查尔锡伯自治县2000、2006和2013年的Landsat遥感影像，利用ENVI5.0和ArcGIS9.3软件对其进行辐射定标、大气校正、植被覆盖度提取，对比了察布查尔锡伯自治县14年来的植被动态变化，分析了其变化趋势，并探讨了植被覆盖度变化驱动机制。结果表明，2000-2013年，察布查尔锡伯自治县植被覆盖度明显增加，高植被覆盖度面积也明显扩张，尤其是人为退耕还林、退耕还草增长比较明显。
关键词：植被覆盖度；ENVI5.0；ArcGIS9.3；察布查尔锡伯自治县
中图分类号：F323.22 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）21-5492-04
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.21.014
Dynamic Monitoring of Vegetation Coverage Evolution Based on the Remote Sensing Technology：A Case Study of Qapqal Xibo Autonomous County
LEI Ya-juna，b，ZHANG Yong-fua，b
（a.School of Resources and Environment Science；b.Key Laboratory of Oasis Ecology，Ministry of Education，
Xinjiang University，Urumqi 830046，China）
Abstract： Based on landsat remote sensing image of Qapqal Xibo autonomous country in Xinjiang Uygur autonomous region in 2000，2006 and 2013，using ArcGIS9.3 and ENVI 5.0 software for radiometric calibration，atmospheric correction and vegetation coverage extraction，the study was carried out to contrast the dynamic changes and trend of vegetation coverage， and its driving mechanism were discussed. The results showed that vegetation coverage of Qapqal Xibo autonomous country had significantly increased from 2000 to 2013，and the high vegetation coverage area also had the obvious expansion， especially for returning farmland to forest and grassland.
Key words：vegetation coverage；ENVI5.0；ArcGIS 9.3；Qapqal Xibo autonomous country
植被覆蓋了陆地表面将近3/4的面积[1]，植被在陆地表面的能量交换、生物地球化学循环和水文循环过程中扮演着重要角色。作为全球生态系统和气候系统的重要组成部分，植被覆盖变化的研究是全球变化研究的重要内容之一[2，3]，其动态变化对全球能量转化和物质循环都有重要的影响。归一化植被指数（NDVI）是反映农作物长势和营养信息的重要参数之一[4，5]。NDVI以其卓越的植被信息表达能力以及数据提取和处理过程中较强的抗干扰能力，在检测植被生长状态、植被覆盖度和消除部分辐射误差等方面起到重要作用。动态监测植被覆盖的时空演变对深入研究植被与气候变化和人类参与的关系有着重要的意义。
察布查尔锡伯自治县位于新疆伊犁河谷中西部，属大陆性北温带温和干旱气候，年均气温7.9 ℃，极端最高气温39.5 ℃，极端最低气温-43.2 ℃。境内南高北低，相对高差达3 181 m，自然条件随高度变化明显，资源条件和开发利用在伊犁地区很有代表性。
目前，已有一些学者对该区域开展了相关的研究。2007年颜亮等[6]利用察布查尔县绿洲1975年和2005年2个不同时期的遥感影像分析了察布查尔锡伯自治县绿洲30多年来的动态变化；2009年张宏业等[7]分析了察布查尔县的自然条件、农林牧业发展现状，探讨了察布查尔锡伯自治县土地开垦和灌区扩大对生态环境和农林牧业生产的影响。2010年马鹏等[8]在对察布查尔锡伯自治县2000-2005年农业土地利用变化分析的基础上，对其农业生态系统服务价值进行了估算。但现有研究对察布查尔锡伯自治县植被覆盖度的演变研究较少，因此本研究基于2000、2006和2013年Landsat遥感影像和GIS空间分析方法研究察布查尔锡伯自治县植被覆盖度演变情况。
1 研究区域概况与方法
1.1 研究区域概况
察布查尔锡伯自治县是新疆维吾尔自治区伊犁哈萨克自治州直属县之一（图1），地处西天山支脉乌孙山北麓，伊犁河以南，与伊犁哈萨克自治州首府伊宁市隔河相望，西与哈萨克斯坦国接壤。地理坐标为东经80°31′-81°43′，北纬43°17′-43°57′。察布查尔锡伯自治县成立于1954年，是全国惟一以锡伯族为主体的多民族聚居的自治县。
1.2 数据来源
研究所用数据为察布查尔锡伯自治县2000、2006和2013年3个时相的遥感影像数据，这3景遥感影像数据都是从网站（http：//glovis.usgs.gov/）下载，遥感影像数据的基本特征如表1所示。
1.3 研究方法
1.3.1 辐射定标 辐射定标是将传感器记录的电压或数字值转换成绝对辐射亮度的过程[9]，消除传感器本身产生的误差，更加真实地反映地物信息。使用ENVI5.0软件下Radiometric Correction工具对3景遥感影像进行辐射定标。
1.3.2 大气校正 由于大气辐射的存在，直接使用未处理的遥感影像计算的NDVI比实际的低，因此要进行校正，利用黑暗像元法对各时相影像的红外波段与红波段做大气辐射校正，以提高植被变化检测的精度。为了消除可见光和近红外波段电磁辐射在传输的过程中受到大气分子、水气、气溶胶和云粒子等大气成分的吸收与散射的影响，使用ENVI5.0软件下FLAASH工具对影像进行大气校正，获取地表的真实反射率。根据研究需要，對研究区进行裁剪。利用ENVI5.0软件下的ROI Tool进行不规则裁剪，得到研究区的遥感影像如图2所示。
1.4 植被覆盖度反演
1.4.1 NDVI提取 植被指数又称光谱植被指数，是指由遥感传感器获取的多光谱数据，经线性和非线性组合而构成的对植被有一定指示意义的各种数值[10]。植物叶子的细胞结构在近红外波段具有高反射率，其叶绿素在红光波段具有强吸收，因此通常用红外波段和近红外波段通过数学运算进行线性或非线性组合，得到的数值用以表现地表植被的数量分配和质量情况。本研究选用NDVI进行植被覆盖度的提取，定义为
NDVI= （1）
式中，NIR为位于近红外波段的遥感通道所得到的反射率；R指的是可见光波段的通道得到的反射率。
此计算过程通过ENVI5.0遥感影像处理软件来完成，利用Band math计算出NDVI，得到不同时相NDVI灰度图（图3）。
1.4.2 植被覆盖度信息提取 NDVI作为获得植被覆盖度的中间变量，一般情况下，植被指数与植被覆盖度具有较强的正相关性，当生态环境条件较好时，水土条件适合，植被生长茂盛，其覆盖度较高，植被指数相应也较高；当生态环境恶化时，植被生长稀少，覆盖度较低，其植被指数相应也较低[11]。本研究采用像元二分模型[12]反演植被覆盖度，即假设遥感影像上每个像元所对应的地表单元上仅存在植被和裸地两种覆盖类型，每个像元的NDVI是植被和裸地所对应的NDVI值的加权和，其权值即为这两种覆盖类型在像元内的面积百分比。因此，计算植被覆盖度的公式可表示为：
fc= （2）
式中，fc为植被覆盖度；NDVIsoil为完全是裸地或无植被覆盖区域的NDVI；NDVIveg则代表完全由植被所覆盖的像元的DNVI，即纯植被像元的NDVI。对于大多数类型的裸地，NDVIsoil理论上应该接近于0，考虑到遥感影像中存在的不可避免的干扰因素，在取值时结合裸地和全覆盖植被样地实际情况选定NDVIsoil为0.03，NDVIveg为0.99。
通过公式计算植被覆盖度，并且进行分级，将植被覆盖度分为4级，具体见表2。
2 结果与分析
2.1 植被覆盖度演变分析
2.1.1 不同时期植被覆盖度总体变化趋势 对研究区各植被覆盖等级的面积及所占比例进行统计，如表3和图4所示。从表3和图4可以看出，察布查尔锡伯自治县整体植被覆盖度呈现增加趋势。在4个等级中1级裸地面积在2000-2013年变化不明显；2级低植被覆盖面积呈现较大幅度下降，2000-2013年面积减少了833.67 km2，所占比例下降了18.7个百分点；3级植被面积略有上升；4级植被面积明显增加，从2000年的519.76 km2增加到2013年的1 273.29 km2，所占比例上升了16.9个百分点。
2.1.2 不同时期植被覆盖度等级变化趋势 分别对3个时相的植被覆盖度等级变化进行矩阵分析，生成转移矩阵（表4、表5、表6）。从表4可以看出，2000-2006年植被覆盖度为1级、2级、3级的面积都在减少，4级植被面积明显增加，从2000年的519.76 km2增长到905.51 km2，主要是2级、3级转移到4级。从表5可以看出，2006-2013年植被覆盖度为1级、3级的面积略有增加；2级面积由2006年的2 305.18 km2减少到2013年1 807.36 km2，主要原因是2级向3级、4级转移；4级植被面积明显增加，由2006年905.50 km2增长到2013年1 273.29 km2。由表4、表5、表6可以得出，2000-2013年4级植被呈上升趋势，并且增长速度较快，主要是由2级、3级转移而来；3级植被面积变化不明显；2级植被在2000-2013年呈现快速下降趋势。对2000-2006、2006-2013、2000-2013年进行比较得出，2000-2006年植被覆盖度负增长较多，2006-2013正增长占较大比例，总体来看2000-2013年植被覆盖度呈现增加趋势（图5）。
2.2 植被覆盖度演变的驱动力分析
2.2.1 气候因素对植被覆盖度的影响 植被覆盖度变化和气候变化的响应关系研究一直是全球变化研究的主要内容。NDVI的变化和降水相关性极高，植被生长和气温关系密切。
伊犁地区2000-2010年气温持续缓慢增长，突出表现是持续暖冬，且偏暖趋势还在继续[13，14]。2000-2010年伊犁地区年均气温在8～10 ℃浮动，变化不明显[15]。由于察布查尔锡伯自治县气温增长缓慢，所以对植被的长势影响不明显。
伊犁地区2000-2006年降水先增加后减少，最高降水量480 mm，最低降水量310 mm；2006-2010年降水先增长再下降然后上升，最高降水量为500 mm，最低降水量为260 mm[14]。察布查尔锡伯自治县属温带亚干旱气候区，年均气温7.9 ℃，年降水量小于200 mm，冬季寒冷，夏季炎热，相对伊犁地区降水少，蒸发量大。察布查尔锡伯自治县降水差异较大，平原地区降水较少，南部山区降水较多，在450 mm以上，植被长势较好。
2.2.2 人为因素对植被覆盖度的影响 气候变化对新疆植被覆盖的时空变化具有重要影响，但不断加强的人类活动也是不容忽视的驱动因素之一。察布查尔锡伯自治县总人口由2003年的16.48万增长到2013年的19.2万，人口增长增加了对土地的利用和对粮食的需求。随着农业生产和经济水平的提高以及国家对生态环境的重视，植被覆盖同样会受到很大的影响。
通过遥感技术与地理信息技术相结合，从图2可以得出，2级低覆盖度植被多为荒地，4级高覆盖度植被多为耕地与林地。荒地减少，耕地与林地增加，这与伊犁地区政府的政策有关。伊犁地区一直以来就是退耕还草和退耕还林等生态建设工程的重点实施区域。据资料显示，2000-2007年，伊犁河谷共退耕还林696.00 km2，耕地面积也在2000-2008年新增了1 259.00 km2，呈现持续增长状态[16]。由此可见，人类活动在一定程度上提高了察布查尔锡伯自治县植被覆盖度，对生态改善有着积极的意义。
3 小结与讨论
本研究基于多期遥感影像，在GIS技术的支持下，得出察布查尔锡伯自治县归一化植被指数和植被覆盖等级图，并定量分析了察布查尔县近14年的植被覆盖变化，由此得到以下3个结论：①利用遥感技术与地理信息技术不仅可以有效地分析不同时期的植被覆盖变化，而且节约时间、经费和人力。通过植被覆盖度转移矩阵可以很好地描述植被覆盖度变化趋势。②察布查尔锡伯自治县在2000-2013年植被覆盖度在明显增加，1级（无植被覆盖）基本无变化；2级（低覆盖度植被）面积主要正向转移到3级、4级，逆向转移较少；3级（中覆盖度植被）面积主要正向转移到4级较多，3级植被面积无明显变化；4级（高覆盖度植被）面积明显增加，而且区域位置由南北向中部扩散。③察布查尔锡伯自治县水资源丰富，为植被良好生长奠定了坚实的基础。2000-2013年1级（无植被覆盖）面积变化不明显，2级（低覆盖度植被）面积明显减少，4级（高覆盖度植被）面积增长的主要原因是人类活动太频繁。由于退耕还草和退耕还林政策的实施，该区域生态环境有所恢复。
本次研究虽然得到了察布查尔锡伯自治县植被覆盖的变化，但是也存在着不足。第一，鉴于遥感数据的可获取性，本研究遥感影像的获取月份虽都在植被生长期，但对于山区植被和平原区耕地作物的变化识别有部分掩盖或放大，这对计算植被覆盖度的精度有一定的影响。第二，植被覆盖度演变驱动力分析中自然因素数据（比如气温、降水等）不足，对分析结果的论据不够充分。
参考文献：
[1] SARKAR S，KAFATOS M. Interannual variability of vegetation over the Indian sub-continent and its relation to the different meteorological parameters[J].Remote Sensing of Environment， 2004，90（2）：268-280.
[2] 韩秀珍，李三妹，罗敬宁，等.近20年中国植被时空变化研究[J].干旱区研究，2008，25（6）：753-759.
[3] 李军媛，晏利斌，程志刚.陕西省植被时空演变特征及其对气候变化的响应[J].中国水土保持，2011（6）：29-32.
[4] 包安明，张小雷，方 晖，等.MODIS数据在新疆生态环境建设中的应用[J].干旱区地理，2004，27（2）：256-260.
[5] 李宝明，杨 辽，朱长明，等.额尔齐斯河流域中亚段植被覆盖遥感动态监测[J].干旱区地理，2010，33（2）：203-209.
[6] 颜 亮，高敏华，刘光宇.基于RS/GIS的新疆察布查尔县绿洲动态变化研究[J].农业网络信息，2008（11）：25-28.
[7] 张宏业，张 伟，王秀红，等.伊犁地区农林牧业平衡发展与生态保护——以察布查尔县为例[J].资源科学，2009，31（12）：2035-2041.
[8] 马 鹏，李志忠.新疆伊犁察布查尔县农业生态系统服务价值变化分析[J].亚热带水土保持，2010（4）：31-35.
[9] 梁顺林.定量遥感[M].范闻捷，译.北京：科学出版社，2009.
[10] 陈述彭，赵英时.遥感地学分析[M].北京：测绘出版社，1990.
[11] FUNG T，SIU W.Environmental quality and its changes an analysis is using NDVI[J].International Journal of Remote Sensing，2000，21（5）：1011-1024.
[12] 李苗苗，吳炳方，颜长珍，等.密云水库上游植被覆盖度的遥感估算[J].资源科学，2004，26（4）：153-159.
[13] 张家宝，史玉光.新疆气候变化及短期气候预测研究[M].北京：气象出版社，2002.
[14] 李 聪，曹占洲，丁 林，等.新疆伊犁河谷地区50a来气候变化特征分析[J].陕西农业科学，2012，40（5）：508-514.
[15] 许娇媚.伊犁河谷气候变化及其对农业影响初探[D].乌鲁木齐：新疆农业大学，2013.
[16] 马 鹏，李志忠，靳建辉，等.基于土地利用的新疆伊犁河谷生态系统服务价值评价[J].浙江师范大学学报（自然科学版）， 2010，33（3）：331-335.