红原草地植被覆盖度遥感信息提取与动态变化

鲁 岩，颜 玲，唐川江，张绪校，周 俗

（1．四川省草原工作总站，成都 610041；2．四川省地政地籍事务中心，成都 610041）

红原草地植被覆盖度遥感信息提取与动态变化

鲁 岩1，颜 玲2，唐川江1，张绪校1，周 俗1

（1．四川省草原工作总站，成都 610041；2．四川省地政地籍事务中心，成都 610041）

在建立红原县草地植被覆盖遥感监测和评价指标体系的基础上，分析了红原县2003、2006、2009、2012年草地植被覆盖度变化的空间动态演变过程和趋势。结果表明，红原县高覆盖草地、低覆盖度草地和极低覆盖度草地面积分别减少了178 324.06km2、3 652.98 km2、2 816.01km2，中高覆盖草地和中覆盖草地面积分别增加了154 385.4km2、30 407.64km2。反映了红原县草地植被覆盖整体上呈现由两级向中间级演替的趋势。

草地植被覆盖；信息提取；动态变化；红原县

植被是陆地生态系统的主要成份，是生态系统变化的指示器。世界陆地面积中，林地约占30%，草地占25%，耕地占12%左右。我国是世界上第二大草地国家，草地总面积约占世界草地面积的12.4%，我国国土面积的41%，约是我国耕地面积的2倍。草地多分布在我国边疆地区，对边疆民族地区的繁荣昌盛、生态环境保护和畜牧饲养业的发展都发挥着重要作用[1]。

植被覆盖度是反映植被基本情况的客观指标，研究中常将其作为基本参数或因子，主要具有以下意义：①科学研究必要的基础依据，为生态、水保、土壤、水利、植被等领域的定量研究提供基础依据，确保相关研究成果、模型理论科学可信。②作为生态系统变化的重要标志，为区域或全球性地表覆盖变化、景观分析等前沿问题的研究提供指示作用，促进自然环境研究不断深入发展。监测、测量植被覆盖度的方法分为地面测量和遥感测量两种[2]。遥感测量的出现，使得大面积、大尺度、大区域植被指数提取及监测成为可能，得到了广泛应用[4-5]。

研究以四川省红原县草地特征、遥感数据特点等实际问题出发，采用国家标准中有关草地植被盖度级别、指标等分级方法，选择草地植被盖度作为主要遥感监测指标，建立草地植被覆盖遥感快速监测体系，对红原县草地覆盖动态变化进行了监测，分析和评价了红原草地植被覆盖程度及其空间格局。

1 材料与方法

1.1 研究区概括

红原县位于四川省西北部和阿坝藏族羌族自治州的中部，地处青藏高原的东南缘，东与松潘、黑水接壤，南与马尔康毗邻，西靠阿坝县，北与若尔盖相连，县境南北长约164.5km，东西宽约53km，是四川省十大纯牧业县之一。红原县拥有天然草原面积1 164万亩，占县国土总面积的92.97%，可利用草原面积1 121万亩，占草原总面积的96.3%。由于受海拔高度和自然气候影响，红原以高寒草甸和亚高山草甸为主，其次是高寒沼泽化草甸、高寒沼泽草地、亚高山林缘草甸、高寒灌木草地。可食牧草种类繁多，据调查达70科、225属、463种。全县总人口4.2万人，其中牧业人口31 577人，牧业户6 984户。

1.2 数据来源

遥感数据源使用NASA/MODIS（National Aeronautics and Space Administration/ moderate resolution imaging spectroradiometer，美国国家航空与航天局/中分辨率影像辐射度计）2003、2006、2009、2012年7月～8月（植被生长季）的16天合成的地表反射率产品（MOD13Q1），分辨率为250m×250m。

另有红原县行政边界图，1∶50万红原县草原类型图。此外还收集了研究区降水与气温等气象资料。

1.3 数据预处理

利用MRT（MODIS Reprojection TOOL）对MOD13Q1数据进行格式和地图投影转换，地理几何校正与重采样处理，提取归一化植被指数（NDVI）数据。为了更加有效的消除云遮蔽、大气影响、观测中的几何关系等不利因素的影响，对NVDI数据进行最大合成法（MVC）处理，如公式（1），获取NDVI数据最大值进行盖度分析。

式中：NDVIi为第i月最大NDVI值；NDVIij为第i月第j个16天合成NDVI值。

对遥感影像进行镶嵌拼接，然后利用矢量行政边界图对影像进行裁剪，获取工程区NDVI数据影像。

1.4 研究方法

1.4.1 植被覆盖度遥感估算模型

植被指数的建立是基于植被在红光和近红外波段反差较大的光谱特征。在多种定义的植被指数中，归一化植被指数（NDVI）是应用最广泛的一种。NDVI能够敏感的反映出植被生物量、覆盖度，以及叶绿素含量等生物理化性质，是监测地区或生态环境的有效指标，在一定程度上反映了像元所对应区域的土地覆盖情况[6]，是植物生长状态以及植物生长空间分布密度的最佳指示因子，与植被覆盖度呈线性相关。在遥感监测植被盖度中，通常利用植被覆盖度与NDVI之间关系估算区域植被盖度，其计算公式为：

式中：V为草地植被盖度，NDVIs代表着纯土壤覆盖像元的最小值。NDVIv代表着纯植被覆盖像元的最大值。

植被覆盖度最大值与最小值与地区、时相、图像空间分辨率和植被类型等有关系，不同地区植被覆盖度的取值会有所不同。对于本研究而言，由于红原县植被覆盖主要为连片的草地，且影像选取时间为夏季，因此植被覆盖度最大值可以达到1。县境内又存在水体和沙地，所以植被盖度最小值可以近似为0。

1.4.2 草地植被覆盖分级

结合红原县草地植被覆盖特征，充分考虑遥感原理和数据特点，参照四川省草地资源等级评价依据和标准[7]，将红原县草地植被覆盖度等级划分为五级：高覆盖度草地、中高覆盖草地、中等覆盖草地、低覆盖草地和极低覆盖草地，并确定监测和评价指标、标准以及等级划分（表1）[8]。

1.4.3 草地动态变化分析方法

在自然及人为干扰下，不同草地植被盖度的面积和等级都在不断变化演替，研究其草地植被覆盖等级在空间上的动态变化，可使用转移矩阵-马尔柯夫链来描述。大量研究结果标明，马尔柯夫链能够得出相当可靠的转移结果[9]。其数学表达式为：

表1 红原县草地植被覆盖遥感监测与评价指标、标准以及等级划分方法

2003-2012年红原县草地植被覆盖度分级图（已去非草地）

式中，p为转移概率，n为草地植被覆盖类型的数目，pij为草地植被覆盖类型i转化为草地植被覆盖类型j的概率，pij满足以下两个条件：

究以2003、2006、2009和2012年草地植被覆盖度数据为基础，采用草地植被覆盖类型年均转化率替代其转移概率，计算这四期草地植被覆盖等级之间的相互动态变化情况及草地植被覆盖空间分布状态。

表2 2003，2006，2009，2012年各级植被盖度面积及变化

2 结果与分析

2.1 红原县草地植被覆盖度分级图

通过对草地植被覆盖等级反演，获得该县2003、2006、2009和2012年草地植被覆盖度分级图(图1)。

2.2 红原县草地植被覆盖度变化

根据公式（2）计算，红原县2003年、2006年、2009年和2012年四个不同时期草地覆盖情况，并分别进行统计分析，计算出红原县该四个不同时期各级草地植被覆盖度面积及所在百分比（表2）。

研究结果显示，红原县草地覆盖整体状况持续好转，其整体处于中高覆盖度。2003年至2006年高覆盖草地净减123 037.57 km2，中高覆盖、中覆盖、低覆盖和极低覆盖草地分别增加了56 193.47km2、54 041.19 km2、10 831.06 km2、1 971.86 km2。2006年至2009年高覆盖草地增加了31240.97 km2，中高覆盖、中覆盖、低覆盖和极低覆盖草地分别减少了14 874.16km2、10 390.74 km2、3 481.7 km2、2 494.39 km2。2009年至2012年中高覆盖草地增加了113 066.09km2，高覆盖、中覆盖、低覆盖和极低覆盖草地分别减少了86 527.46km2、13 242.81km2、11 002.34km2、2 293.48km2。

从长时间尺度2003至2012年这两期数据整体来看，高覆盖、低覆盖、极低覆盖草地分别减少了178 324.06km2、3 652.98km2、2816.01km2，中高覆盖、高覆盖草地分别增加了154 385.4km2、30 407.64km2。处于中覆盖等级以上的草地覆盖状况在逐渐好转，低覆盖以下的草地面积在逐年减少，整体草地呈向好的趋势发展演替。

2.3 植被覆盖度等级分布动态变化

2.3.1 2003年到2006年期间草地覆盖变化

根据2003年和2006年草地覆盖度情况，计算得到两个阶段的草地覆盖度转移矩阵（表3）。

表3 2003年到2006年草地植被覆盖转移矩阵

表3显示：2003年到2006年一级植被覆盖转出面积为162 826.04km2，其中145 492.96km2由一级植被演变为二级植被，占总转出面积的89.4%；一级植被转入面积为39 788.47km2，一级植被总体转出面积大于转入面积，但转出面积中向二级植被演变比例较大。二级植被覆盖转出面积为106 873.39km2，其中，53 417.83km2由二级植被演变为三级植被，占总转出面积的49.9%，37 139.18km2由二级植被演变为一级植被，占总转出面积的34.7%。二级植被转入面积为163 066.85 km2，主要为一级植被转入，占总转入面积的89.2%。说明二级植被主要与一级植被发生演替，但二级植被总体转出面积小于转入面积。三级植被覆盖转出面积为18 410.33km2，其中12 702.99 km2由三级植被演变为二级植被，占总转出面积的68.9%。三级植被转入面积为72 451.52km2，主要为二级植被转入，占总转入面积的73.7%。四级植被覆盖转出面积为11 591.78km2，其中5 706.2km2由四级植被演变为三级植被，占总转出面积的49.2%。四级植被转入面积为22 422.83km2，主要为二级植被转入，占总转入面积的57.6%。五级植被覆盖转出面积为3 857.46km2，主要转出面积为3 025.33km2，占总转出面积的78.4%，主要转入三级和四级植被。五级植被转入面积为5 829.32km2，主要为二级植被转入。

2.3.2 2006年到2009年期间草地覆盖变化

根据2006年和2009年草地覆盖度情况，计算得到两个阶段的草地覆盖度转移矩阵（表4）。

表4 2006年到2009年草地植被覆盖转移矩阵

表4显示：2006年到2009年一级植被覆盖转出面积只有5.81km2，分别转为二级植被覆盖和三级植被覆盖；一级植被覆盖转入面积为31 246.81 km2，其中31 246.61 km2由二级植被转入，占转入面积的99.9%。2006年至2009年一级植被覆盖转入面积远远大于转出。二级植被覆盖转出面积为31 246.61km2，主要从二级植被转为一级植被覆盖；二级植被覆盖转入面积为16 372.45km2，其中有16 368.25 km2由三级转入，占转入面积的99.9%。三级植被覆盖转出面积为16 368.44km2，主要从三级植被转为二级植被覆盖；三级植被覆盖转入面积为5 977.70km2，其中有5 976.08 km2由四级转入。四级植被覆盖转出面积为5 976.08 km2，全部转为三级植被覆盖；四级植被覆盖转入面积为2 494.38km2，全部从五级植被覆盖转入。五级植被覆盖转出面积为2 494.38km2，全部转为四级植被覆盖。2006年至2009年，红原县草地覆盖整体植被向好转变趋势明显。

2.3.3 2009年到2012年期间草地覆盖变化

根据2009年和2012年草地覆盖度情况，计算得到两个阶段的草地覆盖度转移矩阵（表5）。

表5 2009年到2012年草地植被覆盖转移矩阵

表5显示：2009年到2012年一级植被覆盖转出面积只有130 198.07km2，其中，125 032.43 km2转为二级植被覆盖，占转出面积的96.0%；一级植被覆盖转入面积为43 670.60 km2，其中38 229.64km2由二级植被转入，占转入面积的87.5%。2009年至2012年一级植被覆盖主要与二级植被覆盖发生转换，但转出面积大于转入。二级植被覆盖转出面积为75 200.86km2，主要从二级植被转为一级植被覆盖和三级植被覆盖；二级植被覆盖转入面积为188 266.96km2，其中有125 032.43km2由一级转入，占转入面积的66.4%。三级植被覆盖转出面积为54 600.60km2，主要从三级植被转为二级植被覆盖；三级植被覆盖转入面积为41 357.80km2，其中31 891.42km2由二级转入。四级植被覆盖转出面积为19 924.47km2，其中13640.22 km2转为三级植被覆盖，占转出面积的68.5%；四级植被覆盖转入面积为8 922.138km2，主要从二级植被转入。五级植被覆盖转出面积为3 591.78m2，转入面积为1 298.30 km2。2009年至2012年，红原县二级草地植被覆盖面积增加明显，增加部分恰恰源于其他等级覆盖面积减少的和值。

综合上述，从2003年至2012年，红原县草地植被覆盖状况总体上呈现由两级向中间发展演替的趋势。高覆盖草地向中高覆盖草地转移明显，趋势显著。中高植被覆盖向上级和下级都有所转移，但转出面积远小于转入面积。其余等级向上级或下级都有转移，但向上级转移面积明显大于向下级转移面积。

近年来，由于高覆盖草地处于少量保护和未保护的状况，加上草原超载放牧现象严重，导致高覆盖草地向下一级转移。随着“国家实施退牧还草工程”、“无鼠害示范区建设”、“草原生态补助奖励机制”等项目的实施，中覆盖以下的草地等到了有效治理和重点保护，草地覆盖得到明显提高。这就对红原县的生态保护建设和政策提出来新的问题，既要保护、治理、改良以被破坏的草地，同时还要保护、治理现有的、产量高的优良草地。

3 讨论与结论

1）本文从红原县草地植被覆盖实际情况出发，依据国家标准和遥感数据特征，选择草地植被覆盖作为评价指标，建立红原县草地植被覆盖遥感监测和评价指标体系，得到了2003～2012年植被覆盖变化的空间动态演变过程和趋势，证明以此种方法对大面积草地植被覆盖变化进行研究是可行且准确的。

2）从面积变化及转移矩阵可以看出，中高覆盖草地和中覆盖草地面积整体上呈增加趋势，中高覆盖草地增长最快。高覆盖草地、低覆盖草地和极低覆盖草地面积呈减少趋势。高覆盖草地主要转移为中高覆盖草地，而低覆盖草地和极低覆盖草地主要转移为中覆盖草地。反映了红原县草地演替呈现出由两级向中间发展演替的趋势。

3）利用MODIS数据集对红原县草地植被覆盖空间动态变化的研究表明，MODIS数据集可以用于大尺度的草地植被覆盖变化研究，且效果明显。在今后的研究中，可以考虑选取更高分辨率的影像合成数据，进一步提高植被盖度的提取精度，大力探索和发掘遥感数据在草地资源监测中的应用，为草地生态环境保护及生态恢复等研究提供有效的参考。

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Extraction and Dynamic Change of Remote Sensing Information of Vegetation Fraction in the Hongyuan Grass Land

LU Yan1YAN Ling2TANG Chuan-jiang1ZHANG Xu-xiao1ZHOU Su1
(1-Sichuan Grassland General Workstation, Chengdu 610041; 2-land and cadastre servicing center of Sichuan, Chengdu 610041）

On the basis of monitoring and evaluation indices system for vegetation fraction this paper has a discussion on dynamic change and developmental trend of vegetation fraction in the Hongyuan Grass Land during 2003-2012 with decrease in high, low and lower coverage grassland by 178324.06hm2, 3652.98 hm2and 2816.01 hm2and increase in medium-high and medium coverage grassland by 154385.4 hm2and 30407.64 hm2.

vegetation fraction; grass land vegetation coverage; information extraction; dynamic change; Hongyuan

P627

A

1006-0995（2014）04-0615-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2014.04.033

2013-08-22

鲁岩（1981-），男，吉林省吉林市人，硕士，主要从事草原生态方面的研究和技术推广等工作