基于NDVI的生态环境变化分析_以福建省龙岩市长汀县为例.pdf

204 陈增文：基于 NDVI 的生态环境变化分析以福建省龙岩市长汀县为例 基于 NDVI 的生态环境变化分析 以福建省龙岩市长汀县为例 基于 NDVI 的生态环境变化分析 以福建省龙岩市长汀县为例 陈增文（福建省环境监测中心站，福建 福州 350003）陈增文：基于 NDVI 的生态环境变化分析以福建省龙岩市长汀县为例 摘 要：摘 要：以 TM 数据为基础，提取长汀县 2000 年和 2010 年的归一化植被指数（NDVI）值，并通过 NDVI的分类和转化以及其与植被覆盖度的对应关系，统计分析区域生态环境的变化情况。结果表明，长汀县建设用地十年增加了 0.55 个百分点，耕地保有量仍有 10.01%，而通过十年来的水土流失治理，该区域的植被覆盖率显著提高，二级植被覆盖度地面积增加了 259.96 km2。关键词：关键词：长汀县；NDVI；植被覆盖度；生态环境 引言 引言 归一化植被指数（NDVI）是植被生长状态和植被覆盖度的最佳指示因子，对环境变化反映十分敏感1-2。同时，NDVI在对土地利用的分类中不受样本精度影响，提取效果较好，且通过对像元灰度值的统计可获得变化区域的定量信息3。因此 NDVI 被认为是监测地区或全球植被或生态环境变化的有效指标4。近年来，区域生态环境变化研究成为全球变化科学研究的热点领域，很多学者在基于 NDVI 的植被覆盖、农业生产、土地利用和动物保护等生态环境领域的变化研究方面做了很多的探索和实践5-8。笔者以长汀县为例，采用空间分辨率为 30m 的 2000 年和2010 年的 LANDSAT/TM数据，通过 NDVI 值以及灰度值与植被覆盖度的对应关系对该地区十年土地利用变化和植被覆盖度变化进行了遥感监测，探讨NDVI 值变化对生态环境变化的指示作用，同时为该地区生态建设提供决策支持。1 研究区概况 1 研究区概况 长汀县位于福建西南部闽赣交界区域，地处武夷山脉南段，位于北纬 251840260205、东经11600451163920之间，北邻宁化，南接武平、上杭，东接清流、连城，西与江西瑞金交界，总面积 3039.33 km2。长汀县属于中亚热带季风性湿润气候，年平均气温 18.3，年均降雨量为 1730.4 mm，降雨年内分配为双峰型，降雨量集中，降雨强度大，风向季节性变化显著。区域内的地貌以丘陵为主，为丘陵红壤区。2 材料与方法 2 材料与方法 2.1 数据来源 本研究所采用的遥感影像是 2000 年和 2010 年的Landsat/TM 影像数据，空间分辨率为 30m30m，光谱分辨率为 7 波段多光谱数据。影像清晰，云、雾量基本无，图像质量良好。辅助资料是长汀县的基础地理数据，主要是长汀县土地利用现状图、地形图及行政区域图。2.2 数据处理方法 几何纠正：以 ERDAS IMAGINE 9.2 软件为操作平台，利用长汀县 1:10 万地形图作为参考图像，选取地面同名控制点，采用二次多项式法对两期期遥感影像进行几何精校正，控制纠正误差低于 0.5 个像元。辐射校正：以 ERDAS IMAGINE 9.2 软件为操作平台，采用直方图法对两期影像进行辐射校正。首先对影像进行一次直方图均衡，然后以其中一期影像为参照影像，对两期影像进行直方图匹配，以使得两幅影像的辐射特征基本一致。2.3 归一化植被指数（NDVI）归一化植被指数（NDVI）被定义为近红外波段与红色波段反射率的一种比值变化形式：NDVI（NIRRED）（NIRRED）比值形式的 NDVI 可以使某些与波段正相关的噪声及直射辐射或漫反射辐射发生变化，使云、云影、太阳角和视角、地形、大气削弱等影响最小化，还可在一定程度上消除定标和仪器误差的影响4。NDVI 值的取值范围为1.0 1.0 之间，其中，云、水、雪在可见光波段比近红外波段有较高的反射作用，因而2012 年 第 6 期2012 年 6 月化学工程与装备 Chemical Engineering&Equipment 陈增文：基于 NDVI 的生态环境变化分析以福建省龙岩市长汀县为例 205 其 NDVI 值为负值；岩石、裸土在两波段有相似的反射作用，因而其 NDVI 值近于 0；绿色植被在近红外波段具有高反射而在红光波段具有强吸收的特点，因而其 NDVI 值为正值，且随着植被覆盖度的增大而增大9。2.4 差值法10 图像差值法是将分属两个不同时间的遥感影像数据严格配准，然后逐个像元相减，得到一幅结果影像表示该时间内某个区域的变化情况，通过设定合适的阈值即可定量得到地表变化的结果，该方法增强了变化信息，抑制了背景信息（未变化信息）。2.5 像元二分模型 一个“混合像元”的信息是由植被与非植被两部分组成，其像元归一化植被指数（NDVI）值为植被覆盖部分的 NDVI值（NDVIg）与非植被覆盖部分的 NDVI 值（NDVI0）的加权平均和11，即：NDVIgNDVIg（1g）NDVI0 根据陈云浩等11的密度模型假设，本研究中 NDVIg和NDVI0分别取值最大和最小归一化植被指数，则植被覆盖度g可由上式变换得到：g（NDVINDVImin）（NDVImaxNDVImin）3 结果分析 3 结果分析 3.1 NDVI 值变化分析 Landsat/TM 数据的 NDVI 值由第 4 通道近红外波段和第3 通道红光波段发射率值计算得到，即：NDVI(Band4Band3)(Band4Band3)通过上述方法计算得到长汀县 2000 年和 2010 年的NDVI 值专题图，如图 1、图 2 分别是 2000 年、2010 年长汀县 NDVI 值的空间分布情况。长汀县 2000 年的 NDVI 值的变化范围为-0.659 0.395，加权平均数为-0.0052；2010 年的 NDVI 值变化范围为-0.661 0.383，加权平均数为-0.0041。2010 年的 NDVI 最大值小于 2000 年的最大值，但2010 年的加权平均数大于 2000 年，说明长汀县 2010 年比2000 年的高盖度植被有所减少，但是整体植被覆盖度有一定的提高。利用差值法并分别设定阈值-0.15 0.15 为未变化区域，-0.15 -0.3 和 0.15 0.3 为略微变化区域，-0.3 -1.0 和 0.3 1.0 为明显变化区域，提取长汀县 NDVI 值的变化区域，见图 3 黑色部分为 NDVI 值发生明显变化的区域，灰色部分为略微变化区域，白色部分为未变化区域。长汀县NDVI 值略微变化像元数为 196063，占总像元数的 5.81%；明显变化像元数为 168755，占总像元数的 5.00%，主要变化区域集中在长汀县西南部。3.2 土地利用变化分析 通过对 NDVI 值的划分和归类，可以获得土地利用的定量信息。为了便于显示及输出，将 NDVI 数值转换成 0 255，即：NDVIldNDVI127128 分别以 80、85、105、128 为界值，将 NDVIld值划分为五类土地利用类型，并统计其变化量。图 1 长汀县 2000 年 NDVI 专题图 图 2 长汀县 2010 年 NDVI 专题图 206 陈增文：基于 NDVI 的生态环境变化分析以福建省龙岩市长汀县为例 图 3 长汀县 2000 年2010 年 NDVI 值变化图 表 1 土地利用类型统计表 2000 年 2010 年 类别 灰度值 像元数（个）百分比（%）像元数（个）百分比（%）变化量（百分单位）河流、水系 0 80 13216 0.39 13056 0.39 0 居民地 81 85 36723 1.09 55383 1.64 0.55 耕地、农田 86 105 464200 13.75 338304 10.01-3.74 低盖度植被 106 128 1155352 34.21 1173948 34.76 0.55 植被 129 255 1707544 50.56 1796344 53.20 2.64 如表 1，随着县域经济的发展和城镇用地的增加，2010年长汀县居民用地比 2000 年增加了 0.55 个百分点，而耕地和农田减少了 3.74 个百分点，长汀县在满足城镇发展所需的建设用地增加的情况下，切实保护耕地，耕地保有量在2010 年仍有 10.01%。同时，长汀县加强水土流失治理，植树造林，2010 年长汀县植被地增加了 3.19 个百分点，植被覆盖度有一定的提高，为了分析具体植被覆盖度的变化，必须对 NDVI 值进行进一步转化。3.3 植被覆盖度变化分析 为了便于显示和计算将植被覆盖度乘以 255，即：g（NDVINDVImin）（NDVImaxNDVImin）255 根据计算结果将植被覆盖度分为五级，分别为优等、良等、中等、差等和劣等，各覆盖等级所表示的地表覆被情况如表2所示，其中30%覆盖度是疏林地的上限和林地的下限，5%以下的覆盖度为基本无覆盖。表 2 植被覆盖度分级 级别 灰度值 植被覆盖度 地表覆被 覆盖等级 一级 191 255 60%密灌木林地、密林地 优等 二级 156 190 30%60%灌木林地、林地、高盖度草地等 良等 陈增文：基于 NDVI 的生态环境变化分析以福建省龙岩市长汀县为例 207 三级 139 155 15%30%疏林地、中低盖度草地等 中等 四级 129 138 5%15%零星植被、稀草地、旱地等 差等 五级 0 128 5%裸地、迹地、建设用地、水域、水田等 劣等 根据植被覆盖度分级标准，统计得到 2000 年、2010 年的各级植被覆盖面积和百分比，并统计变化量，如表 3 和图4。表 3 植被覆盖度及变化量统计 2000 年 2010 年 变化量 变化率 级别 面积（km2）百分比（%）面积（km2）百分比（%）面积（km2）百分比（%）一级 654.74 21.54 591.76 19.47-62.97-9.62 二级 1010.18 33.24 1270.14 41.79 259.96 25.73 三级 444.66 14.63 443.79 14.60-0.86-0.19 四级 247.44 8.14 208.83 6.87-38.60-15.60 五级 682.32 22.45 524.80 17.27-157.52-23.09 2000 年至 2010 年间，长汀县一级植被覆盖地减少了62.97 km2，二级植被覆盖地增加了 259.96 km2，三级植被覆盖地变化不大，四级植被覆盖地减少了 38.60 km2，五级植被覆盖地减少了 157.52 km2。2010 年二级植被覆盖地相比 2000 年增加了 25.73%，而四级和五级植被覆盖地相比2000 年分别减少了 15.60%和 23.09%。长汀县从上个世纪八十年代以来一直都在加强水土流失的治理工作，近十年来，长汀县的水土流失治理经验不断发展成熟，治理效果显著，昔日的荒山秃岭如今都变成一片青葱翠绿，森林覆盖率在不断提高，四级以下植被覆盖地由 2000 年的 30.59%减少到24.14，减少了 6.45 个百分点；而二级以上植被覆盖度由2000 年的 54.78%增加到 61.26%，增加了 6.48 个百分点。图 4 长汀县 2000 年2010 年植被覆盖度变化情况 3.4 生态环境变化分析 长汀县在 2000 年至 2010 年间，随着经济发展建设用地增加的同时，植被覆盖度也有较大幅度的增加。长汀县曾经是我国南方红壤区水土流失最严重的县份之一，经过 20 多年的治理，水土流失得到了有效的控制，植被覆盖率不断提高，治理效果显著，有力地促进了当地经济社会的发展，促进了生态环境的良性循环。4 讨论 4 讨论（1）利用 NDVI 值对研究区进行土地利用类型的划分目前还不是很多，万雪3和赵群等9分别对武汉和太原盆地地区开展了此类研究，所采用的划分标准不尽相同，在进行精度验证时发现有一定的偏差，但总体可控。NDVI 值对土地利用类型的分类在非植被地区还不是非常成熟，对地类的细化上有一定的困难，有的地区偏差较大，今后需结合野外实地验证，确定各类土地利用类型的 NDVI 值，以提高其分类的精度。（2）归一化植被指数（NDVI）作为植被变化的指示因子，具有很强的敏感性，在分析植被覆盖度变化方面较为成熟，但 NDVI 值所对应的植被覆盖度的划分标准上不同的学者有不同的看法，需要进一步的研究，探讨其共性。（3）归一化植被指数在研究大尺度区域的植被覆盖变化具有快速准确的优势，同时，通过一定的分类标准可以定量获取区域植被覆盖度的变化信息，给宏观决策提供一定的科学支持。（下转第 216 页）（下转第 216 页）216 雷 莹：宁德市近岸海域海水环境质量变化趋势及防治对策 和环保验收关，对“三废”治理技术、排海技术施工和竣工验收都要严格实行审批制度，同时应加强环保设施的运行管理，必须杜绝事故排放的发生，对建设项目切实进行全过程的监督与管理，防止污染，以确保达到环境功能区划规定的水质控制目标。4.2 实施污染物总量控制，减少和控制陆域污染物入海量 减少和控制陆域污染物入海量是保护和改善海域环境的根本途径之一。保护海域环境，应实施污染物总量控制制度，全面实现工业污水达标排放。根据总量控制要求进行环保管理严格把关，新项目严格执行环保“三同时”制度，满足总量控制指标，旧企业改造应严格执行增产不增污原则。加快工业污染源治理和城市生活污水处理、垃圾处理工程建设，减少陆源污染物入海量，严格控制新污染源的产生，防止海洋环境退化。4.3 节水减污，提高工业用水重复利用率 节水减污是控制工业废水污染的另一重大措施。工业节水，投资省，效果显著又可减少排污，是一项重要的对策和措施。充分重视对企业节水潜力的挖掘，进一步提高工业用水的重复利用率，以节水减污。4.4 推广生态养殖模式，减少海洋养殖自身污染 宁德市在近期内还将保留一定量的养殖，而宁德市近岸海域目前资源开发仍以传统开发为主，如海水养殖业仍以粗放式为主，科技含量不高，养殖业尚缺乏合理的规划，其密度过大，造成水产养殖自源污染。应通过发展生态渔业，减少海洋养殖自身污染。实行清洁生产，减少或避免药物的残留及副作用。4.5 强化近岸海域环境管理机构建设 福鼎市、霞浦县、福安市、蕉城区人民政府要对本辖区的海域环境质量负责，把近岸海域环境保护工作真正地纳入政府工作的议事日程，并加强领导，实行环保目标责任制，层层落实，把近岸海域环境功能区划目标作为考核领导干部政绩的指标内容，真正做到领导重视、责任落实、各部门通力合作，同时还应做好协调工作，齐抓共管，共同努力，防治近岸海域污染。参考文献 参考文献 1 福建省环境保护厅.福建省环境质量报告书.2011.2 雷 莹.宁德市近岸海域水质趋势分析及防治对策/首届全国近岸海域环境监测技术研讨会论文集C.2005.3 GB3097-1997 海水水质标准S.4 宁德市环保局.福建省宁德市环境质量报告书.2011.（上接第 207 页）（上接第 207 页）参考文献 参考文献 1 赵英时.遥感应用分析原理与方法M.北京:科学出版社,2003.2 郭建坤,黄国满.1998 年2003 年内蒙古地区土地覆被动态变化分析J.资源科学,2005,27(6):84-89.3 万 雪.基于 NDVI 城镇土地利用变化检测探讨J.地理空间信息,2009,7(4):111-113.4 苏 琦,杨凤海,王明亮,等.基于 K-T 变换的 NDVI提取方法研究J.测绘与空间地理信息,2010,33(1):150-152.5 吕 蒙,钟悦之.NDVI 在生态环境研究中的应用进展J.农村经济与科技,2011,22(6):11-14.6 赵 静,姜琦刚,李卫东,等.基于 NDVI 变化的三江源生态环境演变分区研究J.世界地质,2008,27(4):427-431,448.7 尹 超,王艳芳,张爱国.基于 NDVI 的临汾市植被覆盖动态变化遥感监测研究J.山西师范大学学报（自然科学版）,2011,25(3):125-128.8 拉马丹,冯学智,张友水,等.基于 NDVI 和纹理变化的城镇扩展检测以浙江省绍兴市为例J.遥感信息,2003(3):41-43.9 赵 群,刘 云.基于 NDVI 的太原盆地植被覆盖度变化初步分析J.北京农学院学报,2007,22(1):68-71.10 Singh A.Digital change detection techniques using remotely sensed dataJ.International Journal of Remote 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