基于3S技术的巴林左旗植被覆盖度与地形影响因素分析

张岚彪 张岚晶 冯一帆

(1.内蒙古农业大学草原与资源环境学院，内蒙古 呼和浩特 010020；2.呼和浩特市气象局，内蒙古 呼和浩特 010020；3.青州耐威智能科技有限公司，内蒙古 呼和浩特 010020）

1 研究区概况

巴林左旗地处于内蒙古自治区东南部，赤峰市北部，经纬度范围在东经 118°44′00″～119°48′02″，北纬43°36′53″～48°48′22″之间，研究区东西宽约 52km，南北长约126km，全旗土地总面积为6644km2。

巴林左旗全年四季分明，属于温带半干旱气候，年均降水400mm，年均风速3～4m/s，地形地貌相对复杂，具有山地、丘陵、川地这三种类型用地，山地主要集中于巴林左旗北部和西北部，海拔范围在800～1720m之间，山势陡峭，沟谷纵横，坡度范围较大，主要在25°～45°之间；中南部是丘陵分布区，山势低缓，坡度均小于20°，海拔在500～1000m之间；剩余地区为河谷川地，地势平坦。整个巴林左旗范围内植被覆盖度的获取值分布较为均匀，其中北部和西北部庙子沟——苇子沟——昆都勒——老爷洞一线植被覆盖率接近1，东南部城区植被覆盖度较低，整个东南部区域植被覆盖度在0～0.2之间。巴林左旗的复杂地类导致了植被覆盖度的区域分布相对独立，且特点显著。

2 数据来源与处理

2.1 数据来源

多光谱数据为美国Landsat8卫星的OLI（陆地成像仪）于2014年7月27日的成像数据，包括9个波段，空间分辨率为30m，其中包括一个15m的全色波段，成像宽幅为185km×185km。经查询后发现需要同一天的两景数据拼接才能实现研究区与全覆盖，故此次选择植被状况良好且无云的数据。

传感器 波段 波长(?m) 分辨率(m)b a n d 1-C o a s t a l(气溶胶) 0.43-0.45 30陆地成像仪(O L I)b a n d 2-B l u e 0.45-0.51 30 b a n d 3-G r e e n 0.53-0.59 30 b a n d 4-R e d 0.64-0.67 30 b a n d 5-N I R 0.85-0.88 30 b a n d 6-S W I R 1 1.57-1.65 30 b a n d 7-S W I R 2 2.11-2.29 30 b a n d 8-P a n(全色) 0.50-0.68 15 b a n d 9- C i r r u s(卷云) 1.36-1.38 30

DEM选取了ASTERGDEM的全球30mDEM数字高程数据，一方面更方便与Landsat8数据进行分辨率拟合，另一方面也是作为制作坡度数据的数据源。

2.2 数据处理

通过ENVI软件，将Landsat8数据进行包括辐射定标、大气校正、地形校正、影像拼接、直方图匹配、裁剪等一系列步骤。值得一提的是，由于研究山区地形植被相关的内容，故由于地形起伏以及太阳直射形成的阴坡阳坡而产生的阴影情况对植被影响比较大，而植被在山坡两端出现的的“同物异谱”现象会在很大程度上影响植被光谱特性，故通过太阳高度角、太阳方位角等参数对研究区域地形情况进行校正显得尤为重要。

植被覆盖度选取像元二分模型，公式中对于NDVIsoil和NDVIveg这两个值该实验中分别取NDVI统计值0值以上5%和95%的数据。

对于土地类型的获取则使用了准确度较高的基于最大似然法的监督分类，通过选择训练区定义针叶林、阔叶林、低植被区域、耕地以及城镇共五种地物。

而坡度数据的获取则使用了DEM数据重投影后在ArcGIS软件中的坡度计算工具，其原理可大致概括为通过计算高度变化与水平距离变化的比率的反正切值得出以度为单位的坡度，以百分比形式表示的坡度等于高度变化除以水平距离变化再乘100，即得到水平方向的坡度分布。

3 结果与分析

3.1 植被覆盖率与土地覆盖

植被覆盖度时通常定义下的自然植被面积占地区总面积的比值。在本文中通过归一化植被指数来表示，并进行进一步计算，而归一化植被指数NDVI是遥感影像近红外与红外波段进行归一化的结果参数。利用绿色植物强吸收可见光波段（0.6～0.7μm）和高反射近红外波段（0.7～1.1μm）的特性。通过变换，增强植被信号，削弱噪声组合而成。NDVI被定义为近红外波段与可见光波段数值之差和这两个波段数值之和和比值，计算公式：

其中，b(NIR)为近红外波段，b(RED)为红光波段。

植被覆盖度则由以下公式表示：

其中，NDVI即为研究区域的NDVI值，NDVIsoil和NDVIveg分别为裸土和完全被植被覆盖的地表的归一化植被指数。

植被覆盖指数 0 0-0.2 0.2-0.4 0.5-0.8 0.8-1

植被覆盖度如上表所示,整个研究区的总面积为647068公顷，植被覆盖度的分布整体呈现出西北高，东南低的特点，由西北向东南植被覆盖度逐渐降低，其中植被覆盖度低于0.2的面积为163491公顷，占总面积的25.27%，低覆盖率的地区主要集中在巴林左旗的东南部野猪沟乡、毛宝力格乡、隆昌镇、白音敖包乡、查干哈达苏木、白音沟乡、福山地乡、宝力罕吐乡、哈达英格乡北部和丰水山乡部分地区，其中又以丰水山乡、查干哈达苏木、白音沟乡和毛宝力格乡的植被覆盖度最差；植被覆盖度高于0.8的面积为100520公顷，占总面积的15.53%，主要分布在研究区西北部和西部的白音乌拉苏木，浩尔吐乡和乌兰达坝苏木；剩余地区的植被覆盖度在0.2～0.8之间，主要分布在四方城乡，三山乡，碧流台乡，杨家营子镇和哈拉哈达乡。

通过对整个巴林左旗研究区的植被覆盖度的统计分析，发现该研究区的植被覆盖度从0到1囊括整个区间，且五类分布区间的对应面积样本足够大，有利于开展相应研究；植被覆盖度在研究区的空间分布上较为均匀，且较为整齐，有利于从整个研究区宏观的角度分析植被覆盖度与地面高程、坡度等因子的相关性和未来的演变趋势。

根据巴林左旗的实际土地覆盖情况，将其按不同的植被覆盖类型分为五类：针叶林、阔叶林、耕地、低植被土地、城镇。由土地覆盖类型图可以看出，巴林左旗的植被覆盖率较高。且植被类型较为丰富，针叶林集中在巴林左旗北部和西北部的白音乌拉苏木，浩尔吐乡和乌兰达坝苏木，相对应也是植被覆盖对最高的的区域，植被覆盖指数达到80%以上；阔叶林占据北部大部分地区，其中间或存在低植被区域，主要是一些灌木和矮乔木；中南部的大面积范围是低植被地区，主要分布在白音沟乡、丰水山乡、宝力罕吐乡和白音敖包乡。城镇在巴林左旗的分布范围较小，主要集中在林东镇和福山地乡附近；耕地在研究区范围内的分布较少，将土地利用数据与地面高程数据相对比，可以明确耕地主要分布在城镇附近及中北部山脚下。由于本文着重研究植被覆盖度与影响因子的关系，从另外的角度考量耕地与植被覆盖的关系。

对比植被覆盖指数和土地利用分类图，在城镇较为集中的林东镇和福山地乡地区，植被覆盖度很低，因此，在对植被覆盖度和其他因子进行相关性分析时，要尽量去除这部分地区对于相关性分析的影响。耕地在植被覆盖度的图像上也显示有较高的植被覆盖指数，但本文的研究内容为植被，因此，要排除耕地的影响。

3.2 DEM与植被覆盖度相关性分析

地面高程（DEM）数据反映的是对应栅格点的高程值，在巴林左旗研究区范围内，DEM的取值范围是376～1727m。通过ArcGIS软件按照自然间隔分级的方法重分类为十类，分类区间如下表，各类高程分别占 总 面 积 的 11.77% 、13.92% 、15.40% 、16.20% 、15.34%、10.95%、7.61%、4.68%、2.91%、1.12%。

由下图可看出，DEM小于1000m的面积占大多数，其中主要分布在研究区的东南部和中部野猪沟乡、毛宝力格乡、隆昌镇、白音敖包乡、白音沟乡、福山地乡、宝力罕吐乡、哈达英格乡、丰水山乡，十三敖包乡和碧流台乡，又以白音敖包乡、隆昌镇和毛宝力格乡的DEM最小；DEM 大于1000m主要分布在西北部和西部的白音乌拉苏木，浩尔吐乡和乌兰达坝苏木地区。

高程(m) 植被覆盖 0 0-0.2 0.2-0.5 0.5-0.8 0.8-1 11.77%376-524 9035 30899 20394 12910 2903 76141524-635 11381 34792 30474 10002 3765 90414635-736 8741 28995 41963 17114 2866 99679736-826 3085 18082 49410 30365 3872 104814826-916 1252 10729 45092 35868 6304 99245916-1011 697 4003 22228 27836 16102 708661011-1112 332 852 7274 16274 24486 492181112-1223 40 231 2741 7165 20121 302981223-1372 18 120 765 2925 15039 188671372-1727 12 120 610 1530 4970 7242

分析植被覆盖度和DEM的相关性。为规避太多小值点和非自然植被植被因素的结果，影响相关性分析，故在针叶林、阔叶林以及低植被区域提取500个对应点的植被覆盖度和DEM，进而分析二者之间的关系。将所提取的植被覆盖度以及DEM数据导入统计软件SPSS中进行统计分析，通过散点图展现二者的相关性如下图：

通过散点图和统计表可分析得出植被覆盖指数和地面高程具有线性相关的特性。当DEM的取值范围较小，在376～524m,524～635m,635～736m这三个DEM分类时，对应地区白音敖包乡，丰水山乡，白音沟乡和隆昌镇的植被覆盖对应值也在0和0～0.2之间；地面高程在 1112～1223m，1223～1372m，1372～1727m的区间时，对应地区白音乌拉苏木，浩尔吐乡和乌兰达坝苏木的植被覆盖指数的取值范围在0.8～1之间。因此，DEM和植被覆盖指数具有正相关性。

由分析可得植被覆盖指数和地面高程的强相关性，在某段DEM的取值范围内，随着地面高程的增加，植被覆盖度也在提高。随着高程的升高，人类对于森林木材的开发和利用的成本率大大提高，再加上人类生产生活主要集中在高程较低的林东镇，福山地乡，白音敖包乡等地，使得西北部山区的植被覆盖度达到一个很高的数值。同时，西北部山地的土壤侵蚀较轻，没有农牧业对植被的破坏，所以，这部分地区植被覆盖度较高。

3.3 坡度与植被覆盖度相关性分析

本文坡度分级按照 0～5°，5～10°，10～15°，15～25°，25～65°这5级划分。并根据分级整理出巴林左旗的坡度分布图(上图)：

由巴林左旗坡度分布可知，西北地区多山，地势陡峭，东南地区相对平坦，坡度多小于10°，适合农耕或放牧。

V F C S l o p e(°) 0～5 5～10 10～15 15～25 25～65 合计0 12540 11800 5261 3831 1163 345940-0.2 46951 45408 19853 13214 3398 1288230.2-0.5 66711 73672 39656 31228 9682 2209500.5-0.8 46101 48564 28842 28140 10341 1619890.8-1 14381 22706 22697 30084 10560 100428合计 186683 202149 116309 106497 35144 646783

坡度分布反映了该地区的山川走势，根据坡度-植被覆盖度分布可知，按照坡度分级，坡度小于25o时，植被覆盖度在0.2～0.5占比最多，分别占36%、36%、34%、29%；植被覆盖度为0占比最小，分别占7%、6%、5%、4%；坡度大于25°时，植被覆盖度大于0.8占比最大，为30%，植被覆盖度为0占比最小，为3%。且随着坡度的增加，植被覆盖度逐渐上升，尤以昌隆镇和毛宝力格乡最为明显，这两个地区的坡度低于10°植被覆盖度均在0.2左右，而浩尔吐乡和白音乌拉苏木，坡度多大于15°，植被覆盖度均大于0.2，且多数大于0.5。四城相比，明显在巴林左旗中，坡度与植被覆盖度呈现正相关的关系。但是由于林东镇周围的工程及人为干预，两者之间的相关关系减弱。

整体而言，植被覆盖度在0.5～0.8之间的地区在不同坡度分布比较均匀，分别为25%、24%、25%、26%和29%。随着坡度增加，植被覆盖度大于0.8的比例增加，植被覆盖度低于0.2的比例降低，且植被覆盖度在0.2～0.8之间的地区占比均大于50%，分别为60%、60%、59%、56%和 57%。

以查干哈达苏木——哈达英格乡——林东镇——宝力罕吐乡——花加拉嘎乡为界，西北地区坡度明显大于东南，植被覆盖度显著占优，全巴林左旗植被覆盖度在0.2～0.5最多，有220950公顷，占整体的34%，植被覆盖度为0的最少，只有34594公顷，占整体的5%。且由于人为的开发利用，除了位于浩尔吐乡的水库外，多数的裸地（植被覆盖度为0）分布于东南部的地势平缓地区。

4 结论

利用遥感影像和数字影像数据经过遥感处理（辐射定标、大气校正、地形校正、影像拼接、直方图匹配、图像裁剪），提取地表植被覆盖度信息——NDVI和通过监督分类提取的土地利用数据。结合空间分析软件ArcGIS，对地面高程DEM，植被覆盖率和土地利用的空间分布进行分析：DEM在空间范围内呈现北高南低的特点，并从西北山地向东南平原渐次降低；植被覆盖率在西北部山地区接近与1，南部人类活动区植被覆盖率较低，在城镇中心附近约为0；从土地利用的角度来对比植被覆盖率，植被覆盖率由针叶林——阔叶林——耕地——低植被土地——城镇依次降低。

将植被覆盖率与DEM和坡度两个地形元素进行对比，通过统计软件SPSS分析两个因子分别与植被覆盖度的相关性。将DEM分为七级，通过分析植被覆盖度与DEM的相关性，发现这两者之间具有强相关性，在某段DEM的取值范围内，地面高程的增加，植被覆盖度也随之提高。将坡度分为五级，整体范围内分析得出两者之间的相关性并不强，但在坡度低于10°的昌隆镇和毛宝力格乡，坡度大于15°浩尔吐乡和白音乌拉苏木，坡度与植被覆盖度呈现正相关的关系。但是由于人为开发等各种因素的影响，林东镇附近两者之间的相关关系大大减弱。整体而言，大部分植被覆盖度较低的区域分布于东南部的地势平缓地区。

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