云南师范大学，云南 昆明

收稿日期：2020年10月17日；录用日期：2020年11月18日；发布日期：2020年11月25日

摘要

为了解云南石林县的植被覆盖度变化时空特征，选用Landsat7 ETM SLC和Landsat8 OLI的遥感影像数据，运用ENVI和ArcGIS计算得到石林县的植被覆盖度并对其动态变化进行相应分析。结果表明：1) 2000年石林县的NDVI平均值为0.6967，而2015年石林县的NDVI平均值为0.7549，15年间增长了5.8%。2) 在空间上：石林风景区及县城周边的植被覆盖度较同期其他区域的植被覆盖度低，高海拔地区的植被覆盖度较同期其他区域的植被覆盖度高。3) 植被覆盖度下降的植被覆盖区有中度植被覆盖区，下降了0.6%，中高植被覆盖区下降了17.9%；高植被覆盖区上升了18.5%；植被由低植被覆盖度向高植被覆盖度演变。4) 植被覆盖度提高的原因有三点：退耕还林工程的实施、沼气池、煤气和电的使用及喀斯特地区的生态治理。

关键词

植被覆盖，石林县，时空变化

The Space-Time Characteristics of Vegetation Cover Change in Shilin County, Yunnan Province

Wenjing He, Wenrong Ding

Yunnan Normal University, Kunming Yunnan

Received: Oct. 17^th, 2020; accepted: Nov. 18^th, 2020; published: Nov. 25^th, 2020

ABSTRACT

In order to understand the time-space characteristics of the change of vegetation coverage in Shilin County, Yunnan Province, the remote sensing image data of Landsat7 ETM SLC and Landsat8 OLI were selected, and the vegetation coverage of Shilin County was calculated by ENVI and ArcGIS and its dynamic changes were analyzed accordingly. The results showed that: 1) The average NDVI in Shilin County in 2000 was 0.6967, compared with the average NDVI of Shilin County in 2015 was 0.7549, an increase of 5.8% in 15 years. 2) In space: vegetation cover in Shilin Scenic Area and surrounding county towns is lower than in other areas during the same period, and vegetation cover in high altitude areas is higher than in other areas during the same period. 3) The vegetation cover area with decreased vegetation coverage decreased by 0.6%, the medium-high vegetation cover decreased by 17.9%, the high vegetation cover area increased by 18.5%, and the vegetation evolved from low vegetation cover to high vegetation cover. 4) There are three reasons for the improvement of vegetation cover: the implementation of the project to return to the forest, the use of biogas digesters, gas and electricity, and ecological management in the Karst area.

Keywords:Vegetation Cover, Shilin County, Temporal and Spatial Variation

Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc.

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1. 引言

植被给人类提供的多种服务功能是人类生存和发展的基础，其功能包括有机质的合成和生产，营养物质的储蓄和循环，土壤肥力的更新和保持，气候的调节，环境的净化等。植被功能对人类具有重要的价值，所以植被覆盖的研究从未间断并且一直是重点研究的领域，研究且熟悉区域的植被覆盖现状，对维持生态系统物质和能量的收支平衡有着至关重要的作用。

植被覆盖度是指植被群落投影在地面上的面积占研究区域总面积的比值(%)。植被覆盖度是描述植被群落及生态系统的关键数据，在植被覆盖现状和研究态势、生态环境质量调查以及其它研究范畴，都有普遍的运用 [1] 是体现一个区域森林面积、资源丰富度和造林程度同时也是决定森林经营和开发利用政策的指标。植被作为地理环境的重要组成要素并不是一成不变的，伴随着温度，水分，光照，风，湿度等环境因素发生连续的变化。

植被覆盖变化的研究可以揭示植被覆盖现状和演变态势，该研究对石林县环境变化以及改善和评价生态环境具有指导意义。

2. 研究区概况

如图1，石林彝族自治县处于云南省的东部，介于东经103˚10'至103˚30'，北纬24˚35'至25˚3'，北与陆良县相接，东南分别同泸西县、弥勒市接连，西部和西北部与宜良县接壤 [2]。全县国土面积为1777 km²，县城距省会昆明78 km。东部地势高，西部地势低，最高海拔为东部老圭山主峰达2601 m，最低点为巴江出境处。属于亚热带高原干湿季风气候，降水主要集中在一月份，十一月至第二年四月是少雨季，有“冬无酷寒，夏无严暑，全年如春，干湿交替”的气候特点。

2015年年底，石林县的常住人口为25.8万人，城镇化比率达40.1%。户籍人口98,479户，249,627人，有汉、白、彝、苗、傣、壮、哈尼、回等26个民族 [2]。同时拥有国家级风景名胜区——石林风景区。

图1. 石林县区位图

3. 数据来源与方法

3.1. 数据来源

本文数据源包括遥感影像数据，在地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)中选中Landsat8 OLI-TIRS卫星数字产品搜索石林县2015年11月20日的遥感影像图，条带号为129，行编号为43。再选中Landsat7 ETM SLC卫星数字产品搜索石林县2000年11月2日的遥感影像图，条带号为129，行编号为43。两幅遥感影像图的云量均 < 5%。利用ENVI 5.3 (64-bit)对以上遥感数据进行处理。

3.2. 研究方法

研究流程如下图2所示。

图2. 研究流程图

3.2.1. 归一化植被指数法

以在0.69 μ在m处植被叶绿素的强吸收率为依据借助于红外波段和洪波段的组合表述信息状态即被称之为植被指数。而归一化植被指数作为一个重要的数值，被用于反映生物量和植被覆盖的情况 [3]。在遥感图中红光波段和中近红外波段两者的反射值差值和两者之和被视为重要的参数可以描述反映植被的基本状况，例如生长情况，这样的指数即被称之为归一化植被指数(NDVI) [4] [5]。归一化植被指(NDVI)可以在植被活动研究中间接或直接使用。

其计算公式为：

$\text{NDVI}=\frac{\text{NIR}-\text{R}}{\text{NIR}+\text{R}}$ 公式1

式中：R是可见光红外波段(0.58至0.68 μm)的反射率；NIR是近红外波段(0.725至1.1 μm)的反射率。

不同来源的遥感数据，NDVI计算公式也有所区别，对于Landsat8-OLI来说，由于其近红外波段对应的是5波段，可见光红外波段对应的是4波段，但对于Landsat4-5近红外波段对应的是4波段，可见光红外波段对应的是3波段因此，其NDVI计算公式为：

$\text{NDVIlandsat8}=\frac{\text{Band}5-\text{Band}4}{\text{Band}5+\text{Band}4}$ 公式2

$\text{NDVIlandsat4}-\text{5}=\frac{\text{Band}4-\text{Band}3}{\text{Band}4+\text{Band}3}$ 公式3

3.2.2. 植被覆盖度的计算

植被覆盖度是植被在地面的垂直投影面积占整个研究区域总面积的百分比。实验证明随着NDVI值的增加，植被覆盖度也随着增加。把复杂的混合像元分解为简单的单一像元，进而得出植被覆盖度，将整个遥感图像划分为植被、建筑物、水体等 [6]。具体的计算公式如下：

$\text{FV}=\left(\text{NDVI}-\text{NDVIsoil}\right)/\left(\text{NDVIveg}-\text{NDVIsoil}\right)$ [7] 公式4

3.2.3. 植被覆盖度的分级分类

为研究石林县喀斯特地区植被NDVI年际变化的特征，此文根据甘春英等的研究成果 [8]，将喀斯特地区NDVI值划分为五个等级，分级指标为：极低植被覆盖度、低植被覆盖度、中植被覆盖度、中高植被覆盖度、高植被覆盖度 [9]。

图3. 2000年和2015年的NDVI图

4. 石林县植被覆盖动态变化

4.1. 归一化植被指数法(NDVI)的动态分析

如图3，对比2000年和2015年的NDVI值，可以发现2000年的石林县的NDVI平均值为0.6967，而2015年石林县的NDVI平均值为0.7549，十五年期间增长了5.8%。

4.2. 植被覆盖度的动态分析

根据植被覆盖度计算法、公式4得到2000年和2015年的植被覆盖图(图4)：

图4. 2000年和2015年的植被覆盖图

4.2.1. 植被覆盖的空间分布

比较2000年和2015年的植被覆盖度图(图4及图5)，可以得出结论：石林县的整体植被覆盖率正在上升。石林风景区的植被覆盖度较其他区域的植被覆盖度低，但2000年至2015年表现为增加的趋势，主要得益于退耕还林工程的实施以及石林县出台的各项。小圭龙，落水洞，长跨，阿怒山，保家啃，南大村植被覆盖度大大有所增加。植被覆盖度增加最突出的是为西街口，芭茅，塘紫处，绿水，新木凹。植被覆盖度最高值点出现在圭山一带，小圭龙和大圭龙周边，随着海拔的升高，居住的适宜程度逐渐降低，人口数量也越来越少，人们对植被的破坏明显不断减小。

石林县城的植被覆盖度较低，石林县城水资源充足，交通便利。全县人口大多数主要分布与该地，生活用地、生产用地、交通用地和建设用地占据了大面积的土地，人类活动是影响植被的首要因素 [9]。

4.2.2. 不同等级植被覆盖变化

根据研究方法2.2.3得出石林县NDVI变化序列。

此外，从表1中可以看出2000年和2015年石林县各级别植被的NDVI变化很大。除了高植被覆盖区面积有减少的趋势外，其他等级植被区面积都为下降的趋势。其中，其中高植被覆盖区面积增加了328.87 km²，中度植被覆盖区面积、中高植被覆盖区面积、分别下降了11.43 km²，317.45 km²。由此，中度和中高植被覆盖区面积削减的主要原因是高植被覆盖区面积的增长。

图5. 石林县不同植被覆盖度分级

表1. 2000年和2015年石林县NDVI变化序列(km²)

注：表中/后数字为同年植被覆盖度面积占当年石林县地域总面积的百分比 [9]。

4.2.3. 植被覆盖的时间变化

利用ENVI软件统计出2000年和2015年的归一化植被指数灰度值(DN)的Mean、Max、Min，绘制出下表2。

表2. 石林县2000年和2015年归一化指数灰度值的Min、Mean、Max

从表2上可看出近10年间石林县的植被覆盖呈上升趋势。

4.3. 植被覆盖度变化的原因

4.3.1. 退耕还林工程

截止2012年石林县森林覆盖率达到45.4%，退耕还林3.2万亩 [2]。在保持生态效益稳定的前提下，退耕还林工程也应考虑乡村产业结构的调整，围绕政府提出的经济发展政策，基于石林县的突出资源优势，因地制宜发展特质产业，进一步改善产业结构，稳固发展粮、烟、畜等根基产业，不断推动花卉、枇杷、果蔬、苗圃、人参果“五个一万亩”示范基地的建成 [2]，积极开展多样化农业，开展农业生产一体化、经营销售规模化。前期退耕还林工程的努力和后期的保持是目前植被覆盖度得以提高的重要原因之一 [10]。

4.3.2. 沼气池、煤气和电的使用

石林县积极推广沼气池的建设、煤气和家用电器的不断普及，解决了人们只能靠薪柴生火做饭的问题，解放了人们对薪柴的依赖。随着人们的环保意识和危机意识不断提升，对薪柴的依赖越来越小，植被覆盖度得到迅速提升。

4.3.3. 喀斯特地区的生态治理

石林县喀斯特地貌广泛发育，而喀斯特森林的生境十分特殊，如岩石裸露较多、土被多数不连续、土层想对浅陋。喀斯特森林地面储水能力低，岩石渗透性强，所以给生境中造成不同水平的水分亏缺，土层浅薄涂蓓不连续使植物根系难以吸收水分和有效营养物质。对此，石林县着重于现有森林的保护，严禁皆伐和火烧，此外，还大力改善周边的农业生态环境，使现有林得到保护，退化的林地自然恢复。加大力度推行植树种草、退耕还林、绿色廊道、生态隔离等工程建设，加快“五采区”、石漠化和水土流失地区的生态治理和修复重建，构建石林县城生态屏障。

5. 结论与建议

5.1. 结论

本文以石林县为研究对象，通过从2000年和2015年的遥感影像数据中提取信息，使用NDVI和植被覆盖度及其分级，分析该区植被覆盖动态变化，得出以下结论：

1) 在时间上，2000年石林县的NDVI平均值为0.6967，而2015年石林县的NDVI平均值为0.7549，10年间增长了5.8%，总体呈上升趋势。

2) 在空间上：石林风景区极县城周边的植被覆盖度较同期其他区域的植被覆盖度低，高海拔地区的植被覆盖度较同期其他区域的植被覆盖度高。

3) 在不同等级上：2000年中度植被覆盖区的面积占全区的1.9%，2015年中度植被覆盖区的面积占全区的1.3%，下降了0.6%；2000年中高植被覆盖区的面积占全区的47.9%，2015年中高植被覆盖区的面积占全区的30%，下降了17.9%；2000年高植被覆盖区的面积占全区的50.2%，2015年高植被覆盖区的面积占全区的68.7%，上升了18.5%。

4) 植被覆盖度提高的原因有三点：退耕还林工程的实施、沼气池、煤气和电的使用及喀斯特地区的生态治理。

5.2. 建议

目前石林县的植被覆盖度正处于持续增长的态势，这都得益于政府正确的方针政策和全县人民的共同努力。我们要把稳定增长的势头延续下去，为此，我们要保持高度警惕，每时每刻都不能松懈，并努力做好以下几点：一是做好对退耕还林工程的经济补偿工作。地方要优化补偿机制，实行精准补偿，确保补偿款分文不少的到达百姓家中。二是大力扶持和推广绿色经济林的工作。以促进经济快速稳定增长，增加农民人均收入为基本目的，做好特色经济林产业，实现经济发展和生态保护的共同发展，推进农村综合建设，为促进农村经济发展做出积极贡献。三是增强石林县人民的环境保护意识。在强化基本素质培育和增强环境保护意识的同时，积极引导人们参与到环保工作中来。

基金项目

国家自然科学基金项目(4206010148)。

文章引用

何文静,丁文荣. 云南石林县植被覆盖变化的时空特征
The Space-Time Characteristics of Vegetation Cover Change in Shilin County, Yunnan Province[J]. 地理科学研究, 2020, 09(04): 230-237. https://doi.org/10.12677/GSER.2020.94026

参考文献