[机械自动化论文]基于RS和GIS的植被覆盖度变化监测与动因分析

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基于 RS 和 GIS 的植被覆盖度变化监测与动因分析

城市绿地面积的变化直接关系到地区区域环境内气候、水文、土壤等因子的

改变。植被覆盖度是衡量地表植被生长状况的重要指标,而植被覆盖度变化监测

与其动因分析也是城市生态环境监测的重要组成部分,其方法与结论可谓=为城

市的可持续发展提供科学依据。

本次研究获取了重庆市 2001-2016 年的 MODIS 遥感影像数据。在 ENVI

软件平台上,对 MODIS 遥感影像先进行预处理,再通过最大值合成或平均值法

到年 NDVI,最后基于二分模型原理获取植被覆盖度。从时间、空间两个方面分

析重庆市植被覆盖变化情况;从自然及社会两方面构建监测与动因分析系统,最

后运用多元线性回归、主成分回归方法对植被覆盖度变化动因进行定量分析。得出

的结论有:在 2001-2013 年间重庆植被覆盖度呈现稳定上升趋势,但在 2013-

2016 年间植被覆盖度出现了下降趋势,且在夏季(6、7、8 月份)植被覆盖度

最高,从 9 月份开始直到冬季结束植被覆盖度呈现下降趋势;以山地为主的东北

地区植被覆盖度偏高,以丘陵、低山为主的西部及东南地区的植被覆盖度比较低;

主城区植被覆盖度最低;降水量对植被覆盖度的影响存在特定的滞后现象,而气温

对植被覆盖度的影响不存在这种现象;在植被覆盖度与其动因的定量分析中,环保

投资、平均气温 、降水量、日照时数、城镇化率等因素对植被覆盖度变化的影

响较强,而总人口、生产总值两个因素对植被覆盖度变化的影响较弱。

关键词:遥感,NDVI,植被覆盖度,变化监测,动因分析,回归分析,

ABSTRACT

The change of urban green space area is directly related to the

change of climate, hydrology, soil and other factors in regional

environment. Vegetation coverage is an important index to measure

the growth of surface vegetation, and the monitoring of vegetation

coverage change and its motivation analysis are also an important part

of urban ecological environment monitoring. Its methods and

conclusions can be said to provide a scientific basis for the sustainable

development of cities.

This study obtained MODIS remote sensing data of Chongqing from

2001 to 2016 .The data is then processed to obtain vegetation

coverage.The change of vegetation cover in Chongqing was analyzed

from two aspects of time and space.Then the driving force index

system is constructed from the natural and social aspects.Finally, the

quantitative regression model of driving factor and vegetation cover

change was constructed by multiple linear regression and principal

component regression.

The conclusions are as follows:From 2001 to 2013, the

vegetation coverage in Chongqing showed a steady upward

trend.However, from 2013 to 2016, vegetation coverage

decreased.Vegetation coverage is highest in summer.From

September to the end of winter, vegetation coverage declined.The

vegetation coverage of the northeastern region mainly in

mountainous areas is high, but that of the northwest and central areas

mainly in hilly and low mountains is low.he vegetation coverage of the

main urban area is close to 0. The effect of precipitation on

vegetation coverage is lagging behind that of temperature, but

there is no such phenomenon. In the quantitative analysis of

vegetation coverage and its motivation, environmental protection

investment, average temperature, precipitation, sunshine hours,

urbanization rate and other factors have a strong impact on

vegetation coverage, while the total population and gross product

have two factors on vegetation coverage. The influence of coverage

change is weak

Keywords: remote sensing, NDVI, vegetation coverage, Change

monitoring, driver analysis, regression analysis

目录

1.1 研究的背景意义...................................................................................................................................................1

1.2 国内外研究现状...................................................................................................................................................2

1.3 研究区介绍...........................................................................................................................................................3

1.3.1 自然环境介绍..................................................................................................................4

1.3.2 社会环境介绍..................................................................................................................4

1.4 研究内容..............................................................................................................................................................5

1.5 技术路线..............................................................................................................................................................5

2.植被覆盖信息提取及其变化分析................................................................................................................................................................6

2.1 数据获取..............................................................................................................................................................6

2.1.1 数据简介.........................................................................................................................6

2.1.2 数据获取.........................................................................................................................7

2.2 数据处理..............................................................................................................................................................7

2.2.1 数据预处理......................................................................................................................7

2.2.2 数据合成.........................................................................................................................9

2.2.3 植被覆盖度提取............................................................................................................10

2.3 结果分析............................................................................................................................................................15

2.3.1 植被覆盖度年变化.........................................................................................................16

2.3.2 植被覆盖度月变化.........................................................................................................16

2.3.3 植被覆盖度空间变化.....................................................................................................17

3 植被覆盖变化影响因素分析......................................................................................................................................................................19

3.1 驱动力指标体系..................................................................................................................................................19

3.2 自然影响因素.....................................................................................................................................................19

3.2.1 降水量与植被覆盖的关系..............................................................................................19

3.2.2 气温与植被覆盖的关系..................................................................................................20

3.2.3 日照时数与植被覆盖的关系...........................................................................................21

3.3 社会影响因素.....................................................................................................................................................22

3.3.1 人口数量与植被覆盖的关系...........................................................................................22

3.3.3 城镇化率与植被覆盖的关系...........................................................................................23

3.3.4 环保投资与植被覆盖的关系...........................................................................................24

4.驱动力因子与植被覆盖变化的定量分析.................................................................................................................................................25

4.1 数据预处理.........................................................................................................................................................25

4.1.1 方法原理及处理过程.....................................................................................................25

4.1.2 结果..............................................................................................................................25

4.2 主成分分析.........................................................................................................................................................26

4.2.1 方法原理及处理过程.....................................................................................................26

4.2.2 结果..............................................................................................................................26

4.3 多元线性回归.....................................................................................................................................................28

4.3.1 方法原理及处理过程.....................................................................................................28

4.3.2 结果..............................................................................................................................28

5

总结

29

参考文献

30

1

1 绪论

1.1 研究的背景意义

植被,是覆盖地表的植物群落的总称,是环境的重要组成因子,也是 反映

区域生态环境的最 志之一 ,与人 息息 关。植被覆盖变化监测是

遥感的重要 域。植被的 光谱 使 其在遥感影像上有 地与其 地物

时,不 的植物有其自 波谱 ,从而成为区分植被 型、长势及 估算

生物量的依据。 掌握 植被覆盖变化情况,对于 维护 区域生态平衡、 规划 植被种植等

工作 重要的指 导作 用。而植被覆盖度是指植被 ( 包括叶 ) 在地面的

投影面积 区总面积的 分比植被覆盖度 为衡量地表植被覆盖的重要指标,

其变化信息对土壤 侵蚀 、生态系统的过 变化等 同样具 有重要现 意义

社会的不 发展, 使 得城镇化 度不 提升、人口数量不 断增加

越来越 多的土地资 消耗各 能源 产生大量二 、二 等,

灾害 发生 …… 植被可以 很好 调节 生态平衡, 应该增加 对植被变化及其变化 原因的

研究。 此外 随着 生产水平的提高,人 开始 追求更 量的生 ,也有 越来越

的人关 类赖 以生存的环境,人 向往着一 个山 树木茂盛 居住

境,其中的植被覆盖 度是衡量环境的重要指标。 在 1961 年, 世界卫 生组 织给

出了关于 居住 环境的 个基本理 ,分 为: 安全 健康 便利 舒适 [ 3 ] 近几十

来经济快速 发展,这 个基本理 念已经 能够满足 益增 长的 需求 ,人

开始 向往更耐久 更美观 自然的 居住 环境, 使 得关于生态环境的研究成

热点课题

植被覆盖变化与人 着密 不可分的 系, 要定 监测分析植被覆盖变化的

情况,以 为依据开展保 或改 善工作 帮助相 关部 门制 定合理的 规章政策 。植被

覆盖变化 与多个因素有关,本文从自然、社会两方面进行植被覆盖度的变化监测与动

因分析,通过对植被覆盖变化监测与其动因的分析, 知道 了可以从 哪些 方面 改变

植被覆盖的 度、分 等。 使 统方法得到植被覆盖变化情况,过 程复杂 消耗

人力物力较大, 有主 观随 意性、 度不 近些 遥感 技术 发展 迅速 ,这为植被

覆盖的测定 带来 简单快捷 客观 且覆盖面 广 方法。

2

1.2 研究现状

古代 近代 、从 国外 内,关于依 在地表植被的研究 直存在,研究

者们使 用不 工具 、不 的方法研究分析植被变化的状况, 探寻 变化的原因,

引起 植被覆盖变化 更全 面的影响因素。 古诗 词中 曾描述 过植被与

气象现象的关 ,比 如唐代诗 白居易写 《观刈麦》 中提及到 “夜来 风起 小麦

陇黄” 唐代诗 杜牧写 《宣州送裴坦判官往舒州 牧欲赴官 京》 中也提

及到 暖泥融雪半消 ,行人 芳草马声骄” 由此 古代起已经 有了关

被变化、 考植被变化原因的 萌芽 。在 近代 使 用遥感 技术 计算机技术

研究植被覆盖状况,再依据数学统 分析方法 究植被覆盖度与其驱动因子的关系。

国外 很早就 开始 卫星拍摄 遥感影像监测植被覆盖状况。在二 十世纪七

,通过分析获取的遥感影像模 了内 布拉斯加 地区大面积 地的变动情况,在

帮助 解草场 变化状况的 时也得出 地区的 沙漠 度, 关部 门根 据得到

的成 果制 定了合理的 政策 使草 正确 的方 发展 [ 4 ] 国外 研究 者们 仅利

遥感影像监测了植被覆盖变化情况, 还探 究了植被覆盖变化与温度、降水等气象因

子的 关性。N ieholson S E S ehmidt H 等人 都探 究了归 化植被指数和降水

间的关系,结 明无 论在时间 度上 是在空间 度上,归 化植被指数与降

水有 不可 忽视 关性。 Kawa t abaw A 沙漠 和高植被覆盖地区的 NDVI

Pa th f inde r A V H RR La nd NDVI 数据 分析数据 得出了从 1982 年到 1

990 年 球范围 年和 季度植被 动,结合 到的温度和降水的数据得出:

在北部中高 度地区, 于气温 逐渐 升高植被 动在较 的地区 增加 , 在 热带

区( 西 和东南 )也发现了 NDVI 的 增加 ;在南 一些 干旱 干旱 地区,

因为这 的年降 减少 植物 显著减少

内, 用遥感影像研究植被覆盖度变化及其动因的关系,

国外 ,但发展 迅速 ,现在 成为多个 域的 热门 研究 课题 李震 等通过 NO

AA/A V H RR 数据建 了 1982 年到 2001 年中 西北地区(主要以 干旱

区组成)植被覆盖变化模型, 通过 分法、 合线性方 率变化法、主成分

法分析得出大 的结论:大面积区域情况呈下 状态 部分地区情况有

通过植被与气象数据研究结 显示 :植被覆盖变化与气温变化关系不

3

,但与降水存在 正相 关关系。 等以 T M 遥感影像数据得到归 化植

被指数、以像元二分模型原理提取 地区植被覆盖度 并形 成变化分 ,通过变

化分析发现 政策 预影响重大且 地区植被呈现 退 化趋势 党青 T M 遥感

影像数据监测了 1992 年到 2009 年间成 市植被覆盖变化 整体 呈下 降状态,

分析了从降水、气温以及人口数量分析了植被覆盖下降的原因。 在 2011 年 张佳华

书籍 植被与生态遥感 中系统 地植被参数遥感、植被

水分和 干旱 遥感、 农业 植被面积遥感 估算 、气候 面植被 用遥感等内 [ 12 ]

艳英 用 2011 年的 MODIS 数据研究了重庆地区植被指数对高度和 度的响

显示 在重庆市高 度等地 因素对植被指数 用比较大,也发现高 对植

被指数和植被分 的影响 用比 显著 等通过 计算相 关系数分析自然

件和人 社会对植被覆盖 动变化 的影响,结 发现自然环境 为植被的基 环境

起着 定性 用,且在 时间区间内人 社会影响不 忽略

通过 研究成 发现 国外 有大区域 范围 研究, 内多为对 个较 区域

范围 展开研究分析。在植被覆盖变化动因分析 关研究方面,主要 及的影响因素

多为气象因素(气温、降水), 随着 生产力的不 提高、人口数量的不 扩张

会因素对植被的影响 越来越 大, 应增加 对社会 关因素的研究分析。

1.3 研究区 介绍

1.3 中 、重庆行

第八届 全国 表大会 第五 次会 中通过了 设立 重庆直 市的 决议 ,重

庆( )与北 天津 、上 大直 市,这是重庆 历史 第三 次被 设立

为直 市。重庆下 辖管 理地区 包括 26 区、8 个 以及 4 个自 治县 ,是长

地区的 经济 、科 运以及 核心 ,是中 西南地区 东西、 通南

北的 枢纽 特的气候和地理环境被人 成为 、山城。

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1.3.1 自然环境 介绍

1 ) 位置 :重庆 于中 西南部、长 地区(北 28 度 10 分-32 度 13

分,东 105 度 11 分-110 度 11 分), 南两 南依 附着 的高原山

地、 西 紧连 川盆 地、 紧邻历史悠 西。重庆 处在资 丰富 的西部地区与较为发

的东部地区的过 ,是长 重要 经济 核心 、西南地区 商业 地区和水 陆贸

2 ) 面积:重庆直 区南北方 长 450 公里 、东西方 470 公里 ,地域面

8.24 平方 公里 ,是 个直 市(北 天津 、上 )总面积的 2.39

3 ) 气候:重庆 热带 湿润 气候区, 有夏 秋凉 光热同 季、

频繁 阴凉潮湿 强度弱、 云层厚 雾天 等特 。年平均气温为 16 ~

18 ,夏季最高气温可 四十 左右 。重庆大部分地区 年平均降水量可 千毫米 上,在

夏季的 5 到 9 月份的降水 占一 年降水的 70 % 。重庆年平均 湿 度大多处在 70 % 到 8

0 % 间,而年日照时数为 1 ~ 1.4 时(日照 分率在 左右 ), 湿 度高日照

的地 使 得重庆多 云雾 ,年均 雾天达 100 上。

4)地势:重庆处在 川盆 地东部且有大 山、 山、 陵山、大 山环 ,长

西 过重庆境内( 679 公里 ),地势自南北两个方 江河谷 里逐级 降低,重

庆西北及中部地区以丘陵、低山为主而东南地区依 山山 陵山山 。重庆有 76 %

面积是山地、22 % 的面积是丘陵而 有 2 % 的面积为 河谷 坝, 地势 、山地 多的重庆

差达 2723.7

5 ) :重庆境内的主要 河流 有长 乌江 涪江 綦江 、大 宁河 等,

重庆年均水资 到了 五千亿立 平方 千米 的水面积在 全国 首位 。重庆 还具

产资 、生态资 2016 年统 面积 374 万公顷 (植被覆盖

率为 45.4 % )、地下 储藏 2726.9 亿立 然气和 857.22 亿立 页岩 气以及 429

433.23 万吨 煤炭

1.3.2 社会环境 介绍

据重庆统 数据可 知近几十 重庆市人口在不 断增加 截止 到 2016 年

重庆 户籍 总人口有 3392.11 人(其中有 1615.51 人为城镇人口)。重庆 有 4 个

民族 治县 、55 个 民族 丰富 的多 民族 文化 进了重庆的 旅游 发展。在 教育

方面,重庆 有 1120 所普 通中学、65 所普 通高等 教育 、5 个 点实 验室

巴渝 文化 自重庆 特的自然环境, 正如 连绵 的群山 赋予 巴渝 勇敢 、不 畏艰险

的性

5

1.4 研究内

在遥感和 计算机技术 持下,通过对重庆市 范围 内的遥感影像进行分析处

理,提取植被覆盖变化信息, 到影响植被覆盖变化的 关动因, 对动因与植被

覆盖变化的进行 详细 分析研究。

研究内 下:

(1)

获取重庆市 定时间 的遥感数据, 并做 预处理;

(2)

用遥感 技术 和地理信息系统 技术 ,提取植被覆盖信息及变化信息;

(3)

构建驱动力指标 系, 包括 自然及社会的主要影响因素;

(4)运用多元线性回归、主成分回归等方法构建动因与植被覆

盖变化量的定量回归模型, 影响因子的驱动力强弱进行 判断

1.5 技术 线

在 ENVI 和 Arc GIS 软件平台上, 成数据处理。先 遥感影像 过预处理、

数据合成、植被覆盖度提取后构成植被覆盖度数据 气象数据和其

过统 计计算 和统 理也 成数据 ,通过两个数据 分析植被覆盖变化及其

驱动力,从自然驱动力和社会驱动力两方面 影响植被覆盖变化的驱动因 子,

为合理 用研究区 有自然资 维护 生态 安全 和生态 理提供 参考。

6

2.植被覆盖信息提取及其变化分析

2.1 数据获取

2.1.1 数据

1) MODIS 是 装载 T e rra Aqua 卫星 上关键的中分 设备 ,MODIS

刻将 获取到的信息以 形式 直接 个地方。MODIS 数据 允许

世界各 地区接 使 用且不 用, 使 得 MODIS 数据获取方 便快捷 ,被研究

们广 使 用。MODIS 数据有覆盖可 见光 个不 光谱波 ,其

目的是用于监测有关 球陆 地、 海洋 和低 大气动力学过 ,用于 种地

系统模型以 便 进行 种预测

2) 因为 各类 的植物对 生长在特定的生态环境中,植物在其生长

中,其内在的 绿素、 水量等均会发生改变,而且植物 获得的

物主要 系从环境中 取, 以可以通过分析植被指数研究对 的地 、气

候、地 、水文、土壤、生态环境等 种信息。遥感影像可以获取与植被进行

光谱 信息,从而获得植被及环境的信息。不 与植被的 交互 用不

反映 的信息也不 :可 见光 交互 发生在 用过 中,

同光 照环境中的 子表 照多的 层厚

直接影响了植物的 子及其 的特 海绵 交互 中,

有大量的 热能 ,过多 理论上会 子内部过 ,但 正常

植物中的 能够很好 , 植物与 间的这种响

系可以直接 反映 生物量信息;中 海绵 中水可以进行 交互 ,组 中水

多、 外光越 多、 ,监测中 外波 可以 反映 土壤中是 否缺

(植被主要 靠根 土壤中获取水分)。从 文分析得 可以 用植被指数获取植

被及其生存环境的信息。

化植被指数(N o r m a li z ed D i ff e r en c e V e g et a tion I nde x ,NDVI)在

上与 SR(S im p le R a tio ,可以提供植物生物量( 面积指数)信息。归

化植被指数 NDVI 时间上的变化 向能反映 间或年间的植物生长、 动,归

化植被指数 NDVI 对植物的发展状态 灵敏 ,可以 据归 化植被指数得到

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植被覆盖及其变化情况, 此外 化植被指数 NDVI 也

(大气 、地 变化、多 影像等)的影响。归 化植被指数 计算 公式 下:

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公式 (2.1.1)

公式 ni r 外波 段,r ed 示红 外波 。NDVI 取值 范围 为:大于等于

- 1 于等于 1 ,其中 N D V I 反映 的是植被信息且值 大植被覆盖 大,

NDVI 值为 反映 的是 植被覆盖的 土信息,而水面对可 见光反 使 ND

VI 呈现 值。

2.1.2 数据获取

通过地理空间数据 网站 htt p: //www . g s c lo u d . c n / )获取了 2001 年、2004

年、2007 年、2010 年、2013 年、2016 年 月的 MODIS / NDVI 数据,下

NDVI 产 MOD09G A 镶嵌 裁剪 转换 投影、最大值合成等预处理方

法后得到的,下 数据产 标系为 W GS84、空间分 率为 500

遥感 一门工具 性学科为 域提供基 数据,但是在不

对数据的要 存在 以在 选择 遥感数据 分析研究内 和研究区情况

获取合 的遥感数据 其成 用到研究 域, 分发 遥感的基

。通过 文可 重庆面积为 8.24 平方 公里 ,空间分 率为 500 MODIS

/ NDVI 数据 满足 ;下 的 MODIS / NDVI 数据可以 获取 有时间 的月产

满足 研究时间 的要 ;下 的 MODIS / NDVI 数据可以在 ENVI 软件 中直接 开,

数据 格式 合要 ,为数据处理提供了 便利 ;下 的 MODIS 数据 NDVI 信

息,可以通过 ENVI 软件平台提取植被覆盖度。通过上 分析可以得出:下

遥感数据 满足 研究要

2.2 数据处理

在 RS、GIS 技术 持下, 获取的遥感数据 用 ENVI 和 Arc GIS 软件平

台进行数据预处理、数据合成、提取植被覆盖度等 对数据结 进行统

分析。

2.2.1 数据预处理

通过预处理为信息提取及空间分析提供 研究区域 及地

的数据 使 数据得到 更好 效果 。投影 转换 设置 可以统

来源 的数据。因为目标 输受 到大气及大气状态的影响、目标 到地

的影响,因 此需 要进行 射校 目标区域 影像时

要进行 接, 照研究区 进行 裁剪

数据预处理 应该根 情况进行 相应 的预处理,遥感数据预处理在 ENVI

软件平台中 成。在进行影像 裁剪前 重庆市行 ,在 ENVI 软件

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