0 引 言
植被是抑制土壤侵蚀的重要影响因子，它通过冠层、地表覆盖物和根系等对降水的截持和吸收来减少降雨对土壤的击溅和冲刷而实现保持水土的作用。植被盖度是植物群落覆盖地表状况的一个综合量化的指标，一般定义为观测区域植被垂直投影面积占地表面积的百分比。植被具有明显的年季变化，在生长年内植被盖度有从小到大，达到峰值后又逐渐变小的过程，而在土壤侵蚀等的研究中，植被的这种季节变化特征是不容忽视的。黄土高原的水土流失，主要是由 7—9月份的少数几场暴雨引起的，这与草地盖度的年季变化是一致的，草地盖度的年季变化与降雨分布可能趋于同步。
植被盖度主要基于遥感方法和地面实测法。遥感方法具有宏观、快速、动态、客观的特点，是目前最常用的植被盖度监测方法，但也受影像分辨率、影像质量、获取成本的限制，同时其适用性与精度需要地面实测数据的支持。地面实测法尽管受时间、区域条件及费用等因素制约，但因其准确、客观的特点，是较小尺度植被覆盖监测的重要手段，也为大尺度遥感植被盖度监测的验证提供基础数据。照相法是将数码相机主光轴垂直于地面对样地植被进行垂直拍照，获取地面植被的相片，并以相片为基础数据估算植被盖度。White 等在比较了各种测量植被盖度的技术之后，认为垂直照相法是最容易最可靠最准确的验证遥感信息的技术。垂直照相测量植被盖度在美国新墨西哥州的半干旱生态系统以及西弗吉尼亚州塔克县森林道路边坡也得到了成功应用。胡健波等提出利用过绿特征植被指数和半自动阈值设定算法从数码照片中快速计算草地植被覆盖度的方法。遥感方法获取的一半是绿色盖度，地面实测可以得到植被盖度或郁闭度，但一般忽略了提取地表枯落物( 包括残茬) 信息，而地表残茬或枯落物覆盖对水土保持具有重要作用。本文利用 GPS 确定监测点的精确位置，采用垂直照相法获取地表覆盖季节变化信息，自动提取植被绿色盖度或郁闭度，然后人机交互提取枯落物信息，并分析其季节变化特征。
1 监测方法及数据处理
1. 1 监测方法
按照北京市土地利用组成结构和北京市水土流失特点，确定拟监测的典型植被类型。根据地形图和 google earth 影像图选择具体的监测地块，要求每个地块植被覆盖均一，面积在 60 × 60 m2以上，最终确定 18 个地块: 耕地类型有 3 个地块，作物类型为小麦或玉米; 草地类型有 1 个地块; 有林地类型有 5 个地块; 灌木林地有 1 个地块; 果园有 8 个地块( 见表 1 所列) 。18 个监测地块中，顺义区有 2 个地块，昌平区有 5 个地块，延庆县有5 个地块，门头沟区有 6 个地块( 见图 1 所示) 。
利用 便 携 型 植 被 覆 盖 度 摄 影 仪 ( 专 利 号:ZL2008 2 0114817. 1) 测量植被盖度: 对于高度较低的植被类型如耕地、草地或灌木林地，采用垂直向下照相法，选择有代表性的位置在 4 个方位分别进行垂直向下照相( 相机距地表高度约 4. 5m) ，每个方位照相 1 次， 每个地块共计 4 张照片; 对于高度较高的植被类型( 约 3 m 以上) 如林地、果园等，选择 5 个代表性位置同时进行垂直向上和垂直向下的照相，每个地块共计 10 张照片。在照相测量位置附近随机选择 4 ～ 5 个点，用卷尺测量植被高度，并做相关记录。植被覆盖度监测由 2011 年 3 月开始，到 2012 年的年底结束，在每月的 1—3 号之间和 16—18 号之间各监测 1 次。因北京市冬季植被盖度变化不明显，故监测只在 3—11 月之间进行。
1. 2 数据处理
采用 自 行 开 发 的 植 被 盖 度 自 动 计 算 系 统( PCOVEＲ，软件着作权登记号 2008SＲ12421) 对监测获取的植被数码图像进行处理，首先对原植被图像进行裁剪，去除图像边缘部分，只保留原图像长、宽的 2/3，剩余图像面积为原图像的 4/9，然后自动计算植被绿色盖度( 活体植被形成的盖度)或郁闭度，并进一步通过人机交互提取枯落物信息，计算总盖度( 活体植被及枯落物等全部植被形成的盖度) 。
因北京市冬季植被覆盖度基本不发生变化，对各地块冬季缺测时段( 12 月、1 月和 2 月) 进行合理延伸插补，以形成完整的 24 个半月的植被盖度数据，对经过处理的 24 个半月数据按照 1 ～ 24 个周期排序，第 1 周期为 1 月上半月数据，第 2 周期为 1 月下半月数据，……，以此类推。
2 结果分析
2. 1 耕地的植被覆盖变化
3 个耕地地块的农作物均为小麦或玉米，但轮作制度存在一定的差异，一种是小麦—玉米，另一种是只种植玉米。作物盖度的季节变化受人为影响大，小麦—玉米的绿色盖度在 1 年中出现 3 次峰值，分别在小麦或玉米成熟前以及小麦再次播种后，但是小麦的盖度低于玉米的盖度，最大盖度差值约 30% ，见图 2( a) 所示。玉米地因 1 年只种植1 次玉米，因此 1 年中绿色盖度只有 1 个峰值和 1个低值，见图 2( b) 所示。
小麦—玉米地的总盖度变化趋势与其绿色植被盖度的变化趋势近似，且差值较小。小麦在第 7 周期( 4 月初) 前，绿色盖度小于 3% 、总盖度在 5%左右; 随着小麦进入返青期后，植被盖度迅速增大并在第 10 周期( 5 月底) 前后达到最大，绿色盖度和总盖度分别为 48. 8% 、60. 5% ; 随后小麦进入成熟期绿色盖度开始减小而总盖度基本保持不变，在第 12 ～ 第 13 周期左右( 6 月底前后) 小麦成熟，玉米播种，此时绿色盖度达到 1 年中的第二个低值，但因小麦秸秆未完全收割，总盖度与绿色盖度之间存在较大差值; 第 13 周期后玉米开始生长，植被盖度也随之开始增加，在第 17 周期( 9 月初)前后盖度达到最大，此时盖度为小麦—玉米地 1 年中的 第 二 个 峰 值，绿 色 盖 度 和 总 盖 度 分 别 为78. 2% 和 91. 9% ; 第 19 周期前后玉米成熟，再次播种小麦，此时植被盖度达到 1 年中的第三个低值，同时由于 10 月份北京市仍较温暖，小麦生长较快，因此在冬季前小麦—玉米地的盖度会出现 1个小峰值，但此时的盖度最大值远远小于小麦和玉米成熟前时的盖度; 第 22 周期后小麦因进入越冬期盖度减小并以较低的盖度维持到次年 4 月份左右。6 月底小麦收割后一段时间内玉米还没有完全生长起来，此阶段植被覆盖较低，降雨也相对较多，容易产生水土流失。
玉米地的绿色盖度变化趋势也呈现明显的“几”字形，生长周期主要集中在第 9 ～ 第 19 周期，盖度峰值 70. 7% 出现在第 15 周期。玉米地的总盖度在第 5 ～ 第 16 周期与绿色盖度差别不大，在其他时段与绿色盖度差别很大，主要是由于玉米成熟后玉米秸秆和残茬不完全清理，仍有部分保留在原地直到翌年再次种植时才清理，呈现总盖度远远大于绿色盖度的现象。玉米地的秸秆和残茬覆盖具有抑制水土流失的效用。
2. 2 果园的植被覆盖变化
北京市山地较多，为发展山区经济、增加山区民众的经济收入，平缓坡地一般种植有各种类型的 果 树，监 测 的 果 树 种 类 包 括 板 栗、樱 桃、杏、京白梨等树。果园作为特殊的林地，受到人为活动的影响极大。果园是本次监测选取最多的植被类型。除京白梨园外，果园的郁闭度一般呈现“几”字形，其季节变化表现出较好的共性特征; 京白梨园的郁闭度出现“双峰型”，即存在两个峰值区，第一次出现郁闭度峰值在第 10 周期，之后因人为修剪树枝，导致郁闭度减小，在第 14 周期后郁闭度第二次达到峰值( 见图 3 所示) 。
不同类型果园的绿色盖度和总盖度的季节变化特征有明显差异。坡地板栗园地一般为沙质土，不22图 3 果园盖度、郁闭度季节变化适合杂草生长，因此其绿色盖度常年接近 0; 板栗树落叶在风力作用下易向下发生移动在坡底发生堆积，坡面地表枯落物堆积少，总盖度也很小，见图 3( a) 所示。樱桃园绿色盖度和总盖度因较大程度上受到人为锄草清理的影响，其变化波动较大，但两者的变化趋势是一致的，绿色盖度最大值 44. 5% 出现在第 13 周期，该周期正好处在降雨之后，植被生长旺盛，之后进行了人为清除处理，绿色盖度迅速降低; 第 21 周期总盖度的突然增加主要是由落叶造成的，见图 3( b) 所示。京白梨园绿色盖度季节变化同样受人为影响大，绿色盖度自第 8 周期后开始增加，后由于种植大豆而清理地面杂草，第 10 周期后绿色盖度迅速减小，第 12 周期后大豆开始生长，绿色盖度逐渐增加，第 19 周期大豆收割后总盖度开始逐渐减小，总盖度与绿色盖度的增加趋势比较近似，见图 3( c) 所示。杏树园的人为除草等管理很少，绿色盖度与郁闭度的变化趋势比较一致，绿色盖度和郁闭度最大值均出现在第 15 周期; 总盖度因枯落物堆积常年维持在较高值，见图 3( d) 所示。
2. 3 有林地的植被覆盖变化
有林地包括两种类型:一种是落叶林———杨树，另一种是常绿林———柏树。这两种树种的分布面积在北京市人工林中占绝对优势，盖度、郁闭度的变化趋势明显不同( 见图 4 所示) 。落叶林的郁闭度变化呈典型的“几”字形，第 9 周期植被开始生长，郁闭度增大，最大值出现在第 14、第 15 周期，近似等于 80% ; 而常绿林的郁闭度变化呈“一”字形，郁闭度变化较小，年平均为 75% 左右。
落叶林和常绿林的绿色盖 度 季 节 变 化 特 征 近似，曲线 都 呈“几”字 形。落叶林的绿色盖度最大值出现在第 14 周期，约为50% ; 第 16 周期后绿色盖度开始变小，到第 19 周期时绿色盖度基本为 0。常绿林绿色盖度自第 10 周期开始略微增加，在第 12 周 期 后 迅 速 增 加，基 本 可 达 到 峰值; 3 个周期后绿色盖度开始逐渐减小，并在第21 周期减小到最小值 0 ( 见图 4 所示 ) 。 落叶林的总盖度呈倾斜的“一”字形，随着时间的推移总盖度略有增加但增加趋势比较缓慢，年平均总盖度为 87% 。常绿林总盖度年变化不明显，维持在 90% 左右，与其郁闭度的变化趋势相似。
2. 4 灌木林地的植被覆盖变化
灌木林地因植被高度较低，一般只进行垂直向下拍摄，因此只估算绿色盖度和总盖度。灌木林地的绿色盖度变化趋势与常绿林地的盖度变化趋势基本一致，季节变化曲线呈“几”字形状。自第 8 周期开始绿色盖度开始增加，在第 14、第 15 周期绿色盖度达到最大，最大值为 92. 6% 。总盖度常年维持在 90% 以上，地表杂草常年无人为清除，因此全年变化不明显( 见图 5 所示) 。
2. 5 草地的植被覆盖变化
草地植被生长于山坡上，较少受到人为干扰，绿色盖度的变化趋势呈“几”字形状，自第 8 周期开始逐渐增大，到第 16 周期达到最大值 82. 5% ，第 20 周期减小为 0。总盖度常年维持较高值，在植被生长旺季( 第 13 ～ 第 17 周期) 总盖度相对较大，在此阶段且与绿色盖度差异最小( 见图 6 所示) 。
3 结论与讨论
本文利用 GPS 确定监测点的精确位置，采用垂直照相法监测 18 个地块的典型植被覆盖季节变化，利用数字图像处理技术提取绿色盖度、郁闭度和总盖度信息，进一步分析总结了北京市典型植被覆盖的季节变化特征:
( 1) 除耕地、果园和常绿林外，各植被的绿色盖度和总盖度变化趋势比较近似，呈现典型的“几”字形状。
( 2) 果园林下经常进行人为清理或特殊土质作用，使得绿色盖度和总盖度较小，特别是坡地板栗园表现明显，坡地板栗园地易产生较大水土流失; 采用小麦—玉米轮作的耕地，6 月底小麦收割后一段时间内玉米还没有完全生长起来，植被覆盖低，又正进入降雨集中季节，易产生水土流失。
( 3) 地表实测能够提取植被覆盖的结构信息，相对遥感监测一般只能提取一种植被覆盖信息，能够更好地反映及评价植被覆盖对水土保持的作用。
( 4) 包含枯落物的植被总盖度提取是采用人机交互解译进行的，其效率受到制约，自动提取枯落物信息是下一步需要解决的问题。
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