黑河下游額濟納旗植被動態(tài)遙感監(jiān)測解析＊

楊曉華，韓 芳

（內(nèi)蒙古生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

20世紀(jì)60年代以來遙感手段被應(yīng)用在大范圍的植被監(jiān)測中，其中歸一化植被指數(shù)（NDVI）是目前最常用的表征植被活動的指標(biāo)〔1〕。植被指數(shù)是描述植被數(shù)量、質(zhì)量、植被長勢和生物量等指標(biāo)的指示參數(shù)，是地面植被與相應(yīng)遙感影像的橋梁，特別是NASA（美國國家航天局）提供的MODIS NDVI植被指數(shù)產(chǎn)品，由于數(shù)據(jù)質(zhì)量高、獲取便捷，因而在全球植被遙感研究領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為大尺度植被遙感研究的主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)〔2〕。

黑河流域是我國西北干旱地區(qū)最大的內(nèi)陸河流域之一，位居黑河下游的內(nèi)蒙古自治區(qū)額濟納旗，地處內(nèi)蒙古自治區(qū)最西部，南與甘肅省為鄰，北部與蒙古國接壤，東部為巴丹吉林沙漠，屬干旱、極干旱荒漠區(qū)，總土地面積11.46萬km2，黑河是境內(nèi)唯一的河流〔3〕。額濟納天然林草植被既是阻擋風(fēng)沙侵襲、保護生態(tài)的屏障，也是當(dāng)?shù)厝嗣穹毖苌?、國防科研和邊防建設(shè)的重要依托，及時掌握植被的變化趨勢關(guān)系到廣大牧民的生計甚至影響到國家的相關(guān)政策。

以往針對植被長時間序列時空變化特征的研究，主要基于已有20余年數(shù)據(jù)積累的NOAA植被指數(shù)產(chǎn)品展開〔4－6〕，但 NOAA NDVI植被指數(shù)產(chǎn)品在空間、光譜分辨率上劣于MODIS NDVI植被指數(shù)產(chǎn)品〔2，7〕。本文利用2001～2010年 MODIS數(shù)據(jù)研究額濟納植被指數(shù)的變化情況，對于因地制宜地采取有效措施保護和拯救額濟納綠洲，發(fā)揮其綠色屏障的強大生態(tài)功能具有重要現(xiàn)實意義。

1 資料與研究方法

利用2001～2010年8月的EOS／MODIS衛(wèi)星遙感監(jiān)測資料，制作額濟納旗各年之間的歸一化植被指數(shù)圖和植被指數(shù)差值變化分布圖，并計算和統(tǒng)計出每年的NDVI平均值，植被指數(shù)差值的變化區(qū)間、面積值等數(shù)據(jù)，對額濟納旗植被指數(shù)的變化狀況和地表植被長勢進行監(jiān)測分析。

1.1 植被生物量、覆蓋度信息的提取

年度NDVI是反映植被生物量和覆蓋度狀況的最直接體現(xiàn)〔8〕，每年8月植被覆蓋度達到最大值。在生物量上，本文采用每年8月NDVl的平均值來代表當(dāng)年植被的生物量狀況。在植被覆蓋度上，本文將每年8月NDVI數(shù)據(jù)分為（0，0.09）、（0.1，0.19）、（0.2，0.29）、（0.3，0.39）、（0.4，0.49）、（0.5，0.59）6個等級，分別代表不同覆蓋程度的植被，并提取每個等級的面積，通過不同等級面積的變化，反映10年來額濟納旗植被覆蓋度的變化趨勢。在差值分析上，用每年的NDVI與2001～2010年10年的NDVI平均值進行比較，差值＜－0.04，NDVI下降；差值－0.03～0.03之間，NDVI基本不變；差值＞0.04，NDVI增長。

1.2 計算方法

利用公式（1）計算10年NDVI平均值在時間維上的線性擬合趨勢，通過該趨勢反映研究區(qū)域內(nèi)植被狀況的變化。如果斜率大于零說明植被狀況趨于正向趨勢發(fā)展，反之，斜率小于零則說明植被狀況趨于惡化〔9〕。

利用公式（2）和公式（3）分別計算2001～2010年10年間年度NDVI的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，以此來反映10年來研究區(qū)域內(nèi)不同NDVI類型的植被絕對變異量和相對波動程度〔10〕。波動值大說明植被群落不穩(wěn)定（植被狀況趨于恢復(fù)或退化），波動值小說明植被群落狀態(tài)穩(wěn)定。

式中：a—斜率；Y—研究年份；S—標(biāo)準(zhǔn)差；xi—第i年的年NDVI；CV—變異系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 NDVI的年際變化

圖l給出了額濟納旗2001～2010年，年NDVl變化曲線及趨勢線。從年平均值來看，2001年平均值最小，為0.07，之后，2001～2007年平均值緩慢上升，2008年、2009年，平均值有所下降，但2010年最好，NDVI為0.1。10年平均NDVI為0.08。從線性趨勢看，2001～2010年NDVI總體上處于上升趨勢。平均每年的NDVI增加0.0018。這可能與黑河下游分水，對額濟納綠洲植被的恢復(fù)起到很好的作用有關(guān)〔11〕。

圖1 額濟納旗NDVI年變化曲線和線性趨勢

2.2 NDVI面積變化

從10年來各等級NDVI的平均面積（表1）來看，額濟納旗植被總體較差，有近85.97%的植被處于較差水平（NDVI介于（0，0.09）），12.94%的植被處于中等水平 （NDVI介于 （0.1，0.19）），1.09%的植被處于較好水平（NDVI介于（0.2，0.59）），其中 NDVI介于（0.5，0.59）區(qū)間值，僅出現(xiàn)在2004～2008年。植被較好水平區(qū)域主要分布在額濟納綠洲，其它地區(qū)植被較差。

通過變異系數(shù)可以看出，2001～2010年額濟納旗不同等級植被年度NDVI介于（0.4，0.49）之間的面積波動最強，介于（0.1，0.19）和（0.5，0.59）之間的面積波動次之，介于（0，0.09）之間的面積被動最弱。說明額濟納旗高植被覆蓋度的植被群落不穩(wěn)定（植被狀況趨于恢復(fù)或退化），而植被覆蓋度低的植物群落相對穩(wěn)定。

從各等級面積的年度線性擬合斜率來看，NDVI在（0，0.09）區(qū)間內(nèi)的低覆蓋度草原面積呈減少趨勢，其它區(qū)間的面積呈增加趨勢，總的來說，高覆蓋度植被面積在增加，低覆蓋度植被面積在減少，研究區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度在朝恢復(fù)的方向發(fā)展。

表1 2001～2010年8月額濟納旗不同等級NDVI面積變化（Km2）

2.3 植被指數(shù)對比分析

利用每年的植被指數(shù)與近10年的植被指數(shù)平均值進行差值分析（表2），可以看出，2001年植被指數(shù)增長區(qū)域的面積最小，植被指數(shù)下降區(qū)域的面積最大，植被長勢相比最差：2010年增長區(qū)域的面積最大，植被長勢較好。通過線性擬合斜率分析，2001～2010年植被指數(shù)下降區(qū)域的面積呈減少趨勢，植被指數(shù)增加的面積呈上升趨勢，額濟納綠洲植被指數(shù)增長明顯。總體來看，額濟納旗約98.15%的植被長勢基本保持不變，約0.38%的植被長勢下降，約1.47%的植被長勢向好的方向發(fā)展，再一次說明額濟納旗低覆蓋度植被面積減少，高覆蓋度植被面積增加，植被的穩(wěn)定性增強，植被狀況明顯好轉(zhuǎn)。

表2 額濟納旗2001～2010年植被指數(shù)差值變化分析

3 結(jié)論與討論

2001～2010年間，額濟納旗的植被盡管有波動起伏，但總體趨于好轉(zhuǎn)。在植被生產(chǎn)力上，年度NDVI平均值趨于增加。在植被覆蓋度上，NDVI值介于（0，0.09）之間的面積趨于減少，其它高值區(qū)植被面積趨于增加。在空間面積比例上，1.47%的面積植被狀況趨于好轉(zhuǎn)，0.38%的面積植被狀況趨于惡化。說明近10年來額濟納旗植被長勢呈上升趨勢，可見黑河分水對下游的額濟納綠洲及其周邊植被的恢復(fù)成效是顯著的。這與劉詠梅〔12〕、都瓦拉〔13〕提出的黑河分水使下游的生態(tài)環(huán)境退化問題得到了緩解，使生態(tài)環(huán)境得到改善的觀點基本相同。可見利用每年MODIS NDVI數(shù)據(jù)，可以很好地分析植被長勢狀況及植被的發(fā)展趨勢。

總的來說，本文利用MODIS NDVI數(shù)據(jù)闡述了額濟納旗10年來植被的動態(tài)變化趨勢，為近期草原保護治理措施的評價，以及黑河分水對下游生態(tài)環(huán)境的影響，提供了基礎(chǔ)科學(xué)數(shù)據(jù)。但也存在一定的不足之處，在數(shù)據(jù)分析方面，選擇每年8月的遙感數(shù)據(jù)進行最大值合成，合成的數(shù)據(jù)產(chǎn)品代表當(dāng)年的植被生長狀況，雖然能夠說明植被的變化情況，但受當(dāng)年氣候及1年生植物的影響，植被長勢數(shù)據(jù)會存在偏差，因此會對研究結(jié)果產(chǎn)生一定程度的影響。

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