基于MODIS數(shù)據(jù)的內(nèi)蒙古地區(qū)最近12年植被變化分析

那音太 秦福瑩

(1.內(nèi)蒙古財(cái)經(jīng)大學(xué) 資源與環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070;2.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)

內(nèi)蒙古地區(qū)處于我國(guó)北方濕潤(rùn)區(qū)向干旱半干旱區(qū)的過(guò)渡帶上，其生態(tài)環(huán)境十分脆弱，是全球變化最為敏感的區(qū)域之一。[1]植被覆蓋變化反映了內(nèi)蒙古地區(qū)生態(tài)環(huán)境的整體狀況。因此，內(nèi)蒙古植被覆蓋狀況一直被公眾和科學(xué)界所關(guān)注。

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)以其時(shí)間和空間連續(xù)性優(yōu)勢(shì)，在全球植被遙感研究領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。特別是NASA(美國(guó)國(guó)家航天局)對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)MODIS傳感器的高時(shí)間分辨率，高光譜分辨率和適中的空間分辨率等特點(diǎn)，使其在區(qū)域植被遙感研究中具有突出的優(yōu)勢(shì)。內(nèi)蒙古地域遼闊，表面地勢(shì)平坦，適合于利用遙感技術(shù)開(kāi)展區(qū)域植被變化研究的理想地區(qū)之一。然而，MODIS更高時(shí)空分辨率的反射率數(shù)據(jù)需要用戶自行處理，并且需要大量的數(shù)據(jù)處理工作和相關(guān)技術(shù)支持，從而某種程度上限制了其廣泛應(yīng)用，因此有必要對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和應(yīng)用。過(guò)去針對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)不同尺度不同時(shí)間段的植被遙感研究做了不少工作，[2－7]但是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)內(nèi)蒙古的植被狀況經(jīng)歷著急劇的變化，尤其最近十幾年的植被變化更值得關(guān)注，有必要對(duì)其進(jìn)行更加準(zhǔn)確完整的研究，以開(kāi)啟未來(lái)以每10年為一個(gè)階段，對(duì)內(nèi)蒙古植被狀況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)工作的開(kāi)端，同時(shí)也是進(jìn)一步開(kāi)展內(nèi)蒙古更長(zhǎng)時(shí)間序列的植被變化及其全球氣候變化響應(yīng)研究的重要基礎(chǔ)。

一、研究區(qū)

內(nèi)蒙古自治區(qū)位于中國(guó)北部邊疆，總面積118.3萬(wàn)km2，平均海拔1000米左右，地貌復(fù)雜多樣，年均氣溫在0℃ ～8℃之間，年降水量為100～450毫米，大部分屬中溫帶大陸性氣候。植被類型從東北部向西部依次由森林、草原、荒漠過(guò)渡，處于我國(guó)北方濕潤(rùn)區(qū)向干旱半干旱區(qū)的過(guò)渡帶上，是研究區(qū)域植被變化對(duì)氣候影響的理想地區(qū)之一。同時(shí)，由于氣候干旱以及人為開(kāi)墾破壞，其生態(tài)環(huán)境更加脆弱，因此開(kāi)展內(nèi)蒙古地區(qū)植被變化研究，為內(nèi)蒙古近年來(lái)開(kāi)展的退耕還林還草等重大工程的評(píng)估和未來(lái)草原保護(hù)治理相關(guān)政策的制定具有重要的意義。

二、研究材料

本文采用中等分辨率成像光譜儀(MODIS)陸地產(chǎn)品第5版數(shù)據(jù)集，覆蓋內(nèi)蒙古地區(qū)每8天合成的500m地表反射率數(shù)據(jù)MOD09A1，由MODIS陸地產(chǎn)品工作組提供(http://modis－ land.gsfc.nasa.gov)。時(shí)間范圍為2000－2011共12年，每年第89天至297天27時(shí)相數(shù)據(jù)，每時(shí)相圖像由7幅圖像鑲嵌獲得，總共2268幅遙感圖像。數(shù)據(jù)格式為 EOSHDF，地圖投影格式為:Sinusoidal(正弦曲線投影)。

植被類型圖是對(duì)1:500萬(wàn)的內(nèi)蒙古自治區(qū)植被類型圖進(jìn)行數(shù)字化和重新編碼后獲得，森林、灌叢、草原、荒漠、人工植被、水域等六種植被類型。[8]為了盡可能消除農(nóng)業(yè)植被和水體對(duì)于植被分類的影響，本文選取了森林、灌叢、草原、荒漠4種典型植被類型分別提取其2000－2011年平均NDVI，以分析4種植被類型NDVI年際變化。

三、研究方法

(一)衛(wèi)星數(shù)據(jù)預(yù)處理

使用NASA免費(fèi)提供的MRT(MODIS Reprojection Tools)軟件將下載的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式和地圖投影轉(zhuǎn)換，把HDF格式轉(zhuǎn)化為T(mén)iff格式，把Sinusoidal地圖投影轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度投影。在此基礎(chǔ)上，在ENVI/IDL環(huán)境下編程實(shí)現(xiàn)圖像的拼接和裁切等預(yù)處理工作。

(二)計(jì)算歸一化植被指數(shù)

本文采用歸一化植被指數(shù)對(duì)研究區(qū)2000年－2011年生長(zhǎng)季每8天合成的反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行NDVI的提取，每年獲得27幅NDVI圖像，從而建立研究區(qū)生長(zhǎng)季MODIS/NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)集，用于分析研究區(qū)植被動(dòng)態(tài)變化信息。

歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)是目前最為廣泛應(yīng)用的表征植被狀況的指數(shù)，與植被覆蓋度、生物量、葉面積指數(shù)及凈初級(jí)生產(chǎn)力密切相關(guān)，[9]能夠在大的時(shí)空尺度上客觀反映植物的覆蓋信息，是植被生長(zhǎng)狀態(tài)及植被空間分布密度的良好指示因子，歸一化植被指數(shù)定義為近紅外波段與可見(jiàn)光紅波段數(shù)值之差與這兩個(gè)波段數(shù)值之和的比值。其算法如下:

Band2，Band1分別對(duì)應(yīng)MODIS表面反射率產(chǎn)品波段中，近紅外波段(841nm～876nm)和紅光波段(620nm ～670nm)。

(三)去云處理

MODIS反射率數(shù)據(jù)產(chǎn)品，本身采用最大值合成法(MFC)，將每8天最大值作為該期產(chǎn)品反射率值，在一定程度上消除了云層、大氣、太陽(yáng)高度角等噪聲影響。但計(jì)算得到的NDVI數(shù)據(jù)仍然存在較多“缺口”值，為進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，本文針對(duì)每年的27期NDVI數(shù)據(jù)，利用時(shí)間序列諧波分析法(HANTS)對(duì)上一步獲得的 MODIS/NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑重構(gòu)，有效地濾除了NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)中的噪音信息，得到數(shù)據(jù)信息更加可靠的NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)，用于分析研究區(qū)植被動(dòng)態(tài)變化信息。圖1為2011 年研究區(qū)某個(gè)像元(120°1'59.82″E，47°5'33.25″N)NDVI時(shí)間序列HANTS處理效果對(duì)比圖。其核心算法是傅立葉變換和最小二乘法擬合，即將時(shí)間譜數(shù)據(jù)分解成有限個(gè)諧波(正弦波或余弦波)，從中選取若干個(gè)能反映影像時(shí)序特征的諧波進(jìn)行疊加，達(dá)到重構(gòu)時(shí)序數(shù)據(jù)的目的。

圖1 研究區(qū)某一像元HANTS處理前后DVI時(shí)間序列曲線對(duì)比

(四)NDVI年均值的計(jì)算

MODIS每8天NDVI表征的是植被在全年中的生長(zhǎng)狀況，為了得到能夠代表該年的植被生長(zhǎng)情況，本文計(jì)算了NDVI年均值 (YNDVI)，用其代表當(dāng)年NDVI的總體情況，以此定量表達(dá)該年植被長(zhǎng)勢(shì)。由于非生長(zhǎng)季植被覆蓋差，NDVI數(shù)據(jù)容易受積雪及土壤反射等因素影響，因此采用生長(zhǎng)期NDVI平均值來(lái)表征內(nèi)蒙古植被覆蓋的年際變化情況，即利用植被生長(zhǎng)季4－10月(即每年第89天－第297天)的27時(shí)相NDVI圖像各象元NDVI進(jìn)行加和平均作為當(dāng)年的YNDVI值。然后依據(jù)內(nèi)蒙古植被類型圖幾種主要植被類型來(lái)逐象元加和平均作為該類植被類型當(dāng)年的NDVI值。即:

式中YNDVIλ，是第 λ年生長(zhǎng)季 NDVI平均值，即2000年－2011年共12年，i的取值范圍為1－27，即89d到297d。

(五)植被年際變化趨勢(shì)分析

一元回歸趨勢(shì)線法可以模擬每個(gè)NDVI柵格單元的變化趨勢(shì)，是對(duì)一組隨時(shí)間變化的變量進(jìn)行回歸分析，預(yù)測(cè)其變化趨勢(shì)的方法。通過(guò)每個(gè)像元上12年的YNDVIλ，用趨勢(shì)線分析法模擬該像元YNDVIλ值在12年間的變化趨勢(shì)，即植被覆蓋的年際變化。計(jì)算公式為:

式中，λ為1—n的年序號(hào)，YNDVIλ是第λ年生長(zhǎng)季NDVI平均值。slope即是這條趨勢(shì)線的斜率。slope＞0，則表明NDVI在該時(shí)期植被變化趨勢(shì)在改善，反之則是變差。

四、結(jié)果與分析

(一)不同植被類型NDVI的年際變化分析

根據(jù)第三節(jié)(4)NDVI年均值計(jì)算方法，獲得內(nèi)蒙古地區(qū)主要植被類型年均NDVI值，從而分析其2000－2011年不同植被類型 NDVI年際變化信息。通過(guò)內(nèi)蒙古地區(qū)2000－2011年不同植被類型逐象元加和平均的統(tǒng)計(jì)結(jié)果得知，最近12年不同植被類型NDVI總平均值為森林0.4605＞灌叢0.3851＞草原0.2804＞荒漠0.0943。從圖2可以看出，2000－2011年內(nèi)蒙古地區(qū)植被NDVI年均值整體呈微弱上升趨勢(shì)，植被覆蓋略有增加，但增長(zhǎng)趨勢(shì)較緩，說(shuō)明內(nèi)蒙古絕大部分地區(qū)植被緩慢改善趨勢(shì)。其中，森林NDVI年均值年際變化呈現(xiàn)出明顯的波動(dòng)，2003年和2007年分別出現(xiàn)波谷和波峰，灌叢和草原NDVI年均值總體上呈現(xiàn)出增加—降低—增加的趨勢(shì)，荒漠NDVI年際變化基本上沒(méi)有改變，保持平緩的水平。

圖2 2000－2011年內(nèi)蒙古地區(qū)不同植被類型NDVI年際變化

(二)內(nèi)蒙古植被年際變化趨勢(shì)分析

根據(jù)上述趨勢(shì)分析算法，在ArcGIS9.3軟件空間分析模塊(Spatial Analyst Tools)的支持下，逐象元計(jì)算出內(nèi)蒙古地區(qū)2000－2011年植被NDVI變化趨勢(shì)圖，如圖3所示。并結(jié)合前人關(guān)于植被指數(shù)退化研究的劃分標(biāo)準(zhǔn)，[10]對(duì)整個(gè)內(nèi)蒙古地區(qū)近12a的植被NDVI年均值變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 內(nèi)蒙古最近12a植被NDVI變化趨勢(shì)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

從表1可以看出，植被情況基本沒(méi)有變化的面積為 418154.82km2，占內(nèi)蒙古總面積的 35.36%，即研究區(qū)三分之一的地區(qū)植被基本上沒(méi)有發(fā)生改變。植被改善和退化的總面積分別為596174.96km2和163929.17km2，占整個(gè)內(nèi)蒙古總面積的 50.41% 和13.86%。從整體上來(lái)看，植被情況得到改善的面積比植被狀況退化的面積要大。輕微改善、中度改善、明顯改善的面積分別占總改善面積的56.52%，27.1%和16.38%，即植被改善的面積主要以輕度改善為主。嚴(yán)重退化、中度退化、輕微退化的面積分別占總退化面積的 1.64%，13.65%和 84.74%，即植被退化主要以輕度退化為主。

圖3 2000－2011年內(nèi)蒙古地區(qū)植被NDVI變化趨勢(shì)圖

從內(nèi)蒙古地區(qū)NDVI年均值年際變化趨勢(shì)圖空間格局(如圖3)可以看出，植被NDVI變化趨勢(shì)空間差異比較明顯，其中植被明顯增加的區(qū)域主要是呼倫貝爾盟中東部和興安盟中北部，系屬內(nèi)蒙古東北部水熱條件較好的半濕潤(rùn)大興安嶺及周?chē)貐^(qū)，并且海拉爾河、歸流河等多條河流經(jīng)過(guò)，水資源豐富;赤峰和通遼市南部喀喇沁旗、寧成、敖漢、庫(kù)倫、奈曼和開(kāi)魯?shù)纫赞r(nóng)業(yè)為主的地區(qū)。中度改善的地區(qū)主要分布在鄂爾多斯東部、呼和浩特市和錫林郭勒盟南部旗縣和東北局部地區(qū)。輕度改善的地區(qū)主要分布于鄂爾多斯草原西部、巴音淖爾市北部、錫林郭勒草原西部和呼倫貝爾盟東部等地區(qū)。植被基本沒(méi)有發(fā)生變化的地區(qū)主要分布在內(nèi)蒙古西部阿拉善盟大部分地區(qū)、巴彥淖爾市北部、包頭市東北部、烏蘭察布盟西北部和錫林郭勒草原西北地區(qū)。植被退化地區(qū)主要集中在烏蘭察布盟中南部大部分和錫林郭勒西南部部分農(nóng)牧交錯(cuò)旗縣;赤峰市東北部地勢(shì)相對(duì)高的牧業(yè)旗縣;錫林郭勒草原東北部和呼倫貝爾盟西部以牧業(yè)為主的地區(qū)也退化明顯，如圖3紅色框所示。

五、結(jié)論

第一，2000－2011年內(nèi)蒙古地區(qū)植被NDVI年均值整體呈微弱上升趨勢(shì)，植被覆蓋略有增加，但增長(zhǎng)趨勢(shì)較緩。其中，森林NDVI年均值年際變化呈現(xiàn)出明顯的波動(dòng)，灌叢和草原NDVI年均值總體上呈現(xiàn)出增加－降低－增加的趨勢(shì)，荒漠NDVI年際變化基本上沒(méi)有改變，保持平緩的水平。

第二，從內(nèi)蒙古地區(qū)整體上來(lái)看，植被情況得到改善的面積比植被狀況退化的面積大，其中植被改善的面積主要以輕度改善為主，退化主要以輕度退化為主，其中有三分之一的地區(qū)植被基本上沒(méi)有發(fā)生改變。

第三，內(nèi)蒙古地區(qū)NDVI年均值年際變化趨勢(shì)空間格局地區(qū)差異比較明顯，植被狀況明顯退化地區(qū)以內(nèi)蒙古中東部農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)為主，錫林郭勒盟東北部和呼倫貝爾盟西部以牧業(yè)為主的旗縣也退化明顯，因此內(nèi)蒙古交錯(cuò)區(qū)的生態(tài)環(huán)境變遷，農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)的合理調(diào)控將是今后內(nèi)蒙古自治區(qū)及國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)生態(tài)發(fā)展更進(jìn)一步考慮的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。

本文主要針對(duì)內(nèi)蒙古最近12年不同植被類型NDVI時(shí)空變化進(jìn)行分析，植被變化的監(jiān)測(cè)是一個(gè)長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)過(guò)程，需要進(jìn)一步的對(duì)其進(jìn)行分析。其中對(duì)更長(zhǎng)時(shí)間序列的植被變化以及植被變化與氣候變化、畜牧業(yè)、礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)、城市化、人口和相關(guān)政策等的關(guān)系將是下一步研究的重點(diǎn)。

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