基于GIMMS-NDVI的新疆植被覆蓋時空變化

郭 鵬, 徐麗萍

(石河子大學(xué)理學(xué)院, 新疆 石河子 832003)

基于GIMMS-NDVI的新疆植被覆蓋時空變化

郭 鵬, 徐麗萍

(石河子大學(xué)理學(xué)院, 新疆 石河子 832003)

利用1982—2006年的GIMMS NDVI數(shù)據(jù)，采用最大值合成法、平均值法、時間序列分析、T值檢驗(yàn)等方法等以年數(shù)據(jù)研究了新疆的植被覆蓋動態(tài)變化情況，并結(jié)合氣候等相關(guān)因素綜合分析了其時空分布特征。研究表明：(1) 新疆的植被覆蓋有明顯的南北差異，北疆優(yōu)于南疆，西北優(yōu)于東南。(2) 研究區(qū)近25 a間植被覆蓋呈現(xiàn)增長趨勢的區(qū)域有20.33萬 km2，占總面積的12.4%；呈現(xiàn)減少趨勢的區(qū)域面積為11.75萬km2，占總面積的7.0%；面積無變化或變化不大的區(qū)域占總面積的80.6%。(3) 新疆1982—2006年間植被覆蓋主要是呈現(xiàn)出波浪式上升的良好增長趨勢，并且相對較為穩(wěn)定。

GIMMS-NDVI; 新疆; 植被; 時空變化

近幾十年間隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地球生態(tài)系統(tǒng)承受的壓力越來越大。在如何保護(hù)、修復(fù)自然環(huán)境以及對生態(tài)系統(tǒng)平衡的保護(hù)方面，植被研究占據(jù)了極其重要的位置，尤其是在陸地生態(tài)系統(tǒng)研究方面，對區(qū)域植被的研究是十分必要的。在利用遙感進(jìn)行植被監(jiān)測的數(shù)據(jù)中以歸一化植被指數(shù)(The Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)應(yīng)用最廣泛[1-4]，它能很好地反映植被覆蓋、生物量及生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)的變化[5-8]，常被用于土地利用和覆蓋變化、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測以及植被動態(tài)監(jiān)測等方面[9-10]。

新疆是我國重要的自然資源儲備地區(qū)，對新疆地區(qū)植被的研究可以很好地反映目前新疆的自然資源和生態(tài)環(huán)境狀況，發(fā)現(xiàn)問題并尋求解決方法。通過對這一地區(qū)NDVI時間序列的研究提取植被變化特征和變化趨勢，可以更好的指導(dǎo)農(nóng)林牧業(yè)的生產(chǎn)活動，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與自然的可持續(xù)發(fā)展。本研究通過對新疆1982—2006年的GIMMS-NDVI遙感時間序列數(shù)據(jù)對其植被變化進(jìn)行研究，分析得到新疆近25 a的植被覆蓋情況和變化情況，并分析其變化趨勢、特點(diǎn)和相關(guān)影響因素[11]。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于歐亞大陸中部，祖國西北邊陲，東經(jīng)73°40′—96°23′，北緯34°25′—49°10′。東西長約1 900 km，南北寬約1 600 km，面積為166.49萬km2。地形地貌可以概括為“三山夾兩盆”， 即北為阿爾泰山，南為昆侖山，中部為天山山脈,把新疆分為南北兩半，南部是塔里木盆地，北部是準(zhǔn)噶爾盆地。新疆屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，由天山分隔為南疆和北疆兩大區(qū)域，分處暖溫帶和中溫帶，北疆為溫帶大陸性干旱半干旱氣候，南疆為暖溫帶大陸性干旱氣候[12-13]。全區(qū)年平均降水量147 mm，從西北向東南逐漸減少，由于特殊地理位置、地形條件和干旱氣候的影響使新疆生態(tài)環(huán)境極為脆弱，對氣候變化和氣候短期振動的敏感性相對較高。

2 數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)源及特點(diǎn)

研究所用遙感數(shù)據(jù)是1982年1月到2006年12月全球監(jiān)測與模型組(Global Inventor Modeling and Mapping Studies，GIMMS)發(fā)布的分辨率為8 km的15 d合成的最大值NDVI數(shù)據(jù)集[14]。數(shù)據(jù)是經(jīng)過幾何粗較正、輻射較正和大氣校正等預(yù)處理的NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)，再進(jìn)一步對每日、每軌圖像進(jìn)行幾何精校正、除云、除壞線等處理后，進(jìn)行NDVI計(jì)算并合成[15]。計(jì)算公式為：NDVI=1000×(b2-b1)/(b2+b1)，其中b1、b2分別為AVHRR 的第1，2波段，這是經(jīng)擴(kuò)大1 000倍后的NDVI值。

2.2 數(shù)據(jù)處理

研究采用最大值法處理合成月NDVI圖像數(shù)據(jù)，并以最大值法合成的月數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用平均值的方法計(jì)算當(dāng)年4—10月生長季的年平均NDVI值，將年平均NDVI值進(jìn)行float(b1)*0.001的計(jì)算，然后將1982—2006年的年平均NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行層疊加，合成一個25波段的圖像數(shù)據(jù)，并對圖像進(jìn)行裁剪，將裁剪好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存換為ERDAS格式文件，在ERDAS中加載模型并輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的運(yùn)算。在ARCGIS10.0軟件中對運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行閾值的調(diào)整，然后根據(jù)閾值進(jìn)行重分類，最后分析獲得結(jié)論[16]。具體方法如下：

2.2.1 最大值合成法 為了準(zhǔn)確反映植被覆蓋在空間上的整體變化特征，采用最大值合成法MVC(Maximum Value Composites)獲取月NDVI最大值，生成當(dāng)月的NDVI值，這可以有效減少大氣中來自云、氣溶膠、云陰影、視角以及太陽高度角的影響[17-18]。在本研究中，以15 d的NDVI數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用最大值合成法獲取月最大NDVI，表征當(dāng)月植被生長的最佳狀況及其動態(tài)變化，公式為：

MNDVIi=MAX(NDVI1,NDVI2)

(1)

式中：i——月序號，取值范圍為4—10，代表生長季的7個月份；MNDVIi——第i月的最大NDVI值；NDVI1，NDVI2——第i月上半月和下半月的NDVI值。

2.2.2 平均值法 在最大值合成法合成月數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，為了能夠反映出一年內(nèi)研究區(qū)植被NDVI的真實(shí)情況，本次研究以MNDVIi為基礎(chǔ)采用平均值的方法來計(jì)算和衡量年內(nèi)生長季的NDVI值，代表當(dāng)年的NDVI值。公式為：

(2)

(3)

2.2.3 趨勢線分析法 對NDVI時間序列的分析方法中，變化斜率法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于研究植被覆蓋、生物量、NPP以及農(nóng)作物產(chǎn)量的長期變化趨勢等方面。本研究中，運(yùn)用ERDAS軟件平臺，利用1982—2006年生長季NDVI年平均值層疊加后的結(jié)果，采用一元線性回歸方法模擬出每個像元的NDVI在研究時間區(qū)間內(nèi)的變化特點(diǎn)與趨勢，計(jì)算其斜率值以分析其變化速率情況來模擬新疆1982—2006年NDVI的變化趨勢，斜率Slope的計(jì)算方法如下[4]：

(4)

式中：i——年序號；n——時間長度；NDVI——基于像元的1982—2006年25a時間序列數(shù)據(jù)，采用生長季(4—10月)平均值。NDVI隨時間的變化斜率反映植被覆蓋的變化方向，斜率為正值表示植被覆蓋呈增加趨勢，為負(fù)值表示植被覆蓋呈減少趨勢，為0表示植被覆蓋無變化趨勢[20-21]。

3 結(jié)果與分析

3.1 新疆植被覆蓋空間分布特征

附圖1表示研究區(qū)1982—2006年NDVI平均值，圖中越亮的區(qū)域NDVI值越大，越暗的區(qū)域NDVI值越小，其中最大值出現(xiàn)在伊犁河谷附近，為0.709 76，最小值則出現(xiàn)在塔克拉瑪沙漠、古爾班通古特沙漠和其它部分戈壁地區(qū)。這也反映出新疆植被覆蓋的南北差異性，其中，以北疆西部植被覆蓋狀況最好，其次是北部沿邊境一帶以及天山北麓沿線，最少的區(qū)域是北疆中部和南疆中部以塔克拉瑪干沙漠和通古特沙漠為起點(diǎn)，一直延伸到鄰省省界處的區(qū)域，南疆西部部分帶狀山麓也有較好的植被覆蓋。這與新疆“三山兩盆”的地形也相符合，是大西洋水汽和北冰洋氣流共同作用的結(jié)果。

3.2 新疆植被覆蓋時間變化特征

從圖1可以看出，1982—2006年的年NDVI平均值分布于0.056 4至0.067 6之間，最小值出現(xiàn)在1982年，最大值是在1998年。1982—1985年NDVI在0.056 4至0.057 6間波動，整體呈小幅度上升的趨勢，1985—1988年的NDVI呈現(xiàn)快速上升的趨勢，但是在1988年之后，年NDVI值下降至0.056 7，并在1990年大幅上升至0.064 9，然后逐年遞減；1994—1998年呈現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定上升趨勢，在1998年峰值后，NDVI值呈現(xiàn)小幅度的下降與上升的交替式波動，2000—2002年小幅度上升，之后呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢，至2005年達(dá)到低谷。

圖1 1982-2006年NDVI平均值結(jié)果分布

圖2為新疆1982—2006年間的平均NDVI值與各年的NDVI值對比圖，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：1982—2006年間平均NDVI值為0.062 3，從圖中可以看出1982—2006年的NDVI年數(shù)據(jù)比較分散，部分年份的值與平均值相差較大。通過計(jì)算得到1982—2006年25a的NDVI值方差為0.011，可以判斷研究時間區(qū)間內(nèi)新疆1982—2006年的25個NDVI數(shù)據(jù)樣本的離散程度不大[22]，處在比較穩(wěn)定的范圍之內(nèi)，新疆的NDVI值具有穩(wěn)定性，表明新疆植被覆蓋變化的情況是相對較為穩(wěn)定的。

3.3 新疆植被覆蓋時間變化趨勢分析

對1982—2006年層疊加后的NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行逐像元的一元線性回歸分析，利用公式4中Slope的計(jì)算方法，求出其回歸分析的斜率圖來反映整個區(qū)域植被的變化趨勢情況。參照已有的研究[23]，根據(jù)Slope值的大小將研究區(qū)植被覆蓋變化分為五個等級：顯著增加、增加、不變、減少、顯著減少，變化趨勢分類標(biāo)準(zhǔn)見表1。NDVI趨勢變化圖和變化結(jié)果圖分別見圖3和圖4。

圖2 1982-2006年NDVI平均值與各年均值對比

圖3 1982-2006年NDVI趨勢變化

圖4 1982-2006年新疆NDVI的空間變化

統(tǒng)計(jì)表明，有20.33萬km2的區(qū)域植被覆蓋呈現(xiàn)增長的趨勢，占新疆總面積的12.4%；有11.75萬km2的區(qū)域植被覆蓋呈現(xiàn)減少的趨勢，占新疆總面積的7.0%；面積無變化的面積為134.15萬km2，占新疆總面積的80.6%。從面積上看，顯著增加的面積是6.15萬km2，增加的面積是14.18萬km2，不變的面積是134.15萬km2，顯著減少的面積是0.77萬km2，減少的面積是10.98萬km2。對比可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)植被趨于改善(包含顯著增加和增加)的區(qū)域比趨于退化(包含顯著減少和減少)的區(qū)域面積多8.58萬km2，占全區(qū)總面積的5.15%。

表1 NDVI變化統(tǒng)計(jì)

從以上結(jié)果可以看出，1982—2006年新疆植被顯著增加的區(qū)域主要是新疆天山北麓中部及塔里木河流域。植被覆蓋減少的區(qū)域主要分布在新疆南部，東部也有部分區(qū)域出現(xiàn)植被覆蓋減少的情況。此外，在植被覆蓋增加和顯著增加的區(qū)域之間也存在零星的減少區(qū)域。綜合分析可以發(fā)現(xiàn)植被的增加區(qū)域主要是在水資源比較豐富的區(qū)域，有明顯的人為因素，而植被減少的區(qū)域則主要分布在人口稀少的地區(qū)和水資源相對稀少的沙漠地區(qū)。

4 結(jié) 論

(1) 新疆的植被分布具有明顯的地域性特征，南北差異尤為明顯，北疆植被覆蓋狀況遠(yuǎn)優(yōu)于南疆，北疆的植被主要集中在沿天山山脈以北，以及伊犁河谷區(qū)域；南疆植被主要沿塔里木河流域分布，呈現(xiàn)條帶狀。

(2) 新疆1982—2006年的植被覆蓋狀況整體呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，偶爾出現(xiàn)變化較大的反趨勢年份數(shù)據(jù)，這與氣候的反常有關(guān)。25 a的NDVI數(shù)據(jù)方差為0.011，這表明新疆的植被覆蓋隨時間的變化程度不大，比較穩(wěn)定[24]。

(3) 新疆植被覆蓋減少的區(qū)域主要分布在水資源缺乏、人口稀少的地區(qū)，如沙漠、戈壁等區(qū)域。研究的時間區(qū)間內(nèi)，各年的植被覆蓋變化情況總體變化不大，部分年份與相鄰的變化相對較大，具有一定的突異性現(xiàn)象。

綜上所述，1982—2006年間新疆的植被覆蓋變化基本情況是總體上變化不大，呈現(xiàn)出平緩增加為主，減少為次，部分地區(qū)顯著性增加的趨勢，個別地方顯著性減少的變化情況。

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SpatiotemporalVariationofVegetationinXinjiangBasedonGIMMS-NDVI

GUO Peng, XU Li-ping

(CollegeofScience,ShiheziUniversity,Shihezi,Xinjiang832003,China)

By using 1982—2006 GIMMS—NDVI images，this paper analyzed the spatiotemporal variation of vegetation in Xinjiang．Results showed that: (1) it had the obvious difference between the vegetation covers in north and south of Xinjiang, the vergetation recovery is better in north than south in Xinjiang, and the northwest is better tha the southeast; (2) the region area that had the growing trend was 20.33×104km2, which was 12.4% of the total area. And the region area that had reducing trend was 11.75×104km2, which was 7.0% of the total area; (3) the vegetation cover in Xinjiang shows a good wave rising rowth trend from 1982 to 2006, and which is relatively stable.

GIMMS-NDVI; Xinjiang ; vegetation; spatiotemporal variation

2013-10-19

：2013-12-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“天山北麓新墾綠洲土地覆被變化與局地氣候互動效應(yīng)研究”(41001387)

郭鵬(1981—),男,安徽利辛人,碩士,助理研究員,主要從事遙感技術(shù)應(yīng)用研究。E-mail:gp163@163.com

P237

：A

：1005-3409(2014)04-0097-04