利用Modis-NDVI 時(shí)序數(shù)據(jù)分析滇中地區(qū)綠色覆被的變化特征

趙文君ZHAO Wen-jun；謝飛帆XIE Fei-fan

（①云南師范大學(xué)，昆明 650000；②云南省水文水資源局，昆明 650000）

（①Yunnan Normal University，Kunming 650000，China；②Bureau of Hydrology and Water Resources in Yunnan Province，Kunming 650000，China）

1 研究區(qū)概況

滇中地區(qū)位于我國(guó)“兩縱三橫”城市化戰(zhàn)略格局中包昆通道縱軸的南端，目前是我國(guó)主體功能區(qū)規(guī)劃的重點(diǎn)開(kāi)發(fā)地區(qū)。滇中地區(qū)位于云南省中部，介于100°00′27.11″～103°4′20.41″E，22°9′55.19″～27°00′24.71″N 之間，地處紅河、南盤江、金沙江、瀾滄江四大水系的分水嶺地區(qū)，地形屬于高原，地形小波狀起伏，平均海拔為2000m，多為起伏和緩的低山和丘陵，發(fā)育著類型多樣的巖溶地形。其西北地區(qū)處于橫斷山脈的邊緣，相對(duì)高差大，地勢(shì)險(xiǎn)峻。而東南地區(qū)的地勢(shì)較為緩和，有著非常開(kāi)闊的河谷，海拔一般在800m～1000m 之間。整個(gè)區(qū)域的總面積為17.4 萬(wàn)km2，占整個(gè)云南省面積的45.29%，主要包括昆明、曲靖、玉溪、楚雄、麗江、大理、紅河七個(gè)市、地區(qū)的49 個(gè)縣。其主要的綠色覆被有林地、草地、灌叢和農(nóng)田四大類別。

2 數(shù)據(jù)資料與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)資料及其預(yù)處理 本文選用了美國(guó)的對(duì)地觀測(cè)計(jì)劃ESO 的ERRA 衛(wèi)星攜帶的MODIS 傳感器的軌道數(shù)據(jù)，綜合考慮了影像獲取的難度、影響的質(zhì)量、所面臨的工作量以及研究目標(biāo)等因素。在2009～2013年每天接收的資料中，選取分辨率為250m 的1B 級(jí)數(shù)據(jù)作為其基礎(chǔ)性研究資料（表1），共計(jì)為1261 個(gè)時(shí)期的影像。在處理數(shù)據(jù)時(shí)，研究人員選用ENVI 軟件進(jìn)行影像批處理。同時(shí)，以第四代交互式計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言IDL 為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)出了影像批預(yù)處理程序，主要在ENVI 軟件平臺(tái)上運(yùn)行。該程序采用了Delaunay 三角網(wǎng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法以及雙線性插值法，對(duì)獲取到的影像進(jìn)行了幾何校正，并在校正過(guò)程中采用后向映射算法有效地消除了“雙眼皮”現(xiàn)象，最終校正完成后的坐標(biāo)系統(tǒng)為UTM 投影，WGS84 坐標(biāo)系統(tǒng)。研究人員在此基礎(chǔ)上采用了輻射定標(biāo)和去云處理的方式裁剪出了滇中研究區(qū)的影像。

表1 滇中地區(qū)綠色覆被分析的Modis 1B 影像資料

此外，為了研究不同植被類型NDVI 時(shí)間序列數(shù)據(jù)季相及年際間的變化特征問(wèn)題，在Modis MOD12（Modis 土地利用/覆被數(shù)據(jù)，分辨率為500m）數(shù)據(jù)、云南省1：25 萬(wàn)地形圖、云南省1：50 萬(wàn)植被蓋度圖等資料的輔助下，對(duì)2005年Modis MOD02（Modis 經(jīng)過(guò)輻射定標(biāo)后的數(shù)據(jù)，分辨率為250m）數(shù)據(jù)進(jìn)行了決策樹(shù)分類。參照國(guó)際上IGBP的土地覆被分類系統(tǒng)，分出林地、灌叢、草地、農(nóng)田、居民地、水體等六類地物類別。

2.2 NDVI年際變化特征的協(xié)同性分析 植被NDVI值在時(shí)間尺度上的變化反映了植被年內(nèi)生長(zhǎng)的NDVI 變化過(guò)程,不同植被類型的NDVI 時(shí)間曲線具有不同的變化特征，通過(guò)對(duì)不同植被類型的NDVI 時(shí)間曲線的分析可以了解該植被的年內(nèi)生長(zhǎng)狀況。本文采用NDVI 特征值的分析方法計(jì)算滇中地區(qū)NDVI 值的年際變化特征。選取相關(guān)系數(shù)r 分析NDVI 曲線年際間的相關(guān)性，指示植被變化年際間的協(xié)同性。相關(guān)系數(shù)r 的計(jì)算公式：

式（1）中，rxy為第x年和第y年每一象元NDVI 值的相關(guān)系數(shù)；xi、yi分別為x、y年中每個(gè)象元第i月的NDVI值；分別為xi、yi的年內(nèi)平均值；n 為一年n 期NDVI 影像。在給定置信水平α=0.05，自由度f(wàn)=10 的條件下，通過(guò)查相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)表得到其臨界值為0.5760，即相關(guān)系數(shù)x、y 具有正相關(guān)關(guān)系的條件是rxy＞0.5760，滿足該條件的x、y年際間NDVI 協(xié)同性較好，反之協(xié)同性差。

3 結(jié)果分析

3.1 不同植被類型的NDVI年內(nèi)變化特征

圖1 不同植被類型NDVI年內(nèi)變化曲線

圖1 為草地、灌叢、農(nóng)田、森林四種不同植被類型的月平均NDVI 值。在2009～2013年中，年內(nèi)NDVI 時(shí)間序列圖。由圖可知4 種植被類型的NDVI 時(shí)間變化曲線總體形狀每年基本相似，隨著季節(jié)的變換，NDVI 曲線具有波動(dòng)性特征。對(duì)所有植被而言，NDVI 在12月最低，5月次低。每年的1～8月是NDVI 的上升階段，8、9月達(dá)到最大值，隨后NDVI 開(kāi)始急劇下降，到12月份最低（除2009年以外）。造成以上變化的原因可能可能與落葉植被葉綠素含量有關(guān)。但是單一不同植被類型NDVI 值之間表現(xiàn)出明顯的差異性。圖1d 中森林植被NDVI 值的波動(dòng)頻率明顯高于其他三種植被類型的NDVI 波動(dòng)曲線，基本在0.4 左右波動(dòng)。四種植被類型NDVI年內(nèi)季節(jié)性變化幅度差別較大，農(nóng)田NDVI季節(jié)性變化幅度最大，其次是灌叢、草地，森林植被最小。

3.2 不同植被類型的NDVI年際變化特征

圖2 為對(duì)滇 中地區(qū)2009～2010、2010～2011、2011～2012、2012～2013年四個(gè)時(shí)間段的NDVI 曲線年際協(xié)同性計(jì)算結(jié)果。綠色部分代表95%置信度下的NDVI 曲線年際間協(xié)同性比較差的區(qū)域，灰色代表協(xié)同性較好。從圖2a 看出2009～2010年滇中地區(qū)NDVI 值在麗江、大理、楚雄等地以綠色調(diào)為主，NDVI 值變化比較顯著，曲靖、昆明、玉溪、紅河地區(qū)以灰色調(diào)為主，NDVI 曲線協(xié)同性比較好，變化不太明顯；圖2b 中2010～2011年NDVI 變化顯著的區(qū)域主要分布在楚雄、大理、麗江等地區(qū)，昆明、曲靖、紅河、玉溪相對(duì)而言，變化比較弱；圖2c 中2011～2012年NDVI 變化顯著的區(qū)域主要表現(xiàn)在麗江、楚雄、玉溪、昆明四個(gè)地區(qū)，其他地區(qū)相對(duì)變化較弱。圖2d 中，2012～2013年NDVI 變化除曲靖地區(qū)的東北部以外，其他地區(qū)NDVI年際變化非常明顯。

4 結(jié)論

4.1 本文利用空間分辨率為250m 的Modis 1B 級(jí)數(shù)據(jù)的近紅外、可見(jiàn)光波段（對(duì)應(yīng)第一、第二波段）計(jì)算了2009～2013年滇中地區(qū)逐日NDVI 值。計(jì)算結(jié)果表明，Modis NDVI 值能夠真實(shí)的指示滇中地區(qū)植被生長(zhǎng)、發(fā)育的變化狀況。NDVI MVC 合成法在一定程度上能夠消除云霧等對(duì)于計(jì)算植被指數(shù)的影響，提高了NDVI 值計(jì)算的精度。

4.2 滇中地區(qū)Modis 植被指數(shù)隨季節(jié)呈現(xiàn)規(guī)律性的波動(dòng)變化，振幅變化平均最小值為0.4，出現(xiàn)在冬季（1、2、12月份），平均最大值為0.7，出現(xiàn)在秋季（9、10、11月份），這與綠色植被生長(zhǎng)周期內(nèi)，葉綠色含量的變化情況基本一致。

4.3 協(xié)同性計(jì)算結(jié)果表明，2009～2010年NDVI 值變化不太明顯，變化區(qū)域主要分布在大理麗江等滇中西北部地區(qū)；2010～2011年楚雄、大理、麗江地區(qū)NDVI 變化顯著，昆明、曲靖、紅河、玉溪相對(duì)而言，變化比較弱；2011～2012年NDVI 的區(qū)域主要表現(xiàn)在麗江、楚雄、玉溪、昆明四個(gè)地區(qū)變化比較顯著，其他地區(qū)相對(duì)較弱；2012～2013年NDVI 變化除曲靖地區(qū)的東北部以外，其他地區(qū)NDVI年際變化非常明顯。

圖2 四個(gè)時(shí)間組合NDVI 曲線相關(guān)性計(jì)算結(jié)果

4.4 不同植被類型NDVI 變化值分析得出，2009～2013年NDVI 值除草地、森林在2010～2011、2011～2012年之間減少了-0.000551、-0.081289 之外，其他均呈持續(xù)上升趨勢(shì)，森林NDVI 值在2012～2013年年際增幅最大，增加了0.109515。表明近五年之中滇中地區(qū)植被狀況良好。

[1]鄧朝平,郭鈮,王介民,馬金輝.近20年來(lái)西北地區(qū)植被變化特征分析[J].冰川凍土,2006,28(5):686-692.

[2]李霞,李曉斌兵,陳云浩,鶯歌.中國(guó)北方草原植被對(duì)氣象因子的時(shí)滯響應(yīng)[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2007,31(6):1054-1062.

[3]霞虹,武建軍,范錦龍.陰山北麓地區(qū)近20年來(lái)植被生長(zhǎng)狀況及其年際變化研究[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,43(6):678-683.