基于MODIS—NDVI數(shù)據廣西植被覆蓋變化特征分析

喻素芳+佘光輝+羅葉紅+潘婷+李麗娟

摘要：利用月合成MODIS-NDVI時間序列數(shù)據、氣象數(shù)據、DEM等數(shù)據，分析研究了2001-2010年廣西省10年間植被覆蓋變化的特征。結果表明，廣西植被覆蓋率較高且總體呈上升趨勢，從區(qū)域角度分析，桂南地區(qū)增加趨勢最顯著，其次是桂中地區(qū);從海拔梯度角度分析，海拔200 m以下的區(qū)域植被覆蓋增加趨勢最顯著，但此區(qū)域的植被覆蓋率較低，NDVI最高分布在海拔400～800 m的區(qū)域。植被覆蓋變化受氣溫、降水及人類活動影響較大，植被覆蓋梯度變化除受這些因素影響外，也與植被垂直地理分布特征相關。

關鍵詞：MODIS-NDVI;植被覆蓋;氣溫;顯著

中圖分類號：S812 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2015）02-0321-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.02.017

Analysis of Characteristics of Vegetation Cover Change in Guangxi Province Based on MODIS-NDVI

YU Su-fang1，2，SHE Guang-hui1，LUO Ye-hong2，PAN Ting2， LI Li-juan2

（1. School of Forest Resources and Environment ，Nanjing Forestry University ，Nanjing 210037， China;

2. School of Forestry，Guangxi University ，Nanning 530004， China）

Abstract： Base on the monthly time series MODIS-NDVI， meteorologic and digital elevation model（DEM） data from 2001 to 2010， analysed the change characters of surface vegetation coverage of Guangxi Province during this 10 years. The results showed that the vegetation coverage of Guangxi was at a high level with a growing tendency. The growing tendency was the most remarkable in southern Guangxi and followed by the middle Guangxi area. Vegetation coverage change with the vary classified elevation levels. The 200 m below level hold the most obvious growing trend while its NDVI was lower. NDVI was highest at altitude of 400～800 m range. The temperature， rainfall and human activities could influence the vegetation coverage. Beside all these three factors，the vegetation coverage was also associated with the vertical characteristics of geographical distribution of vegetation.

Key words： MODIS-NDVI; vegetation cover; temperature; obvious

地表植被的空間分布是植被對氣候長期適應的結果，任何地區(qū)的植被均能反映出該地區(qū)的氣候類型[1]，并且植被覆蓋狀況能直接反映該地區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況，對全球環(huán)境變化具有指示器作用[2]。研究某一區(qū)域植被變化對研究該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義[3]。

植被指數(shù)（Vegetation Index）是指從多光譜遙感數(shù)據中提取的有關地球表面植被狀況的定量數(shù)值，用以表征地表植被覆蓋、生長狀況和生物量等，常用的植被指數(shù)有：RVI、GVI、DDVI、PVI、EVI及NDVI等[4，5]。歸一化植被指數(shù)（NDVI），又稱標準化植被指數(shù)，是植物生長狀態(tài)以及植被空間分布密度的最佳指示因子，與植被分布密度呈線性相關。同時，NDVI對土壤背景的變化較為敏感;與綠葉的葉面積系數(shù)（LAI）有很好的正相關性，可直接表征某地區(qū)的植被覆蓋狀況[3，5]。

一些學者基于不同的遙感數(shù)據源研究了不同地區(qū)地表植被的時空分布、覆被變化及其驅動力等內容[6-8];宋怡等[7]、崔曉臨等[8]利用SPOT、MODIS遙感數(shù)據對中國西北地區(qū)的植被覆蓋變化進行了分析研究;李秀花等[9]、劉綠柳等[10]、李雙成等[11]、張笑鶴[12]研究了NDVI的動態(tài)演變規(guī)律與氣候之間的相關性，結果表明，全球氣候變暖的顯著變化影響了地表植被覆蓋;崔曉臨等[13]研究得出不同海拔NDVI與氣溫具有不同的相關性;何勇等[14]發(fā)現(xiàn)在眾多氣候因子中，氣溫及降水對植被NDVI具有最重要和最直接的影響;潘薔等[15]通過對北京植被指數(shù)變化及影響因素分析得出，除了氣候變化影響NDVI外，人類活動包括土地利用類型的改變、農業(yè)生產水平的提高以及植被建設的管理對植被覆蓋均具有不同程度的影響。目前，國內對植被覆蓋變化的研究主要集中在長江以北地區(qū)[7-15]，華南地區(qū)極少，本研究基于2000-2010年MODIS NDVI時間序列數(shù)據，以地處亞熱帶地區(qū)的華南西部的廣西省為研究區(qū)域，分析該區(qū)域10年間植被覆蓋變化特征，并試圖從氣候變化、植被分布等方面分析和探討植被覆蓋變化的原因，以期為區(qū)域植被恢復和管理提供理論支持。endprint

1 ?研究區(qū)概況

廣西壯族自治區(qū)地處中國南疆，位于東經104°26′-112°04′，北緯20°54′-26°24′之間，北回歸線橫貫全區(qū)中部，南瀕熱帶海洋，北接南嶺山地，西延云貴高原，屬云貴高原向東南沿海丘陵過渡地帶，地形特點為四周高中部低，形似盆地，且山地多、平原少（圖1）。廣西地處中、南亞熱帶季風氣候區(qū)，在太陽輻射、大氣環(huán)流和地理環(huán)境的共同作用下，形成了氣候溫暖、熱量豐富（各地年平均氣溫在16.5～23.1 ℃之間），降水豐沛、干濕分明（各地年均降水量為1 080～2 760 mm，大部分地區(qū)為1 300～2 000 mm），日照適中、冬少夏多（各地年均日照時數(shù)為1 169～2 219 h），災害頻繁、旱澇突出，沿海、山地風能資源豐富的氣候特點。

2 ?材料與方法

2.1 ?試驗材料

中分辨率成像光譜儀（MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer-MODIS）是Terra和Aqua衛(wèi)星上搭載的主要傳感器之一，兩顆衛(wèi)星相互配合每1～2 d可重復觀測整個地球表面，本研究使用了從中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數(shù)據鏡像網站（http：//www.gscloud.cn）下載的分辨率為1 km的MODIS月合成NDVI數(shù)據（TERRA星），時間序列數(shù)據由2001年1月至2010年12月共120期，該產品是由分辨率為250 m的MODIS NDVI每天的數(shù)據產品計算得到，計算方法為取月內最大值。其他材料有廣西壯族自治區(qū)行政區(qū)劃圖（圖1）、從廣西氣象局獲取的2001至2010年平均氣溫和年平均降水量、廣西2001至2011年統(tǒng)計年鑒及從中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數(shù)據服務平臺（http：/datamirror.csdb.cn）下載的分辨率為90 m的DEM數(shù)據。

2.2 ?試驗方法

利用軟件ERDAS 9.1和ARCGIS 10.0對獲取的120期月平均NDVI數(shù)據進行解譯和分析，發(fā)現(xiàn)在這10年中，每年上半年的數(shù)據（1～6月份）均有1～2個月的數(shù)據不同程度的受到云層的影響，為了使各年份間的數(shù)據具有更可靠的比較性，在計算每個月的10年平均值時，剔除了受到云層影響的數(shù)據，用無云層覆蓋的數(shù)據計算取平均值;年平均值采用各年下半年（7～12月份）的數(shù)據進行計算取平均值，以其作為年平均值。

為分析過去幾年研究區(qū)域每個像元的NDVI變化趨勢，本研究利用Stow等[16]研究的以時間t為自變量用每年的平均NDVI和時間序列建立的一元線性回歸方程的分析方法來進行分析，公式如下：

Slope=■ （1）

式（1）中：Slope表示線性回歸方程的斜率，n表示累計總監(jiān)測年數(shù)，i表示第1～n年，■■表示第i年的平均值，這條直線不是簡單的描述第一年與最后一年的植被指數(shù)的關系，而是這10年總的變化趨勢，如果Slope=0，說明NDVI基本保持不變;如果Slope<0，說明NDVI呈遞減趨勢;反之，NDVI則呈遞增趨勢。

3 ?結果與分析

3.1 ?平均NDVI值及年際變化

2001-2010年10年間月平均NDVI值變化情況如圖2所示。由圖2可知，全年中NDVI值最小值出現(xiàn)在2月份，其值為0.553，隨月份增加，氣溫回升，NDVI不斷增大，到9月份，出現(xiàn)峰值0.861，9月過后又逐漸下降，至次年的2月份。

由圖3可知，NDVI值總體呈增加的趨勢，但在這10年中，2002年的NDVI出現(xiàn)了一個小峰值，由廣西省2001-2010年年平均氣溫和年平均降水量圖（圖4）可知，2001年雨量充沛、氣溫適宜，這些綜合因素使得2002年植被長勢良好;2009年NDVI出現(xiàn)了一個較低值拐點，為導致這一年NDVI下降的主要影響因素;2008年，廣西遭遇了特大雨水冰凍災害，低溫導致植被、作物、莊稼均遭到極其嚴重的損失（圖4），從而NDVI值下降，說明氣溫與NDVI值存在明顯的相關性，這與李蕙敏等[4]的研究結果相似。

3.2 ?10年間變化趨勢分析

根據地理位置將廣西全區(qū)分為五個區(qū)：桂北地區(qū)（包括桂林、柳州、河池）、桂東地區(qū)（包括賀州、梧州、貴港）、桂西北地區(qū)（包括百色）、桂中地區(qū)（包括南寧、來賓、崇左）和桂南地區(qū)（包括北海、防城港、欽州、玉林）。利用Stow等[16]研究的回歸方程對研究區(qū)域每個像元的變化趨勢進行分析， 根據計算得到的Slope， 將其分為五個等級： 退化（<-0.000 4）、 基本不變（-0.000 4～0.000 4）、 輕微改善（0.000 4～0.004 0）、中度改善（0.004 0～0.009 0）及明顯改善（>0.009 0）。

2001-2010年的10年植被覆蓋變化趨勢圖（圖5）和面積分布圖（圖6）表明，廣西全區(qū)的植被覆蓋整體呈增長趨勢，全區(qū)83%以上的區(qū)域植被覆蓋情況得到了不同程度的改善，其中中度改善和明顯改善的面積分別為43.4%和11.9%，合計占總面積的一半以上，而退化的區(qū)域僅占全區(qū)總面積的12.0%。

廣西為全國巖溶分布面積大、石漠化嚴重的省（區(qū)）之一，石漠化已成為廣西最大的生態(tài)問題。長期以來，林業(yè)部門積極采取各種措施，改善石漠化地區(qū)生態(tài)環(huán)境，將石漠化治理與當?shù)靥厣a業(yè)發(fā)展、農民增收和脫貧致富相結合，多年來，通過大力實施造林綠化工程、退耕還林工程、珠江流域防護林工程、森林生態(tài)效益補償、中央財政造林補貼試點項目、新造油茶示范林項目等，加快植樹造林和封山育林，大幅度增加森林植被，這一系列的措施使得植被的恢復取得了良好的效果，各區(qū)域植被覆蓋情況有所改善，如圖7所示。由圖7可知，從區(qū)域分布來看，桂南、桂中及桂西北地區(qū)植被恢復明顯，其中桂南地區(qū)的植被恢復程度最高，恢復面積占桂南地區(qū)總面積的93.4%，并且北海、欽州、崇左和來賓等地市的Slope值較高的像元比較集中。植被退化主要集中在桂北和桂東地區(qū)，其中桂林、賀州、貴港北部和柳州北部區(qū)域較為突出，桂北地區(qū)2008年遭遇了特大雨雪冰凍災害，植被遭到破壞且恢復較慢，桂東地區(qū)近年經濟發(fā)展較快，城市化進程加速，說明氣溫的變化、經濟的發(fā)展對植被的恢復有較大的影響。endprint

3.3 ?不同海拔NDVI年際變化

廣西的地勢北高南低（圖1），海拔從沿海-25 m至2 140 m， 平均海拔394 m， 利用空間分辨率為90 m的DEM數(shù)據將廣西全區(qū)高程分為五個等級區(qū)域：200 m以下、200～400 m、400～800 m、800～1 200 m和1 200 m以上。利用arcgis統(tǒng)計各等級高程范圍的10年平均NDVI值，統(tǒng)計結果（表1）表明，平均NDVI值最大的區(qū)域為中等海拔高度（400～800 m）區(qū)域，最大均值為0.823 7;平均NDVI值最小的區(qū)域為海拔<200 m的區(qū)域，最小均值為0.761 3;而高山地區(qū)（海拔在1 200 m以上）的平均NDVI值僅高于海拔<200 m的區(qū)域，海拔200～1 200 m范圍平均NDVI值差異不大。利用年份作為橫坐標，NDVI值作為縱坐標，建立各等級高程的NDVI變化趨勢圖（圖8），由圖8可見，不同等級的高程區(qū)域，10年間NDVI的變化均呈上升趨勢，利用Excel軟件對各高程范圍的NDVI進行線性回歸分析（表1），結果表明，海拔<200 m的區(qū)域范圍NDVI增加趨勢最顯著，其他依次為：200～400 m、800～1 200 m、400～800 m、1 200 m以上。

平均NDVI值海拔分布特征與廣西植被的垂直地帶性分布特征有比較密切的關系，海拔<200 m的區(qū)域，主要以農田耕地植被為主，建設區(qū)和水域主要分布在這一海拔范圍內，人類活動頻繁，NDVI值低。隨著國家一系列恢復植被的措施的實施，該區(qū)域人類活動受到限制，減弱了對植被覆蓋的影響，建城區(qū)的綠化覆蓋面積也在逐年遞增（2010年是2001年2.66倍），使得該區(qū)域的植被覆蓋增加迅速;海拔200～1 200 m的低山丘陵和中山區(qū)域，植被主要為季節(jié)性雨林、季風常綠闊葉林和典型常綠闊葉林[17]，闊葉林郁閉度較高。另外，此區(qū)域植被的熱量、光照、水分等條件均比較充足，植物的生長環(huán)境良好，植被覆蓋率較大，NDVI較高;海拔1 200 m以上的區(qū)域為常綠闊葉和針葉混交林，在風力較大的山頂和山脊則形成山頂苔蘚矮林，針葉林和苔癬矮林郁閉度均相對較低，且隨著海拔的升高，氣溫降低，熱量減少，植被長勢降低，NDVI值相對較低，但隨著全球氣候變暖，高海拔區(qū)域的植被覆蓋出現(xiàn)了逐年遞增的趨勢。

4 ?小結與討論

4.1 ?結論

本文采用2001-2010年MODIS NDVI時間序列數(shù)據和空間分辨率90 m的DEM數(shù)據研究廣西全區(qū)10年植被覆蓋變化特征，研究結果表明：（1）廣西土地面積2 374.08萬hm2，研究大區(qū)域范圍植被覆蓋率的連續(xù)動態(tài)變化，需要有足夠的空間和時間分辨率的觀測數(shù)據，MODIS數(shù)據是一個合理的選擇，其重復觀察周期短（1～2 d），空間分辨率適中（250 ～1 000 m）;（2）廣西總體植被覆蓋率較高，每年9月NDVI值最高，秋季到冬季逐漸下降，2月最低，春季到夏季逐漸升高，全年變化呈單峰曲線。2001-2010年由于受到氣溫、降水以及人類活動等影響，年平均NDVI的變化出現(xiàn)小幅波動，但總體呈上升趨勢;（3）研究區(qū)域植被恢復效果明顯，明顯改善占11.9%、中度改善占43.4%、輕度改善占28.6%，基本不變占4.1%、退化區(qū)域所占12.0%，其中，桂南和桂中地區(qū)改善明顯的區(qū)域占比例較大;（4）植被覆蓋具有明顯梯度分布特征，植被覆蓋率從高到低依次為400～800 m、200～400 m、800～1 200 m、1 200 m以上、200 m以下， 增加趨勢從高到低依次為200 m以下、200～400 m、800～1 200 m、400～800 m、1 200 m以上。

綜上研究結果，NDVI值與氣候因子、植被分布特點以及地區(qū)建設發(fā)展有關，可以比較準確地反映地區(qū)植被的覆蓋狀況。長期進行NDVI值觀測，可以將這些方面作為植被覆蓋變化驅動力進行研究，發(fā)現(xiàn)其內在的作用機制，為區(qū)域植被恢復和管理提供理論支持。

4.2 ?建議

1）宋怡等[7]、崔曉臨等[8]采用一年中的最大NDVI值作為年平均值對研究區(qū)域的植被覆蓋進行分析研究，而本研究利用7～12月份NDVI值求平均作為年平均值，兩種計算方法的結果對分析植被覆蓋變化特征是否存在差異，有待進一步論證。

2）植被覆蓋的變化受諸多因素的影響，本研究僅從氣溫、降水量、植被分布特征等進行了分析，在后續(xù)的研究中可以考慮廣西土地利用類型的變化與植被覆蓋變化的相關性。

3）中國現(xiàn)今主要進行的是城市帶動周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農村發(fā)展方針，由于區(qū)域發(fā)展也是植被變化的一個主要影響因子，因而未來可進行城區(qū)內外的對比研究，以期能探究城市發(fā)展進程對周邊區(qū)域NDVI值的動態(tài)影響。

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