基于MODIS/NDVI時(shí)序數(shù)列的廣西九萬山植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化

張藝成，王光軍

(中南林業(yè)科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

0 引言

森林是生長(zhǎng)于地球表層的植物的主體類型，是地球表層內(nèi)重要的再生資源，既是生態(tài)系統(tǒng)的主要成分，也是生態(tài)系統(tǒng)存在的主要基礎(chǔ).森林不僅為人類的生存發(fā)展提供物質(zhì)資源，而且森林在維持生態(tài)平衡中也起到重要的作用，尤其對(duì)保護(hù)水域、淡水資源以及脆弱的生態(tài)系統(tǒng)等方面起到關(guān)鍵的作用.植被是環(huán)境的重要因子，是反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的最好標(biāo)志[1].MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以同時(shí)提供陸地、云邊界及其特性、云頂溫度、海洋水色、浮游植物、大氣水汽和溫度、臭氧、地表溫度等特征信息，加上較高的時(shí)間分辨率和易獲取性，被廣泛地應(yīng)用于地球科學(xué)的綜合研究中，如土地覆蓋及分類[6]、土地退化監(jiān)測(cè)[7]、干旱監(jiān)測(cè)[8]、大范圍年度植被變化[9]、植被生產(chǎn)力[10]與生物量估算[11]等領(lǐng)域.植被指數(shù)是描述植被數(shù)量、質(zhì)量、植被長(zhǎng)勢(shì)和生物量等指標(biāo)的指示參數(shù)[12]，歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)是識(shí)別植被的一個(gè)重要參數(shù)，其值能夠很好地代表植被覆蓋度程度.趙鵬祥等[13]通過對(duì)不同植被指數(shù)的植被信息提取比較，發(fā)現(xiàn)利用NDVI提取植被的效果最好；李旭譜等[14]通過SPOT-NDVI影像數(shù)據(jù)，研究分析西北五省1999—2007年9年間的植被覆蓋時(shí)間與空間的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，結(jié)果表明9年間西北地區(qū)有26.92 %的地區(qū)植被覆蓋有明顯改善；楊磊等[15]基于2000年、2005年和2010年3個(gè)時(shí)相NDVI 數(shù)據(jù)，研究了四川中部丘陵植被景觀變化；徐浩杰等[16]利用2000—2010年間NDVI數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的氣候資料，研究了近10年來祁連山植被的時(shí)空變化及影響因素，研究表明不同植被類型的NDVI年際變化趨勢(shì)不同.王鴿等[17]利用遙感數(shù)據(jù)的NDVI植被指數(shù)，采取線性相關(guān)分析方法，定量化地分析生態(tài)建設(shè)工程對(duì)金沙江流域植被的影響，結(jié)果表明該地區(qū)的農(nóng)田植被增加速率最快，灌叢植被的增加趨勢(shì)最明顯.從國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展可以看到，用NDVI進(jìn)行植被監(jiān)測(cè)其靈敏度高，并且數(shù)值大小與植被覆蓋高低具有很高的正相關(guān).從NDVI角度出發(fā)去研究森林資源的宏觀快速監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)提高監(jiān)測(cè)成果時(shí)效性和現(xiàn)勢(shì)性具有重要現(xiàn)實(shí)意義.

本研究以ENVI4.8與ArcGIS10.3作為技術(shù)支撐，采用連續(xù)15年(2000—2014年)的九萬山地區(qū)MODIS數(shù)據(jù)，通過分析植被覆蓋的動(dòng)態(tài)變化，直觀了解展現(xiàn)該地區(qū)植被生長(zhǎng)分布狀況，進(jìn)而深入認(rèn)識(shí)該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)變化，為該保護(hù)區(qū)合理定制林區(qū)保護(hù)方案和促進(jìn)森林旅游發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐，保證九萬山自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到持續(xù)改善，使之整體處于一個(gè)良好、健康、高效的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài).

1 研究區(qū)概況

九萬山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)是中國(guó)亞熱帶地區(qū)生物種類最豐富的地區(qū)之一，也是全球同緯度地區(qū)生物多樣性保護(hù)的重要地區(qū).廣西九萬山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于桂北黔南，總面積約1204 km2，地理坐標(biāo)為東經(jīng)108°35′32″～108°48′49″，北緯25°01′55″～25°19′54″，保護(hù)區(qū)屬苗嶺山脈南緣，地貌主體是中山，山峰海拔普遍在1000 m以上，最高峰海拔1693 m.保護(hù)區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫12.0 ℃～17.1 ℃，極端最高溫37 ℃.最冷月(1月)平均氣溫4 ℃～6 ℃，最熱月(7月)平均氣溫22 ℃～25 ℃；年均降雨量1600～2100 mm，雨量多集中在4到8月，10月到第2年3月為少雨季節(jié)，相對(duì)濕度為82%～90 %.保護(hù)區(qū)屬中亞熱帶常綠闊葉針葉林區(qū)，樹種以闊葉樹和杉木為主；植被類型多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在國(guó)內(nèi)同緯度地區(qū)甚為少見.

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

MODIS數(shù)據(jù)來源于美國(guó)LPDAAC(Land Process Distribution Active Archive Center)，空間分辨率為250 m×250 m，時(shí)間分辨率為16 d.時(shí)間跨度為2000—2014年的每年1月到12月共180景.通過九萬山自然保護(hù)區(qū)矢量圖，在ENVI4.8中進(jìn)行圖像投影、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，影像鑲嵌、感興趣區(qū)截取、處理MODIS數(shù)據(jù)，在消除云、大氣、太陽(yáng)高度角等的部分干擾后提取出每月NDVI值.為避免某些極端月份NDVI數(shù)值的影響，年NDVI值采用均值法獲得.最后利用ArcGIS10.3進(jìn)行柵格重分類，成圖.

2.2 數(shù)據(jù)計(jì)算

NDVI = (NIR-RED)/(NIR+RED)，

(1)

式(1)中，NIR和RED分別代表近紅外和紅光波段的像元亮度值.在MODIS 數(shù)據(jù)中第4通道、第3通道對(duì)應(yīng)近紅外波段(0.725～1.10 μm)、紅光波段(0.58～0.68 μm).

3 結(jié)果與分析

3.1 九萬山年均NDVI隨時(shí)間變化趨勢(shì)

圖1和圖2給出了2000—2014年九萬山自然保護(hù)區(qū)年均NDVI值的動(dòng)態(tài)變化情況.

圖1 九萬山年均NDVI 變化曲線Fig.1 Variation of mean annual NDVI in Jiuwanshan

圖2 2000—2014 年九萬山植被覆蓋狀況分布Fig.2 Distribution of vegetation covers in Jiuwanshan (2000—2014)

由圖1和圖2可以看出，研究區(qū)內(nèi)的植被覆蓋呈現(xiàn)不斷的波動(dòng)變化.2000—2014年均NDVI值都在0.54以上，變化范圍在0.542 8～0.599 6，有一定的波動(dòng)變化，期間出現(xiàn)了1個(gè)峰值和1個(gè)最低值，即2008年和2009年.2000—2004年，2005—2006年，2012—2013年NDVI值呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)，2001—2007年NDVI值整體變化不大，2008年NDVI降低至這15年間的最低，2009—2010年NDVI值增加至0.580 9，之后2010—2014年變化不大但均維持在較高值.雖然這15年間，九萬山保護(hù)區(qū)年均NDVI值呈現(xiàn)波動(dòng)變化，但從趨勢(shì)線可以看出，2000—2014年間，九萬山年均NDVI值呈現(xiàn)極為緩慢增加的趨勢(shì).

3.2 年均NDVI空間變化趨勢(shì)

由于NDVI值與植被覆蓋有較好的正相關(guān)，因此基于不同時(shí)期NDVI的動(dòng)態(tài)變化，能夠?qū)⒀芯繀^(qū)的植被覆蓋度直觀表現(xiàn)出來，有利于對(duì)研究區(qū)域植被覆蓋的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè).將研究區(qū)植被覆蓋分為弱植被覆蓋區(qū)(NDVI 在0～0.20之間)、稀疏植被覆蓋區(qū)(NDVI 在0.20～ 0.35之間)、低植被覆蓋區(qū)(NDVI值在0.35～ 0.5之間)、中植被覆蓋區(qū)(NDVI值在0.5～ 0.65之間)、高植被覆蓋區(qū)(NDVI 值在0.65～ 0.8之間) 和密集植被覆蓋區(qū)(NDVI 值在0.8～ 1之間) 等區(qū)域.

從圖2可看出，研究區(qū)南部植被覆蓋度最好，尤其是中央?yún)^(qū)域的原始林保護(hù)的較為完整，基本保持在密集植被覆蓋度水平.其次為最北端，隨時(shí)間序列變化保持在高植被覆蓋和密集植被覆蓋水平.中部相對(duì)較不穩(wěn)定，變化波動(dòng)比較大.具體而言2000—2006年，研究區(qū)植被基本維持南北端高植被覆蓋和密集植被覆蓋水平，其中2006年和2007年，研究區(qū)整體植被覆蓋水平降低，但都維持在中植被覆蓋度水平，2006年九萬山西南部部分植被覆蓋降低.2008年植被覆蓋水平達(dá)到研究期間內(nèi)最高水平，相較于2007年，大片中低植被覆蓋水平區(qū)域增加至高植被覆蓋水平.2009年為研究年份期間植被覆蓋水平最低的一年，2004年—2008年研究區(qū)中部的低植被覆蓋度呈現(xiàn)出波動(dòng)增加的趨勢(shì)，此外，在研究年份2000年—2014年，九萬山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的平均植被覆蓋度基本處于中植被覆蓋度和高植被覆蓋度之間，核心區(qū)的保護(hù)較好，基本保持密集植被覆蓋度.

3.3 NDVI年代際變化率分析

從NDVI年代際變化率角度來看，九萬山NDVI值在2000—2014年連續(xù)15年的時(shí)間里，既有增加，也有減少，結(jié)果見圖3.其中有6年的年代際變化率為負(fù)值.2009年年代際變化率為最大，達(dá)到-10.4% ，主要反映在弱植被和稀疏植被覆蓋區(qū)域的增加.值得一提的是，2002年和2005年的年代際變化率分別為0.85%和1.55% ，而接下來的2003年和2006年分別為-0.89% 和-0.66%，尤其對(duì)于中北部而言，部分區(qū)域植被覆蓋從低、中植被覆蓋區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榈椭脖缓拖∈柚脖桓采w區(qū)，說明2002—2003年和2005—2006年間，研究區(qū)植被覆蓋度有明顯下降趨勢(shì).

圖3 2001—2014 年九萬山NDVI年代際變化率Fig.3 Distribution of vegetation covers the decadal rate of change in Jiuwanshan (2001—2014)

4 結(jié)論

九萬山2000—2014年年均NDVI值呈現(xiàn)波動(dòng)變化，但從整體趨勢(shì)來看變化并不明顯，稍有小幅上升趨勢(shì)，年均NDVI均在0.54以上，變化范圍在0.542 8～0.599 6之間.這主要是因?yàn)椋局脖簧L(zhǎng)停滯導(dǎo)致年平均NDVI值基本維持在中植被覆蓋區(qū).NDVI空間變化特征表明，九萬山南部NDVI較高，其次為北部，最低位于中部.從時(shí)序角度看空間變化，可以發(fā)現(xiàn)南北部NDVI的波動(dòng)變化不大，這主要是因?yàn)楹诵膮^(qū)原始林不易被人為干擾，植被覆蓋度始終保持較高水平，而中部地區(qū)有公路穿過，兩旁有部分農(nóng)戶和村落，植被生長(zhǎng)易受干擾，因此NDVI相對(duì)不穩(wěn)定.NDVI年代際變化率表明，2009年年代際變化率最大，達(dá)到-10.4%，有資料記載該地區(qū)2009年出現(xiàn)嚴(yán)重旱情，導(dǎo)致植被生長(zhǎng)受到限制，因此弱植被覆蓋區(qū)和稀疏植被覆蓋區(qū)面積的增大.2002—2003年和2005—2006 年間的NDVI年代際變化率由正變負(fù)，這有可能是由于期間生長(zhǎng)季節(jié)出現(xiàn)極端天氣，極為惡劣的外部條件，植被生理及生長(zhǎng)受到抑制，導(dǎo)致植被覆蓋度呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì).

綜上所述，九萬山自然保護(hù)區(qū)對(duì)于極端氣候有著很強(qiáng)適應(yīng)及恢復(fù)能力，在全球氣候變暖的大趨勢(shì)下，該保護(hù)區(qū)仍然保持極高的植被覆蓋度，也充分證明了當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門保護(hù)政策的正確合理，九萬山森林生態(tài)系基本處于穩(wěn)定健康狀態(tài).