北方農(nóng)牧交錯帶2000～2013年NDVI時空變化特征

單文龍 何立恒 駱?biāo)棘?/p>

摘要：北方農(nóng)牧交錯帶生態(tài)環(huán)境脆弱，系列生態(tài)工程的主要目標(biāo)就是恢復(fù)退化植被，提高植被覆蓋度。本文以MO-DIS為數(shù)據(jù)源，選取歸一化植被指數(shù)（NDVI）構(gòu)建北方農(nóng)牧交錯帶2000-2013年NDVI數(shù)據(jù)集，分析ⅣDVI的時空變化。結(jié)果表明：北方農(nóng)牧交錯帶NDVI呈小幅波動上升，由2000年的0.28升至2013年的0.33，年增長率為0.38%。NDVI增加幅度存在明顯空間差異，增長速度最快的是中部分區(qū)，西部分區(qū)的ⅣDVI值較低，但2014年來一直以平緩速度穩(wěn)步增長，NDVI逐年提升。東北分區(qū)和東部分區(qū)的NDVI值較高，但增長較緩，東部分區(qū)的NDVI無顯著變化，東北分區(qū)的NDVI值常年穩(wěn)定在0.32左右。NDVI值在0.30以上的區(qū)域明顯擴大，空間差異正逐步縮小。該研究成果為北方農(nóng)牧交錯帶的生態(tài)環(huán)境建設(shè)和資源開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：NDVI；植被指數(shù)；時空變化；北方農(nóng)牧交錯帶

中圖分類號：S181；Q948.15+3

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-005X（2015）04-0033-05植被是土地覆蓋最主要的類型，是覆蓋地表的植物群落的總稱，植被與氣候、地形、土壤等自然環(huán)境密切相關(guān)，屬陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體。植被在地球的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化中起著巨大的作用，具有改善區(qū)域氣候、保水固土、凈化空氣、減輕污染等作用。因此，植被覆蓋變化在很大程度上反映區(qū)域環(huán)境狀況，研究和掌握區(qū)域植被覆蓋變化特征，能為減緩?fù)嘶突謴?fù)生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)和決策服務(wù)。

估算和監(jiān)測植被覆蓋的重要手段是遙感技術(shù)，遙感具有成本低、覆蓋范圍廣、周期短、波段寬和時間系列長短選擇靈活等優(yōu)點，植被指數(shù)常用來計算植被覆蓋度的估值。歸一化植被指數(shù)（Nor-malized Difference Vegetation Index，NDVI）又稱標(biāo)準(zhǔn)化植被指數(shù)，因其具有檢測植被靈敏度較高、范圍寬、能消除群落結(jié)構(gòu)和地形的陰影、可去除輻射干擾、會削弱太陽高度角和大氣所帶來的噪音等優(yōu)點，多被用來估算和監(jiān)測植被覆蓋變化。估算和監(jiān)測植被覆蓋的遙感數(shù)據(jù)有NOAA/AVHRR、Landsat、SPOT、MODIS、MISS等。MODIS具有時空分辨率高、全球免費、覆蓋和光譜范圍廣、數(shù)據(jù)質(zhì)量高、數(shù)據(jù)接收簡單等特點，故被選作本文數(shù)據(jù)源。

北方農(nóng)牧交錯帶作為我國最大面積、最長空間跨度、最具典型特征的農(nóng)牧交錯帶，是科學(xué)界研究的焦點地區(qū)之一，主要集中在土地覆被變化和氣候變遷與植被覆蓋度的相關(guān)分析、區(qū)縣的植被覆蓋度變化、界線演變等，單純研究北方農(nóng)牧交錯帶ⅣDVI的較少。作為我國“西部大開發(fā)”生態(tài)和繹濟建設(shè)的重點地區(qū)，揭示近年來ⅣDVI的時空變化特征，對全面了解北方農(nóng)牧交錯帶的自然環(huán)境條件有重要的現(xiàn)實意義。1 研究區(qū)概況

北方農(nóng)牧交錯帶北起大興安嶺西麓，沿長城經(jīng)冀北、晉北，內(nèi)蒙古中南向西南延展，直至陜北、甘東北和寧南的交接地帶，行政區(qū)劃涉及9個省106個旗（縣市）（圖1），具有復(fù)雜、邊緣、融和、脆弱等典型生態(tài)交錯帶的基本特征。氣候處于東部季風(fēng)區(qū)與西北干旱區(qū)之間的過渡地帶；生產(chǎn)經(jīng)營模式屬于從農(nóng)耕區(qū)向草原牧區(qū)的農(nóng)牧過渡地帶；景觀表現(xiàn)為農(nóng)林牧交錯分布的復(fù)合式景觀格局；自然條件上，東南是濕潤、半濕潤地區(qū)，降水400～450mm，地勢相對平坦，海拔較低，環(huán)境條件優(yōu)越，而以西以北則分布著我國主要的沙漠、高原和山地，地形復(fù)雜，風(fēng)沙干旱發(fā)生頻繁，氣候多變、土地瘠薄，植被稀少，降水量為300-400mm，生態(tài)環(huán)境較為脆弱。

根據(jù)地形地貌、氣候分布特征，將北方農(nóng)牧交錯帶劃分為包括內(nèi)蒙古高原部分地區(qū)的東北分區(qū)，涵蓋冀北壩上草原部分地區(qū)的東部分區(qū)，包括陜、晉黃土高原北部地區(qū)的中部分區(qū)，包含青、寧、甘部分地區(qū)的西部分區(qū)（如圖1所示）。

2 數(shù)據(jù)處理

下載（https： //lpdaac. usgs. gov/data—access/data_ pool） 2000～2013年每年23期（2000年20期）共319期MODIS數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理包括拼接、文件格式轉(zhuǎn)換、投影改正、影像裁剪等。根據(jù)MO-DIS數(shù)據(jù)中國分區(qū)代碼，北方農(nóng)牧交錯帶主要分布在h25v04-05、h26v04-05、h27v04-05。將下載的格式為*.hdf等面積偽圓柱投影的原始數(shù)據(jù)投影轉(zhuǎn)換為蘭伯特投影，坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為WGS84坐標(biāo)，并將文件另存為TIF格式。為實現(xiàn)圖像幾何糾正，利用最鄰近像元內(nèi)插算法和衛(wèi)星數(shù)據(jù)附帶的經(jīng)緯度坐標(biāo)信息，將數(shù)據(jù)糾正到250m分辨率的通用橫軸墨卡托（UTM）投影地圖坐標(biāo)系中。根據(jù)矢量地圖，通過ROI不規(guī)則裁剪上述處理后的各期遙感數(shù)據(jù)，得到遙感影像圖。

分別用最大值合成法和平均值法提取NDVI（公式1），最大合成法提取的NDVI差異較小，區(qū)分度不夠，不足以反映研究區(qū)植被覆蓋的時空變化特征。用平均值法提?、鬌VI值，統(tǒng)計出年、季節(jié)、月和四個分區(qū)的NDVI均值，對比發(fā)現(xiàn)各期平均值的時空差異明顯，被選用于研究植被指數(shù)時空變化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

NDVI=（DN_NIR-DN_R）/（DN_NIR+ DN_R）。 （1）式中：DN_DIR為近紅外波段的灰度值；DNR為紅波段的灰度值。

3 結(jié)果與分析

3.1

NDVI的時間變化特征

3.1.1 NDVI月變化特征

選取2000～2013年NDVI月平均值，研究ND-VI年內(nèi)變化（如圖2所示）。曲線呈起伏明顯的先升后降的單峰型變化，NDVI值1月份最低，為0.15，7月～8月份達(dá)0.53的最高值。1月～3月的標(biāo)準(zhǔn)差較小，變化平緩，增長趨勢不明顯。4月～6月急劇上升，9月開始快速下降，植被進入枯黃期和休眠期，6月、7月和9月的較大標(biāo)準(zhǔn)差說明植被在此時段內(nèi)各年的差異變化。從11月到來年的2月，NDVI均保持較低值，也是全年的最低值。

3.1.2

NDVI季節(jié)變化特征

依陽歷3月～5月、6月～8月、9月～11月、12月～來年2月為春、夏、秋、冬四季，將ⅣDVI按季節(jié)進行均值統(tǒng)計（見表1）。夏季NDVI的平均值遠(yuǎn)高于其他季節(jié)，對年均ⅣDVI的提高貢獻最大，最大最小值的波動范圍和較大的標(biāo)準(zhǔn)差同時說明夏季處于植被快速生長期。其次是NDVI處于下降的秋季，均值為0.30，再次是波動范圍在0.22～0.26之間的春季，但NDVI處于上升階段。冬季的ND VI最低，波動范圍、均值和標(biāo)準(zhǔn)差均小。

空間上，隨著季節(jié)變化，ⅣDVI由北向南逐步增大。生態(tài)環(huán)境相對脆弱區(qū)的NDVI隨季節(jié)明顯發(fā)生變化，而植被覆蓋較好地區(qū)的NDVI隨季節(jié)起伏變化相對較小。冬季NDVI值較小，特別是陜、晉黃土高原區(qū)，相對較大的是河北壩上平原地區(qū)；春季的植被覆蓋有明顯提高，0.00～0.20的區(qū)域范圍明顯縮小，0.20～0.40的范圍持續(xù)擴大，而且冀北地區(qū)的NDVI明顯升高；夏季的ND VI值達(dá)最高，僅寧、青、甘北部部分地區(qū)ⅣDVI值稍低，在0.40以下；秋季的NDVI逐漸回落。

3.1.3 NDVI年際變化特征

年均NDVI值在波動中呈線性增加趨勢（圖3），由2000年的0.28上升至2013年的0.33，年增長率為0.38%。年最大NDVI在2013年達(dá)0.63的最高值，最低值0. 49出現(xiàn)在2000年。2000～2002年、2009～2013年處于明顯上升期，2002～2007年的NDVI比較平穩(wěn)，2007～2009經(jīng)歷先升后降的波動過程。

分別以年均和年最大NDVI值為因變量y，以年份為自變量x進行定量分析。從曲線方程可看出，年最大NDVI增加趨勢更為顯著，波動起伏也大。

3.1.4 分區(qū)NDVI年際變化特征

年均NDVI從高到低的是東部分區(qū)、東北分區(qū)、中部分區(qū)和西部分區(qū)（見表2）。中部分區(qū)與西部分區(qū)的波動起伏較大，增長趨勢更為顯著，反映出研究時段內(nèi)該地區(qū)整體植被增長較明顯。而冀北地區(qū)與內(nèi)蒙古高原地區(qū)雖然NDVI整體水平較高，但增長較為緩慢。

中部分區(qū)和西部分區(qū)較大的標(biāo)準(zhǔn)差說明該區(qū)域的ND VI增加速度高于東部分區(qū)和東北分區(qū)，內(nèi)蒙古高原所在的東北分區(qū)的增長速度最慢。陜、晉黃土高原區(qū)受人類活動影響較為強烈，當(dāng)人類活動受到限制時，其植被覆蓋在自然狀態(tài)下出現(xiàn)恢復(fù)，歸功于防護林建設(shè)、退耕還林等生態(tài)環(huán)境保護政策，陜、晉黃土高原區(qū)的NDVI顯示出較高的增加速度。

3.2

DN VI的空間變化特征

依據(jù)各分區(qū)2000～2013年的ND VI值，根據(jù)變化趨勢線特征分別選擇2001、2004、2008和2013年作為典型年，制作ⅣDVI的空間分布圖（如圖4所示）。結(jié)果表明，植被覆蓋具有明顯的地域特征，ND VI從大到小依次是東北分區(qū)、東部地區(qū)、中部地區(qū)和西部地區(qū)。

東北分區(qū)屬于內(nèi)蒙古高原東北部，位于大興安嶺北段西麓。地勢東高西低，海拔在600～800m之間，水資源較豐富，植被以羊草和針茅為主。該地區(qū)NDVI值相對較高，主要集中在0.30～0.40之間，植被覆蓋相對較好。

東部分區(qū)位于河北北部壩上草原地區(qū)，東南高、西北低，典型的干旱型草原，植被以旱禾草居多。該地區(qū)NDVI值多分布在0.20～0.40之間，多年保持平穩(wěn)狀態(tài)，與相關(guān)研究成果吻合。

中部分區(qū)主要包括陜北和山西黃土高原區(qū)，平均海拔800～1300m，氣溫和降水的空間分布差異較大，下墊面復(fù)雜，水土流失嚴(yán)重。植被覆蓋逐年得到改善，2000年的ND VI值集中在0.20左右，2004年顯著增長至0.30左右，此后，ND VI值逐年上升，至2013年，絕大多數(shù)范圍內(nèi)的NDVI值穩(wěn)定在0.35左右，跟相關(guān)研究成果一致。由此可見，該地區(qū)水土保持、退耕還林工程初見成效，植被得到恢復(fù)，生態(tài)環(huán)境得到改善。

西部地區(qū)包含寧夏、甘肅、青海部分地區(qū)，氣候干燥，年較差、日較差大，降水量少，多大風(fēng)天氣。該地區(qū)的ND VI普遍較低，除南部邊緣地區(qū)ND VI值高于0.30外，其余地區(qū)均低于0.20。人類對該地區(qū)的影響遠(yuǎn)不如東部季風(fēng)區(qū)那么廣泛和深刻，水是植被生長的決定性因素。

4 結(jié)論

基于北方農(nóng)牧交錯帶2000～2013年MODIS/ND VI數(shù)據(jù)，進行波段運算，提取研究區(qū)2014年的ⅣDVI值，對ⅣDVI值進行時空變化分析，得出以下結(jié)論：

（1）NDVI隨時間呈波動上升，植被覆蓋狀況得到改善。年均ND VI的年增長率為0.38%，NDVI年內(nèi)變化呈現(xiàn)出很強的季節(jié)性，夏季的ND VI值最高，逐年增加最為顯著，對植被覆蓋狀況的改善貢獻最大。

（2） ND VI增加幅度存在明顯的空間差異。增長速度最快的地區(qū)為中部分區(qū)，絕大多數(shù)范圍內(nèi)的ND VI值穩(wěn)定在0.35左右。西部分區(qū)的ND VI值相對較低，但2014年來一直以平緩速度穩(wěn)步增長。東北分區(qū)和東部分區(qū)的NDVI值較高，植被覆蓋情況相對較好，但ND VI無顯著增大趨勢。ⅣDVI值在0.30以上的區(qū)域明顯擴大，空間差異逐步縮小。

本文僅探討了北方農(nóng)牧交錯帶ND VI的時空變化，沒對ⅣDVI進行分級統(tǒng)計和分析各級的變化，沒有對影響NDVI時空變換的各種環(huán)境因素進行深入討論與分析，使用的MODIS/ND VI數(shù)據(jù)，分辨率較大，無法對植被類型做細(xì)致的區(qū)分研究，有待在今后的研究中繼續(xù)探討。