基于MODIS數(shù)據(jù)的廣西植被覆蓋度動態(tài)監(jiān)測

李鴻儒盧 遠

（1.廣西師范學(xué)院地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣西 南寧 530001；2.北部灣環(huán)境演變與資源利用省部共建教育部重點實驗室，廣西 南寧 530001）

基于MODIS數(shù)據(jù)的廣西植被覆蓋度動態(tài)監(jiān)測

李鴻儒1，2盧 遠1，2

（1.廣西師范學(xué)院地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣西 南寧 530001；2.北部灣環(huán)境演變與資源利用省部共建教育部重點實驗室，廣西 南寧 530001）

以MODIS—NDVI長時間序列數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用像元二分模型對廣西區(qū)內(nèi)2001-2013年的植被覆蓋度進行了估算，并采用轉(zhuǎn)移矩陣的方法，分析了年份間覆蓋度高低變化的方向。結(jié)果表明：13年間植被覆蓋度呈波動式變化，在空間上的分布規(guī)律為東西部大于中部，越往中部植被覆蓋度越低；區(qū)內(nèi)植被覆蓋度處于較高覆被，且總體呈增長趨勢；13年間植被覆蓋度變化大多處于穩(wěn)定狀態(tài)；2001～2007年和2007～2013年，各等級植被覆蓋度以較低覆蓋度向高一等級覆蓋度轉(zhuǎn)移為主，且正向轉(zhuǎn)移大于負向轉(zhuǎn)移。

植被覆蓋度；MODIS；像元二分模型；動態(tài)監(jiān)測；廣西

植被是生態(tài)系統(tǒng)存在的基礎(chǔ)，不論在生物化學(xué)循環(huán)還是在水循環(huán)中，都扮演著重要角色[1]，是地球系統(tǒng)中的活躍成員，陸地生態(tài)系統(tǒng)的任何變化必然在植被類型、數(shù)量或質(zhì)量方面有所響應(yīng)[2]。植被覆蓋度（vegetation cover 簡稱VC）是指植被（包括葉、莖、枝）在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計區(qū)面積的百分比，是反映地表植被覆蓋狀況的一個重要指標，是研究區(qū)域或全球性水文、氣象、生態(tài)等方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[3]。因此定量評估區(qū)域植被覆蓋變化，分析地表植被覆蓋狀態(tài)，對于揭示地表植被變化趨勢，對分析與評價區(qū)域土地資源管理和生態(tài)環(huán)境保護決策具有重要的現(xiàn)實意義[4]。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，植被覆蓋度測量由原來傳統(tǒng)的地面測量發(fā)展到現(xiàn)在的遙感估算，為大范圍植被覆蓋度監(jiān)測提供可能，目前已成為地表植被覆蓋變化監(jiān)測的主要技術(shù)手段[5-14]。在當前常用的遙感數(shù)據(jù)中，MODIS數(shù)據(jù)由于具有空間分辨率適中、光譜覆蓋范圍廣、重訪周期短、數(shù)據(jù)質(zhì)量高、數(shù)據(jù)獲取方便的特點，而被廣泛用于植被覆蓋度的信息提取上。為此，本文以 MODIS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過對廣西區(qū)內(nèi)近13年來地表植被覆蓋的動態(tài)監(jiān)測，分析其植被蓋度的時空變化規(guī)律，以期為生態(tài)環(huán)境評價及管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

廣西區(qū)地處祖國南疆，位于東經(jīng)104°26'～112°04'，北緯20°54'～26°24'之間，整個地勢自西北向東南傾斜，山嶺連綿，山體龐大，嶺谷相間，四周多被山地、高原環(huán)繞，呈盆地狀，有“廣西盆地”之稱。北回歸線橫貫全區(qū)中部，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。南部地區(qū)則偏向熱帶季風(fēng)氣候，全區(qū)各地極端最高氣溫為33.7～42.5℃，極端最低氣溫為-8.4～2.9℃，年平均氣溫在16.5～23.1℃之間。廣西是全國降水量最豐富地區(qū)之一。各地年降水量均在1070毫米以上，大部分地區(qū)為1500～2000毫米。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本研究采用 2001～2013年的 MOD13Q1數(shù)據(jù)產(chǎn)品（http://ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html），時間分辨率為 16d，空間分辨率為 250m，研究區(qū)域位于 h27v06及h28v06兩區(qū)，該數(shù)據(jù)已經(jīng)過去云、輻射校正和大氣校正等預(yù)處理。利用ENVI5.1對NDVI影像進行重投影，將Sinusoidal投影轉(zhuǎn)換為 UTM-49N-WGS-84坐標，之后將影像進行拼接、裁剪，獲取研究區(qū)的NDVI數(shù)據(jù)。通過反復(fù)比較選擇每年289～321天（9～10月）合成的最大NDVI值，此時植被生長比較茂盛，可以反映一年內(nèi)植被覆蓋的最佳狀況，多年的均值則能反映植被生物量的平均狀況。

2.2植被覆蓋度估算

歸一化植被指數(shù)（NDVI）與植被覆蓋度有顯著正相關(guān)關(guān)系[15-16]，可以采用像元二分模型法將NDVI 改算為植被覆蓋度。它假定通過遙感傳感器所觀測到的信息可以表達為由綠色植被部分所貢獻的信息和由無植被覆蓋（裸土）部分所貢獻的信息兩部分組成。從而得到植被覆蓋度估算公式為：

式中：FVC為所求的植被覆蓋度，NDVI為所求像元的歸一化植被指數(shù)；NDVIsoil為全裸土或無植被覆蓋像元的NDVI值，NDVIveg則代表完全植被所覆蓋的像元的NDVI值。也可得：

式中：NDVImax和NDVImin分別為研究區(qū)域內(nèi)NDVI最小值和最大值。但NDVImax和NDVImin的取值，不直接采用區(qū)域中NDVI的最大值與最小值，而是MODIS圖像中給定置信度區(qū)間內(nèi)的最大值與最小值。本文對去了異常值的NDVI進行分析統(tǒng)計，取一定的置信度獲取最大和最小值，在這里以NDVI值對應(yīng)像元數(shù)量增加或減少到5位數(shù)為置信區(qū)間。

3 結(jié)果分析

3.1廣西2001～2013年植被覆蓋度的總體特征

通過對廣西 13a生長季間月平均覆蓋度的分析表明（圖1）。研究區(qū)植被覆蓋度整體較高，中覆蓋度以上面積占到總面積的78.2%。13a平均植被覆蓋度為58.51%，總體呈明顯的波動起伏變化過程，其中植被覆蓋度的最高值出現(xiàn)在2008，為60.74%，最低值出現(xiàn)在2002年，為56.44%，2012年和2013年則逐漸接近平均值。

圖1　2001～2013年廣西植被覆蓋度平均值變化

圖2　2001～2013年廣西平均植被分布圖

對計算得到的研究區(qū)13年9～10月的植被覆蓋度均值，參考相關(guān)文獻[17-18]采用等間距重分類為5級，即0～0.2極低覆蓋度，0.2～0.4低覆蓋度，0.4～0.6中覆蓋度，0.6～0.8中高覆蓋度，0.8～1高覆蓋度，從圖2可以看出，植被覆蓋度在空間上的分布規(guī)律為東西部大于中部，越往中部植被覆蓋度越低。從行政區(qū)來看，植被最大值出現(xiàn)在防城港南部，來賓東部，賀州西部以及梧州北部，其次為桂林、柳州的北部和河池、百色的大部分地區(qū)。最差則出現(xiàn)在來賓、北海、貴港中部。其中南寧、貴港和來賓所占的面積最大。

3.2多年植被覆蓋度動態(tài)變化分析

3.2.1植被蓋度面積變化

為了分析植被覆蓋度的年際變化，每 6年計算一次廣西區(qū)內(nèi)的植被覆蓋度，并計算了13年的平均植被蓋度（表1）。極低植被蓋度由2001年的10.22%減少到2013年的9.89%，且都大于極低覆蓋度13年的均值8.26%，低覆蓋度和中覆蓋度出現(xiàn)先增后減的現(xiàn)象，中高覆蓋度和高覆蓋度則先減后增。從計算的結(jié)果可看出在三個時間段內(nèi)廣西區(qū)內(nèi)植被覆蓋度主要為中、中高、和高覆蓋度，其中中高覆蓋度的面積所占比例最大，分別為31.33%、29.98%和34.92%。整體來看，2001～2013年極低、低蓋度的面積有所下降，中、中高蓋度有所上升，高覆蓋度則由25.93%減少到22.72，中覆蓋度以上在三個時間段分別為78.05%、75.24%和79.44%，說明廣西區(qū)內(nèi)植被蓋度總體呈上升趨勢。

表1　廣西2001、2007、2013和13年平均植被覆蓋度不同等級面積統(tǒng)計（%）

3.2.2植被蓋度空間變化

在2001年時，百色、河池、崇左、來賓和賀州5市尚未成立地級市，為了更直觀的觀測2001年到2013年植被蓋度的變化，在此以統(tǒng)一以上述5市成立地級市后的行政邊界為準。

從圖3可看出，2001到2007年，極低和低覆蓋在原來的基礎(chǔ)上不同程度的增加并向外擴散，其中西北、東南方向出現(xiàn)植被退化，河池、欽州、貴港和玉林低、中植被覆蓋度的面積增加。西部的百色、崇左部分地區(qū)和南部的北海中、中高植被覆蓋度的面積擴大，植被蓋度好轉(zhuǎn)。

2013年較2001年和2007年，中部極低覆被蓋度明顯發(fā)生好轉(zhuǎn)，大多向低、中和中高蓋度轉(zhuǎn)換，全區(qū)中植被蓋度增加，特別是西、西北地區(qū)的河池、百色、崇左 3市，在原來的基礎(chǔ)上均勻擴散開，從三個時間段來看，南部的欽州市13年的時間內(nèi)植被蓋度好轉(zhuǎn)。

圖3　廣西2001、2007、2013年植被覆蓋度變化監(jiān)測結(jié)果

3.2.3植被蓋度的強度變化

為了進一步分析植被蓋度的變化情況，運用地圖代數(shù)的算法，將2007年和2001年、2013年和2007以及2013年和2001的植被覆蓋度進行差值運算（表2），參考相關(guān)研究[19-20]進行強度分級：<-30為劇烈減少、-30～-10為減少、-10～-5為輕微減少、-5～5為穩(wěn)定、5～10為輕微增加、10～30為增加、>30為劇烈增加。結(jié)果表明三個時間段植被覆蓋度變化以穩(wěn)定為主，2001年到2007年的變化以減少次之，為23.60%，2007年到2013年以增加次之，為24.94%。從2001年到2013年的統(tǒng)計信息可看出，各等級植被覆蓋變化的程度差別不大。

表2　植被蓋度變化強度對照（%）

3.3不同等級植被覆蓋動態(tài)分析

轉(zhuǎn)移矩陣可以定量化識別出各土地利用類型在不同監(jiān)測時間點間的未變化部分、轉(zhuǎn)移部分及其去向、新增部分及其來源，是一種常用的土地利用地物類型變化分析方法[21]。為了進一步研究兩個時段內(nèi)植被蓋度的變化情況，計算得到2001～2007、2007～2013年的植被蓋度轉(zhuǎn)移矩陣（表2和表3）。通過對表2的分析可知：在2001～2007年時間段內(nèi)，各等級植被覆蓋度以較低覆蓋度向高一等級覆蓋度轉(zhuǎn)移為主，極低、低、中、中高分別有 3524.42、86068.89、12857.89、和11618.18km2轉(zhuǎn)變?yōu)榈?、中、中高、高植被覆蓋度。低向中覆蓋度轉(zhuǎn)移率最大，為36.36%。整體來看正向轉(zhuǎn)移的面積為41949.13km2，占總面積的 27.48%，負向轉(zhuǎn)移的面積為29602.73km2，占總面積的19.39%。

通過對表3的分析可知：在2007～2013年時間段內(nèi)，各等級植被覆蓋度以較低覆蓋度向高一等級轉(zhuǎn)移的趨勢并未發(fā)生太大改變，極低、低、中、中高分別有4544.05、10001.14、14902.82、13582.32km2轉(zhuǎn)變?yōu)榈?、中、中高、高植被覆蓋度，低向中覆蓋度轉(zhuǎn)移率較2001～2007上升，為39.11%。整體來看正向轉(zhuǎn)移的面積為 51369.08km2，占總面積的 30.68%。負向轉(zhuǎn)移的面積為34666.26km2，占總面積的20.29%。

表3　2001～2007年廣西植被覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣

表4　2007～2013年廣西植被覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣

4 結(jié)論

本文利用2001～2013年的MODIS-NDVI數(shù)據(jù)估算了廣西區(qū)內(nèi)的植被覆蓋度，分析了年最大植被覆蓋度的時空變化特征，主要得出以下結(jié)論：

（1）研究區(qū)植被覆蓋度整體較高，以中、中高、高覆蓋為主，中覆蓋度以上在三個時間段分別為78.05%、75.24%和79.44%，13a平均植被覆蓋度為58.51%，植被覆蓋度在空間上的分布規(guī)律為東西部大于中部，越往中部植被覆蓋度越低。

（2）在2001～2007和2007～2013年兩個時間段內(nèi)，各等級植被覆蓋度以較低覆蓋度向高一等級覆蓋度轉(zhuǎn)移為主，植被較多發(fā)生正向轉(zhuǎn)移，說明植被和生態(tài)環(huán)境向好的方法發(fā)展，但局部退化的問題也不容忽視。

（3）為了進一步分析植被蓋度的變化情況，運用地圖代數(shù)的算法，將2007年和2001年、2013年和2007以及2013年和2001的植被覆蓋度進行差值運算，得到的結(jié)果顯示3個時間段的植被覆蓋度變化大多處于穩(wěn)定狀態(tài)。

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Dynamic Monitoring of fractional vegetation cover change in Guangxi based on MODIS data

Fractional vegetation cover (FVC) is a critical indicator for vegetation and the eco-environment. It is frequently as a basic input for hydrology, meteorology and water-soil protection studies at regional or global scales.Continuous 16-days composites of Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS)-Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) images of 250 m spatial resolution were acquired for this study. Fractional vegetation cover of the Guangxi province was estimated using a dimidiate pixel method with its spatial-temporal changes in Guangxi from 2001 to 2013，and its change direction was analyzed by using transfer matrix．The results show that the change trend of vegetation was fluctuant,increased from west and east to center;the vegetation coverage in overall Guangxi was at a higher level in past 13 years. and tendency was increasing ;In terms of vegetation fraction intensity ,the vegetation fraction has been much stable for the past; From 1991 to 1999 and 2005 to 2010,the coverage transferring gradually from lower level to higher level ,and positive transformer was greater than the negative.

Fractional vegetation cover; MODIS; two sub-pixel model; dynamic monitoring;Guangxi

X83

A

1008-1151(2015)04-0038-04

2015-03-12

李鴻儒（1991-），女（壯族），廣西師范學(xué)院地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院碩士研究生，研究方向為環(huán)境資源。