基于MODIS數(shù)據(jù)的科爾沁區(qū)植被覆蓋時空變化分析

李生勇,王曉卿,李 彪

（1.河套學(xué)院土木工程系,內(nèi)蒙古巴彥淖爾 015000；2.伊金霍洛旗水土保持監(jiān)測站,內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017200；3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利測繪信息與技術(shù)研究所,呼和浩特 010018)

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基于MODIS數(shù)據(jù)的科爾沁區(qū)植被覆蓋時空變化分析

李生勇1,王曉卿2,李 彪3

（1.河套學(xué)院土木工程系,內(nèi)蒙古巴彥淖爾 015000；2.伊金霍洛旗水土保持監(jiān)測站,內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017200；3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利測繪信息與技術(shù)研究所,呼和浩特 010018)

摘 要：我國植被覆蓋遼闊,自然環(huán)境相對優(yōu)越,但是隨著時代發(fā)展,植被的生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞,因此對植被空間格局的變化進行及時的研究至關(guān)重要。以通遼市科爾沁區(qū)為例,利用該區(qū)域2004—2013年的MODIS遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品,結(jié)合時間序列、均值法、插值法等理論,分析科爾沁區(qū)歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)的時間和空間變化特征,得出了科爾沁區(qū)近10 a的植被覆蓋演變情況:近10 a間科爾沁區(qū)植被整體上呈增加趨勢,增加速率為0.033/ a,其中植被覆蓋度較好的年份是2005,2010,2011,2012和2013年,對整個科爾沁區(qū)而言,西遼河流域植被覆蓋度最高；從NDVI值看出,對植被覆蓋度貢獻最大的為夏季,增加速率為0.002 8/ a。研究成果將為科爾沁地區(qū)日后地表生態(tài)環(huán)境的改善和治理提供決策依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：MODIS數(shù)據(jù)；科爾沁區(qū)；植被覆蓋；NDVI；時空變化分析；年均變化率

2016,33（02):118-122,127

1 研究背景

歷史上的科爾沁地區(qū)是少數(shù)民族的重要牧場,草綠水清,一望無垠［1］。但是數(shù)年來,由于人類的大肆開采和全球生態(tài)環(huán)境的改變,多數(shù)半干旱和干旱地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)遭到了嚴(yán)重破壞,大都面臨荒漠化的危險［2］。過度砍伐森林和放牧導(dǎo)致科爾沁草原處于荒漠化的邊緣［3］,這對我國北部草原構(gòu)成了相當(dāng)嚴(yán)重的生態(tài)威脅［4］?？茽柷叩貐^(qū)荒漠化面積比重從20世紀(jì)50年代的22%增加到20世紀(jì)末的48.5%［5］,荒漠化程度異常嚴(yán)重。雖然在過去的數(shù)年里,人們通過多種方法如建造或種植沙漠流動障礙等,基本控制了沙漠的移動［6］,但有些地區(qū)依靠種植植被治沙效果很不明顯。那么如何利用合理管理天然植被的方法來防止荒漠化成為諸多學(xué)者研究的重點話題［7］。近些年利用遙感技術(shù)分析植被覆蓋度變化的研究越來越多,利用遙感技術(shù)研究植被覆蓋的動態(tài)變化相對傳統(tǒng)方法有諸多優(yōu)勢,不僅節(jié)省了大量的野外調(diào)查時間和科研經(jīng)費,而且提高了工作效率,最重要的是能更加直觀地揭示植被分布的規(guī)律［1］。

國內(nèi)利用遙感數(shù)據(jù)對森林和草場覆蓋面積及分布情況進行量測始于20世紀(jì)50年代,致力于遙感數(shù)據(jù)研究的專家學(xué)者也都取得了一定研究成果。盛永偉等［8］依據(jù)氣象衛(wèi)星歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)的時間序列數(shù)據(jù)將中國植被劃分成多種類型,通過與中國植被圖比較分析,大體揭示了中國植被的分布規(guī)律；張旭［9］借助新疆氣象2002,2003年2 a的中分辨率成像光譜儀（Moderate-Resolution Imaging Spectroradio-Meter,MODIS)數(shù)據(jù)資料,利用MODIS-NDVI方法對塔里木河下游地區(qū)植被覆蓋情況進行了分類,并分析討論了各植被覆蓋類型的季節(jié)變化規(guī)律；馬志勇等［10］利用2000—2005年杭州地區(qū)的MODIS遙感數(shù)據(jù)并結(jié)合NDVI指數(shù),分析了6 a間杭州植被覆蓋變化特征,研究發(fā)現(xiàn)該地區(qū)植被覆蓋5 a來有大幅度提升；郭廣猛等［11］利用2001—2004年的MODIS遙感數(shù)據(jù)分析討論了涇河流域?qū)嵭型烁€林、還草政策以來的植被覆蓋變化情況；張雷［12］利用250 m分辨率的MODIS數(shù)據(jù)和8 km分辨率的GIMMS數(shù)據(jù)對寧夏回族自治區(qū)過去23 a來的植被覆蓋度變化作了研究分析；穆少杰等［13］基于MODIS-NDVI遙感數(shù)據(jù)反演了內(nèi)蒙古地區(qū)2001—2010年植被覆蓋度情況,從時間和空間尺度上分析了不同生態(tài)區(qū)植被的月際和年際變化特征。當(dāng)然近10多年,大量國外學(xué)者也針對不同區(qū)域、不同時間序列以及不同精度的NDVI影像做了大量的研究分析。A. Kawabata等［14］分析了1982—1990年全球范圍內(nèi)植被活動的年際變化特征,研究表明:北半球中高緯度地區(qū)以及熱帶地區(qū)植被活動顯著增加；W. Lucht等［15］和J . Tucker［16］分別分析1981—1991年和1981—1999年的NDVI值變化情況,結(jié)果表明北半球植被活動呈現(xiàn)增強趨勢,最為明顯的為中緯度地區(qū)；X. H. Wang等［17］基于1982—2006年NDVI數(shù)據(jù)對北美洲的植被覆蓋度做了分析,該地區(qū)在80年代,植被覆蓋呈上升趨勢,之后植被開始退化。綜上所述,國內(nèi)外學(xué)者們利用遙感數(shù)據(jù)對植被覆蓋時空變化的分析研究已經(jīng)取得了一定成果,然而利用MODIS遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品對科爾沁區(qū)植被覆蓋近10 a的時空變化情況研究成果很少,本文研究將對科爾沁地區(qū)今后地表環(huán)境的改善和治理具有迫切的現(xiàn)實意義。

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)處理

2.1 研究區(qū)概況

通遼市科爾沁區(qū)（北緯43°20′～44°00′,東經(jīng)121°30′～123°15′)地處內(nèi)蒙古自治區(qū)東部,與具有裝備制造業(yè)搖籃美稱的沈陽相鄰。科爾沁區(qū)屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候,氣候呈現(xiàn)出半干旱區(qū)向半濕潤區(qū)、溫帶向暖溫帶過渡等特點,冬季多風(fēng)干燥,夏秋季雨水較多,其分布的土壤類型呈現(xiàn)多樣性,土壤類型主要有栗鈣土、暗棕壤、風(fēng)沙土、草甸土和咸鹽土。該研究區(qū)地帶性植被是典型草原到森林草原的過渡類型的疏林草原,但由于土壤的沙質(zhì)性以及地下水位高等環(huán)境因素,加之人口的急劇增長和以濫墾、濫牧為主要特征的人類生產(chǎn)活動的強烈干擾,取而代之的是處于不同演替階段的沙地次生植被和人工植被［18］。

2.2 數(shù)據(jù)處理

NDVI是反映近紅外與紅光波段的歸一化比值關(guān)系的指數(shù),該指數(shù)對植物檢測靈敏度較高,數(shù)據(jù)具有可比性,常用來反映植被覆蓋、生長等信息,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、災(zāi)害監(jiān)測、生態(tài)監(jiān)測等領(lǐng)域中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用［19］。計算公式為

式中:NIR為近紅外波段的反射率；R為可見光紅波段的反射率［20］。

該指數(shù)與植被密度呈現(xiàn)正相關(guān)性,因此NDVI值越大,反映植被覆蓋情況越好。MODIS是美國在1992年2月18日發(fā)射的地球觀測系統(tǒng)的第一顆先進的基地軌道環(huán)境遙感衛(wèi)星,搭載在Terra和Aqua兩顆衛(wèi)星上的中分辨率成像光譜儀,是觀測全球生物和物理過程的重要儀器［21］。

本文先借助ENVI4.5,ARCGIS10等軟件進行影像數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作,主要包括:將*.HDF格式的MODIS NDVI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成*.TIFF格式；將下載的原始數(shù)據(jù)Sinusoidal（等面積偽圓柱投影)投影轉(zhuǎn)換為蘭伯特投影（坐標(biāo)系為WGS84坐標(biāo))。然后,對影像進行合理的時序重建,有效降低影像的噪聲水平［22］,提取包含科爾沁區(qū)的感興趣區(qū)遙感影像。接下來利用科爾沁區(qū)的行政區(qū)域圖在ArcMap中進行創(chuàng)建空間參考、地理配準(zhǔn)等工作,利用編輯器準(zhǔn)確描出科爾沁區(qū)行政區(qū)域邊界,生成*.shp文件。最后,運用ArcMap中的Spatial Analyst工具按掩膜方式提取出科爾沁區(qū)的影像數(shù)據(jù)。由于研究區(qū)域高程變化不大,所以未結(jié)合DEM數(shù)據(jù)進行地形分析。

3 研究區(qū)植被NDVI時空變化特征

3.1 科爾沁區(qū)植被NDVI時間變化趨勢分析

一年中NDVI值最大的月份是植被生長最好的時候,此時的植被生長狀態(tài),能夠代表該年植被總體的生長情況,因而可用該月份的NDVI值來代表該年度的NDVI值,進行年際變化趨勢分析。為了確定一年中哪個月份的NDVI值為最大,可任取2 a各月NDVI數(shù)據(jù),繪成柱狀圖,進行相應(yīng)月份的選?。∟DVI值是該月內(nèi)2幅影像NDVI值的平均值),以2005, 2012年這2 a的影像數(shù)據(jù)為例進行說明,如圖1所示。

圖1 2005,2012年NDVI各月變化柱狀圖Fig.1 Histograms of monthly changes of NDVI in 2005 and 2012

由圖1可以看出,7月份的NDVI值最大,這與7月份植物生長最為茂盛這一基本事實相符?？茽柷邊^(qū)植被NDVI值的年內(nèi)變化,能夠體現(xiàn)出該區(qū)植被變化的特點,植被NDVI值最好主要集中在6—9月份,7月份NDVI值最高,代表了該地區(qū)整體植被覆蓋最好時期,這個時候NDVI值變化狀況可以體現(xiàn)出該地區(qū)植被1 a的整體生長狀態(tài)［23］。因此,選用科爾沁區(qū)7月份NDVI值的變化趨勢來研究該區(qū)植被近10 a的年際變化特征,具有一定的代表性。借助遙感處理軟件獲得相應(yīng)各年研究區(qū)NDVI的區(qū)域平均值,繪制NDVI隨時間變化的折線圖,如圖2所示。

圖2 2004—2013年NDVI年際變化趨勢Fig.2 Inter-annual variation trend of NDVI from 2004 to 2013

從圖2中可以看出:科爾沁區(qū)的NDVI整體呈增加趨勢,速率為0.033/（10 a)；最大值出現(xiàn)在2013 年,NDVI值為0.72；最小值出現(xiàn)在2006年,NDVI值為0.65；年際NDVI趨勢變化表現(xiàn)為以2005,2008, 2010年為波峰,以2006,2009,2011年為波谷的波動上升過程,且在2006年NDVI急劇下降,出現(xiàn)近10 a以來的最低值；2009年以后,NDVI呈現(xiàn)相對穩(wěn)定的增加趨勢,且增長速度較快。

為了更加清楚地了解科爾沁各個季度趨勢增長特征,繪制了科爾沁2004—2013年季平均變化曲線,分析該區(qū)域植被NDVI季度變化特征,如圖3所示。

由以上各季NDVI變化趨勢圖可知,只有夏季的NDVI值表現(xiàn)為增加趨勢,且增加速率為0.028/（10 a),其他季節(jié)的NDVI值均表現(xiàn)為不同程度的下降,下降速率分別為:春季0.014/（10 a),秋季0.012/（10 a),冬季0.038/（10 a)。春秋2季的下降速度不是很明顯,相較而言,冬季的下降速度較快。

3.2 科爾沁區(qū)植被NDVI空間變化特征分析

NDVI基于時間序列的分析研究,其實是研究區(qū)內(nèi)所有像元的平均結(jié)果,呈現(xiàn)出的是研究區(qū)隨時間的整體變化趨勢,研究結(jié)果沒有表現(xiàn)出植被覆蓋變化的空間差異,那么對NDVI進行空間特征的分析是很有必要的。為了解科爾沁區(qū)各年NDVI的空間分布情況,以各年7月份的NDVI值來代表該年度的NDVI值,進行科爾沁區(qū)NDVI空間分布特征的研究,生成各年NDVI空間分布圖,如圖4所示（本文只給出了2010年,作為代表)。

圖3 2004—2013年各季度NDVI變化趨勢Fig.3 Variation trends of NDVI in four seasons from 2004 to 2013

由圖2和圖4分析得出植被覆蓋度較好的年份是2005,2010,2011,2012,2013年,這些年份NDVI ＞0.5的區(qū)域占到整個研究區(qū)的90%以上,其中2005年為最大,達到94%,其他年份分別為:91.3%, 92.8%,91.1%,91.5%。植被覆蓋度較差的年份為: 2006,2007年,其NDVI＞0.5的區(qū)域所占比重分別為:79.7%,79.3%。就整個研究區(qū)而言,西遼河兩岸區(qū)域植被覆蓋度較高,該區(qū)域大部分NDVI在0.8以上,該區(qū)域主要土地利用類型為農(nóng)田,植被覆蓋比其他區(qū)域明顯要高,而且該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)比較穩(wěn)定,植被覆蓋度變化基本不變。水體分布區(qū)及通遼市區(qū)植被覆蓋度較低,是NDVI＜0.25的主要分布區(qū),如莫力廟水庫、小塔子水庫、吐爾基水庫、通遼市部分區(qū)域。西部、北部和東部沙丘區(qū),NDVI介于0.25～0.8之間,為圖中的黃色和藍色區(qū)域。

圖4 2010年NDVI空間分布Fig.4 Spatial distribution of NDVI in 2010

為了更加直觀地了解NDVI變化在空間上的具體表現(xiàn),可以根據(jù)公式:NDVI空間變化量＝NDVIm-NDVIn（m,n為相應(yīng)年份),逐像元地對NDVI的空間變化進行提取,以此來反映植被覆蓋變化的空間差異［24］。并利用NDVI變化量與相應(yīng)時間段的比值來研究年均變化率在空間上的表現(xiàn),研究2004—2013年近10 a間NDVI值變化量的空間分布特征及NDVI值年均變化率的空間分布特征,從而研究近10 a的植被覆蓋度變化,如表1、表2所示。

表1 2004—2013年NDVI變化量分布比重Table 1 Distribution of NDVI variation from 2004 to 2013

表2 2004—2013年NDVI年均變化率分布比重Table 2 Distribution of mean annual change rate of NDVI from 2004 to 2013

為了更加直觀地反映植被覆蓋變化情況,繪制了空間變化量和年均變化率分布圖,如圖5所示。

由圖5、表1和表2分析可知,2004—2013年期間,NDVI變化量大于0的區(qū)域明顯大于NDVI變化量小于0的區(qū)域,NDVI變化量大于0的區(qū)域占到整個研究區(qū)的73.5%,從而整體上表現(xiàn)出2004—2013年近10 a間該區(qū)植被覆蓋度增加的趨勢。NDVI變化量小于0的區(qū)域主要位于科爾沁區(qū)的西南部、中部以及東部的部分區(qū)域。其中在通遼市、莫力廟水庫自然保護區(qū)、木里圖鎮(zhèn)等地的部分區(qū)域NDVI的減少量超過0.3,年均減少速率大于0.03,植被退化較明顯。除此之外的大部分區(qū)域NDVI值均表現(xiàn)出了不同程度的增加,其中,NDVI變化量在0～0.3之間的區(qū)域最大,占到整個研究區(qū)的73.0%,這些區(qū)域的年均增長速率在0～0.015之間。植被覆蓋度顯著增加的區(qū)域主要位于吐爾基山林場、小塔子自然保護區(qū)等區(qū)域,這些區(qū)域NDVI變化量大于0.3,年均增加率超過0.015,個別地方年均增長率超過0.03。

圖5 2004—2013年NDVI變化量和年均變化率空間分布Fig.5 Spatial distributions of variation and mean annual change rate of NDVI from 2004 to 2013

4 結(jié) 論

本文根據(jù)2004—2013年的MOD13Q1數(shù)據(jù),分析了科爾沁區(qū)10 a間NDVI年際變化趨勢、空間分布及變異特征,得出如下結(jié)論:

（1)近10 a間科爾沁區(qū)植被整體上呈增加趨勢,增加速率為0.033/ a,其中2006年的NDVI值為近10 a的最低值,由2004—2006年,植被覆蓋表現(xiàn)出減少趨勢,由2006—2013年,植被覆蓋表現(xiàn)出增加趨勢,且這一階段的增加趨勢相對穩(wěn)定。

（2)近10 a間,科爾沁區(qū)的季NDVI變化趨勢中,春、秋、冬3季NDVI均表現(xiàn)出下降趨勢,其下降速率分別為:0.001 4,0.001 2,0.003 8/ a,相較而言,冬季的下降趨勢更為明顯。夏季則表現(xiàn)出了增加趨勢,增加速率為0.002 8/ a,其變化趨勢與NDVI的年際變化趨勢相一致。

（3)就整個科爾沁區(qū)而言,西遼河流域植被覆蓋度較高,該區(qū)大部分NDVI值在0.8以上；水體分布區(qū)及通遼市植被覆蓋度較低,是NDVI最小值的主要分布區(qū)。

（4)近10 a中,科爾沁區(qū)植被覆蓋度較好的年份是2005,2010,2011,2012和2013年,這些年份NDVI＞0.5的區(qū)域占到整個研究區(qū)的90%以上；植被覆蓋度較差的年份是2006,2007年NDVI＞0.5的區(qū)域,不足整個研究區(qū)的80%。

（5)近10 a間,科爾沁區(qū)大部分區(qū)域植被覆蓋表現(xiàn)出了不同程度的增加,植被覆蓋增加區(qū)占到研究區(qū)的73.5%,2013年相較2004年,植被覆蓋減少的區(qū)域主要位于科爾沁區(qū)的西南部、中部,以及東部部分區(qū)域。其中在通遼市、莫力廟水庫自然保護區(qū)、木里圖鎮(zhèn)等地的部分區(qū)域,植被退化較明顯。而在吐爾基山林場、小塔子自然保護區(qū)等區(qū)域,植被增加較顯著。

本文僅對科爾沁區(qū)NDVI進行了時空變化研究,未考慮氣候因子及人為因素對NDVI變化的影響,在今后的研究中,植被變化與氣候變化相關(guān)性分析是今后工作的重點。

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（編輯:劉運飛)

Spatio-temporal Analysis of Vegetation Cover Change Based on MODIS data in Horqin District

LI Sheng-yong1,WANG Xiao-qing2,LI Biao3
（1.Department of Civil Engineering, Hetao College, Bayannur 015000, China；2.Soil and Water Conservation Monitoring Station of Ejin Horo Banner, Erdos 017200, China；3.Research Institute of Hydraulic Surveying Information and Technology, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010018, China)

Abstract:China is a big country with broad vegetation cover and superior natural environment. As time changes, however, ecological system of part areas is seriously destructed, so it is very important to research on the change of spatial pattern of vegetation. Horqin district of Tongliao, located in Inner Mongolia, is taken as an example in this paper. By employing theories of time series, average method and interpolation method, and according to MODIS remote sensing data from 2004 to 2013 in the area, we analyze the spatial and temporal variations of NDVI in Horqin district, and conclude the vegetation cover in the district in the recent decade: 1) vegetation cover of the district shows tendency of increasing, with the increasing rate of 0.033/ a, and good vegetation cover is in the following years: 2005, 2010, 2011, 2012 and 2013；2) vegetation cover of west Liaohe river watershed is the highest among the whole Horqin district；3) summer is the largest contributor to vegetation cover, with the increasing rate of 0.002 8/ a. The results offer reference for theoretical study and decision making of ground ecological environment in Horqin district.

Key words:MODIS Data；Horqin district；vegetation cover；NDVI；spatio-temporal analysis；mean annual rate of change

通訊作者：王曉卿（1970-),男,內(nèi)蒙古鄂爾多斯人,高級工程師,主要從事水土保持方面的研究工作,（電話)13847717256（電子信箱) 314231467@ qq.com。

作者簡介：李生勇（1970-),女,蒙古族,內(nèi)蒙古巴彥淖爾市人,副教授,碩士研究生,主要從事農(nóng)業(yè)水利工程方面的教學(xué)與研究,（電話) 13190878634（電子信箱)1410874859@ qq.com。

收稿日期：2014-12-04;修回日期：2015-02-05

doi:10.11988/ ckyyb.20141015

中圖分類號：S152.7;P628.2

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-5485(2016)02-0118-05