基于MODIS NDVI的2001—2015年甘肅省天然草原的時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

王炳煜，韓天虎，孫 斌

（甘肅省草原技術(shù)推廣總站，蘭州 730010）

基于MODIS NDVI的2001—2015年甘肅省天然草原的時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

王炳煜，韓天虎，孫 斌

（甘肅省草原技術(shù)推廣總站，蘭州 730010）

利用MODISNDVI數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)草原植被指數(shù)及其變異系數(shù)的分析，對(duì)甘肅省各市州各類天然草原近15年（2001—2015）植被情況的時(shí)空變化規(guī)律和生態(tài)系統(tǒng)脆弱性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：近15年，甘肅省天然草原區(qū)NDVI平均值整體呈上升趨勢(shì)，只有甘南州略呈整體下降趨勢(shì)。甘肅省天然草原非常穩(wěn)定的面積占26.8%，穩(wěn)定的面積占44.9%，脆弱的面積占23.5%，很脆弱的面積占4.8%。甘肅省南部、祁連山沿線為穩(wěn)定區(qū)域，蘭州和白銀、山丹縣、肅南縣西北角為三片脆弱區(qū)域，河西地區(qū)草原穩(wěn)定性成條帶分布，河?xùn)|地區(qū)成塊狀分布。

甘肅；天然草原；草原類；NDVI；變異系數(shù)；時(shí)空動(dòng)態(tài)

甘肅天然草原是我國(guó)北方重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)，又是全國(guó)六大牧區(qū)之一，具有生態(tài)和生產(chǎn)兩方面的重要地位。監(jiān)測(cè)和分析甘肅天然草原的時(shí)間空間分布規(guī)律有助于針對(duì)不同區(qū)域草原的分布特征實(shí)施相應(yīng)的恢復(fù)和保護(hù)政策措施［1］。準(zhǔn)確地掌握草地生長(zhǎng)情況特別是多年草地變化情況是探討草原生態(tài)過(guò)程、制定合理保護(hù)政策的關(guān)鍵所在。遙感技術(shù)可從多時(shí)相、多波段提取地表覆蓋狀況，為區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化提供了定量化的可研究途徑。歸一化植被指數(shù)NDVI能夠較好地反映植被的生長(zhǎng)分布特征及變化情況［2-4］，具有觀測(cè)高時(shí)間分辨率、區(qū)域大、長(zhǎng)時(shí)間序列等特點(diǎn)，也是目前最常用的表征植被活動(dòng)的指標(biāo)［5］。長(zhǎng)時(shí)間序列資料的對(duì)比分析是明確草原植被變化特征的有效手段［6］。本研究利用近15年（2001—2015）的MODISNDVI數(shù)據(jù)，以甘肅省14個(gè)地州市、14個(gè)草原類天然草原為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)草原植被指數(shù)及其變異系數(shù)的分析，研究草原植被指數(shù)的時(shí)空變化規(guī)律和多年生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性。

1 試驗(yàn)地概況

研究區(qū)為甘肅省境內(nèi)天然草原。包括低平地草甸、高寒草甸、山地草甸、高寒荒漠、高寒荒漠草原、暖性草叢、暖性灌草叢、暖性稀樹(shù)灌草叢、溫性草甸草原、溫性草原、溫性草原化荒漠、溫性荒漠、溫性荒漠草原、沼澤14個(gè)草原類［7］，分布于蘭州、白銀、臨夏、定西、慶陽(yáng)、平?jīng)?、天水、隴南、甘南、武威、金昌、張掖、酒泉、嘉峪關(guān)14個(gè)地州市。

2 研究方法及數(shù)據(jù)源

2.1 研究數(shù)據(jù)

MODIS數(shù)據(jù)從美國(guó)航空航天局（NASA）的網(wǎng)站（http://ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html） 免費(fèi)下載。本研究采用2001—2015年每年第225天開(kāi)始16 d合成的數(shù)據(jù)產(chǎn)品MOD13Q1，甘肅全境需要h25v4、h25v5、h26v5三景影像，其空間分辨率為250m。甘肅地區(qū)行政邊界矢量數(shù)據(jù)，甘肅省第一次草原普查草原類型矢量數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

利用MRT軟件，將下載的MOD13Q1數(shù)據(jù)進(jìn)行NDVI影像提取、格式和投影轉(zhuǎn)換,把HDF格式轉(zhuǎn)換為T(mén)iff格式，將SIN地圖投影轉(zhuǎn)換為Albers Equal Area投影,同時(shí)完成3景圖像的空間拼接。在ERDAS中，對(duì)處理后2001—2015年的15幅NDVI柵格影像用甘肅省省界進(jìn)行裁剪，再用甘肅省第一次草原普查草原類型界限圖進(jìn)行掩膜，剔除非草地像元，統(tǒng)計(jì)各年全省天然草原的NDVI平均值。用modelmake建模，對(duì)15幅影像進(jìn)行逐個(gè)像元的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、CV值計(jì)算，生成CV值分布圖，統(tǒng)計(jì)各CV穩(wěn)定級(jí)別草地的面積及比例。用草原類AOI、市州界線AOI，截取各類型、各市州的CV圖，統(tǒng)計(jì)各類型、各市州的CV值平均值。本研究在統(tǒng)計(jì)某一區(qū)域（包括全省天然草原區(qū)域或某市州、某一類草原區(qū)域）的NDVI或CV值時(shí)，采用均值法進(jìn)行計(jì)算，即統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)所有像元NDVI或CV值的平均［8］。

2.3 變異系數(shù)（coefficient of variation，CV）

它是反映觀測(cè)值變異程度的一個(gè)統(tǒng)計(jì)量,即標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值。

式（1）中，SDNDVI為NDVI的標(biāo)準(zhǔn)差為NDVI的平均值。變異系數(shù)可以消除單位和（或）平均值不同對(duì)兩個(gè)或多個(gè)變量變異程度比較的影響。本研究利用這種方式求出15年間研究區(qū)域逐個(gè)像元的CV值。為了能更直觀地揭示草原植被變化，將CV值分為4個(gè)級(jí)別：非常穩(wěn)定（CV≤0.1）、穩(wěn)定（0.1＜CV≤0.2）、脆弱（0.2＜CV≤ 0.3）、很脆弱（CV＞0.3）［9］。

3 結(jié)果與分析

3.1 NDVI平均值變化動(dòng)態(tài)

不同年份全省、各市州、各草原類的NDVI平均值變化各不相同。對(duì)2001年至2015年甘肅省天然草原NDVI影像圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，2001年的NDVI值最低，2012年最高，15年間NDVI平均值整體呈上升趨勢(shì)。

14個(gè)市州各年度NDVI平均值存在年際間的浮動(dòng)，整體上除甘南州略呈下降趨勢(shì)，其余市州均呈上升趨勢(shì)。

3.2 各級(jí)草原穩(wěn)定性面積占比

對(duì)甘肅省天然草原CV值分布圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，2001年至2015年的15年，全省天然草原非常穩(wěn)定的面積（CV≤0.1）占26.8%，穩(wěn)定（0.1＜CV≤0.2）的面積占44.9%，脆弱（0.2＜CV≤0.3）的面積占23.5%，很脆弱（CV＞0.3）的面積占4.8%。

3.3 各級(jí)草原穩(wěn)定性分布情況

從甘肅省天然草原CV值分布圖（圖1）上可看出，非常穩(wěn)定的草原區(qū)域分布于酒泉市（肅北縣、瓜州縣北部、敦煌市南部、阿克塞東北部）、武威市和張掖市的祁連山沿線地區(qū)、民勤縣東部、臨夏市南部、甘南州、定西市南部、天水市東部、平?jīng)鍪兄胁俊c陽(yáng)市東部、隴南市大部。穩(wěn)定的草原區(qū)域分布于慶陽(yáng)市東西部、平?jīng)鍪袞|西部、天水市中部、武威市北部、張掖市中部、酒泉市南部。脆弱的草原區(qū)域分布于蘭州市、白銀市、隴南市北部、慶陽(yáng)市中部、天水市西部、平?jīng)鍪形鞑?、定西市北部、武威市中部及東南部、張掖市東部及西北部、酒泉市中部、金昌市中部及西部。很脆弱的草原區(qū)域分布于甘肅省中部地區(qū)，蘭州市（皋蘭縣、榆中縣、永登縣）、白銀市（靖遠(yuǎn)縣、景泰縣、白銀區(qū)）、武威市（民勤縣、古浪縣）、張掖市（山丹縣、甘州區(qū)、肅南縣）、酒泉市（敦煌市、金塔縣、甘州區(qū)、金塔縣）、嘉峪關(guān)市有零星分布。總體來(lái)看，甘肅省南部、祁連山沿線為穩(wěn)定區(qū)域，蘭州和白銀、山丹縣、肅南縣西北角為三片脆弱區(qū)域，河西地區(qū)草原穩(wěn)定性成條帶分布，河?xùn)|地區(qū)成塊狀分布。

圖1 2001—2015年甘肅省天然草原NDVI變異系數(shù)（CV）分布圖

3.4各市州草原穩(wěn)定性情況

對(duì)14個(gè)市州天然草原CV值分布圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，天然草原穩(wěn)定性從小到大排序依次為：蘭州、白銀、張掖、金昌、定西、慶陽(yáng)、武威、平?jīng)?、隴南、甘南、酒泉、天水、臨夏、嘉峪關(guān)。

3.5 各類型草原穩(wěn)定性情況

對(duì)14個(gè)草原類的天然草原CV值分布圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，草原穩(wěn)定性從大到小排序?yàn)椋荷降夭莸椋九怨嗖輩玻九圆輩玻九韵?shù)灌草叢＞高寒荒漠＞高寒草甸＞溫性草甸草原＞溫性荒漠＞沼澤＞溫性草原化荒漠＞低平地草甸＞高寒草原＞溫性草原＞溫性荒漠草原?？煽闯鰷匦圆菰?、溫性荒漠草原兩類草原屬于脆弱型。

3.6 草原穩(wěn)定性分布規(guī)律與很脆弱草原區(qū)占比情況

從全省天然草原的CV值分布圖（圖1）上可看出，每一個(gè)草原類都存在非常穩(wěn)定、穩(wěn)定、脆弱、很脆弱的像元，草原類的穩(wěn)定性具有空間差異，不是均一的。溫性荒漠草原的很脆弱區(qū)占本類型面積比例最大，為20%，其余各類的占比均低于10%。

表1 各草原類CV值與很脆弱區(qū)域面積比例

4 結(jié)論

2001 年至2015年的15年，全省天然草原區(qū)NDVI平均值整體呈上升趨勢(shì)，其中，甘南州略呈整體下降趨勢(shì)，其余市州均呈上升趨勢(shì)。全省天然草原非常穩(wěn)定的面積占26.8%，穩(wěn)定的面積占44.9%，脆弱的面積占23.5%，很脆弱的面積占4.8%。甘肅省南部、祁連山沿線為穩(wěn)定區(qū)域，蘭州和白銀、山丹縣、肅南縣西北角為三片脆弱區(qū)域，河西地區(qū)草原穩(wěn)定性成條帶分布，河?xùn)|地區(qū)成塊狀分布。天然草原穩(wěn)定性從小到大排序依次為：蘭州、白銀、張掖、金昌、定西、慶陽(yáng)、武威、平?jīng)?、隴南、甘南、酒泉、天水、臨夏、嘉峪關(guān)。14個(gè)草原類中，溫性草原、溫性荒漠草原兩類草原屬于脆弱型。草原類的穩(wěn)定性具有空間差異性，不是均一的。

［1］曹旭娟，干珠扎布，梁艷，等.基于NDVI的藏北地區(qū)草地退化時(shí)空分布特征分析［J］.草業(yè)學(xué)報(bào)，2016，25（3）：1-8.

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［6］烏蘭吐雅，劉愛(ài)軍，高娃，等.內(nèi)蒙古天然草原植被20年動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)［J］.草業(yè)科學(xué)，2009，26（9）：40-42.

［7］馬范，石隱孝，向得福，等.甘肅草地資源［M］.蘭州：甘肅科學(xué)技術(shù)出版社，1999.

［8］王宏，李曉兵，鶯歌，等.基于NOAANDVI的植被生長(zhǎng)季模擬方法研究［J］.地理科學(xué)進(jìn)展，2006，25（6）：21-32.

［9］張圣微，趙鴻彬，張發(fā)，等.基于MODISNDVI的錫林郭勒草原近10年的時(shí)空動(dòng)態(tài)［J］.草業(yè)科學(xué)，2014，31（8）：1416-1423.

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Temporal and Spatial Dynamic of Grassland Based on MODIS NDVI during 2001—2015 in Gansu Province

Wang Bingyu，Han Tianhu，Sun Bin
（Gansu Grassland Station for Technique Extension，Lanzhou 730010，China）

Using MODIS NDVI data，through the analysis of grassland vegetation index and coefficient of variation，the space-time change rule of vegetation and the ecosystem vulnerability in the last 15 years（2001—2015）on all kinds of natural grassland located in Gansu province were studied.The results showed that the trend of NDVI average on grassland in Gansu province overall was rising for the past15 years，that of Gannan was falling in overall slightly；the ratioes of very stable，stable，vulnerable and very vulnerable area were 26.8%，44.9%，23.5%and 4.8%respectively；the Southern Gansu and the area along the Qilian Mountains were the stable region；the grasslands in Lanzhou and Baiyin，Shandan，northwest Sunan County were vulnerable；the ecosystem vulnerable region was in the Hexi Corridor of Gansu with a banding distribution，and a block distribution was in the Hedong region of Gansu.

Gansu province；grassland；grassland-type；NDVI；coefficient of variation；temporal and spatial dynamic

S812

A

2095-3887（2016）04-0039-03

10.3969/j.issn.2095-3887.2016.04.011

2016-06-06

王炳煜（1984-），男，畜牧師，學(xué)士。研究方向：天然草原監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)。