基于SPOT—VGT的陜西黃河濕地保護(hù)區(qū)植被覆蓋研究

韓晨

摘要：為了研究陜西黃河濕地省級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)植被覆蓋的動(dòng)態(tài)變化，使用2004—2013年的SPOT-VGT時(shí)序數(shù)據(jù)，采用針對(duì)NDVI的最大化合成法、均值統(tǒng)計(jì)法和差值法，分析了保護(hù)區(qū)內(nèi)植被覆蓋的時(shí)空分布及其動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果顯示，空間分布上，保護(hù)區(qū)內(nèi)植被覆蓋較好，特別是南部、西部最好；時(shí)間變化上，10年間保護(hù)區(qū)內(nèi)的NDVI年均值在波動(dòng)的基礎(chǔ)上呈緩慢增長(zhǎng)，其植被覆蓋逐年好轉(zhuǎn)；變化特征上，保護(hù)區(qū)內(nèi)植被覆蓋在北部和中部顯著增加，南部情況微有變化，某些局部有退化趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：NDVI；植被覆蓋；濕地；時(shí)空變化

中圖分類號(hào)：Q948 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）04-0859-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.04.011

Study on Vegetation Cover of the Shaanxi Yellow River

Wetland Reserve Based on SPOT-VGT Data

HAN Chen

（Key Laboratory for Eco-environment of Multi-River Wetlands in Shaanxi Province/College of Chemistry and Life Sciences，

Weinan Normal University， Weinan 714099， Shaanxi， China）

Abstract： In order to study the dynamic changes of vegetation cover in the Shaanxi Provincial Yellow River Wetland Nature Reserve， the SPOT-VGT data from 2004 to 2013 were used， the maximum synthetic method， average method and differential method according to NDVI were applied， the spatio-temporal distribution and dynamics of vegetation cover in protected areas were analyzed. Results showed that the spatial distribution of vegetation covered in protected areas was good， and the best was in the South and West. On time variation， the NDVI value of the 10-year period growed slowly， although volatile， but it improved year by year. On the variation characteristics， there was a significant increase in vegetation cover in northern and central regions， the southern region remained stable， but some local area showed a tendency of degeneration.

Key words：NDVI；vegetation coverage；wetland；temporal and spatial change

濕地植物是濕地生態(tài)系統(tǒng)的基本組分，也是其存在的基礎(chǔ)，是連接土壤、水體和生物等要素的重要紐帶[1，2]。陜西黃河濕地省級(jí)自然保護(hù)區(qū)設(shè)立的目標(biāo)就是要保護(hù)陜西省東部最大的河流濕地，這對(duì)研究保護(hù)區(qū)內(nèi)黃河濕地的植被覆蓋變化具有現(xiàn)實(shí)意義。隨著遙感對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，利用各種遙感技術(shù)進(jìn)行植被監(jiān)測(cè)及其變化的研究日益增多[2]。NDVI（Normalized Difference Vegetation Index，歸一化植被指數(shù)）作為一個(gè)重要的遙感參數(shù)和數(shù)據(jù)源，由于能夠敏感地反映出地表植被生長(zhǎng)狀況和生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)的變化，常用于地表植被覆蓋的定量研究[3]。本研究使用SPOT-VGT數(shù)據(jù)對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)黃河濕地植被進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，可以客觀動(dòng)態(tài)地反映本區(qū)域濕地植被覆蓋的時(shí)空變化情況。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

陜西黃河濕地省級(jí)自然保護(hù)區(qū)（以下簡(jiǎn)稱保護(hù)區(qū)）位于陜西省渭南市東部，北起禹門口，南至黃河、渭河和洛河交匯地帶的風(fēng)陵渡鐵路橋，東以黃河“治導(dǎo)控制線”中心線為界與山西相連，西界北段沿黃河老崖，南段沿黃河第二道大堤，總面積57 348 hm2，其中核心區(qū)面積22 611 hm2，緩沖區(qū)面積22 306 hm2，試驗(yàn)區(qū)面積12 431 hm2[4]。該自然保護(hù)區(qū)的建立，將陜西省最大的黃河濕地、三河交匯區(qū)濕地（黃河、渭河、洛河的交匯區(qū)）及其沿岸的湖泊、水庫(kù)納入保護(hù)范圍。這對(duì)于保護(hù)丹頂鶴等珍稀禽鳥類，調(diào)蓄渭南黃河干流洪水，調(diào)節(jié)區(qū)域氣候，改善生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，具有十分重要的作用和意義[4]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所采用的SPOT-VGT NDVI數(shù)據(jù)，來(lái)源于寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心的中國(guó)地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間序列SPOT_Vegetation植被指數(shù)數(shù)據(jù)集，以及比利時(shí)弗萊芒技術(shù)研究所提供的東南亞地區(qū)數(shù)據(jù)集。在選用的NDVI數(shù)據(jù)中，時(shí)間跨度為2004 — 2013年的逐旬S10產(chǎn)品，其時(shí)間分辨率為10 d，空間分辨率為1 km。

陜西黃河濕地省級(jí)自然保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)，來(lái)源于文獻(xiàn)[4]。相關(guān)的行政邊界、河流、城鎮(zhèn)等數(shù)據(jù)，來(lái)源于地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)提供的黃河流域1∶100萬(wàn)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)，以及寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的陜西省2000年1∶10萬(wàn)土地利用數(shù)據(jù)集。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)處理流程

本研究使用VITO網(wǎng)站提供的VGT Extract軟件，對(duì)SPOT VGT數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。首先，使用VGT Extract軟件將8位量化的DN值轉(zhuǎn)化為真實(shí)的NDVI值。然后使用ENVI軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的波段計(jì)算、投影轉(zhuǎn)換、研究區(qū)裁剪和數(shù)據(jù)計(jì)算。最后使用ArcGIS軟件進(jìn)行地圖繪制和分析。

2.2 研究方法

2.2.1 最大值合成法 雖然獲得的SPOT-VGT NDVI S10數(shù)據(jù)已經(jīng)是經(jīng)過(guò)10 d最大化合成的產(chǎn)品，但數(shù)據(jù)中仍然存在大量的噪聲，為了避免某些極端天氣的影響，還需去噪處理，以使數(shù)據(jù)更為貼近實(shí)際地反映植被覆蓋狀況[2，3]。本方法以像元為中心，按像元位置根據(jù)時(shí)間前后差異，將多期數(shù)據(jù)的NDVI值進(jìn)行比較，并選取最大值作為最終值的操作，但是此方法的缺點(diǎn)是以犧牲部分時(shí)間分辨率來(lái)?yè)Q取較為真實(shí)的NDVI值。本研究將當(dāng)月3個(gè)旬的NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行最大化合成，生成當(dāng)月的月最大化NDVI數(shù)據(jù)。同樣的方法，將每年12個(gè)月的月最大NDVI數(shù)據(jù)合成為一個(gè)年最大化NDVI數(shù)據(jù)。月最大化NDVI數(shù)據(jù)反映了當(dāng)月植被覆蓋的空間分布情況，年最大化NDVI數(shù)據(jù)體現(xiàn)了當(dāng)年植被覆蓋的空間分布情況。

2.2.2 均值統(tǒng)計(jì)法 均值統(tǒng)計(jì)法能較好地反映研究區(qū)內(nèi)當(dāng)期NDVI的整體分布情況[5]。在統(tǒng)計(jì)研究區(qū)域的NDVI值時(shí)，可采用均值統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行計(jì)算，即統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)所有格網(wǎng)的NDVI平均值[6]。

此方法以區(qū)域?yàn)橹行?，?jì)算研究區(qū)域內(nèi)當(dāng)期所有像元值的均值，通過(guò)分析均值數(shù)據(jù)來(lái)把握區(qū)域整體的變化規(guī)律。本研究計(jì)算了自2004年以來(lái)NDVI的逐月統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，它反映逐月變化以及相應(yīng)的年內(nèi)變化規(guī)律；然后計(jì)算了10年來(lái)的逐年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以反映年際間的變化規(guī)律。

2.2.3 差值法 差值法常用于量化兩個(gè)年份NDVI值的變化情況，即用后一時(shí)期的所有格網(wǎng)的NDVI值減去前一時(shí)期的所有格網(wǎng)的NDVI值[6]。本研究使用2013年最大化NDVI數(shù)據(jù)減去2004年最大化NDVI數(shù)據(jù)，從而分析這10年來(lái)的植被覆蓋變化情況。

3 植被覆蓋變化分析

3.1 總體NDVI分布特征

為了研究本區(qū)域10年來(lái)NDVI的總體分布情況，繪制了NDVI均值空間分布圖（圖1）。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，將NDVI分級(jí)定義為：NDVI值小于0.1的區(qū)域?yàn)榉侵脖粎^(qū)；0.1～0.3為植被覆蓋貧乏區(qū)；0.3～0.6為較貧乏區(qū)；0.6～0.8為較好區(qū)；大于0.8為優(yōu)良區(qū)[7，8]。

由圖1可知，陜西黃河濕地省級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，植被覆蓋較好區(qū)和優(yōu)良區(qū)（有的文獻(xiàn)統(tǒng)稱為高植被覆蓋[9]）所占比例達(dá)62.7%，其中植被覆蓋優(yōu)良區(qū)所占比例為1.1%，且集中分布于保護(hù)區(qū)南部。植被覆蓋貧乏區(qū)和非植被區(qū)（或稱為低植被覆蓋）所占比例為2.9%，集中分布在保護(hù)區(qū)北部禹門口附近，且保護(hù)區(qū)內(nèi)無(wú)非植被區(qū)。而植被覆蓋較貧乏區(qū)（或稱為中等植被覆蓋）比例為33.3%，主要分布于保護(hù)區(qū)從北到南靠東部黃河一側(cè)?？傮w來(lái)看，保護(hù)區(qū)內(nèi)植被覆蓋較好，南部好于北部，西部好于東部。

3.2 年際變化特征

將保護(hù)區(qū)的月最大化NDVI數(shù)據(jù)和年最大化NDVI數(shù)據(jù)分別進(jìn)行區(qū)域內(nèi)的平均值統(tǒng)計(jì)計(jì)算，其結(jié)果是對(duì)應(yīng)時(shí)段的區(qū)域平均值。從而繪制成陜西黃河濕地省級(jí)自然保護(hù)區(qū)2004 — 2013年NDVI均值變化圖（圖2）[5，9，10]。圖2中波浪狀的黑色細(xì)線為將120期月最大化NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行均值統(tǒng)計(jì)后的月NDVI數(shù)據(jù)，帶方點(diǎn)折線為將10期年最大化NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行均值統(tǒng)計(jì)后的年NDVI數(shù)據(jù)。圖中左側(cè)坐標(biāo)反映月NDVI的變化情況，右側(cè)坐標(biāo)反映年NDVI變化情況。

從圖2可以看出，在年NDVI數(shù)據(jù)中，除2011年其值偏低外，大多年份的NDVI值在小幅波動(dòng)的基礎(chǔ)上保持穩(wěn)定，并呈現(xiàn)微升趨勢(shì)。其初始值為2004年的0.626 297，最小值為2011年的0.556 513，最大值為2013年的0.652 454，均值為6.200 973；10年間NDVI值的變化幅度為0.095 941；2013年比2004年只增加了0.026 157。在月NDVI數(shù)據(jù)中，其值呈現(xiàn)出波浪起伏的狀態(tài)，波形規(guī)律而穩(wěn)定，反映了每年植被覆蓋的周期變化情況?？傊?，保護(hù)區(qū)植被覆蓋狀況雖有波動(dòng)，但逐年好轉(zhuǎn)。

3.3 年內(nèi)變化特征

為了分析年內(nèi)NDVI值的變化情況，而避免逐年按月繪制的10個(gè)線條的雜亂，本研究將2004—2013年的月NDVI數(shù)據(jù)，繪制成一個(gè)綜合了10年數(shù)據(jù)的各月NDVI均值圖（圖3）[3，8-10]。

結(jié)合圖2、圖3可以看出，曲線上每年都有一個(gè)波峰和波谷，分別代表植被覆蓋最好和最差的兩個(gè)時(shí)期。其波峰大體分布在每年7～9月，波谷大體分布在1～2月，3～6月為植被生長(zhǎng)期，10～12月為植被衰退期。每年的波峰高度不同，反映當(dāng)年植被覆蓋程度也不同，其最大值為2010年8月的0.646 105，最低值為2006年1月的0.084 757?？傮w而言，年內(nèi)各月NDVI值隨著季節(jié)變化而變化，NDVI的峰值、低谷值，植被的生長(zhǎng)期、衰退期明顯而又規(guī)律。

3.4 差值變化特征

使用差值法對(duì)2013年與2004年的年最大化NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行差值運(yùn)算，分析NDVI在研究期始末的變化情況（圖4）。根據(jù)NDVI差值的變化幅度將植被覆蓋狀況分為4種類型：NDVI≤-0.08，植被覆蓋嚴(yán)重退化；-0.080.08，明顯增加[9]。

由圖4可知，2004 — 2013年植被覆蓋明顯增加（即變好）的區(qū)域占26.4%，基本不變的區(qū)域占34.5%，輕微減少的區(qū)域占28.5%，嚴(yán)重退化的區(qū)域占10.6%。其中，植被覆蓋明顯增加和基本不變的區(qū)域共占60.9%?？傊Ｗo(hù)區(qū)的植被覆蓋情況總體是好轉(zhuǎn)的。特別是合陽(yáng)縣與韓城市兩市縣相應(yīng)區(qū)域的植被覆蓋明顯增加；但是大荔縣三河交匯區(qū)域內(nèi)的植被覆蓋情況微有變化，其局部退化明顯，特別是大荔縣步昌鎮(zhèn)和韋林鎮(zhèn)，以及韓城市禹門口附近的植被覆蓋嚴(yán)重退化。另外，黃河河道范圍內(nèi)也有部分區(qū)域的植被覆蓋退化明顯。

4 結(jié)論

本研究利用SPOT-VGT數(shù)據(jù)分析了陜西黃河濕地省級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)植被覆蓋的時(shí)空變化特征，能較為準(zhǔn)確地反映本區(qū)域植被覆蓋狀況。總體來(lái)看，保護(hù)區(qū)內(nèi)植被覆蓋較好，南部好于北部，西部好于東部。植被覆蓋狀況雖然有季節(jié)尺度和年尺度波動(dòng)，長(zhǎng)期來(lái)看仍然是逐年好轉(zhuǎn)的。尤其值得注意的是，保護(hù)區(qū)南部大荔縣境內(nèi)的植被覆蓋微有變化，但局部區(qū)域有退化的趨勢(shì)。

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