基于MODIS數(shù)據(jù)的湖南省2001—2013年植被覆蓋指數(shù)時(shí)空變化研究

王 震 ，閆文德 ，劉曙光 ，3，梁小翠

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 4100042；南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410004；3. 美國(guó)地質(zhì)勘探局 地球資源觀測(cè)與科學(xué)研究中心，南達(dá)科他州 蘇福爾斯 SD57198）

基于MODIS數(shù)據(jù)的湖南省2001—2013年植被覆蓋指數(shù)時(shí)空變化研究

王 震1，2，閆文德1，2，劉曙光1，2，3，梁小翠1，2

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 4100042；南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410004；3. 美國(guó)地質(zhì)勘探局 地球資源觀測(cè)與科學(xué)研究中心，南達(dá)科他州 蘇福爾斯 SD57198）

以湖南省為研究區(qū)域，基于MODIS數(shù)據(jù)分析了長(zhǎng)時(shí)間序列（2001—2013）該區(qū)域的植被指數(shù)變化特征，結(jié)果表明：(1)湖南省年均NDVI大部分在0.41～0.42之間，2005年年均NDVI最低為0.40。(2)湖南省植被指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)以改善為主占54.02%。(3)區(qū)域內(nèi)大部分地區(qū)植被指數(shù)偏差小，說(shuō)明該區(qū)域內(nèi)植被指數(shù)離散度小。(4)預(yù)測(cè)未來(lái)湖南省NDVI以0～0.50的反持續(xù)性增長(zhǎng)為主占94.4%。

植被指數(shù)，湖南省，線性回歸，時(shí)間序列

隨著全球氣候的快速變化以及遙感技術(shù)的普遍應(yīng)用，利用遙感技術(shù)對(duì)地球環(huán)境的監(jiān)控已經(jīng)有了相當(dāng)多的研究，基于MODIS-NDVI的植被指數(shù)變化的研究對(duì)自然資源，國(guó)家決策對(duì)土地利用變化和解決當(dāng)前全球氣候等都具有非常大的研究和利用價(jià)值[1-2]。

NDVI是反映植被對(duì)光合有效輻射（Photosynthetically Active Radiation，PAR）吸收能力的一個(gè)間接指標(biāo)，被廣泛用于生物量、葉面積指數(shù)（Leaf Area Index，LAI）和植被生產(chǎn)力格局的估算等[2]，國(guó)內(nèi)外對(duì)于NDVI的研究也有了較多的研究。目前，Pouliot等利用AVHRR 和Landsat數(shù)據(jù)研究了加拿大近20年來(lái)的植被變化，結(jié)果表明了植被指數(shù)與氣候的關(guān)系。研究年際植被變化與各驅(qū)動(dòng)因子的關(guān)系，如碳循環(huán)，水文，植被動(dòng)態(tài)變化也已經(jīng)取得了相當(dāng)?shù)某删蚚3]。國(guó)內(nèi)利用歸一化植被指數(shù)計(jì)算了1982～1999年中國(guó)植被活動(dòng)的變化，表明18年來(lái)中國(guó)植被平均NDVI一直處于上升的趨勢(shì)，植被對(duì)全球溫度變化的相應(yīng)存在明顯的區(qū)域差異[4-5]。由于 MODIS數(shù)據(jù)的開放和提供了一系列不間斷空間時(shí)間上的地面觀測(cè)數(shù)據(jù)，為生態(tài)研究提供了一個(gè)非常強(qiáng)大的評(píng)估陸地生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)[6]，MODIS數(shù)據(jù)的研究監(jiān)測(cè)范圍也越來(lái)越廣，用MODIS數(shù)據(jù)來(lái)研究植被指數(shù)，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)，旱情監(jiān)測(cè)等，同時(shí)用來(lái)分析NDVI與氣候的關(guān)系,用來(lái)分析提取NPP和地面溫度反演研究等[7]。這種對(duì)植被提取的方法均采用了高光譜識(shí)別植被技術(shù)，可以利用多種技術(shù)對(duì)植被指數(shù)進(jìn)行識(shí)別，其中LOG （N(R)）變換效果最好[8-12]。研究方法大多是基于時(shí)間空間上的趨勢(shì)分析和特征變化研究，然而對(duì)局部地區(qū)的分析研究不足并且存在研究的必要性。本研究采用一元線性回歸趨勢(shì)分析，方差分析，Hurst指數(shù)分析等方法基于MODIS數(shù)據(jù)對(duì)湖南省做了長(zhǎng)時(shí)間序列的空間特征分析。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

湖南省位于（24°38′～ 30°08′N，108°47′～114°15′E）長(zhǎng)江中游地區(qū)，全省占地面積約為21.18萬(wàn)km2，地形大多數(shù)以丘陵、山地為主，全省東、南、西三面環(huán)繞山地，逐漸向中部和東北部?jī)A斜的向東北開口的馬蹄形；湖南省地處亞熱帶的東亞季風(fēng)區(qū)，所以亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候?yàn)橹鳎鲜《臼芎L(fēng)影像干燥少雨，夏季受南面暖流影像高溫多雨；植被類型以亞熱帶常綠闊葉林和溫帶闊葉林為主。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

NDVI數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)局（NASA）的MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)MOD13Q1，分辨率為1 km的16天合成產(chǎn)品；時(shí)間刻度為：2001年1月—2013年12月。數(shù)據(jù)預(yù)處理：首先利用MRT（Modis Projection Tools）軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)投影和數(shù)據(jù)格式的變換，把HDF格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成Geotiff格式，并剔除其他波段，投影坐標(biāo)設(shè)為WGS84坐標(biāo)；然后用MVC最大化合成法合成2001～2013年逐月的NDVI數(shù)據(jù)，剔除大氣、云、太陽(yáng)高度角對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影像[13-14]；最后利用ENVI求年內(nèi)平均NDVI數(shù)據(jù)[15]，消除極端氣候的影響；最后基于湖南省矢量化邊界裁剪出湖南省時(shí)間序列年NDVI數(shù)據(jù)集，由于植被指數(shù)通常在0～1之間，則利用ENVI把數(shù)據(jù)集值剔除和縮小在大于零小于1的范圍。土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于“中國(guó)1∶100 000土地利用數(shù)據(jù)”。

1.3 研究方法

1.3.1 一元線性回歸趨勢(shì)分析

通過(guò)一元線性回歸方程（A Linear Regression Equation）可以計(jì)算出每個(gè)柵格的變化特征，根據(jù)變化特征可以反演出該柵格的植被生長(zhǎng)趨勢(shì)，用該方法可以模擬出區(qū)域化的NDVI空間演變[10]；研究表明，一元線性回歸方程可以消除植被異常值得影響，真實(shí)反映出該區(qū)域的植被變化趨勢(shì)，本文以Slope的大小來(lái)表示湖南省13年來(lái)NDVI的變化趨勢(shì)。

式中，Slope為NDVI像元趨勢(shì)的斜率；NDVIk該像元第k年的NDVI值；n為NDVI時(shí)間跨度13；Slope大于0時(shí)，表明時(shí)間序列下，NDVI值上升，該地區(qū)植被有改善的趨勢(shì)，Slope值越大，改善的趨勢(shì)越快，相反，Slope小于0時(shí)，則為退化的趨勢(shì)；趨勢(shì)線的顯著性用相關(guān)系數(shù)R來(lái)檢驗(yàn)，公式如下：

基于arcgis12.0中的Natural Breaks分類，將Slope 分為3個(gè)等級(jí)：改善Slope＞ 0.001， 不變-0.001＜Slope＜0.001 ，退化Slope＜ -0.001

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)差分析

標(biāo)準(zhǔn)差用來(lái)比較數(shù)據(jù)偏離平均值得偏離度，能夠反映此數(shù)據(jù)的離散情況；值越大，偏離平均值越遠(yuǎn)，對(duì)應(yīng)的NDVI年際變化越大。

基于arcgis12.0中的Natural Breaks分類方法，將Stdev分為五類：偏差高（Stdev＞ 0.066 7），偏差較高（0.0416 ＜Stdev≤ 0.066 7），偏差中（0.029 4 ＜Stdev≤0.041 6），偏差較低（0.021 3＜Stdev≤ 0.029 4）偏差低（Stdev≤ 0.021 3）

1.3.3 Hurst指數(shù)分析

基于重標(biāo)極差（R/S）分析基礎(chǔ)的Hurst指數(shù)是英國(guó)水文學(xué)家H.E.Hurst提出來(lái)的，可以用來(lái)判斷時(shí)間序列數(shù)據(jù)是隨機(jī)游走還是有偏隨機(jī)游走型數(shù)據(jù)的指標(biāo)[16-20]。本研究采用R/S的分析方法，其中NDVIk表示第k年的NDVI值，為第i個(gè)差分序列的值，m為：

在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，用最小二乘法可以得出H的值，Hurst值的大小在分為三類：1 ＞H＞ 0.5表示時(shí)間序列具有持續(xù)性，這里具有持續(xù)改善的狀態(tài)，H= 0.5表示時(shí)間序列是隨機(jī)序列隨機(jī)游走，0 ＜H＜ 0.5表示時(shí)間序列具有反持續(xù)性，分形布朗運(yùn)動(dòng)，這時(shí)的時(shí)間序列的未來(lái)趨勢(shì)趨向于返回歷史點(diǎn)[11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 NDVI的空間分布特征

利用湖南省2001—2013年的平均植被指數(shù)數(shù)據(jù)，計(jì)算出13年來(lái)的總平均NDVI值的空間分布圖（見圖1）。從圖中可以看出，西部和西北部地區(qū)，NDVI指數(shù)相對(duì)集中，南部和東部少數(shù)地區(qū)NDVI指數(shù)較高，中部和北部地區(qū)NDVI指數(shù)較低。對(duì)13年的NDVI平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析表明：其中低植被區(qū)（NDVI≤0.40）占湖南省的1.49%，較低植被區(qū)（0.40＜NDVI≤0.58）占22.95%，較高植被區(qū)（0.58＜NDVI≤0.68）占36.20%，高植被區(qū)（0.68＜NDVI）占39.36%；由此看出湖南省NDVI指數(shù)以高植被指數(shù)為主。

2.2 NDVI的時(shí)間變化特征

對(duì)研究區(qū)域統(tǒng)計(jì)年均NDVI總平均值，可以得出湖南省時(shí)間序列總體變化特征趨勢(shì)圖（見圖2）；從圖中可以看出，湖南省NDVI年平均值大部分在0.41～0.42之間，波動(dòng)最大的區(qū)域介于2003—2006年，2005年總年均NDVI值最低為0.403，2013年總年均NDVI值最高為0.422，總體在2005年開始，NDVI增長(zhǎng)趨勢(shì)開始回升較。

圖1 湖南省13年年均總NDVI平均值空間分布Fig.1 The total of annual average spatial NDVI in HuNan province for 13y

圖2 湖南省時(shí)間序列總體變化特征趨勢(shì)Fig.2 Time series general change of Hunan province

2.3 NDVI植被指數(shù)的趨勢(shì)分析

運(yùn)用一元線性回歸方程和顯著性檢驗(yàn)，可以有效的反映出湖南省2001—2013年NDVI的空間變化特征（見圖3）。由圖可以看出，湖南省地區(qū)NDVI植被指數(shù)的變化趨勢(shì)：趨勢(shì)大于0的區(qū)域占湖南省的54.02%，趨勢(shì)為0的區(qū)域占湖南省的22.37%，趨勢(shì)小于0的區(qū)域占湖南省的23.61%，所以湖南省13年來(lái)主要以改善的趨勢(shì)上升，其中退化的區(qū)域主要集中在南部和東部地區(qū)。由顯著性檢測(cè)可知，大部分地區(qū)NDVI變化趨勢(shì)通過(guò)了顯著性分析，綜上所述，湖南省近13年來(lái)NDVI植被指數(shù)有上升的趨勢(shì)，部分地區(qū)趨勢(shì)不變，部分地區(qū)有退化的跡象。

2.4 NDVI的標(biāo)準(zhǔn)差分析

利用Arcgis12.0地圖代數(shù)計(jì)算出湖南省2001—2013年的NDVI植被指數(shù)的覆蓋變化偏離特征圖（見圖4）。由圖可知湖南省標(biāo)準(zhǔn)差值在0.001 8～0.208 6之間，總體波動(dòng)性較低；其中低波動(dòng)區(qū)域占31.53%，較低波動(dòng)區(qū)域占40.73%，中波動(dòng)區(qū)域占22.79%，較高和高波動(dòng)區(qū)域相對(duì)較少分別占4.31%和0.64%，較高波動(dòng)區(qū)域主要集中在北部河流一帶和南部地區(qū)，西部地區(qū)植被波動(dòng)起伏與植被趨勢(shì)改善區(qū)域基本吻合。

圖3 湖南省時(shí)間序列NDVI變化趨勢(shì)和顯著性分析Fig.3 Trend and signi fi cance test of NDVI time series in Hunan province

圖 4 湖南省時(shí)間序列NDVI方差分析Fig. 4 Standard deviation of NDVI changes in Hunan province

2.5 Hurst指數(shù)分析

利用2001—2013年湖南省NDVI植被指數(shù)數(shù)據(jù)，計(jì)算得出Hurst指數(shù)空間特征分布圖（見圖5）。由圖可知Hurst指數(shù)在0.135 4～0.696 9之間，其中Hurst指數(shù)大于0小于0.50的區(qū)域占94.5%，大于0.50的區(qū)域僅占5.5%，說(shuō)明區(qū)域內(nèi)具有很強(qiáng)的反持續(xù)性，說(shuō)明湖南省未來(lái)植被生長(zhǎng)趨勢(shì)將以改善然后回歸原來(lái)狀態(tài)，或者退化回歸原來(lái)狀態(tài)的趨勢(shì)生長(zhǎng)；將Hurst指數(shù)圖基于Arcgis12.0的（自然間斷點(diǎn)分級(jí)）Jenks分類分為5類，其中，Hurst指數(shù)小于0.25的區(qū)域占2.96%（弱反持續(xù)性），大于0.25小于0.375的區(qū)域占46.54%（中反持續(xù)性），大于0.375小于0.5的區(qū)域占45.0%（強(qiáng)反持續(xù)性），小于0.625大于0.5的區(qū)域占5.44%（弱持續(xù)性），大于0.625的區(qū)域占0.06%（強(qiáng)持續(xù)性）。

圖5 Hurst指數(shù)空間特征分布Fig.5 The spatial map of Hurst index in HuNan province

2.6 Hurst指數(shù)與趨勢(shì)性綜合分析

將Hurst指數(shù)和NDVI趨勢(shì)空間分布圖進(jìn)行疊加分析，得到2001—2013年NDVI變化的趨勢(shì)持續(xù)性分析空間分布圖（見圖6）和分布表（見表1），共分為12類：

從圖表中可以看出，湖南省NDVI變化以改善與中反持續(xù)性和改善與弱反持續(xù)性為主，分別占總面積的26.26%和23.48%。主要分布在西部，中部和北部地區(qū)；其中，以退化與弱反持續(xù)性和不變與中反持續(xù)性，不變與弱反持續(xù)性，退化與中反持續(xù)性為主分別占：11.27%，10.33%，10.26%和9.95%；而改善與正持續(xù)性僅占2.45%，且分布不集中，以中部居多。

圖6 NDVI變化的趨勢(shì)持續(xù)性分析空間分布Fig.6 Spatial change of NDVI based on the trend and Hurst index

表1 基于趨勢(shì)性(Trend)與持續(xù)性(Hurst)的疊加效應(yīng)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical results of NDVI based on the trend and Hurst index

3 結(jié) 論

（1）湖南省2001—2013年的平均植被覆蓋指數(shù)相對(duì)集中在南部地區(qū)和東部地區(qū)，以高植被區(qū)為主。

（2）從總體趨勢(shì)性分析和NDVI平均值空間分布圖可以看出，湖南省2001—2013年來(lái)NDVI呈上升趨勢(shì)增長(zhǎng)，其中西部和西北部地區(qū)NDVI值較大，分布面積相對(duì)較廣，同時(shí)改善趨勢(shì)也較快，東北部地區(qū)顯著性最為明顯。

（3）NDVI偏差分析上來(lái)看，偏差較大的區(qū)域主要集中在西北部和西北偏中部地區(qū)和東部少數(shù)地區(qū)，相應(yīng)區(qū)域的年均NDVI值也較大，土地利用類型大部分以林地草地耕地為主。

（4）Hurst指數(shù)分析可以看出，湖南省NDVI總體呈反持續(xù)性增長(zhǎng)，所以未來(lái)變化趨勢(shì)不明顯，一直改善和一直退化的區(qū)域較少。

（5）湖南省植被覆蓋變化以改善與中反持續(xù)性和改善與弱反持續(xù)性為主，主要分布在西部，中部和北部地區(qū)，改善與正持續(xù)的區(qū)域最少。

4 討 論

本研究以MODIS-NDVI數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用一元線性回歸分析，方差分析，Hurst指數(shù)分析分析了湖南省2001—2013年來(lái)植被覆蓋的空間分布特征，該研究能夠反映出湖南省13年來(lái)的NDVI空間變化特征，以及能夠模擬出植被未來(lái)趨勢(shì)的變化特征，以及了解生態(tài)環(huán)境的變化，從而有利于掌握全球變化對(duì)植被氣候的響應(yīng)。本研究局限于對(duì)區(qū)域的時(shí)間空間變化的特征研究，沒有對(duì)時(shí)間空間序列的植被覆蓋變化與其他因子做相關(guān)性分析，下一步可以對(duì)植被指數(shù)覆蓋變化針對(duì)氣候因子等做相關(guān)性研究，研究NDVI與氣候因子的響應(yīng)關(guān)系。也可以利用氣候數(shù)據(jù)，森林火災(zāi)，人文政策做相應(yīng)研究，并且國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多類似的研究已經(jīng)取得了相當(dāng)大的成就，此類研究也有利于在大尺度上對(duì)植被的監(jiān)測(cè)和為國(guó)家相關(guān)調(diào)控政策提供可靠依據(jù)。

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Spatiotemporal change of vegetation cover in Hunan province during 2001—2013

WANG Zhen1,2, YAN Wen-de1,2, LIU Shu-guang1,2,3, LIANG Xiao-cui1,2
(1.Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 2.National Engineering Lab for Applied Technology of Forestry & Ecology in South China, Changsha 410004, Hunan, China; 3. U.S. Geological Survey (USGS), Earth Resources Observation and Science (EROS) Center, Sioux Falls, SD 57198, USA)

Abstruct: Hunan province as the study area, this study based on MODIS data analysis of the long time series (2001～2013), vegetation index variation characteristics of the region, the results showed that: (1)Most annual NDVI of Hunan province between 0.41～0.42,average annual NDVI minimum of 0.40 in 2005. (2)The vegetation index growth trend of Hunan province is given priority to with improved 54.02%. (3) Regional vegetation index in many parts of the deviation is small, discrete degree of vegetation index shows that the area is small. (4) To predict the future NDVI in Hunan province is given priority to with 0～0.50 the sustained growth of 94.4%.

vegetation index; Hunan province; linear regression; time series

S771.8

A

1673-923X(2016)11-0041-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.11.008

2016-03-10

國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201404316）；湖南省自然科學(xué)創(chuàng)新研究群體基金（[2013]7）；國(guó)家林業(yè)局軟科學(xué)研究項(xiàng)目（2013-R09）；湖南省高校創(chuàng)新平臺(tái)開放基金項(xiàng)目（12K070）；湖南省教育廳項(xiàng)目（15C1431）；中南林業(yè)科技大學(xué)青年科學(xué)研究基金重點(diǎn)項(xiàng)目（QJ2013005A）；城市森林生態(tài)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目

王 震，碩士研究生 通訊作者：閆文德，教授，博士；E-mail：csfuywd@hotmail.com

王 震，閆文德，劉曙光，等.基于MODIS數(shù)據(jù)的湖南省2001—2013年植被覆蓋指數(shù)時(shí)空變化研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016, 36(11): 41-46.

[本文編校：吳 毅]