基于MODIS數(shù)據(jù)的中國三種主要土地類型變化的空間特征分析

王 震,閆文德,2,3,*,劉曙光,2,4,高 超,2,3,諶小勇,2,5

1 中南林業(yè)科技大學,長沙 410004 2 南方林業(yè)生態(tài)應用技術國家工程實驗室,長沙 410004 3 城市森林生態(tài)湖南省重點實驗室,長沙 410004 4 美國地質勘探局 地球資源觀測與科學研究中心,蘇福爾斯 SD 57198 5 州長州立大學,美國伊利諾伊州 IL 60484

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基于MODIS數(shù)據(jù)的中國三種主要土地類型變化的空間特征分析

王 震1,閆文德1,2,3,*,劉曙光1,2,4,高 超1,2,3,諶小勇1,2,5

1 中南林業(yè)科技大學,長沙 410004 2 南方林業(yè)生態(tài)應用技術國家工程實驗室,長沙 410004 3 城市森林生態(tài)湖南省重點實驗室,長沙 410004 4 美國地質勘探局 地球資源觀測與科學研究中心,蘇福爾斯 SD 57198 5 州長州立大學,美國伊利諾伊州 IL 60484

人類活動使得土地利用和植被覆蓋發(fā)生了巨大變化,直接影響著全球氣候。本研究通過從2000—2013年對中國三種主要土地利用類型的NDVI變化特征進行了分析,結果表明：①14年來,中國三種主要土地利用類型NDVI平均值均有增強的趨勢。②三種主要土地利用類型中除耕地中的水田,林地中的有林地和草地中的高覆蓋草地增長速率不顯著外,其他土地類型增長速率均顯著。③三種土地利用類型均以改善面積大于退化面積,耕地中改善面積占總耕地的64.21%,退化的區(qū)域占18.50%；林地改善的區(qū)域占總林地的54.21%,退化的區(qū)域占20.13%；草地改善的區(qū)域占55.53%,退化的區(qū)域占18.23%。三種土地類型均有所改善且改善明顯的區(qū)域主要集中在甘肅以南,陜西以北和東北部分地區(qū)。

土地利用類型;NDVI;中國;植被覆蓋

土地利用變化是全球變化的研究核心,而植被是土地利用類型變化不可或缺部分[1]。研究植被覆蓋變化是研究全球氣候變化對環(huán)境影響的直接條件,NDVI(Normalized Difference Vegetable Index)是指示大尺度上植被覆蓋和植被生產力的良好指標[2- 3]。隨著遙感監(jiān)測技術的不斷成熟,利用遙感衛(wèi)星對地球監(jiān)測的范圍也越來越廣,國內外利用遙感對植被覆蓋變化的監(jiān)測已經(jīng)有相當多的研究[4]。目前,獲取植被覆蓋變化監(jiān)測數(shù)據(jù)的衛(wèi)星有許多：NOAA-AVHRR,SPOT-VGT,EOS-MODIS等,其中MODIS-NDVI數(shù)據(jù)是從2000年開始,時間序列相對完整,數(shù)據(jù)分辨率也相對較高的數(shù)據(jù)集,在植被覆蓋變化監(jiān)測方面有較好的應用空間[5]。國內外對于中國NDVI長時間序列植被覆蓋變化特征的研究較少,一般是存在于片區(qū)或省市的長時間序列的研究或者是季節(jié)性的研究[6]。對大尺度,長時間序列對中國土地利用類型植被覆蓋變化的研究存在研究的必要性,是監(jiān)測我國近年來植被響應氣候或國家政策的重要依據(jù),也有助于相關部門對中國全局的了解和決策[7- 10]。

1 數(shù)據(jù)處理

1.1 數(shù)據(jù)來源

研究選自美國地質局(NASA)的MODIS/Terra 16天合成MOD13Q產品,分辨率為1km,時間刻度為2000年到2013年。數(shù)據(jù)預先采用美國NASA提供的MRT軟件選取NDVI數(shù)據(jù)集和進行投影轉換,本文選用WGS84投影坐標系；然后利用Arcgis10.0和中國矢量邊界圖進行裁剪,并進行MVC最大化合成,得到2000年—2013年年NDVI數(shù)據(jù)集[11- 17]。中國土地利用數(shù)據(jù)來源于2000年中國1∶10萬土地利用類型分類數(shù)據(jù)集；然后利用Arcgis10.0對土地利用類型數(shù)據(jù)集進行投影和矢量化處理,得到土地利用類型矢量數(shù)據(jù)集。

1.2 MODIS數(shù)據(jù)處理

基于2000年至2013年年均MVC最大化數(shù)據(jù)集,由于值在-10000到10000之間,所以先把值縮小到-1至1取非負值得到NDVI數(shù)據(jù)集,然后利用批量化裁剪得到逐一土地利用類型NDVI地圖,再逐一計算平均NDVI值構成3種土地利用類型(耕地,林地,草地)時間序列數(shù)據(jù)集,最后對數(shù)據(jù)進行線性回歸分析得到每一種土地利用類型時間序列趨勢圖,趨勢方程和相關系數(shù)[18- 20]。本研究數(shù)據(jù)處理均采用Arcgis10.0和python2.7處理或編程處理。

1.3 一元線性回歸趨勢分析

植被指數(shù)的逐年內每個柵格變化之間對應時間序列存在一定的相關性[21-23]。隨著時間的推移柵格內NDVI值有減少或增加的趨勢,為了體現(xiàn)這種趨勢的變化,采用一元線性回歸分析方程來分析2000—2013年中國NDVI值得空間分布特征。

式中,K為斜率,NDVIi表示第i年NDVI值,用該方法可以計算出時間序列下植被覆蓋的空間變化趨勢,K>0表示植被呈改善趨勢,反之為退化趨勢。這里用該方法計算中國3種土地類型的NDVI空間分布趨勢圖,K≤-0.001為退化的趨勢,K≥0.001為改善的趨勢,其他為基本不變的區(qū)域。

2 結果與分析

2.1 3種土地利用類型NDVI變化特征分析

圖1可以看出3種土地類型：林地,耕地和草地14年來年平均NDVI變化趨勢圖,圖中可以看出3種土地利用類型的植被覆蓋指數(shù)總的趨勢都是明顯增加的,中國近十幾年來植被總體呈現(xiàn)出增長的趨勢,而且增長的顯著性較好。其中,林地NDVI的增長趨勢為0.002,相關系數(shù)為0.8211,耕地NDVI的增長趨勢為0.0022,相關系數(shù)為0.685；草地NDVI的增長趨勢為0.0024,相關系數(shù)為0.6403。然而林地有4年NDVI處于波峰然后有明顯下降,分別是2002年,2004年,2007年和2010年；耕地有五年NDVI處于波峰然后有明顯下降,分別是2002年,2004年,2008年,2010年和2012年；草地有三年NDVI處于波峰然后有明顯下降,分別是2003年,2008年和2012年,可以看出各種土地類型植被的生長趨勢都與各年份的環(huán)境因子有關,才會在同一時間段有增長和下降的趨勢。3種土地利用類型中,均在2009年NDVI值最低,而在2008年中國大陸全國范圍內發(fā)生冰災,顯而易見這種極端氣候對3種土地利用類型的影響非常明顯。由于國家政策的支持,如六大林業(yè)重點工程、對荒漠地區(qū)的開發(fā)與利用、以及城市綠化、植樹造林等,使得我國各種土地類型的植被覆蓋指數(shù)明顯呈現(xiàn)出了增長的趨勢,其中林地的增長趨勢最為穩(wěn)定,說明退耕還林、對天然林地的保護等政策對林地植被覆蓋植樹的改善非常明顯,而草地的退牧還草及荒漠地草原化等也取得了不小的成就。

圖1 3種主要土地類型14年年均NDVI趨勢變化Fig.1 Three main types of land for 14 years with an average annual NDVI trends

圖2 3種主要土地類型再分類分析14年年均NDVI趨勢變化特征Fig.2 Three main types of land re-classification analysis of 14 years average annual of NDVI trend

2.2 3種土地利用類型再分類分析

耕地分為水田和旱地；林地分為有林地,灌木林,疏林地和其他林地；草地分為高覆蓋草地,中覆蓋草地和低覆蓋草地。從圖2和表1中可以看出,水田有四個波峰分別是2002年、2005年、2007年和2010年,相應波谷在2003年、2006年、2009年和2013年,總趨勢線有增長的趨勢,相關系數(shù)為0.3114,說明水田NDVI變化與時間關系性不大,可能與人為因素和氣候因素影響較多；旱地有三個波峰在2005年、2008年和2012年,而波谷在2006年和2009年,相關系數(shù)為0.7632,增長的趨勢較明顯；有林地的相關系數(shù)為0.7457,增長趨勢較顯著,有三個波峰在2002年、2005年和2010年和兩個明顯波谷在2006年和2009年；灌木林,疏林地和其他林地的相關系數(shù)分別為0.8278和0.8268,增長趨勢顯著,而且灌木林和疏林地峰值分布相同(波峰在2002年、2007年和2010年；波谷在2003年、2006年和2009年),趨勢線相似分別為0.0022、0.0023和0.0022；高覆蓋草地有三個波峰在2003年、2008年和2012年,兩個波谷在2007年和2009年,相關系數(shù)為0.3836,增長趨勢顯著性較低,總趨勢有增長的趨勢；中覆蓋草地和低覆蓋草地的趨勢k值相近分別為0.0028和0.0027,相關系數(shù)分別為0.7115和0.7109,增長趨勢較明顯,兩種草地的波峰分布相同在2003年、2008年、2010年和2012年,兩種草地的波谷分布相同在2006年、2009年和2011年?？梢钥闯龈鞣N植被類型在2009年均呈現(xiàn)波谷階段,除高覆蓋草地在2007年出現(xiàn)波谷外均在2006年呈現(xiàn)波谷階段。由3種土地類型再分類分析可以看出,近14年來由于國家對環(huán)境保護的重視,退耕還林、退牧還林以及對荒漠地的開發(fā)與利用使得各土地類型植被覆蓋指數(shù)均有增長的趨勢,而林地的增加使得水田面積的減少,水田的增長趨勢波動性最大,同時高覆蓋草地的波動性最大是由于高覆蓋草地對環(huán)境如降水、溫度等的響應非常敏感。

表1 3種主要土地類型再分類分析14年年均NDVI值

2.3 3種土地利用類型NDVI時間序列空間變化特征分析

圖中可以看出耕地,林地,草地近14年來的生長趨勢均以改善為主。圖3耕地中改善面積占總耕地的64.21%,退化的區(qū)域占18.50%,改善比較明顯的區(qū)域位于甘肅以南、寧夏、陜西以北、東北三省以西和新疆少數(shù)地區(qū),而退化比較明顯的區(qū)域位于江蘇、浙江、上海交匯地帶的繁華區(qū)以及大部分省會城市附近。2000年來,耕地改善區(qū)域主要位于西北地區(qū),而東部繁華區(qū)以及人口聚集的城市中心區(qū)域,耕地植被覆蓋指數(shù)明顯減少,說明耕地由東北地區(qū)向西北地區(qū)移動,東部建設用地、生態(tài)用地對耕地的占用以及退耕還林等政策對耕地的影響非常明顯；圖4林地改善的區(qū)域占總林地的54.21%,退化的區(qū)域占20.13%,其中改善比較明顯的區(qū)域主要在甘肅以東、陜西以北、山西、吉林和遼寧以北、南部少部分地區(qū),退化明顯的區(qū)域位于黑龍江部分地區(qū)、內蒙古以東、湖南東部、四川中部、新疆以北、西藏以東、臺灣中南部地區(qū)。東北大小興安嶺、長白山,西南地區(qū)以及東南沿海地區(qū)、四川盆地及東南丘陵植被覆蓋指數(shù)的增強與退耕還林有關,而華北地區(qū)、黃土高原等地植被覆蓋指數(shù)增強與草地林地轉換有關,而林地減少區(qū)域主要集中在東北傳統(tǒng)林區(qū)以及東部沿海的人口聚集區(qū),這是由于人類對林地的砍伐以及建設用地等對林地的占用造成的,但總體以改善為主,說明退耕還林,建立天然林地保護區(qū)等政策對林地的保護起到了至關重要的作用；圖5草地改善的區(qū)域占55.53%,退化的區(qū)域占18.23%,改善明顯的區(qū)域主要位于甘肅東部、寧夏、陜西以北、山西以西、內蒙古以東部分地區(qū),而退化的區(qū)域主要位于內蒙古東南部地區(qū)、新疆北部地區(qū)和西藏中部地區(qū)。草原區(qū)域主要集中在北部,由于國家退牧還草工程等實施,草地植被覆蓋指數(shù)有明顯的增強的趨勢,而部分地區(qū)由于降水量的減少,加上其承載力比較脆弱,以及部分放牧的影響,草地植被覆蓋指數(shù)有減少的情況。

圖3 耕地趨勢變化率空間特征圖Fig.3 Spatial pattern trend change rate of cultivated land

圖4 林地趨勢變化率空間特征圖Fig.4 Spatial pattern trend change rate of forest land

圖5 草地趨勢變化率空間特征圖Fig.5 Spatial pattern trend change rate of grassland

3 結論

(1)通過3種土地利用類型平均趨勢圖,分析3種土地類型的趨勢變化。3種土地類型植被指數(shù)在2000—2013年來均有增長的趨勢,其中草地增長趨勢最大,從顯著性來看,林地增長更為顯著,說明近14年來林地增長速率穩(wěn)定,而草地增長最快但波動性也比較明顯。六大林業(yè)重點工程、對荒漠地區(qū)的開發(fā)與利用、以及城市綠化、植樹造林等,使得我國各種土地類型的植被覆蓋指數(shù)明顯呈現(xiàn)出了增長的趨勢,其中林地的增長趨勢最為穩(wěn)定,說明退耕還林、對天然林地的保護等政策對林地植被覆蓋植樹的改善非常明顯,而草地的退牧還草及荒漠地草原化等也取得了不小的成就。

(2)通過3種土地類型再分類分析,分析3種主要土地類型的再分類類型的變化特征。耕地中,水田NDVI的趨勢顯著性最低,增長趨勢較低,旱地NDVI顯著且增長速率大；林地中,4種林地的NDVI趨勢顯著性較高,增長穩(wěn)定,其中有林地NDVI增長速率最低；草地中,高覆蓋草地NDVI趨勢顯著性最低,說明波動性很大,而增長速率也比較低,中,低覆蓋草地NDVI顯著并增長速率大。近14年來由于國家對環(huán)境保護的重視,退耕還林、退牧還林以及對荒漠地的開發(fā)與利用使得各土地類型植被覆蓋指數(shù)均有增長的趨勢,而林地的增加使得水田面積的減少,水田的增長趨勢波動性最大,同時高覆蓋草地的波動性最大是由于高覆蓋草地對環(huán)境(如降水、溫度等)的響應非常敏感。

(3)由3種土地利用類型植被覆蓋空間圖,分析3種土地利用類型2000—2013年來空間變化特征。耕地改善區(qū)域主要位于西北地區(qū),而東部繁華區(qū)以及人口聚集的城市中心區(qū)域,耕地植被覆蓋指數(shù)明顯減少；林地減少區(qū)域主要集中在東北傳統(tǒng)林區(qū)以及東部沿海的人口聚集區(qū),這是由于人類對林地的砍伐以及建設用地等對林地的占用造成的,但總體以改善為主,說明退耕還林,建立天然林地保護區(qū)等政策對林地的保護起到了至關重要的作用；由于國家退牧還草工程等政策的實施以及草原化荒漠建設,使得草地植被覆蓋指數(shù)有明顯的增強的趨勢。3種主要土地類型NDVI均以改善為主,其中耕地植被覆蓋指數(shù)改善區(qū)域最大占總耕地面積的64.21%；3種土地類型均有所改善且改善明顯的區(qū)域主要集中在甘肅以南,陜西以北和東北部分地區(qū)。

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Spatial-temporal characteristics of three main land-use types in China based on MODIS data

WANG Zhen1,YAN Wende1,2,3,*,LIU Shuguang1,2,4,GAO Chao1,2,3,CHEN Xiaoyong1,2,5

1CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha410004,China2NationalEngineeringLaboratoryforAppliedTechnologyofForestry&EcologyinSouthChina,Changsha410004,China3KeyLaboratoryofurbanforestecologyinHunanProvince,Changsha410004,China4U.S.GeologicalSurvey(USGS),EarthResourcesObservationandScience(EROS)Center,SiouxFalls,SD57198,USA5CollegeofArtsandSciences,GovernorsStateUniversity,UniversityPark,IL60484,USA

Human activities have resulted in considerable change in land use and land cover, which directly influence the global climate system. In this study, spatial and temporal changes were investigated in three land-use types in China from 2000 to 2013, using MODIS data. The three land-use types consisted of woodland, grassland, and farmland. The purpose of this study was to describe the characteristics of vegetation cover change at the national scale using remote sense information. The results showed that: (1) The average of normalized difference vegetation index (NDVI) increased in the three land-use types over the past 14 years. The largest growth rate was found in grassland, whereas the most stable growth rate was in woodland. An increasing tendency in the NDVI in these land covers was mainly attributed to six national key forestry projects in China over the past 14 years, including conservation of natural forests; development of protective forests along the Changjiang River: planning for farmland return to woodland; management of the desertification around the Beijing area; construction of the natural preserve area; and development of forestation with fast-growth tree species. (2) The increases in the NDVI were significant in all sub-classifications of land covers under the three main land-use types, except for paddy fields in farmland, closed-forest land in woodland, and high-coverage grassland in grassland. The most significant growth tendency was found in dry-land in farmland, the four cover types (forested-land, shrub-land, open-forest land, and other forest land) in woodland, and medium- and low-coverage grassland in grassland. (3) The improved area with higher NDVIs was larger than the degraded area in the three different types of land use. Specifically, the improved area and degraded area accounted for 64.21% and 18.50% of the total farmland, respectively. The corresponding values were 54.21 and 20.13%, and 55.53 and 18.23% in woodland and grassland, respectively. The significantly improved areas within all three land types were mainly concentrated south of the Gansu Province and Shaanxi Province, and in parts of northeastern China. The improved areas with higher NDVIs in farmland were mainly located in the northwest region of China, whereas the significantly reduced areas in farmland were found in the urban and high population areas in eastern China. The reduced areas in woodlands were mainly concentrated in the northeastern regions with high population and forested lands along the eastern coast of China. The reduction in forested area was mainly due to urbanization in this region in the past years. However, overall the NDVI increased in this region because of the return of farmland to forest, forestation, and establishment of the natural forest protection area. Our results indicated that the NDVI can be used as a suitable index to describe the spatial and temporal changes in vegetation cover at regional and national levels.

land use type; NDVI; China; vegetation coverage

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201404316)；湖南省自然科學創(chuàng)新研究群體基金(湘基金委字[2013]7號)；國家林業(yè)局軟科學研究項目(2013-R09)；湖南省高校創(chuàng)新平臺開放基金項目(12K070)；湖南省教育廳一般項目(15C1431)；中南林業(yè)科技大學青年科學研究基金重點項目(QJ2013005A)；城市森林生態(tài)湖南省重點實驗室資助

2016- 03- 01; 網(wǎng)絡出版日期:2017- 02- 17

10.5846/stxb201603010354

*通訊作者Corresponding author.E-mail: csfuywd@hotmail.com

王震,閆文德,劉曙光,高超,諶小勇.基于MODIS數(shù)據(jù)的中國三種主要土地類型變化的空間特征分析 .生態(tài)學報,2017,37(10):3295- 3301.

Wang Z,Yan W D,Liu S G,Gao C,Chen X Y.Spatial-temporal characteristics of three main land-use types in China based on MODIS data.Acta Ecologica Sinica,2017,37(10):3295- 3301.