基于NDVI的云南省植被覆被變化趨勢分析

劉珊珊　王建雄　牛超杰

摘要：選取云南省為研究區(qū)域，利用2001-2015年MODIS中國植被指數(shù)合成產(chǎn)品Tiff遙感圖像，通過Arcgis軟件對遙感圖像進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，得到研究區(qū)域各年每月的植被歸一化指數(shù)（NDVI）。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合當(dāng)?shù)氐纳L季與種植制度，分析研究區(qū)域植被指數(shù)的年際、季節(jié)及月變化的特點(diǎn)。結(jié)果表明，在2001-2015年，云南省植被指數(shù)有增加的趨勢，表明在2001-2015年云南省植被覆蓋度基本保持穩(wěn)定或略有增加的趨勢；2001-2015年云南省春季和冬季的NDVI整體呈增加趨勢，冬季的增速大于春季，夏季NDVI整體呈減少趨勢，而秋季處于平穩(wěn)狀態(tài)，說明云南省2001-2015年春、冬兩季植被覆蓋度不斷增加；云南省NDVI月變化差異較為明顯，與當(dāng)?shù)厣L季和種植制度密切相關(guān)，說明植被指數(shù)的月變化特征主要受種植作物的影響。

關(guān)鍵詞：NDVI；變化特征；趨勢分析；云南省

中圖分類號：P207；Q948 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）11-2037-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.11.009

Abstract： Taking Yunnan as the study area，using the Tiff remote sensing image of MODIS vegetation index composite products from 2001 to 2015，the remote sensing images were divided into districts by the Arcgis software，and the monthly NDVI values of each year in the study area were obtained. Based on the analysis，the characteristics of annual，seasonal and monthly changes of regional vegetation index were analyzed combination with local growing season and cropping system. The results showed that，during 2001 to 2015，there was an increasing trend of the vegetation index in Yunnan，which indicated that the vegetation coverage in Yunnan remained stable or increased slightly from 2001 to 2015. During the period of 2001 to 2015，the NDVI values of spring and winter in Yunnan were increasing in total， and the growth rate of winter was higher than that of spring. The NDVI value was decreasing in summer and the autumn was stable， which meant that the vegetation coverage of spring and winter from 2001 to 2015 was increasing. The monthly variation of the vegetation index was relatively obvious， which was closely related to the local growing season and cropping system， which indicated that the monthly change of vegetation index was mainly affected by the crop.

Key words： NDVI； variation characteristics； trend analysis； Yunnan Province

植被是聯(lián)結(jié)土壤、大氣和水分等要素的自然“紐帶”，具有明顯的年際變化和季節(jié)變化的特點(diǎn)，在一定程度上能代表土地覆蓋的變化[1，2]。植被指數(shù)是將遙感地物光譜資料經(jīng)數(shù)學(xué)方法處理，以反映植被狀況的特征量[3]。在眾多植被指數(shù)中最為常用的是歸一化植被指數(shù)（NDVI），它能夠精確地反映植被綠度、光合作用強(qiáng)度、植被代謝強(qiáng)度及其季節(jié)和年際變化，是表征植物生長、植被覆蓋、生長狀況、生物量等的重要指標(biāo)[4]，是監(jiān)測植被變化的有效參數(shù)[5，6]，因此，在各地大尺度的植被動態(tài)監(jiān)測、作物長勢監(jiān)測、自然災(zāi)害監(jiān)測和作物產(chǎn)量預(yù)測等方面得到廣泛應(yīng)用[7-10]。近年來，中國學(xué)者已經(jīng)對很多地區(qū)的植被指數(shù)時(shí)空變化特征進(jìn)行了深入的研究，但是不同的地域、不一樣的研究尺度、不同時(shí)間尺度、不同的數(shù)據(jù)源，植被指數(shù)的時(shí)空變化特征都會有所差異[1]。研究表明，中國西北地區(qū)20世紀(jì)80年代初期至1994年前后植被呈增加趨勢，而1994-2000年植被有退化趨勢[11]；而長江三角洲、珠江三角洲地區(qū)的NDVI有減少的趨勢[12]；秦嶺地區(qū)植被覆蓋度在1982-2007年呈降低趨勢[13]；貴州省植被覆蓋在1982-2003年有增加趨勢[14]。

云南省山地多、壩區(qū)極少的現(xiàn)狀使當(dāng)?shù)馗厣?，林地多，?fù)雜多樣的氣候條件以及地形地貌，使得云南省植被類型多樣。利用MODIS/NDVI數(shù)據(jù)集，使用Arcgis軟件對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)處理，通過一元線性回歸趨勢定量分析2001-2015年云南省植被年際以及月變化情況，進(jìn)一步探討研究區(qū)域植被指數(shù)與當(dāng)?shù)胤N植制度及植被生長季的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。為進(jìn)一步深入研究云南省生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀提供基礎(chǔ)參考資料。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)域概況

云南省地處中國西南部，北依廣袤的亞洲大陸，南鄰廣闊的印度洋及太平洋，處于東南季風(fēng)和西南季風(fēng)的控制下，又受青藏高原區(qū)的影響，從而形成復(fù)雜多樣的自然地理環(huán)境。云南省氣候兼具山原氣候、低緯氣候以及季風(fēng)氣候的特點(diǎn)。夏季平均溫度在19～22 ℃，冬季平均溫度在6～8 ℃。年溫差一般為10～15 ℃，一天的溫度變化是早涼，午熱，尤其是春、冬兩季，日溫差高達(dá)12～20 ℃。全省大部分地區(qū)年降水量在1 100 mm左右，南部部分地區(qū)可達(dá)1 600 mm以上。由于冬夏兩季受不同大氣環(huán)流的控制和影響，降水量在時(shí)域上和地域上的分配也是極不均勻的。6-8月降水量最多，約占全年降水量的60%，11月至次年4月的冬春季節(jié)為旱季，降水量僅占全年的10%～20%。云南省相對平緩的山區(qū)只占總面積的10%，大面積土地高低差參，縱橫起伏，一定范圍又有和緩的高原面。云南全省面積在1 km2以上的壩子共有1 445個(gè)，面積在100 km2以上的壩子有49個(gè)，云南最大的壩子在陸良縣，面積為771.99 km2[15]。

由于復(fù)雜多樣的氣候條件、地形地貌以及降雨量在時(shí)間上分布極不均勻等特點(diǎn)，云南省的植被類型、種植制度和種植作物極具典型特征。云南省分為大春和小春，主要種植作物有小麥、玉米、水稻、烤煙等，植物類型繁多，主要有銀杏、龍柏、鵝掌楸等。氣候的多變使得云南省的植被覆蓋度在月、季節(jié)上不斷發(fā)生變化，加上干旱災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，年際上的植被覆蓋度又有所不同。

1.2 數(shù)據(jù)與處理

1.2.1 數(shù)據(jù)來源 NDVI數(shù)據(jù)集是由地理空間數(shù)據(jù)云提供的MODIS中國植被指數(shù)合成產(chǎn)品，它是由MODND1D計(jì)算得到，計(jì)算方法為取月內(nèi)每天最大值。坐標(biāo)系為EPSG：4326（WGS84），空間分辨率為500 m，時(shí)間分辨率為月。這里使用2001-2015年的NDVI數(shù)據(jù)集。

NDVI=（NIR-R）/（NIR+R） （1）

式中，NIR為近紅外波段的反射值；R為紅光波段的反射值。

1.2.2 處理方法

1）基于GIS的Tiff圖像處理。由于最初獲取的是全國范圍的NDVI Tiff圖像，因此需要進(jìn)一步利用Arcgis軟件添加云南省省界對全國的NDVI進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，從而獲取云南省每年每月的NDVI數(shù)值，從中整合研究區(qū)域研究時(shí)段內(nèi)的NDVI數(shù)據(jù)，以便后期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

NDVI的數(shù)值區(qū)間為（-1，1），負(fù)值表示地面覆蓋為云、水、雪等，對可見光高反射；0表示有巖石或裸土等，NIR與R近似相等；正值表示有植被覆蓋，且NDVI隨覆蓋度增大而增大。

2）NDVI數(shù)據(jù)處理。

2.2 季節(jié)變化分析

根據(jù)公式（3）計(jì)算得到2001-2015年4個(gè)季節(jié)的NDVI，結(jié)果如表2所示。由表2可知，秋季和冬季的NDVI普遍高于春季和夏季，春夏季節(jié)的NDVI波動范圍為0.598 362～0.742 288，秋冬季節(jié)的NDVI波動范圍為0.644 697～0.817 897，說明在秋季和冬季的植被覆蓋度高于其他兩個(gè)季節(jié)。2001-2015年云南省春季的NDVI整體上處于不斷增加的趨勢，趨勢線斜率為0.005 4；夏季NDVI整體上呈減少趨勢，趨勢線斜率為-0.003 8；秋季的NDVI處于平穩(wěn)狀態(tài)，冬季NDVI整體上呈增加趨勢，趨勢線的斜率為0.008 7，冬季的增速大于春季，說明云南省2001-2015年春、冬兩季植被覆蓋度不斷增加。

2.3 月變化分析

根據(jù)公式（3），計(jì)算得到研究時(shí)間段各月的NDVI均值，結(jié)果如表3所示。由表3可知，一年當(dāng)中，云南省植被指數(shù)的最高值出現(xiàn)在10月，為0.782 317，最小值出現(xiàn)在4月，為0.635 850。從植被生長季的角度進(jìn)行分析，4-8月NDVI明顯增加，這與云南省植被生長期和枯萎期相對應(yīng)，4月進(jìn)入大春，總體從5月上旬生長開始，8月達(dá)到峰值；9月植被指數(shù)略有降低，這是由于云南省9月大春作物成熟且被收割；但隨著10月云南省進(jìn)入小春，9-10月的植被指數(shù)再次呈現(xiàn)增加趨勢；10-12月以及1-4月之間的時(shí)間段，植被指數(shù)呈現(xiàn)顯著下滑趨勢。整體來講，NDVI的變化符合云南省的種植制度。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

通過使用基于時(shí)間序列的歸一化植被指數(shù)影像數(shù)據(jù)，利用一元線性趨勢分析法對2001-2015年云南省植被指數(shù)的年際、季節(jié)及月變化特征進(jìn)行定量分析，得到以下3點(diǎn)結(jié)論。

1）在2001-2015年，云南省植被指數(shù)有增加的趨勢，表明在2001-2015年云南省植被覆蓋度基本保持穩(wěn)定或略有增加的趨勢。

2）2001-2015年云南省春季和冬季的NDVI整體呈增加趨勢，冬季的增速大于春季，夏季NDVI呈減少趨勢，而秋季的NDVI處于平穩(wěn)狀態(tài)，說明云南省2001-2015年春、冬兩季植被覆蓋度不斷增加。

3）云南省植被指數(shù)月變化差異較為明顯，與當(dāng)?shù)厣L季和種植制度密切相關(guān)。NDVI處于增長的時(shí)間段與云南省作物種植期大春、小春相對應(yīng)，說明NDVI的月變化特征主要受種植作物的影響。

3.2 展望

隨著傳感器的不斷進(jìn)步，每天能夠獲得的遙感影像也不斷增多[16]，大家的焦點(diǎn)問題聚集在如何能夠及時(shí)地將這些海量的影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有用信息為我們所用。對大量的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列建模分析是有效的解決途徑之一。

運(yùn)用時(shí)間序列對植被覆被變化進(jìn)行分析能夠直觀準(zhǔn)確地反映研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境，但能夠反映生態(tài)環(huán)境的要素復(fù)雜多樣，植被僅僅是其中主要的一個(gè)要素。在把生態(tài)環(huán)境放在首位的大背景下，為了保護(hù)我們的生存環(huán)境，不僅需要對植被覆被變化進(jìn)行分析，還要從影響其變化的內(nèi)在因素進(jìn)行研究，包括自然因素（土壤、氣候等）和人為因素之間的相互影響。從更深層次來看，協(xié)調(diào)人地關(guān)系是對保護(hù)生態(tài)環(huán)境更高層次的要求，同植被要素一樣，其他自然要素和社會要素時(shí)序數(shù)據(jù)普遍存在，對這些多類型時(shí)間序列數(shù)據(jù)綜合分析，發(fā)現(xiàn)長時(shí)期變化的相互影響機(jī)理，對于增加植被覆被面積、改善生態(tài)環(huán)境無疑是一件具有挑戰(zhàn)性和研究價(jià)值的工作。

參考文獻(xiàn)

[1] 何彬方，馮 妍，吳文玉，等.安徽省近十年植被指數(shù)時(shí)空變化特征[J].生態(tài)學(xué)雜志，2010，29（10）：1912-1918.

[2] 吳月圓，徐天蜀，岳彩榮.基于MODIS/NDVI的云南省近十年植被動態(tài)監(jiān)測分析[J].綠色科技，2013，4（10）：134-135.

[3] 解文歡，張有智，吳 黎.基于植被指數(shù)對望奎縣糧食作物產(chǎn)量預(yù)測方法的研究[J].黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，34（4）：113-115.

[4] TUCKER C J，F(xiàn)UNG I Y，KEELING C D，et al. Relationship between atmospheric CO2 variations and a satellite-derived vegetation index[J]. Nature，1986，319（6050）：195-199.

[5] 畢曉麗，王 輝，葛劍平.植被歸一化指數(shù)（NDVI）及氣候因子相關(guān)起伏型時(shí)間序列變化分析[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，16（2）：284-288.

[6] 張戈麗，歐陽華，張憲洲，等.基于生態(tài)地理分區(qū)的青藏高原植被覆被變化及其對氣候變化的響應(yīng)[J].地理研究，2010，29（11）：2004-2016.

[7] 李月臣，宮 鵬，劉春霞，等.北方13省1982年～1999年植被變化及其與氣候因子的關(guān)系[J].資源科學(xué)，2006，28（2）：109-117.

[8] 王金亮，高 雁.云南省近20年植被動態(tài)變化遙感時(shí)序分析[J].云南地理環(huán)境研究，2010，22（6）：1-7.

[9] 鄭玉坤.多時(shí)相AVHRR-NDVI數(shù)據(jù)的時(shí)間序列分析及其在土地覆蓋分類中的應(yīng)用[D].北京：中國科學(xué)院，2002.

[10] 張 翔，王 勇.NDVI對氣候因子的響應(yīng)研究[J].地理空間信息，2015，12（6）：39-41，50.

[11] 徐興奎，林朝暉，薛 峰，等.氣象因子與地表植被生長相關(guān)性分析[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2003，23（2）：221-230.

[12] 方精云，樸世龍，賀金生，等.近20年來中國植被活動在增強(qiáng)[J].中國科學(xué)（C輯：生命科學(xué)），2003，33（6）：554-565.

[13] 孫 華，白紅英，張清雨，等.秦嶺南北地區(qū)植被覆蓋對區(qū)域環(huán)境變化的響應(yīng)[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29（12）：2635-2641.

[14] 鄭有飛，牛魯燕，吳榮軍，等.1982-2003年貴州省植被覆蓋變化及其對氣候變化的響應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)雜志，2009，28（9）：1773-1778.

[15] 廖麗君，魏 巍，鄭宏剛，等.縣級農(nóng)用地質(zhì)量分等成果年度更新方法研究[J].中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2015，36（1）：51-62.

[16] 于 嶸.基于遙感時(shí)序數(shù)據(jù)的中國陸地植被覆蓋變化分析研究[D].北京：中國科學(xué)院，2006.