基于MODIS數(shù)據(jù)的湖南省NDVI時空變化研究(2005～2015年)

郭慶斌, 趙建蘋

(湖南師范大學 資源與環(huán)境科學學院,湖南 長沙 410081)

基于MODIS數(shù)據(jù)的湖南省NDVI時空變化研究(2005～2015年)

郭慶斌, 趙建蘋*

(湖南師范大學 資源與環(huán)境科學學院,湖南 長沙 410081)

以湖南省為研究區(qū)域,2005～2015年獲取的Modis NDVI數(shù)據(jù)對該區(qū)植被變化情況進行動態(tài)監(jiān)測,結(jié)合線性趨勢化分析該區(qū)植被時空變化情況.分別針對年際和季節(jié)性植被變化對湖南省植被的變化情況進行探討.圖5，表1，參8.

MODIS NDVI;湖南省;趨勢分析;時空變化

植被是地表植物群落的總稱,對于地表植被的覆蓋狀況具有很強的指示作用[1].在植被覆蓋的研究中,NDVI 針對地表植被變化比較敏感,能很好地反映植被覆蓋、生物量等參數(shù)的變化 ,且針對大尺度、長時間序列具有很好的監(jiān)測效果[2].文獻[3]利用SPOT VGT-NDVI數(shù)據(jù)對祁連山草地植被進行NDVI的時空變化研究;文獻[4]利用MODIS NDVI數(shù)據(jù)輔以趨勢分析、Hurst指數(shù)、偏相關(guān)等方法針對三江源植被覆蓋進行分析,均取得了比較好的效果.該文基于2005～2015年的MODIS-NDVI遙感數(shù)據(jù)獲取了湖南省地表植被的時空變化數(shù)據(jù),結(jié)合湖南省的實際情況,分析湖南省植被覆蓋度時空分布規(guī)律,實現(xiàn)對湖南省植被覆蓋度的時空變化動態(tài)監(jiān)測,推動湖南地區(qū)的生態(tài)發(fā)展.

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

湖南省位于東經(jīng)108°47′～114°,北緯16′24°38′～30°7′之間,氣候為亞熱帶季風氣候,降水季節(jié)分配不均,年際變化明顯.占地約211 994平方千米,北部為洞庭湖平原,中部地形以丘陵為主,三面環(huán)山,地勢大致自西南向東北逐漸降低,形成向東北開口的馬蹄形[5],如圖1所示.不同地形交錯分布必然對植被生長產(chǎn)生一定影響.因此,需要針對該區(qū)植被分布進行基于時間序列的動態(tài)監(jiān)測,對于評估該區(qū)域植被生長狀況并制定合理對策是十分必要的.

圖1 湖南省位置圖Fig.1 The location of HuNan province

1.2 數(shù)據(jù)來源

該文利用的NDVI數(shù)據(jù)來源于NASA網(wǎng)站提供的2005～2015年間隔為16 d的MOD13Q1數(shù)據(jù),它是利用Sinusoidal投影方式的三級網(wǎng)格陸地植被數(shù)據(jù)產(chǎn)品,擁有250 m的空間分辨率的高時相、大尺度數(shù)據(jù),能夠反映大尺度范圍內(nèi)的植被覆蓋變化情況,已經(jīng)經(jīng)過大氣校正和幾何校正.MOD13Q1的NDVI產(chǎn)品提供的是像元灰度值即DN值,數(shù)據(jù)范圍-3 000-10 000,需要將它轉(zhuǎn)化成NDVI值[6]:

NDVI=DN*0.0001

(1)

利用MODISNDVI數(shù)據(jù),得到2005～2015年10a間的湖南省植被覆蓋情況,對該區(qū)植被進行動態(tài)監(jiān)測.

1.3 研究方法

利用湖南省矢量邊界裁剪研究區(qū)影像圖,研究過程中由于選擇的是16d的觀測數(shù)據(jù),采用NDVI最大值合成算法合成月NDVI值,最大值合成法可以反映該時段植被長勢最好時的生長狀況.取一個月中上、下兩個半月中同一地區(qū)相同行列號的最大像素值作為該月NDVI值被指數(shù)值.一般對于陸地表面來說,雨、雪、云霧等在可見光比近紅外波段具有較高的反射性,所以NDVI為負值;巖石、裸土的NDVI值一般為0;有植被覆蓋的地方一般大于0,為消除云層等影響,將小于0部分剔除[7].利用線性趨勢線逐像元分析時間序列數(shù)據(jù)隨時間的變化[8],如下式：

(2)

式中:ci為代表最大合成法合成的某一年最大NDVI值；n為代表研究年份；K為正斜率,表明植被覆蓋增加,反之則表示降低.

2 結(jié)果與分析

2.1 時間序列變化

通過分析NDVI年平均值得到如圖2所示:年均NDVI呈現(xiàn)緩慢增長趨勢,增長速率為0.001,NDVI值在0.41～0.45范圍內(nèi)呈現(xiàn)階段性增長,2008～2010年間呈現(xiàn)下降低谷,到2010年以后呈現(xiàn)有規(guī)律的階梯型增長趨勢,說明植被生長狀況正在進一步改善.

為了進一步分析NDVI年均變化中出現(xiàn)的不規(guī)律變化,尤其是2008～2010年的出現(xiàn)的下降低谷情況,進一步針對2005～2015年間NDVI季節(jié)性變化作進一步討論.如圖3所示,春、冬季NDVI值在0.3～0.4之間波動,在2008～2010年間呈較明顯下降趨勢,與湖南省2008～2010年間出現(xiàn)的NDVI年均值低谷范圍基本一致,NDVI偏低,隨后年份NDVI開始呈緩慢增長趨勢,2005～2015年春、冬季NDVI值的擬合方程分別為y=0.001x-2.747、y=0.004x-8.359,說明植被呈微弱趨勢改善.夏秋季節(jié)NDVI值基本維持在0.5附近,波動較小,說明植被生長比較穩(wěn)定.

圖2 2005～2015年湖南省NDVI年最大值變化Fig.2 The annual maximum of NDVI in HuNan province from 2005 to 2015

圖3 2005～2015年湖南省NDVI季節(jié)性變化 Fig.3 Seasonal variations of NDVI in HuNan province from 2005 to 2015

2.2 空間序列變化

為了更加直觀地體現(xiàn)湖南省植被覆蓋度的年際變化特征,利用2005～2015年最大植被覆蓋圖進一步針對十年間NDVI變化情況進行趨勢化分析以體現(xiàn)湖南省植被生長的區(qū)域性差異.2005～2015 年總體植被覆蓋度上呈現(xiàn)上升趨勢,區(qū)域間存在不同程度的差異性,見圖4.在空間分布上,年際最大植被變化率呈微弱增長趨勢,均值為0.004 8.其中,中部和西部地區(qū)植被覆變化率幅度相對較大一些,部分地區(qū)比如長株潭地區(qū)、洞庭湖東部地區(qū)出現(xiàn)一定程度的下降趨勢,與該區(qū)城經(jīng)濟建設(shè)和人為干預有關(guān).同時南部衡邵盆地地區(qū)也出現(xiàn)了一定程度的下降趨勢,該區(qū)域相對干旱有較大關(guān)系.通過分析該區(qū)域植被的變動情況,如表1所示,發(fā)現(xiàn)41.77%的范圍植被覆蓋度增加,40.48%的范圍沒有明顯變化,說明2005～2015年間該區(qū)域植被整體呈逐步改善趨勢.

表1 湖南省2005～2015年不同等級的植被變化比例(單位:%)

以每年3、6、9、12月合成當月NDVI最大值,作為春、夏、秋、冬四季的典型代表.根據(jù)趨勢線分析每個季節(jié)的顯著性變化，見圖5.

圖4 2005～2015年湖南省NDVI年際變化趨勢 Fig.4 The annual change trend of NDVI in HuNan province from 2005 to 2015

圖5 2005～2015年湖南省NDVI季節(jié)性時空變化趨勢(A-D)Fig.5 The Seasonal change trend of NDVI in HuNan province from 2005 to 2015 (A-D)

圖5A可知岳陽與長沙交界地區(qū)、張家界西北部地區(qū)、邵陽南部地區(qū)植被呈明顯增長趨勢,最高可達0.13/10 a.中部衡邵盆地北部以及洞庭湖以南地區(qū)植被變化率較低,最低可達-0.08/10 a.整體變化率為0.001/10 a,呈微弱上升趨勢.發(fā)現(xiàn)23.42%的區(qū)域植被狀況惡化,大部分區(qū)域保持穩(wěn)定或改善趨勢.圖5B顯示西南部地區(qū)以及洞庭湖東部地區(qū)植被變化率呈負增長狀態(tài),最低達-0.11/10 a,29.41%的區(qū)域出現(xiàn)負增長.圖5C中29.63%的區(qū)域出現(xiàn)植被惡化情況,主要集中在洞庭湖東部以及長株潭地區(qū)植被出現(xiàn)較大范圍的負增長趨勢,超過一半的區(qū)域維持在穩(wěn)定水平.較其他季節(jié)而言,圖5D中植被改善地區(qū)主要集中在南部、東部地區(qū),可能受溫度等因素的影響,僅7.38%的區(qū)域呈現(xiàn)植被負增長狀況.中部大部分地區(qū)保持不變,整體呈 0.004/10 a的速率增長.針對季節(jié)的變化情況而言,冬季植被改善水平較好.

3 結(jié)論與討論

利用2005～2015年MODIS NDVI數(shù)據(jù),采用趨勢分析法對湖南省植被指數(shù)進行時空動態(tài)監(jiān)測,通過年際變化與季節(jié)性變化分別進行分析,得到以下結(jié)論:

(1)湖南省NDVI年際變化較穩(wěn)定,基本維持在0.41～0.45之間,呈現(xiàn)階段性增長趨勢;

(2)通過單獨對比湖南省不同季節(jié)NDVI值時間序列變化情況,其中夏秋季節(jié)NDVI值基本維持在0.5左右,變化幅度較小,春冬季節(jié)在2008～2010年間有明顯的降低趨勢,可能受2008年大范圍冰災影響顯著,整體呈改善狀況;

(3)空間分布上,41.77%的范圍植被覆蓋度增加,平均變化率為0.004 8.西部優(yōu)于東部,東部如長株潭部分地區(qū)以及洞庭湖東部地區(qū)植被出現(xiàn)微弱惡化趨勢,需重點加強改善;

(4)季節(jié)分布上,不同季節(jié)植被變化趨勢范圍不穩(wěn)定,在冬季表現(xiàn)比較明顯,僅7.38%的區(qū)域植被呈現(xiàn)減少趨勢,可能受氣候等因子影響.洞庭湖東部地區(qū)以及長株潭地區(qū)植被有下降趨勢,夏秋季表現(xiàn)突出且有范圍擴大的趨勢,需要盡早采取措施,改善植被生長環(huán)境.

作者只是針對NDVI的時空分布情況進行分析,沒有考慮到其他因素如降水量、地形、溫度等因素的影響.可利用NDVI季節(jié)性變化與氣候因子作進一步的分析.另外,人為因素也占據(jù)一定影響,需要進一步討論.

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Biography：Guo Qing-bin,male,born in 1991,master,rural and urban planning.

Temporal and Spatial Variation of NDVI in Hunan Province Based on MODIS Data from 2005 to 2015

GUO Qing-bin, ZHAO Jian-ping

(College of Resources and Environmental Science,Hunan Normal University,Changsha 410081,China)

The Modis NDVI data obtained from 2005 to 2015 were analyzed to dynamically monitor the temporal and spatial changes of vegetation based on the linear tendency.The changes of vegetation in Hunan Province were discussed respectively from the annual and seasonal vegetation changes.5figs.,1tab.,8refs.

MODIS NDVI;Hunan province;trend analysis;temporal and spatial variation

2017-02-11

郭慶斌(1991- ),男,山東濱州人,碩士,研究方向:城鄉(xiāng)規(guī)劃. *通訊作者，E-mail:fuping_292324@sina.com

10.3969/j.issn.2095-7300.2017.02-020

S771.8

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