基于NDVI的昆明市2001—2015年植被覆蓋變化趨勢(shì)分析

邊琳+葉飛+劉珊珊+王建雄+許菁

摘要：基于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)中的MODIS中國(guó)區(qū)域歸一化植被指數(shù)（NDVI）產(chǎn)品MODND 1M合成產(chǎn)品遙感圖像，本研究利用ArcGIS軟件對(duì)獲得的植被指數(shù)遙感圖像進(jìn)行植被覆蓋數(shù)據(jù)截取和統(tǒng)計(jì)，得到昆明市2001—2015年每月的NDVI值，并利用一元線性趨勢(shì)法對(duì)其年際、季節(jié)和月均變化情況進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，昆明市的年均NDVI值在2001—2015年間呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)，線性傾斜率為0.0036，表明在這15年間昆明市的植被覆蓋率在緩慢地穩(wěn)定增長(zhǎng)。月均NDVI值1—4月逐漸降低，4月最低，線性傾斜率為0.54；之后開始逐漸上升，8月達(dá)到峰值，線性傾斜率為0.7169，之后呈波動(dòng)下降趨勢(shì)?？傮w來說，7—12月昆明市植被的NDVI值較高，線性傾斜率均超過0.64，這與昆明市7—10月為雨季有直接關(guān)系，說明植被指數(shù)的月變化趨勢(shì)主要受降雨的影響。2001—2015年昆明市春季、秋季和冬季的NDVI值呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，夏季處于負(fù)增長(zhǎng)狀況，說明昆明市15年間春、秋、冬三季植被覆蓋度不斷增加。

關(guān)鍵詞：NDVI；植被覆蓋；變化趨勢(shì)；昆明市

中圖分類號(hào)：S127文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：1001-4942（2018）01-0107-04

Abstract Based on the synthetic remote sensing images of the MODND 1M as the MODIS product of China regional normalized difference vegetation index （NDVI） from the Cloud Platform of Geographical Spatial Data， in this study，we intercepted and counted the vegetation cover data from the gained remote sensing images using ArcGIS software， obtained the monthly NDVI values during 2001-2015 in Kunming， and then analyzed its annual， seasonal and monthly change by the method of monadic linear trend. The results showed that the annual average NDVI value in Kunming showed a trend of increasing from 2001 to 2015， and the linear inclination rate was 0.0036， which indicated that the vegetation cover rate in Kunming had increased steadily and slowly during the past 15 years. The monthly average NDVI value decreased from January to April with the linear inclination rate as 0.54， and the lowest one was in April；then it gradually increased and reached the peak in August， and the linear inclination rate was 0.7169；after that，it showed a fluctuation trend of decreasing. In general， the NDVI value was higher from July to December in Kunming， and the linear inclination rate was more than 0.64， which showed a direct relationship with the rainy season from July to October in Kunming. It indicated that the monthly change trend of vegetation index was mainly affected by rainfall. The NDVI value of Kunming spring， autumn and winter in 2001-2015 showed trends of increasing， while that of summer showed negative growth， which showed that the vegetation coverage increased in spring， autumn and winter of Kunming during the past 15 years.

Keywords NDVI； Vegetation cover； Change trend； Kunming City

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，既是氣候變化的承受者，也會(huì)對(duì)氣候變化產(chǎn)生反饋?zhàn)饔茫瑢?duì)全球變化研究起重要的指示作用[1-3]。歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，NDVI）是植被分布密度和生長(zhǎng)狀態(tài)的指示因子，與植被覆蓋度呈正相關(guān)[4，5]，是當(dāng)前研究植被時(shí)序性變化的重點(diǎn)[6]。同時(shí)，NDVI也被廣泛用作指示植被活動(dòng)力度大小[7]和凈初生產(chǎn)力（net primary productivity）的指標(biāo)[8]，是目前研究與應(yīng)用中最為廣泛、普遍的一種植被指數(shù)[9-12]。NDVI的時(shí)間序列變化能夠較好地反映當(dāng)?shù)刂脖桓采w情況的變化，通過分析某一區(qū)域NDVI的年際、季節(jié)、月均變化等可以間接了解該區(qū)域的植被覆蓋變化。已有很多學(xué)者進(jìn)行過相關(guān)研究，如：李輝霞等[13] 基于NDVI的分析發(fā)現(xiàn)，三江源地區(qū)2001—2010年的植被覆蓋呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)，且該增長(zhǎng)趨勢(shì)與水熱相關(guān)；馬明國(guó)等[14] 利用AVHRR數(shù)據(jù)分析了1981—2001年中國(guó)西北地區(qū)NDVI的年內(nèi)和年際變化特征，發(fā)現(xiàn)21年間西北地區(qū)的植被覆蓋出現(xiàn)退化，雖然局部地區(qū)有所改善，但其改善力度始終遠(yuǎn)小于其退化幅度；賀映娜等[15]研究表明1998—2009年米倉(cāng)山的NDVI年均和生長(zhǎng)季變化都呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，并且植被覆蓋增加面積遠(yuǎn)大于退化面積。endprint

昆明市有著復(fù)雜的地形條件和氣候類型，通過對(duì)植被覆蓋的研究可以了解昆明的環(huán)境狀況。植被減少會(huì)出現(xiàn)很多問題，如水土流失、空氣污染等，研究植被覆蓋可以更好地了解昆明環(huán)境狀況及存在問題。本研究選用2001—2015年中國(guó)1 km MODIS NDVI月合成數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件，截取昆明市的NDVI月數(shù)據(jù)，通過分析其年際、季節(jié)和月份變化趨勢(shì)，明確昆明市15年間的植被覆蓋變化，為了解與解決人們所關(guān)注的生存環(huán)境問題提供部分參考資料。

1 研究區(qū)域概況

昆明市位于云南省中部地區(qū)，是云南省的省會(huì)城市，下轄嵩明縣、安寧市以及官渡區(qū)大板橋鎮(zhèn)，總面積約21 012.54 km2。地處云貴高原地帶，地勢(shì)上總體來看北部高，南部低，由北向南呈階梯狀逐漸降低；中部隆起，東西兩側(cè)較低。昆明市屬于低緯度高原山地季風(fēng)氣候，一年四季溫度適宜，常年平均氣溫15℃左右，是我國(guó)著名的“春城”，旅游勝地。年均日照時(shí)數(shù)2 200 h左右，紫外線強(qiáng)；年均降水量大，約1 000 mm，且集中在7—10月份。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所用數(shù)據(jù)來源于2001年1月—2015年12月MODIS中國(guó)區(qū)域NDVI植被指數(shù)產(chǎn)品——MODND 1M合成數(shù)據(jù)集，下載自地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)（http：//www.gscloud.cn/），其空間分辨率為500 m，時(shí)間分辨率為每月，坐標(biāo)系為World Geodetic System 1984。對(duì)于2015年10月缺的NDVI數(shù)據(jù)采用其余14年同月份的平均值來代替。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

本文通過ArcGIS軟件處理NDVI植被數(shù)據(jù)的Tiff圖像，具體操作步驟：使用ArcGIS軟件疊加云南省行政區(qū)劃圖與全國(guó)每月的NDVI數(shù)據(jù)集，通過空間分析得到云南省的NDVI值，然后進(jìn)一步截取出昆明市每月的NDVI值，用于隨后的分析。

2.2.1 NDVI年際變化 整合NDVI月數(shù)據(jù)，利用公式（1）算出2001—2015每年的NDVI值。

式中，NDVIey為y年的植被指數(shù)值，NDVIyj為y年j月的植被指數(shù)值。

2.2.2 NDVI月變化 按照公式（2）計(jì)算出2001—2015年15年每個(gè)月的NDVI均值，用于NDVI的月變化趨勢(shì)分析。

式中，NDVIem為m月的植被指數(shù)值，NDVIym為y年m月的植被指數(shù)值；k=1，2，…，15，指第k年。

2.2.3 NDVI季節(jié)變化趨勢(shì)分析 依春3—5月、夏6—8月、秋9—11月、冬12月—次年2月進(jìn)行季節(jié)劃分，利用公式（3）～（6）計(jì)算2001—2015年每年每個(gè)季節(jié)的NDVI值。計(jì)算公式如下：

式中，NDVIesp、NDVIesu、NDVIeau、NDVIewi分別為每年春、夏、秋、冬季的植被指數(shù)值，NDVIj為每年j月的NDVI值。

3 結(jié)果與分析

3.1 2001—2015年昆明市NDVI的年際變化特征

從圖1可以看出，研究區(qū)年均NDVI 值在0.5892～0.6716之間波動(dòng)，總體呈上升趨勢(shì)，線性傾向率為0.0036。2008、2011、2013、2014年是植被繁茂年份，植被覆蓋率較高，其中2011年最高，NDVI值達(dá)到0.6716；2005年植被覆蓋率最低，NDVI值為0.5892。

3.2 2001—2015年昆明市NDVI的月變化特征

從圖2可以看出，昆明市NDVI月均值在1—4月間逐漸降低，4月份達(dá)到全年最低值，為0.5400；之后大幅上升，至8月份達(dá)到最高值，為0.7169；8—10月間有小的波動(dòng)，但總的來說8月后呈下降趨勢(shì)，12月的NDVI值與1月份相當(dāng)。昆明市7—11月NDVI值較大，變化浮動(dòng)較小，這與7—10月為雨季有關(guān)。

3.3 2001—2015年昆明市四季NDVI的年際變化特征

利用公式（3）～（6）對(duì)2001—2015年昆明的植被NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到昆明市植被指數(shù)NDVI的季節(jié)變化趨勢(shì)圖。從圖3可以看出，在四季中春季的植被指數(shù)最低，在0.4809～0.6125之間浮動(dòng)，NDVI值的傾斜率為0.007；秋季的植被指數(shù)最高，在0.5610～0.7605之間浮動(dòng)，NDVI值的傾斜率為0.001。

冬季的傾斜率為0.0078，其增長(zhǎng)趨勢(shì)是4個(gè)季節(jié)中最大，區(qū)間值為0.5635～0.6798；夏季的植被指數(shù)呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)值為-0.0017，區(qū)間范圍為0.5424～0.7207。通過分析2001—2015的年際季節(jié)變化趨勢(shì)，可以說明夏、秋的植被覆蓋率高于冬季，春季最低，夏季出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)且有幾年明顯降低。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠收集海量數(shù)據(jù)并且能進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，其覆蓋的范圍更廣泛。這有利于對(duì)環(huán)境和植被等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將該技術(shù)應(yīng)用于NDVI的數(shù)據(jù)獲取，可以讓我們得到更多、更精準(zhǔn)的植被指數(shù)的相關(guān)數(shù)據(jù)。所以在海量的大數(shù)據(jù)時(shí)代，進(jìn)行更加優(yōu)化的時(shí)間序列的建模分析也顯得尤其重要。

雖然時(shí)序性的地表覆蓋可以更加直觀地展現(xiàn)變化，但伴隨著全球氣候變化日益增強(qiáng)，對(duì)地表植被覆蓋率的研究還可以從人類的影響、溫度、降水、光照等相關(guān)因素進(jìn)行深入研究。植被在整個(gè)生態(tài)環(huán)境中占據(jù)極小部分，今后的研究需加入以上不同的影響因素，才能更為全面地解決如何保護(hù)生存環(huán)境的相關(guān)問題。

昆明市具有氣候類型復(fù)雜，降雨多但干濕分明，地形地貌起伏不平等特點(diǎn)[16]。使得昆明市的植被指數(shù)在季節(jié)和月份中變化明顯，又因雨水充沛加之主打旅游文化城市，所以其植被指數(shù)逐年增長(zhǎng)。

4.2 結(jié)論

本研究運(yùn)用遙感數(shù)據(jù)和一元線性分析法，對(duì)昆明地區(qū)2001—2015年間的植被指數(shù)NDVI進(jìn)行量化分析，得出以下結(jié)論：endprint

（1）昆明市植被指數(shù)在2001—2015年間總體呈增加趨勢(shì)，最小值出現(xiàn)在2005年，最大值出現(xiàn)在2011年。平均傾斜率為0.0036，值較低，表明在這15年間昆明市的植被指數(shù)年趨勢(shì)是在平穩(wěn)的基礎(chǔ)上略有上升。

（2）2010—2015年昆明市每月的植被指數(shù)變化明顯，7—11月為植被指數(shù)較大，這與昆明市7—10月為雨季相對(duì)應(yīng)。

（3）15年中冬季植被指數(shù)增長(zhǎng)最快，其斜率為0.0078；春季增長(zhǎng)幅度略低于冬季，夏季呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。表明2001—2015年昆明春、秋、冬季植被覆蓋率不斷加大，呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。2005年夏季昆明市出現(xiàn)了55年來最嚴(yán)重的高溫天氣，植被指數(shù)下降幅度大，也表明植被指數(shù)主要與降雨有關(guān)。2015年昆明秋季NDVI值呈直線下降，原因是昆明大范圍降溫，植被凍死導(dǎo)致植被指數(shù)下降。昆明市干濕季分明，冬春兩季屬于旱季，其植被覆蓋率低于夏秋兩季，進(jìn)一步說明植被指數(shù)主要與降雨有關(guān)。

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