基于MODIS-NDVI的陜西省植被覆蓋變化特征

陳科皓

（陜西省土地工程建設(shè)集團有限責(zé)任公司/陜西地建土地工程技術(shù)研究院/國土資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室/陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，西安710075）

0 引言

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，將大氣圈、土壤圈和水圈緊密地聯(lián)系在一起[1]。作為研究全球變化的“指示器”，在全球能量交換、生物地球化學(xué)和水文循環(huán)方面起著重要的作用[2]，能直接反映生態(tài)環(huán)境的總體狀況，因此監(jiān)測植被覆蓋動態(tài)變化具有重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實價值。歸一化植被指數(shù)(Normal Difference Vegetation Index,NDVI)能夠有效識別植被變化信息，是目前使用最為廣泛的植被指數(shù)之一[3]，它與植被覆蓋度、生物量、葉面積指數(shù)、土地利用等密切相關(guān)[4]。

近年來，植被覆蓋狀況是國內(nèi)外研究的熱點之一。國外研究學(xué)者基于NDVI數(shù)據(jù)，對植被覆蓋變化做了大量研究工作，很好地揭示了研究區(qū)植被覆蓋時空變化規(guī)律，以及季節(jié)、氣候（氣溫、降水量、地表水等）等因子對NDVI的影響[5-7]；國內(nèi)學(xué)者利用不同時空尺度的不同精度范圍的NDVI數(shù)據(jù)，對植被覆蓋的時空變化進行了大量研究[8-10]。目前對于陜西地區(qū)植被覆蓋變化分析已有一些成果。張君等[11]基于1982—2013年陜西NDVI數(shù)據(jù)和陜西植被類型圖，對這32年間陜西省植被覆蓋狀況時空變化特征及陜西13種類型的植被覆蓋狀況時空變化特征進行綜合分析；王宇航等[12]對中國黃土高原地區(qū)NDVI與氣候因子間的空間尺度依存性及非平穩(wěn)性進行研究；馬新萍等[13]基于2000—2010年NDVI數(shù)據(jù)，研究秦嶺山地11年的植被物候變化特征，從宏觀角度定量揭示氣溫與秦嶺山地植被物候變化的響應(yīng)關(guān)系；楊延征等[14]和白建軍等[15]分別對陜北地區(qū)植被NDVI值進行時空變化特征分析，從溫度、降水、季節(jié)等角度探索影響植被覆蓋的因素；李登科等[16]基于像元分解模型，研究陜西省2000—2009年植被覆蓋度的時空變化特征及其成因。

綜上所述，自1999年國家啟動退耕還林工程以來，陜西省植被覆蓋情況總體趨于良好，呈現(xiàn)出波動上升的趨勢。研究多以較長時間時序為主，從整體上分析植被覆蓋變化情況，對于短時間內(nèi)植被覆蓋變化研究較少。同時，陜西省呈現(xiàn)出“兩山加一川”的地貌格局，海拔跨度較大，但基于海拔高度下的植被覆蓋度變化研究較少。因此，筆者以2015年植被覆蓋指數(shù)NDVI為時間結(jié)點，結(jié)合陜西省不同區(qū)域海拔高度，分析了2011—2015年陜西省植被覆蓋變化情況以及原因，以期為后期進行生態(tài)環(huán)境建設(shè)和保護提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

陜西省介于105°29′—110°15′E，31°42′—39°35′N之間，包含10個地級市、1個示范區(qū)（楊凌農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)）及1個計劃單列市（韓城市），共104個縣（區(qū)、市）。東鄰山西省、河南省，西接寧夏回族自治區(qū)、甘肅省，南靠四川省、重慶市、湖北省，北連內(nèi)蒙古自治區(qū)；地域南北向跨度大，東西向狹窄，土地總面積約20.56萬km2，是通往西北、西南的門戶。地勢南北高、中間低，總體地貌類型呈現(xiàn)“兩山加一川”的格局（見圖1）。從北至南依次為溫帶、暖溫帶、北亞熱帶氣候，自然環(huán)境復(fù)雜，生態(tài)條件多樣，植物資源種類繁多。陜西省是中國水土流失、沙化等環(huán)境問題最嚴峻的地區(qū)之一，水土流失面積占全省土地總面積的66.90%，成為制約區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的重要因素。

圖1 陜西省地理位置及海拔高度分布圖

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

1.2.1 NDVI數(shù)據(jù) 根據(jù)陜西地區(qū)自然環(huán)境狀況，選擇空間分辨率較高的MOD13Q1數(shù)據(jù)，時間跨度為2011—2015年，來源于美國國家航空航天局(NASA)的EOS/MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品(http://e4ftl01.cr.usgs.gov)，空間分辨率為250 m×250 m，時間分辨率為16天。采用MRT數(shù)據(jù)處理軟件進行拼接、投影轉(zhuǎn)換和格式轉(zhuǎn)換。

1.2.2 高程數(shù)據(jù) 陜西省區(qū)域內(nèi)高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(www.gscloud.cn)的DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品，空間分辨率為90 m×90 m。

1.3 研究方法

1.3.1 MVC法 最大合成法(maximum value coposites)是目前國際上通用的方法，該方法能夠消除云、大氣、太陽高度角等的部分干燥，消除異常值的干擾。本研究下載的是16天數(shù)據(jù)，以月為單位，對每月上半月和下半月的NDVI進行最大化處理，合成月數(shù)據(jù)；沿用此方法，再以年為單位，對每年12個月的NDVI進行最大化處理，合成年數(shù)據(jù)，其方法合成的年最大化NDVI能夠更好地表示每年地表植被覆蓋狀況。最后以研究區(qū)行政圖做掩膜，切割出研究區(qū)的影像。

1.3.2 趨勢分析法 一元線性回歸分析可以分析每個柵格的變化趨勢，對2011—2015年陜西年最大NDVI在像元尺度上進行一元線性回歸分析，計算NDVI的變化趨勢[17]，綜合反映陜西省植被覆蓋時空格局發(fā)展演變[18-19]，見公式(1)。

式中：t是監(jiān)測年數(shù)，yi是第i年的年最大NDVI值；slope為多年NDVI值線性擬合概率。

擬合直線可反映陜西省2011—2015年NDVI值的變化趨勢及變化幅度。斜率為正，表明NDVI增加；斜率絕對值越大，NDVI變化幅度越大。

2 結(jié)果與分析

2.1 空間變化特征

圖2 2011—2015年陜西省NDVI均值空間分布

植被覆蓋度可由遙感影像反演的NDVI充分反映，并與NDVI呈正相關(guān)[20]。陜西省NDVI值呈現(xiàn)出南高北低的分布趨勢，從2011—2015年平均NDVI值的空間分布圖（見圖2）可以明顯地看出，在34°N左右和36.5°N左右有2條較為明顯地地帶性分界線，34°N以南為陜南秦嶺山地和大巴山區(qū)，森林植被生長茂盛，NDVI值較高，是植被覆蓋情況最好的區(qū)域；而36.5°N以北為陜北黃土高原地區(qū)，其中北部風(fēng)沙區(qū)植被稀疏，NDVI值較低，植被覆蓋情況較差。中間區(qū)域為關(guān)中平原區(qū)，以農(nóng)田作物為主，NDVI值呈中等水平，植被覆蓋度居中。

2.2 動態(tài)變化分析

2011—2015 年陜西省NDVI值呈現(xiàn)出波動變化的趨勢（見圖3a），NDVI最大值出現(xiàn)在2013年，最低值出現(xiàn)在2015年。以年份為自變量，NDVI值為因變量進行一元線性回歸分析，陜西省5年間NDVI值以每年0.66%的速度減少，反映出陜西省植被覆蓋減少，NDVI值呈逐年減少趨勢。

2011—2015 年陜北地區(qū)NDVI值呈現(xiàn)出波動下降的趨勢（見圖3b），2013年出現(xiàn)了高峰值，2015年出現(xiàn)了最低值，2011—2015年間NDVI值下降了9.24%。低植被覆蓋區(qū)域面積呈現(xiàn)出先降低后升高的變化趨勢，中等及偏高的植被覆蓋區(qū)域面積呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，而較高植被覆蓋區(qū)域在2011—2015年變化不顯著。低植被覆蓋區(qū)域主要集中在陜北北部長城沿線風(fēng)沙區(qū)—毛烏素沙地，植被覆蓋情況較差；較高植被覆蓋區(qū)主要集中在陜北南部丘陵溝壑區(qū)，即位于子午嶺、黃龍山地區(qū)的黃陵、黃龍及宜川南部部分區(qū)域，該地區(qū)森林植被茂密，植被生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定（見圖4）。

關(guān)中地區(qū)NDVI指數(shù)呈現(xiàn)出平穩(wěn)的變化趨勢，上下波動幅度不顯著（見圖3b），以中高植被覆蓋區(qū)域為主，低植被覆蓋區(qū)域很少。關(guān)中平原是陜西省的糧食主產(chǎn)區(qū)，以種植小麥、玉米為主，作物種植時期穩(wěn)定，NDVI值表現(xiàn)出平均水平，且2011—2015年變化并不明顯。關(guān)中地區(qū)南部靠近秦嶺山脈，是較高植被覆蓋區(qū)域的主要分布區(qū)域，NDVI值較大，森林植被茂密，生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定，植被覆蓋情況變化并不顯著（見圖4）。

陜南地區(qū)NDVI值同關(guān)中地區(qū)的變化趨勢類似，5年間差異并不顯著（見圖3b）。陜南地區(qū)以秦巴山區(qū)為主，降水充足，氣候條件適宜，該地域90%以上為高植被覆蓋區(qū)域，NDVI值較大。近些年退耕還林工程，在秦巴山區(qū)得到了顯著成效，保證了陜南地區(qū)生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定，目前處于平穩(wěn)狀態(tài)（見圖4）。

2.3 空間趨勢分析

圖3 2011—2015年陜西省及三大區(qū)NDVI值變化分布圖

圖4 2011—2015年陜西省NDVI空間分布情況

為了分析陜西省NDVI值的變化趨勢，將陜西省逐個柵格像元進行一元線性趨勢分析，并對其結(jié)果進行標準差重分類，劃分為顯著退化、中度退化、輕微退化、基本不變、輕微好轉(zhuǎn)和明顯好轉(zhuǎn)等6個水平（見表1）。整體來看，2011—2015年間，陜西省的植被狀況呈現(xiàn)穩(wěn)定且有所好轉(zhuǎn)的趨勢，呈增加和減少趨勢的面積分別占35.59%和27.99%，保持穩(wěn)定的區(qū)域面積為36.42%。從空間分布來看（見圖5），陜南地區(qū)植被好轉(zhuǎn)區(qū)域面積較多，而明顯好轉(zhuǎn)區(qū)域主要集中在陜北黃土高原的風(fēng)沙區(qū)，這主要與退耕還林還草工程有密切的關(guān)系；但陜北地區(qū)同時也是退化面積最多的區(qū)域，占總退化區(qū)域面積的67.08%，主要是定邊縣、橫山縣、子洲縣和吳堡縣，這可能是由于部分經(jīng)濟樹木栽種成活率較低，穩(wěn)定性差，加之缺乏科學(xué)布局，使得經(jīng)濟林的發(fā)展大起大落，造成植被覆蓋情況的下滑。值得注意的是，關(guān)中渭河流域部分區(qū)域NDVI值呈現(xiàn)出較明顯地退化現(xiàn)象，而這一現(xiàn)象主要出現(xiàn)在城市周邊地區(qū)，尤其是西安咸陽交界處，這可能是由于城市的不斷擴張，占用部分農(nóng)用地所造成。

表1 陜西省2011—2015不同植被變化類型統(tǒng)計表

圖5 2011—2015年陜西省NDVI變化趨勢

2.4 不同高程的NDVI變化分析

陜西省海拔高度在159～3747 m范圍內(nèi)，按照500 m等間距劃分為8個區(qū)間：＜500 m、500～1000 m、1000～1500 m、1500～2000 m、2000～2500 m、2500～3000 m、3000～3500 m和3500～4000 m。隨著海拔高度的增加，NDVI值呈現(xiàn)出“降低—升高—降低”的變化趨勢（見圖6），1000～1500 m處出現(xiàn)NDVI低值區(qū)，該海拔區(qū)域主要分布在秦巴山區(qū)和陜北西部，由于陜北西部風(fēng)沙區(qū)植被覆蓋情況較差，NDVI值較低，因此1000～1500 m區(qū)域的NDVI值出現(xiàn)1個低谷。海拔高度2000～2500 m范圍的區(qū)域分布在秦嶺山脈的太白山，該海拔高度氣候、水熱條件較好，適宜植被生長繁殖，森林植被茂密，隨著海拔高度的不斷增加，氣溫下降，植被覆蓋情況逐漸變差，在3500～4000 m海拔高度區(qū)域，NDVI值達到最低值。

圖6 陜西省NDVI值隨海拔高度的變化

3 結(jié)論與討論

（1）陜西省NDVI呈現(xiàn)“南高北低”的分布狀況，陜南地區(qū)氣候適宜、生態(tài)環(huán)境整體較好，植被覆蓋情況較好；關(guān)中地區(qū)水熱氣候適宜，但由于城市建設(shè)的不斷擴張，植被覆蓋情況良好；陜北地區(qū)氣候條件較差，缺乏降水，植被覆蓋情況較差。2011—2015年間陜西省NDVI值以每年0.66%的速度減少，說明植被覆蓋度有減少趨勢，主要分布在陜北地區(qū)。

（2）將陜西省海拔高度與NDVI值進行疊加分析，在0～4000 m范圍內(nèi)，植被覆蓋率呈現(xiàn)出“降低—升高—降低”的變化趨勢。2000～2500 m海拔范圍內(nèi)，水熱條件較好，且人為干預(yù)少，是陜西省植被覆蓋情況最好區(qū)域；3500～4000 m海拔范圍氣候濕冷，常年低溫，適宜生長的植被較少，因此次海拔高度下，植被覆蓋情況較差。

（3）本研究以陜西省2011、2012、2013、2014、2015年5期NDVI數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行分析，得出陜西省5個時期NDVI空間分布情況，結(jié)合區(qū)域海拔高度，分析陜西省2011—2015年間NDVI空間分布及變化趨勢，探討海拔高度對植被覆蓋情況的影響。在研究中對區(qū)域經(jīng)濟、氣候、生態(tài)環(huán)境僅進行了定性描述，未開展定量研究。

（4）植被覆蓋率隨著海拔高度的增加呈現(xiàn)“降低—升高—降低”的變化趨勢，不同區(qū)域最適宜高程并不相同。在今后的研究中，可以增加經(jīng)濟數(shù)據(jù)、溫度指數(shù)、人口密度等數(shù)據(jù)，采用多因素綜合法，探索多重因素對區(qū)域植被覆蓋情況的影響。