基于MODIS數(shù)據(jù)的蒙山2001—2016年植被 動(dòng)態(tài)變化研究*

丁少文 陳亦妍 譚麗榮 趙興云 郭媛媛

(山東省水土保持與環(huán)境保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，臨沂大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山東 臨沂 276005)

0 引 言

植被是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在外界因素影響下，其數(shù)量特征、外貌和結(jié)構(gòu)等不斷變化，遙感和地理信息技術(shù)的發(fā)展為宏觀(guān)快速監(jiān)測(cè)植被動(dòng)態(tài)變化提供了新手段[1-5].基于遙感的歸一化植被指數(shù)(NDVI)能夠很好的反映植被覆蓋度、生物量和葉面積指數(shù)等[5-8]，被廣泛應(yīng)用于區(qū)域及全球尺度范圍內(nèi)植被動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)以及植被對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)研究中[9-16].Badgley等[17]在NDVI基礎(chǔ)上提出了植被近紅外反射率指數(shù)(NIRv：near-infrared reflectance of vegetation)，NIRv值等于近紅外地面反射率和NDVI的乘積，它在一定程度上考慮到像元內(nèi)植被比例和土壤反射率等因素的影響，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)NIRv與日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒?、光合有效輻射分量和總第一性生產(chǎn)力(GPP)具有高度一致性.

蒙山地區(qū)植被種類(lèi)繁多，覆蓋率相對(duì)較高，具有很高的旅游價(jià)值和研究?jī)r(jià)值.前人曾對(duì)該區(qū)植被格局變化驅(qū)動(dòng)力[18]、植被恢復(fù)與重建的現(xiàn)狀和程度[19]、區(qū)域不同植被對(duì)土壤的改良作用與機(jī)制[20]等做了研究，但長(zhǎng)期以來(lái)利用植被指數(shù)研究該區(qū)植被動(dòng)態(tài)變化的工作相對(duì)缺少.本文以蒙山地區(qū)為研究區(qū)域，基于MODIS地表反射率數(shù)據(jù)計(jì)算蒙山地區(qū)2001—2016年的NDVI和NIRv值，并進(jìn)行對(duì)比分析，在此基礎(chǔ)上揭示蒙山地區(qū)近16年來(lái)植被時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，以期為區(qū)域生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和治理提供參考.

1 研究區(qū)域概況

蒙山位于山東省的東南部(35°10′～36°00′ N，117°35′～118°20′ E)，地跨平邑、蒙陰、費(fèi)縣和沂南4縣，呈西北—東南走向，長(zhǎng)75 km，總面積1 125 km2，主峰海拔1 156 m，為山東省第二高峰(圖1).蒙山氣候?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明, 光照充足，年平均氣溫11.8～13.2 ℃，年平均降水量800 mm.該區(qū)地形較為復(fù)雜，水土生境多變，森林覆蓋率在85%以上，有喬灌植物83科415種，藤本植物12科25種，草本植物20科200多種，各類(lèi)中草藥植物達(dá)150科550多種，是山東省植物種類(lèi)和特有植物最豐富的地區(qū)之一[21].蒙山面積僅占全省的 0.74%，物種豐富度遠(yuǎn)高于山東的平均值.山體表面主要為片麻巖和花崗片麻巖，山腳有石灰?guī)r覆蓋，土壤類(lèi)型以棕壤為主，呈微酸性至中性[22].

圖1 研究區(qū)地理位置圖

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

本文研究所用到的8天合成MODIS地表反射率數(shù)據(jù)，MOD09Q1從美國(guó)航天航空局(NASA)陸地過(guò)程分布動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)中心(land processes distributed active archive center，LP DAAC)網(wǎng)站下載(https://lpdaac.usgs.gov/)獲得.該數(shù)據(jù)空間分辨率為250 m，時(shí)間跨度為2001—2016年，格式為HDF.本文對(duì)蒙山地區(qū)2001—2016年的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，每年23幅影像，共192幅.圖2顯示了數(shù)據(jù)處理步驟：(1)在A(yíng)rcGIS中，從每個(gè)HDF文件中提取紅光反射率波段、近紅外反射率波段(NIR)和質(zhì)量控制圖層，并利用質(zhì)量控制圖層的信息對(duì)紅光和近紅外波段圖層質(zhì)量差或者受到云干擾的像素進(jìn)行掩模；(2)利用ArcGIS中的柵格計(jì)算器計(jì)算了8天合成的NDVI序列；(3)計(jì)算2001—2016月NDVI和月NIR數(shù)據(jù)，對(duì)于每一個(gè)像元，計(jì)算了每一個(gè)月份包含的掩模后NDVI和NIR數(shù)值的中位數(shù)；(4)對(duì)于每個(gè)像元2001—2016年缺失的月NDVI或者NIRv數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，考慮到月NDVI或者NIRv非線(xiàn)性波動(dòng)性特點(diǎn)，我們采用三次樣條插值方法對(duì)缺少的值進(jìn)行補(bǔ)插；(5)合成年NDVI和NIRv的值：對(duì)于每一個(gè)像元計(jì)算每年包含的12個(gè)月的NDVI或NIRv數(shù)據(jù)的和，研究表明生長(zhǎng)季或一年內(nèi)NDVI的總和可以很好的反映植被光合作用活動(dòng)和生產(chǎn)力[10-11]；(6)在A(yíng)rcGIS10.2中利用ProjectRaster工具對(duì)每年的NDVI和NIRv進(jìn)行投影變換到墨卡托投影(UTM-50 N)，然后利用蒙山研究區(qū)邊界和Extract By Mask工具剪切出蒙山地區(qū)2001—2016逐年NDVI和NIRv數(shù)據(jù)；(7)利用線(xiàn)性回歸分析獲得蒙山地區(qū)總體和每個(gè)像元年NDVI和NIRv的變化趨勢(shì).

Yt=at+b+e

其中，t代表時(shí)間(年)，Yt代表第t年的NDVI或NIRv，a代表斜率(變化趨勢(shì))，b代表截距，e代表誤差服從均值為0的正態(tài)分布.

此外，本研究還用到了年MODIS GPP數(shù)據(jù)，MOD17A3也從美國(guó)航天航空局(NASA)陸地過(guò)程分布動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)中心(LP DAAC)網(wǎng)站下載，空間分辨率為1 000 m，時(shí)間跨度為2001—2015年，格式為HDF.按照上述步驟，利用數(shù)據(jù)控制層對(duì)年GPP數(shù)據(jù)進(jìn)行掩模、投影變換和剪切，最后得到蒙山地區(qū)2001—2015年的年GPP圖層，將蒙山地區(qū)年GPP數(shù)據(jù)與年NDVI和年NIRv所反映的植被變化進(jìn)行對(duì)比分析，揭示植被變化的空間差異.

3 結(jié)果分析與討論

3.1 蒙山地區(qū)植被的時(shí)間變化

(1)蒙山地區(qū)植被的季節(jié)變化

從月NDVI和月NIRv的數(shù)值及變化曲線(xiàn)(圖3)可以看出，月NDVI的數(shù)值要明顯高于月NIRv值，但二者的變化過(guò)程具有很好的一致性.每一年NDVI與NIRv值均有明顯的季節(jié)變化，呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，其中，最小值出現(xiàn)在冬季，最大值出現(xiàn)在夏季.這表明植被覆蓋度在一年內(nèi)是先增加后減少的，這種年內(nèi)變化特點(diǎn)是與蒙山地區(qū)的氣候條件相吻合的.蒙山地區(qū)植被的生長(zhǎng)季為4—10月份，隨著春季氣溫的回升，植被在4月下旬開(kāi)始大范圍返青進(jìn)入生長(zhǎng)期，夏季植物生長(zhǎng)茂盛，植被覆蓋度較高，相應(yīng)出現(xiàn)NDVI和NIRv的高值；而在生長(zhǎng)季結(jié)束，從10月下旬開(kāi)始進(jìn)入非生長(zhǎng)季，植被開(kāi)始落葉枯萎，植被覆蓋度較低，相應(yīng)出現(xiàn)NDVI和NIRv的低值.進(jìn)一步深入對(duì)比NDVI和NIRv兩個(gè)指數(shù)的變化特征發(fā)現(xiàn)，雖然二者的變化趨勢(shì)大體一致，但是在非生長(zhǎng)季(即10月至次年4月)NIRv值的波動(dòng)比NDVI值的波動(dòng)要小，在谷值附近相對(duì)平緩，這表明NIRv指數(shù)在植被覆蓋度較低的非生長(zhǎng)季數(shù)值相對(duì)穩(wěn)定.

圖2 數(shù)據(jù)的處理過(guò)程

圖3 蒙山地區(qū)2001—2016年NDVI和NIRv指數(shù)的月變化特征圖

(2)蒙山地區(qū)植被的年際變化

為了分析蒙山地區(qū)2001—2016年植被的年際變化情況，本文逐年提取了蒙山地區(qū)NDVI值和NIRv值，為了增加可對(duì)比性，分別對(duì)年NDVI和年NIRv兩組數(shù)據(jù)利用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化.對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化之后的兩組數(shù)據(jù)利用線(xiàn)性回歸方程進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖4所示.

圖4 研究區(qū)NDVI和NIRv指數(shù)的年際變化及線(xiàn)性回歸分析圖

從圖4中顯示的曲線(xiàn)變化可知，NDVI和NIRv兩種指數(shù)所反映的植被動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)基本一致，表明NDVI和NIRv指數(shù)在反映植被動(dòng)態(tài)變化上能夠相互印證.具體來(lái)看，NDVI和NIRv兩個(gè)指數(shù)的谷值均出現(xiàn)在2002年，隨著年份的推移，二者的數(shù)值雖有波動(dòng)現(xiàn)象，但整體呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明蒙山地區(qū)的植被在2001—2016年整體上是增加的，植被逐漸增多，區(qū)域生態(tài)環(huán)境逐漸變好.

仔細(xì)對(duì)比分析兩個(gè)指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化值的變化可以發(fā)現(xiàn)，雖然兩個(gè)指數(shù)變化的總趨勢(shì)是上升的，但在不同階段增長(zhǎng)的速度是不同的.自2001—2008年，NDVI和NIRv的增長(zhǎng)速度明顯大于2009—2016年間的增長(zhǎng)速度，表明2001—2008年，研究區(qū)域植被覆蓋度快速增加，而2009—2016年之間植被覆蓋的增長(zhǎng)趨勢(shì)有所減緩.這是因?yàn)樽?998年以來(lái)政府先后出臺(tái)了一系列優(yōu)惠政策，鼓勵(lì)各縣興辦旅游業(yè)并邀請(qǐng)專(zhuān)家制定了蒙山旅游發(fā)展規(guī)劃，確定了蒙山生態(tài)旅游的發(fā)展主題，為蒙山生態(tài)旅游業(yè)的快速、持續(xù)、健康發(fā)展提供了依據(jù)[23].同時(shí)，“蒙山國(guó)家森林公園” “沂蒙山國(guó)家地質(zhì)公園”等的獲批也促進(jìn)了該區(qū)植被的修復(fù)和保護(hù)，在這一背景下，蒙山地區(qū)植被覆蓋率得到快速增加.

3.2 蒙山地區(qū)植被的動(dòng)態(tài)變化

對(duì)研究區(qū)內(nèi)每個(gè)像元年NDVI和NIRv兩個(gè)指數(shù)自2001—2016年的值進(jìn)行線(xiàn)性擬合，同時(shí)逐像元將2001—2015年的GPP做線(xiàn)性擬合，得到每個(gè)像元線(xiàn)性擬合方程的斜率值，用來(lái)反映每個(gè)像元的植被變化趨勢(shì).在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，對(duì)線(xiàn)性回歸分析的斜率進(jìn)行了t檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)像素的變化是顯著的(p<0.05).將研究區(qū)內(nèi)所有像元NDVI、NIRv和GPP的斜率值進(jìn)行作圖比較(圖5)，進(jìn)一步探討研究區(qū)植被的空間動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì).

圖5 2001—2016年蒙山地區(qū)NDVI(a)、NIRv(b)和GPP(c)的 空間變化特征圖

當(dāng)某個(gè)像元的斜率值小于零時(shí)，說(shuō)明該像元植被活動(dòng)是降低的，植被呈退化趨勢(shì)；當(dāng)像元的斜率值大于零時(shí)，表明該像元植被活動(dòng)是增加的，植被呈現(xiàn)變好趨勢(shì)，并且數(shù)值越大表明該地的植被改善程度也越高.由圖5可知，NDVI、NIRv和GPP三個(gè)指數(shù)斜率值大于零的像元數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于小于零的像元數(shù)，表明三個(gè)指數(shù)均反映出蒙山地區(qū)植被覆蓋度增加改善的區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于植被退化的區(qū)域，植被總體上是變好的，植被退化(即斜率值小于零的像元)的現(xiàn)象主要分布在蒙山西北部的極少數(shù)地區(qū).進(jìn)一步對(duì)比分析圖5(a)、圖5(b)和圖5(c)所顯示的蒙山區(qū)域內(nèi)部三個(gè)指數(shù)斜率值的空間變化，可以看出，斜率值在空間上的分布均呈現(xiàn)出東南高、西北低的特征，且斜率值大的地區(qū)在東南部集中呈現(xiàn)，表明蒙山東南部地區(qū)植被的改善更為明顯，而西北部地區(qū)植被改善的程度相對(duì)較小，甚至部分地區(qū)出現(xiàn)植被退化的現(xiàn)象.這是因?yàn)闁|南部地區(qū)為蒙山森林公園的主體部分，海拔相對(duì)較高，植被覆蓋度較好，分布有明光寺林場(chǎng)、塔山林場(chǎng)和譚家林場(chǎng)，景區(qū)管理嚴(yán)格，受人類(lèi)活動(dòng)干擾較小，因此植被改善程度明顯較好；而西北部地區(qū)為蒙山森林公園的外圍區(qū)域，除包含太平山林場(chǎng)這一小型林場(chǎng)外，未見(jiàn)其他林場(chǎng)分布，這一區(qū)域總體海拔相對(duì)較低，區(qū)域內(nèi)部分布有許多村莊，受人類(lèi)干擾較大，植被覆蓋較少，水土流失較為嚴(yán)重，因此西北部植被改善程度低，甚至出現(xiàn)植被退化現(xiàn)象.

4 結(jié) 論

本文基于蒙山地區(qū)2001—2016年MODIS數(shù)據(jù)計(jì)算了NDVI、NIRv指數(shù)，結(jié)合2001—2015年GPP數(shù)據(jù)，分析探討了該區(qū)植被時(shí)空變化趨勢(shì)，得到如下結(jié)論：

(1)基于MODIS數(shù)據(jù)的NDVI與NIRv指數(shù)所反映出的植被季節(jié)變化趨勢(shì)基本一致，每年出現(xiàn)了一個(gè)NDVI和NIRv指數(shù)的峰值，并且具有明顯的季節(jié)性變化.其中，最小值出現(xiàn)在冬季，最大值出現(xiàn)在夏季，這與蒙山地區(qū)的氣候條件相吻合.

(2)2001—2016年蒙山地區(qū)地表植被覆蓋整體有所增加，2001—2008年間植被的增長(zhǎng)趨勢(shì)比2009—2016年的增長(zhǎng)趨勢(shì)更加明顯.

(3)通過(guò)對(duì)NDVI、NIRv和GPP 的斜率值進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，多數(shù)像元NDVI、NIRv與GPP 的斜率是大于零的，表明蒙山地區(qū)植被狀況總體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，植被大體是變好的；只有蒙山西北部的極少數(shù)地區(qū)，NDVI、NIRv與GPP的斜率是小于零的，植被存在退化現(xiàn)象.從區(qū)域內(nèi)部的空間變化來(lái)看，蒙山區(qū)域東南部植被改善趨勢(shì)好于西北部.