2000—2016年黃土高原地區(qū)荒漠化遙感分析

劉英，李遙，魯楊，岳輝

(西安科技大學 測繪科學與技術學院，西安 710054)

0 引言

黃土高原地表支離破碎、植被覆蓋低，是我國水土流失最為嚴重的地區(qū)[1-3]。近代以來強烈的水土流失以及人類不合理的生產(chǎn)活動，給黃土高原帶來諸多生態(tài)環(huán)境問題，使原本脆弱的生態(tài)環(huán)境進一步惡化，而近20年的生態(tài)修復，使黃土高原生態(tài)環(huán)境大為改觀[4-6]。隨著遙感技術的快速發(fā)展，已成為荒漠化和旱情監(jiān)測的主要手段。Vorovencii[7]利用Landsat TM數(shù)據(jù)，分別基于NDVI-albedo、NDVI-裸土指數(shù) (BI)及tasselled cap greenness (TCG)-tasselled cap brightness (TCB)特征空間，采用change vector analysis (CVA) 方法對羅馬尼亞南部地區(qū)的土地荒漠化進行監(jiān)測，指出NDVI-albedo特征空間監(jiān)測精度最高，研究區(qū)荒漠化程度較嚴重；馮淳等[8]基于NDVI-albedo特征空間，利用DDI監(jiān)測禿尾河上游流域土地荒漠化，指出研究區(qū)荒漠化總面積持續(xù)減少；賀振等[9]利用MODIS數(shù)據(jù)，基于NDVI和像元二分原理，對黃土高原地區(qū)近8a荒漠化土地進行了動態(tài)變化監(jiān)測，結果表明黃土高原荒漠化土地面積整體呈明顯減少態(tài)勢，但類型轉化結構表明荒漠化土地強度卻處于不斷發(fā)展階段；韋振鋒等[10]以長時間序列NDVI數(shù)據(jù)為基礎，利用時間序列分析方法和殘差法，評價陜甘寧黃土高原地區(qū)荒漠化發(fā)展態(tài)勢，指出陜甘寧地區(qū)大部分地區(qū)植被功能顯著增強，生態(tài)環(huán)境狀況趨于好轉；木熱提江·阿不拉等[11]利用GIMMS AVHRR NDVI數(shù)據(jù)，對黃土高原地區(qū)荒漠化程度及時空變化進行分析，指出黃土高原大部分地區(qū)為中度和重度荒漠化區(qū)，荒漠化程度整體上表現(xiàn)為降低趨勢。

以往研究中，多利用MODIS NDVI或GIMMS NDVI，通過計算植被覆蓋度的方法進行荒漠化分析，而利用NDVI-albedo特征空間的方法進行黃土高原荒漠化的研究較少。文章以2000—2016年MODIS為數(shù)據(jù)源，建立NDVI-albedo特征空間，利用DDI和VCADI提取黃土高原地區(qū)土地荒漠化信息，探索該區(qū)域荒漠化動態(tài)變化特征和規(guī)律，為掌握該地區(qū)荒漠化動態(tài)發(fā)展趨勢提供理論依據(jù)和技術支撐，并為生態(tài)環(huán)境建設和經(jīng)濟發(fā)展提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原位于中國中部偏北部(33°41′N～41°16′N，100°54′E～114°33′E)，東起太行山、西至烏鞘嶺、南連秦嶺、北抵長城，主要包括山西、陜西、以及甘肅、青海、寧夏、河南等省部分地區(qū)，面積40×104km2，為世界最大的黃土堆積區(qū)。黃土高原地區(qū)具大陸性季風氣候特征，冬季干燥寒冷、夏季濕潤炎熱，年平均降水量464.1 mm，年平均溫度為3.6～14.3 ℃。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文基礎數(shù)據(jù)為1 000 m分辨率 MODIS NDVI和Albedo數(shù)據(jù)，來自美國宇航局(https：∥reverb.echo.nasa.gov/)。NDVI數(shù)據(jù)來自MODIS月合成植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13A3；地表反照率Albedo數(shù)據(jù)為MCD43A3產(chǎn)品，時空分辨率是16 d/km，包含白空反照率和局地正午太陽角的黑空反照率，且白空反照率和黑空反照率都包含了1～7波段共7個窄波段，以及3個寬波段可見光(0.3～0.7 μm)、近紅外(0.7～5.0 μm)、短波(0.3～5.0 μm)。因為短波波段黑空反照率反映了正午時刻地表對直射太陽光的反照率，因此文章以短波波段黑空反照率為研究對象[12]。數(shù)據(jù)預處理包括投影轉換、影像重采樣及影像鑲嵌等。

1.3 基于NDVI-albedo特征空間的荒漠化/旱情監(jiān)測模型

荒漠化差值指數(shù)DDI和植被條件反照率干旱指數(shù)VCADI的構建和計算分別參照文獻[13]和文獻[14]。

1.4 一元線性回歸

一元線性回歸分析[15]可以模擬DDI和VCADI每個柵格點17年的變化趨勢，利用此方法來計算黃土高原17年間DDI及VCADI變化率，計算公式為：

(1)

式中：i為2000—2016年的年序號(以2000年為第1年)；DDIi為第i年的DDI值。當計算VCADI的變化趨勢時，將公式中的DDI替換為VCADI即可。某像元的趨勢線是這個像元在2000—2016年DDI和VCADI用一元線性回歸分析法模擬的總體變化趨勢，趨勢線并不是簡單的第一年與最后一年的連線，Slope是趨勢線的斜率。Slope>0說明DDI和VCADI值在2000—2016年呈增加趨勢，反之Slope<0則說明呈減少趨勢。

1.5 相關性分析

利用Pearson相關系數(shù)分析DDI、VCADI分別與降雨量和平均溫度之間的相關性。相關系數(shù)越接近1或-1相關度越強；相關系數(shù)越接近0，相關度越弱；當相關系數(shù)為0時，表示2個變量不相關。其計算公式為：

(2)

式中：r為相關系數(shù)；x為2000—2016年DDI、AVDI；y為2000—2016年降水量或平均氣溫。

2 結果與分析

2.1 NDVI-albedo特征空間

以0.01為步長編程讀取相同NDVI下對應的Albedomax和Albedomin。由圖1可知，NDVI-albedo特征空間呈三角形或梯形，特征空間中干邊Albedomax的可決系數(shù)R2均大于0.7，且Albedomax與NDVI呈顯著負相關關系。

圖1 NDVI-albedo特征空間散點圖

2.2 精度驗證

利用黃土高原36個氣象站點10 cm土壤相對濕度分別與DDI、VCADI進行相關性分析。分別以2013年2月18日—2013年3月5日、2013年5月9日—2013年5月24日、2013年6月10日—2013年6月25日4個時間段的DDI和VCADI為縱坐標，以10 cm土壤相對濕度(SM/%)為橫坐標，建立SM-DDI，SM-VCADI統(tǒng)計回歸模型(圖2)。由圖2可知，VCADI與10 cm土壤濕度呈負相關，VCADI值越大，土壤濕度越小，反之亦然。DDI與10 cm土壤濕度呈正相關，土壤濕度越大，DDI值越大，反之亦然。經(jīng)F檢驗發(fā)現(xiàn)，DDI和VCADI與10 cm深土壤濕度之間的相關性均通過了90%顯著性檢驗。說明DDI和VCADI可用于黃土高原土地荒漠化和旱情監(jiān)測。

圖2 DDI、VCADI與土壤濕度相關性圖

2.3 荒漠化分析

計算得到各年份DDI影像，以自然間斷點分級法(Jenks)將荒漠化類型劃分為6類：無數(shù)據(jù)(<-2)；極重度干旱(-2～0.36)；重度干旱(0.36～0.52)；中度干旱(0.52～0.69)；輕度干旱(0.69～0.84)；非干旱(0.84～1)。利用ArcGIS10.5選取典型年份2000年、2005年、2010年和2016年制作荒漠化時空等級分布圖(圖3)。

由圖3可知，2000—2016年，極重度荒漠化面積總體呈減少趨勢，由2000年的9.39%增加到2005年12.02%，而后一直減少，至2016年的2.86%；重度荒漠化面積總體上呈減少趨勢，由2000年的30.05%減少至2005的19.55%，而后略有增加至2010年的21.01%，略減少為2016年的20.10%，而后增大至2016年的29.71%；中度荒漠化面積變化不大，由2000年的29.38%分別增長至2005的30.83%、2010年的31.27%，而后減少至2016年的29.71%；輕度荒漠化面積總體呈增加趨勢，由2000年的20.61%增加為2016年的32.90%；非荒漠化面積略有增加，由2000年的10.54%增至2016年的14.43%。17年間，研究區(qū)荒漠化情況有所改善，重度荒漠化向輕度及非荒漠化轉變。

空間上，黃土高原極重度、重度荒漠化主要分布在西北部的甘肅、寧夏、內蒙古、陜西陜北地區(qū)及青海、山西、河南的部分地區(qū)；輕度荒漠化及非荒漠化主要分布在黃土高原東南部的山西大部分地區(qū)、陜西延安市以南地區(qū)及青海、甘肅、河南的部分地區(qū)?？傮w上，17年間，黃土高原輕度荒漠化和非荒漠化向西北地區(qū)擴散，重度荒漠化地區(qū)逐漸縮小，生態(tài)環(huán)境狀況趨于好轉，其中陜西陜北地區(qū)荒漠化改善較為顯著。

圖3 基于DDI的黃土高原荒漠化等級時空分布圖

2.4 旱情分析

計算得到研究區(qū)VCADI影像，并將其劃分為6類：極濕潤(<0)；濕潤(0～0.2)；正常(0.2～0.4)；干旱(0.4～0.6)；極干旱(0.6～1)；無數(shù)據(jù)(>1)。利用ArcGIS10.5選取典型年份2000年、2005年、2010年和2016年制作旱情時空等級分布圖(圖4)。

由圖4可知，黃土高原干旱區(qū)域主要分布在內蒙古部分地區(qū)、寧夏、甘肅東北部、陜西陜北北部及關中平原地區(qū)、山西部分地區(qū)及青海部分地區(qū)；正常區(qū)域主要分布在甘肅中部、陜西延安部分地區(qū)、山西大部分地區(qū)及青海、河南部分地區(qū)；濕潤區(qū)域主要分布在陜西延安、關中平原南部地區(qū)以及山西、青海、河南部分地區(qū)。干旱區(qū)域由2000年的51.93%減少到2005年46.45%，旱情有所減輕；2005—2010年間，干旱面積由46.45%減少為31.82%，旱情明顯緩解；2010—2016年之間，干旱區(qū)域由31.83%增加為41.81%，而濕潤和正常面積卻減少，說明旱情有所加重。17年間，整體上黃土高原地區(qū)旱情有所減輕，非干旱面積有所增加。

圖4 基于VCADI的黃土高原旱情等級時空分布圖

2.5 趨勢分析

由圖5(a)可知，黃土高原地區(qū)旱情減輕區(qū)域占總面積的67.07%，主要分布在陜西、山西、內蒙古東部、甘肅的南部以及青海、河南部分地區(qū)；而旱情加重地區(qū)占總面積的19.44%，主要分布在寧夏中部、甘肅中部、黃土高原北部及青海、陜西、河南、山西部分地區(qū)。由圖5(b)可知，2000—2016年黃土高原84.55%的面積荒漠化呈改善趨勢，主要分布在陜西北部、山西、甘肅、寧夏及內蒙古大部分地區(qū)，其中陜西陜北地區(qū)改善最為明顯；荒漠化加重部分僅占5.61%，主要分布在陜西關中平原、山西東南部、青海北部、內蒙古北部及河南省部分地區(qū)，且荒漠化加重區(qū)域主要集中在城市周圍；9.84%的面積荒漠化狀態(tài)保持不變，主要分布在陜西延安、青海及內蒙古部分地區(qū)。17年間，黃土高原荒漠化和旱情得到了有效改善。

圖5 2000—2016年黃土高原DDI、VCADI變化趨勢空間分布圖

2.6 影響因素分析

通過查尋相關性系數(shù)臨界表，當p>0.05時，臨界值為0.497，當p>0.1時，臨界值為0.426，利用ArcGIS10.5將DDI與降水量、DDI與氣溫、AVDI與降水量、AVDI與氣溫之間的相關系數(shù)圖(圖6、圖7)，并按 <-0.497，-0.497～-0.426，-0.426～0，0～0.426，0.426～0.497，>0.497進行分級，統(tǒng)計各類面積所占百分比。

圖6 DDI與降水量和氣溫相關系數(shù)圖

圖7 VCADI與降水量和氣溫相關系數(shù)圖

由圖6(a)可知，DDI與年均降水量的相關系數(shù)大于0區(qū)域占總面積的91.23%，說明DDI與年均降雨量呈正相關關系，分布在黃土高原大部分地區(qū)，其中27.28%的地區(qū)通過了90%顯著性驗證，15.26%地區(qū)通過了95%相關性檢驗；由圖6(b)可知，DDI與年均氣溫的相關系數(shù)大于0的區(qū)域占53.83%，說明DDI與年均氣溫呈正相關，分布在寧夏、內蒙古大部分地區(qū)，青海東部、陜西陜北地區(qū)、甘肅中北部、山西中部等；其中3.73%的面積通過90%顯著性檢驗，1.60%的面積通過95%顯著性檢驗；46.17%的區(qū)域DDI與平均溫度呈負相關性關系，主要分布在黃土高原北部、甘肅中北部、陜西延安以南地區(qū)、山西東部和西部及河南部分地區(qū)，其中通過95%顯著性檢驗的占7.46%，通過90%顯著性檢驗的占8.18%。

由圖7(a)可知，VCADI和年平均降水量呈負相關關系地區(qū)占66.56%，主要分布在黃土高原北部、中部、東部和南部的部分地區(qū)，其中13.16%的區(qū)域通過90%顯著性檢驗，7.27%的區(qū)域通過95%顯著性檢驗；由圖7(b)可知，VCADI與年平均氣溫呈負相關關系地區(qū)占52.52%，主要分布在黃土高原北部部分地區(qū)、山西大部分地區(qū)、陜西延安地區(qū)及青海東部地區(qū)，其中10.94%的區(qū)域通過90%的顯著性檢驗，7.04%的地區(qū)通過95%顯著性檢驗；VCADI與年平均氣溫呈正相關關系地區(qū)占47.48%，主要分布在寧夏、甘肅大部分地區(qū)，陜西北部及關中地區(qū)、山西東部及內蒙古部分地區(qū)；其中7.13%的區(qū)域通過95%顯著性檢驗。

3 結束語

本文以黃土高原為研究對象，以2000—2016年MODIS的NDVI、Albedo數(shù)據(jù)為基礎，建立NDVI-albedo特征空間，分別利用DDI和VCADI分析該區(qū)域土地荒漠化和旱情演變特征和規(guī)律。結論如下：

①DDI和VCADI均基于NDVI-albedo特征空間提出，盡管2個指數(shù)物理含義不同，但計算結果在空間和時間變化上表現(xiàn)較為一致。在17年變化趨勢分析中，DDI表征的荒漠化呈退化趨勢占5.61%，而VCADI表征的旱情呈加重趨勢占19.44%；而84.55%的區(qū)域土地荒漠化呈改善趨勢，而67.07%區(qū)域旱情呈改善，這說明有部分區(qū)域荒漠化已經(jīng)減輕，但仍受干旱影響，但在整體監(jiān)測趨勢上，二者表現(xiàn)較為一致。

②DDI和VCADI在與氣候因子相關性分析中，盡管二者相關性相反，但含義一致，DDI與降雨量呈負相關關系，與氣溫呈正相關區(qū)域分別占91.23%、53.83%；VCADI與降雨量、年均溫度呈負相關關系分別占66.56%、52.52%。

③DDI與土壤濕度呈正相關關系(R2=0.281 8)，VCADI與土壤濕度呈負相關關系(R2=0.283 1)，DDI和VCADI分別可作為土地荒漠化和旱情監(jiān)測指標。