黃土高原地區(qū)500 m分辨率植被覆蓋度數(shù)據(jù)集

曹曉萍，張琴琴，楊勤科*，展小云

1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 楊陵712100

2. 西北大學(xué)，西安 712107

數(shù)據(jù)庫（集）基本信息簡介

引 言

黃土高原是世界最大的黃土集中分布區(qū)，地處干旱和濕潤過渡區(qū)。由于其土層疏松、暴雨集中等原因，尤其是歷史上對土地的過度開墾，植被覆蓋度相對較低，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)脆弱。因此，黃土高原的植被覆蓋度狀況對黃河中下游的生態(tài)安全具有極其重要的作用。作為國家生態(tài)脆弱區(qū)和水土保持建設(shè)的重點區(qū)域，1999年國家實施了退耕還林（草）工程，1999–2010年間黃土高原累計造林面積已達(dá)到1890.6×104hm2，使得該地區(qū)生態(tài)環(huán)境得到極大改善[1]。2011年國務(wù)院發(fā)布的《全國主體功能區(qū)規(guī)劃》中將黃土高原劃分為黃土高原–川滇生態(tài)屏障帶重要組成部分，其植被覆蓋度的變化對該區(qū)的生態(tài)安全有著至關(guān)重要的作用。

植被作為地球生態(tài)系統(tǒng)的主體，在全球物質(zhì)和能量的循環(huán)過程中起到了十分重要的作用。植被覆蓋度既是反映植被覆蓋狀況最直接的指標(biāo)[2]，也是區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況的“指示器”[3]。植被覆蓋度的變化能夠反映植被的生長態(tài)勢及其進(jìn)行光合作用的強(qiáng)度，因而區(qū)域植被的變化與全球環(huán)境變化密切相關(guān)[4-5]。

本數(shù)據(jù)集是黃土高原區(qū)域?qū)嵤┩烁€林工程初期的2000年和退耕還林10年后的2010年的逐月植被覆蓋度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可用于分析退耕還林（草）工程實施以來黃土高原地區(qū)、典型流域和土壤侵蝕類型區(qū)植被覆蓋的時空變化特征，揭示黃土高原退耕還林（草）措施的生態(tài)成效，并用于土壤侵蝕時空動態(tài)變換評價、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價等方面。還可支持地理學(xué)、生態(tài)學(xué)和水土保持科學(xué)研究和高校有關(guān)學(xué)科（地理、生態(tài)、林學(xué)、水土保持學(xué)等）教學(xué)。

數(shù)據(jù)集自 2016年在國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺–黃土高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://loess.geodata.cn）發(fā)布共享以來，已下載使用40多次，先后支撐國家重點研發(fā)計劃課題“黃土高原水土流失與生態(tài)產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展技術(shù)集成與模式”、國家科技重大專項“我國土系調(diào)查與《中國土系志》（中西部卷）編制”、國家自然科學(xué)基金“黃土高原生物結(jié)皮的熱特性、熱傳輸過程以及土壤熱效應(yīng)”等20多個項目，支撐碩博士論文10余篇。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

植被生長和演替，受到降水和溫度等氣候要素的強(qiáng)烈影響，因此植被覆蓋度在多年間和年內(nèi)都有變化。野外考察和已有研究表明，退耕還林以來，植被覆蓋度發(fā)生了十分明顯的變化。為了既能反映年內(nèi)各月植被覆蓋度變化，又能反映退耕還林初期和10年后的植被覆蓋度變化，在中國地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站（http://www.gscloud.cn/）下載 2000年和 2010年旬合成產(chǎn)品歸一化差分植被指數(shù)（Normalized Difference vegetation index, NDVI），利用像元二分模型計算生成2000年和2010年各月的植被覆蓋度，以期反映黃土高原退耕還林以來植被覆蓋度的年際和年內(nèi)變化。

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

黃土高原地區(qū)500 m分辨率植被覆蓋度數(shù)據(jù)集是由來自TERRA衛(wèi)星的中國500 m NDVI旬合成產(chǎn)品計算得到，產(chǎn)品由MODND1D計算得到，計算方法為取月內(nèi)每十天最大值。NDVI來源于中國地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站。原始數(shù)據(jù)缺省2000年1月數(shù)據(jù)，2000年2月只有下旬?dāng)?shù)據(jù)，因此2000年2月沒有平均值合成。用于裁切的黃土高原邊界（圖 1）來源于黃土高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://loess.geodata.cn/）。

圖1 黃土高原邊界圖

1.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理均在ARCGIS環(huán)境下進(jìn)行，分為投影、裁剪、合成月數(shù)據(jù)、計算4個步驟。

1.2.1 投影

為便于使用，本數(shù)據(jù)集直接采用全國地圖投影的常用投影和參數(shù)。投影名稱為正軸等積割圓錐投影（Albers），橢球體為Krasovsy，單位為m。在此過程中將輸出分辨率設(shè)置為500 m，重采樣方法規(guī)定為二次線性（bilinear），這種采樣結(jié)果數(shù)據(jù)比較連續(xù)，不會出現(xiàn)偽條紋。

利用第二次黃土高原科學(xué)考察隊定義的黃土高原地區(qū)邊界（圖1）進(jìn)行數(shù)據(jù)裁切。為了數(shù)據(jù)的完整，也便于數(shù)據(jù)應(yīng)用，裁切時從黃土高原地區(qū)邊界向外做了5 km的緩沖帶處理。

1.2.2 合成月數(shù)據(jù)

對下載的原始NDVI旬合成產(chǎn)品進(jìn)行濾波、空值填充、去云等必要處理，然后用最大值合成法，將每月三個旬的數(shù)據(jù)合成為月NDVI數(shù)據(jù)。其中空值填充采樣了常用的鄰域均值法。

1.2.3 植被覆蓋度計算

利用目前最通用的像元二分模型（式1），基于月NDVI數(shù)據(jù)，計算逐月植被覆蓋度。

式中VFC為植被覆蓋度（%）；NDVIsoil為完全是裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值；NDVIveg則代表完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值。NDVIsoil和NDVIveg可以是NDVI統(tǒng)計分布累計頻率為0.5%和99.5%的值[6-8]。

黃土高原植被覆蓋度偏低，該累計頻率的賦值方法對覆蓋度計算結(jié)果可能會造成一定誤差。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

黃土高原植被覆蓋度數(shù)據(jù)集命名方式為：fvcyymm，fvc為植被覆蓋度，yy代表年份，mm代表月份，如fvc0002為2000年2月植被覆蓋度數(shù)據(jù)。本數(shù)據(jù)集共包含2000年2–12月和2010年1–12月共23個圖層數(shù)據(jù)，植被覆蓋度單位為%。圖2是部分圖層展示，反映了退耕還林初期的2000年和退耕還林10年后的2010年植物生長枯萎期的12月和生長茂盛期的8月植被覆蓋度變化情況。

圖2 退耕還林前后12月與8月植被覆蓋度變化情況

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

數(shù)據(jù)處理過程中，采用了統(tǒng)一的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，原始數(shù)據(jù)分辨率為 0.0051○，中緯度地區(qū)相當(dāng)于平面距離567.7 m，所以黃土高原地區(qū)換算成平面坐標(biāo)后設(shè)置為500 m。

將所下載的NDVI數(shù)據(jù)在計算植被覆蓋度前對數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理：濾波除噪處理、空值檢查和填充處理、去云處理等，直至數(shù)據(jù)無明顯噪音、無空值和偽條紋。從NDVI到植被覆蓋度的計算中，采用了NDVI累計頻率為0.5%和99.5%，從而提高數(shù)據(jù)計算的準(zhǔn)確度。

數(shù)據(jù)覆蓋范圍為黃土高原地區(qū)（圖1），為使數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)，在裁切時對黃土高原邊界向外做了5 km緩沖處理。

4 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)已于 2016年在國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺–黃土高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://loess.geodata.cn/）發(fā)布并提供共享服務(wù)。在網(wǎng)站下載本數(shù)據(jù)解壓后可使用支持 ESRI grid文件格式的GIS軟件打開、顯示、編輯、查看、統(tǒng)計分析等。數(shù)據(jù)可用于分析退耕還林（草）工程實施以來黃土高原地區(qū)、典型流域和土壤侵蝕類型區(qū)植被覆蓋的時空變化特征，揭示黃土高原退耕還林（草）措施的生態(tài)成效。