2010—2019年甘肅省植被NDVI時(shí)空變化特征分析

焦世文 梁靚 陶維新 馮蘭君

摘要?[目的]分析甘肅省植被覆蓋時(shí)空變化特征，為區(qū)域生態(tài)環(huán)境規(guī)劃提供理論基礎(chǔ)。[方法]基于2010—2019年MODIS NDVI產(chǎn)品，結(jié)合土地利用、生態(tài)功能區(qū)劃分等數(shù)據(jù)，采用一元線性回歸趨勢(shì)分析方法和變異系數(shù)等分析方法對(duì)2010—2019年甘肅省植被覆蓋時(shí)空分布特征進(jìn)行闡述，對(duì)植被指數(shù)變化趨勢(shì)及變化穩(wěn)定性進(jìn)行定量分析。[結(jié)果]甘肅省植被指數(shù)在年均月尺度上呈現(xiàn)單峰分布，在夏季處于高位，年均NDVI呈現(xiàn)穩(wěn)步增長(zhǎng)的趨勢(shì)，增速平均為0.003 2/a;植被指數(shù)空間分布具有明顯的地域差異性，西部地區(qū)NDVI值小，可認(rèn)為基本無植被生長(zhǎng)，中東部平原和祁連山地區(qū)植被長(zhǎng)勢(shì)較好，NDVI明顯較高，南部地區(qū)NDVI最高;農(nóng)業(yè)耕作區(qū)的植被指數(shù)變化波動(dòng)性比較大，其他地區(qū)植被覆蓋變化趨于穩(wěn)定。[結(jié)論]基于MODIS NDVI時(shí)間序列分析方法可為了解甘肅省土地覆蓋狀況、開展具有區(qū)域差異性的生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程等提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞?植被覆蓋;NDVI;時(shí)空分布;變化特征;遙感

中圖分類號(hào)?Q948?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼?A

文章編號(hào)?0517-6611（2021）09-0070-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.09.019

Abstract?[Objective]To analyze the spatial and temporal variation characteristics of vegetation cover in Gansu Province and provide a theoretical basis for regional ecological environment planning.[Method]Based on MODIS NDVI products during 2010-2019，combined with data of land use and ecological function zone division，the spatial and temporal distribution characteristics of vegetation cover in Gansu Province during 2010-2019 were elaborated by using the analysis methods such as one-dimensional linear regression trend analysis and coefficient of variation，and vegetation index change trends and change stability were quantitatively analyzed.[Result]The vegetation index in Gansu Province showed a single-peaked distribution on the annual average monthly scale，which was at a high level in summer，and the annual average NDVI showed a trend of steady growth with an average growth rate of 0.003 2/a.The spatial distribution of multiple annual average vegetation indices had obvious geographical variability，with small NDVI values in the western region，which could be considered as basically no vegetation growth，and better vegetation growth in the central-eastern plains and Qilian Mountains.NDVI was obviously higher in the central-eastern plains and Qilian Mountains，and NDVI was the highest in the south.The vegetation index changes in agricultural cultivation areas were more volatile，and the vegetation cover changes in other areas tended to be stable.[Conclusion]The MODIS NDVI time-series analysis method can provide some theoretical basis for understanding the land cover status and carrying out ecological protection and restoration projects with regional differences in Gansu Province.

Key words?Vegetation cover;NDVI;Spatial and temporal distribution;Variation characteristics;Remote sensing

植被作為土地覆蓋最重要的一部分，在全球及區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境變化中起著“指示器”的作用[1]。近年來，隨著城市發(fā)展及人類活動(dòng)的加劇，植被退化造成的環(huán)境問題越來越嚴(yán)重，植被退化及恢復(fù)問題受到了各國(guó)政府及學(xué)術(shù)界的關(guān)注。及時(shí)準(zhǔn)確地獲取地表植被特征和植被覆蓋變化信息，對(duì)于揭示地表植被時(shí)空變化規(guī)律和評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化具有重要的指導(dǎo)意義;同時(shí)，開展植被覆蓋變化與氣象因子變化之間關(guān)系的研究，有助于了解氣候變化對(duì)生態(tài)環(huán)境變化的影響，對(duì)于加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)具有很大的幫助。

植被指數(shù)可以作為一個(gè)重要的指標(biāo)，直觀地反映地表植被特征和植被覆蓋信息變化。衛(wèi)星遙感技術(shù)可以大范圍獲取地表植被覆蓋及其變化信息，為研究地表覆蓋時(shí)空變化規(guī)律提供了便捷的途徑。20世紀(jì)90年代以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)植被指數(shù)的時(shí)空變化特征及其與氣候因子之間的相互關(guān)系開展了廣泛的研究[2]。綜合國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果可以看出，氣候變化導(dǎo)致北半球大部分地區(qū)植被覆蓋程度顯著增加，并且植被出現(xiàn)了明顯的提前回綠和生長(zhǎng)季節(jié)延長(zhǎng)的現(xiàn)象[3-4]。甘肅省位于黃河上游，屬于典型的山地型高原地貌，植被種類眾多，并且其特殊的地理位置、地形條件以及氣候等因素的差異，使得植被分布存在明顯的緯度地帶性差異和海拔垂直性差異[5]。該地區(qū)突出的土地荒漠化和沙化問題使得生態(tài)治理工作變得尤為重要，在全省人民的努力下，甘肅省生態(tài)狀況整體呈改善趨勢(shì)，生態(tài)空間格局進(jìn)一步優(yōu)化。目前，針對(duì)甘肅省生態(tài)環(huán)境的研究多集中在部分地區(qū)，如宋偉宏等[6]利用多期土地覆被數(shù)據(jù)、植被指數(shù)和氣象資料，分析了祁連山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)不同地表覆蓋類型下NDVI空間變化特征及趨勢(shì)，并從季節(jié)尺度分析了草地演變對(duì)氣溫和降水的響應(yīng)特征;趙鴻雁等[7-8]選擇甘肅省中部為研究區(qū)，探討了多種生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程對(duì)地表植被覆蓋的影響，分析了地表植被覆蓋變化信息對(duì)氣候因子及地形坡度信息的響應(yīng);陸蔭等[9]利用黃河流域甘肅段不同時(shí)間的植被覆蓋變化及其與氣候因子的關(guān)系研究了植被覆蓋變化對(duì)氣候因子的時(shí)空響應(yīng)規(guī)律，為區(qū)域生態(tài)環(huán)境規(guī)劃建設(shè)提供了依據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)全省區(qū)域生態(tài)保護(hù)及修復(fù)工程治理成效的分析，并進(jìn)一步指導(dǎo)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)工程，有必要對(duì)全域生態(tài)環(huán)境變化狀況進(jìn)行分析。該研究基于甘肅省2010—2019年MODIS NDVI數(shù)據(jù)，分析全省植被覆蓋信息的時(shí)空變化規(guī)律，以期為評(píng)價(jià)甘肅省植被覆蓋信息時(shí)空變化及生態(tài)環(huán)境變化提供依據(jù)。

1?資料與方法

1.1?數(shù)據(jù)源?MODIS NDVI數(shù)據(jù)來源于美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的MOD13A3級(jí)月合成植被指數(shù)產(chǎn)品，空間分辨率為1 km×1 km，時(shí)間跨度為2010—2019年。通過甘肅省行政區(qū)劃掩膜，得到2010—2019年覆蓋甘肅省全省的逐月NDVI數(shù)據(jù);采用均值法計(jì)算得到年均及季度NDVI數(shù)據(jù)集。該研究過程中，將每年的3—5月劃分為春季，6—8月劃分為夏季，9—11月劃分為秋季，12月—次年2月劃分為冬季。

DEM數(shù)據(jù)來源于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局ASTER GDEM V3空間分辨率30 m的數(shù)字高程。生態(tài)功能區(qū)劃數(shù)據(jù)和土地利用類型數(shù)據(jù)來源于中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估與生態(tài)安全數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.2?統(tǒng)計(jì)分析

1.2.1?NDVI變化趨勢(shì)分析。

采用一元線性回歸趨勢(shì)分析方法[10]定量分析NDVI每個(gè)柵格點(diǎn)的時(shí)空變化及空間差異特征。該方法基于最小二乘原理模擬每個(gè)柵格像元點(diǎn)植被指數(shù)的變化趨勢(shì)，以NDVI的時(shí)間變化特性反映其空間變化特性，綜合反映研究區(qū)域植被指數(shù)的時(shí)空格局演變情況[4]。計(jì)算公式如下：

式中，n為研究時(shí)間段的時(shí)間序列長(zhǎng)度;變量i從1到n，代表各年份的序號(hào);Ni表示像元第i年的NDVI值;Slope為趨勢(shì)線的斜率，代表2010—2019年甘肅省NDVI的變化速率，Slope>0表明研究時(shí)間段內(nèi)像元植被覆蓋呈增加的趨勢(shì)，并且值越大表示增加趨勢(shì)越明顯，Slope<0表明研究時(shí)間段內(nèi)像元植被覆蓋呈減少的趨勢(shì)，并且值越小表示減少趨勢(shì)越明顯，Slope=0表明研究時(shí)間段內(nèi)像元植被覆蓋沒有發(fā)生明顯的變化趨勢(shì);為了更好地分析植被變化趨勢(shì)情況，將變化趨勢(shì)劃分為5個(gè)等級(jí)，分別是明顯減小（Slope≤-0.005）、輕度減?。?0.0050.005）[11]。

1.2.2?NDVI變化穩(wěn)定性。

植被覆蓋狀況的變化受人為和自然雙重干擾的影響，是植被健康狀況的重要表示特征。波動(dòng)大表明植被群落變化不穩(wěn)定，波動(dòng)小表明植被群落變化相對(duì)穩(wěn)定。變異系數(shù)[12-13]可以一定程度上反映植被指數(shù)年際變化穩(wěn)定性的空間分布特征，為樣本標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比值，計(jì)算公式如下：

式中，CV表示變異系數(shù)，SDNDVI為研究區(qū)逐年NDVI標(biāo)準(zhǔn)差，NDVI為研究時(shí)間段內(nèi)NDVI多年平均值，Ni表示第i年的NDVI值，n為研究時(shí)間段的時(shí)間序列長(zhǎng)度。該研究將植被變異程度劃分為4個(gè)等級(jí)：非常穩(wěn)定（CV≤0.04）、穩(wěn)定（0.040.12）[11]。

2?結(jié)果與分析

2.1?NDVI時(shí)間變化特征

從2010—2019年甘肅省NDVI變化特征（圖1）可以看出，月均NDVI變化曲線呈現(xiàn)單峰分布，3—5月份增長(zhǎng)速度最快，7—8月份達(dá)到NDVI最大值，隨后開始衰減;季節(jié)分布上，4個(gè)季度的NDVI整體呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，夏季最高，秋季和春季次之，冬季最低;根據(jù)年度NDVI變化趨勢(shì)可以看出，甘肅省10年間NDVI呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，增速為0.003 2/a;2006年后，增長(zhǎng)趨勢(shì)變大。

2.2?NDVI空間變化特征

從2010—2019年甘肅省年均NDVI的空間分布（圖2）可以看出，甘肅省植被分布具有明顯的空間地域性差異，表現(xiàn)為南高北低的分布規(guī)律。結(jié)合甘肅省生態(tài)功能區(qū)劃方案可知，NDVI較高的區(qū)域主要分布在甘肅省南部的秦巴山地落葉月常綠闊葉林生態(tài)區(qū)、藏東—川西寒溫性針葉林生態(tài)區(qū)，其次為黃土高原農(nóng)業(yè)與草原生態(tài)區(qū)、江河源區(qū)—甘南高寒草甸草原生態(tài)區(qū)，植被覆蓋度較低的區(qū)域主要集中在荒漠生態(tài)區(qū)。植被覆蓋度空間地域性差異與甘肅省土地利用類型分布（圖3）一致。甘肅省西部地區(qū)多為裸巖石礫地、鹽堿地、沙地、戈壁等土壤水源涵養(yǎng)能力低，土壤干燥度大，不利于植被生長(zhǎng)，導(dǎo)致該類地區(qū)生態(tài)承載能力低下，其NDVI較小，甚至無植被生長(zhǎng);甘肅省中東部平原地區(qū)植被以種植型農(nóng)作物為主，植被長(zhǎng)勢(shì)相對(duì)較好;祁連山地區(qū)地表植被覆蓋類型比較豐富，多以草原、草甸等分布，該地區(qū)的植被指數(shù)明顯較高;甘肅省南部地區(qū)地勢(shì)相對(duì)較低，地表水源涵養(yǎng)量相對(duì)較高，土壤干燥度低，生態(tài)承載能力相對(duì)較高，植被覆蓋以草原、闊葉林和針葉林為主，NDVI明顯高于其他地區(qū)[6-8，14]。

計(jì)算甘肅省逐像元的NDVI變化率，得到植被指數(shù)變化趨勢(shì)空間分布圖（圖4），甘肅省年均NDVI變化趨勢(shì)在-0.096 7～0.094 4，絕大部分地區(qū)植被分布呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，荒漠生態(tài)區(qū)植被基本不變。統(tǒng)計(jì)2010—2019年甘肅省NDVI變化趨勢(shì)等級(jí)劃分及面積所占百分比（表1）發(fā)現(xiàn)，NDVI減少的面積比例為3.18%，其中，明顯減小面積比例為1.16%，輕度減小面積比例為2.02%;增加的面積比例為49.88%，其中，輕度增加面積比例為20.78%，顯著增加面積比例為29.10%;NDVI基本不變的面積比例占46.94%;增加的面積比例遠(yuǎn)大于減少的面積比例。近年來，隨著一系列生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程的推進(jìn)，甘肅省全省生態(tài)系統(tǒng)格局整體趨于穩(wěn)定，生態(tài)空間格局得到優(yōu)化，植被增長(zhǎng)進(jìn)入良性循環(huán)。

從2010—2019年甘肅省NDVI變異系數(shù)分布（圖5）可以看出，在內(nèi)蒙古高原中部—隴中荒漠草原生態(tài)區(qū)、黃土高原農(nóng)業(yè)與草原生態(tài)區(qū)、祁連山森林與高寒草原生態(tài)區(qū)和柴達(dá)木盆地荒漠生態(tài)區(qū)植被生態(tài)環(huán)境變化比較劇烈，其他地區(qū)植被生態(tài)環(huán)境變化相對(duì)較小。蘭州市及白銀市地表多以種植農(nóng)作物為主，該類地區(qū)的植被覆蓋變化大多是農(nóng)業(yè)耕作的結(jié)果。

3?結(jié)論

該研究基于甘肅省2010—2019年的 MODIS NDVI產(chǎn)品，結(jié)合土地利用、生態(tài)功能區(qū)劃分等數(shù)據(jù)，開展了植被覆蓋時(shí)間及空間變化特征的研究，采用一元線性回歸趨勢(shì)分析方法、增長(zhǎng)率和變異系數(shù)等分析方法定量地對(duì)NDVI時(shí)空分布特征進(jìn)行了闡述，主要得到以下結(jié)論：

（1）甘肅省多年月均NDVI呈現(xiàn)單峰分布，植被指數(shù)在夏季處于高位;2010—2019年植被覆蓋呈現(xiàn)穩(wěn)步增長(zhǎng)的趨勢(shì)，2006年后，增長(zhǎng)趨勢(shì)變大。

（2）甘肅省NDVI的空間分布具有明顯的空間地域性差異，表現(xiàn)為南高北低的分布規(guī)律。植被覆蓋的空間地域性差異與甘肅省土地利用類型分布一致。

（3）除荒漠生態(tài)區(qū)外，其他絕大部分地區(qū)植被分布呈現(xiàn)增加的趨勢(shì);除蘭州市、白銀市及酒泉市南部植被變化波動(dòng)比較大外，其他地區(qū)植被生態(tài)環(huán)境變化趨于穩(wěn)定。

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