新疆布爾津縣五年間歸一化植被指數(shù)時(shí)空演變

胡馨月，孫 倩，古麗古麗·滅迪力哈孜

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，烏魯木齊 830052）

0 引言

植被是連接自然界水、大氣、土壤內(nèi)部循環(huán)的重要途徑和橋梁，它也是影響全球環(huán)境及其氣候變化的標(biāo)志，更是陸地自然生態(tài)系統(tǒng)的重要因素。歸一化植被指數(shù)可以反映區(qū)域植被的生長(zhǎng)和其營(yíng)養(yǎng)資源信息的重要表征性參數(shù)，它還可以用來(lái)衡量研究區(qū)域植被的覆蓋度和其生長(zhǎng)情況的有效程度度量參數(shù)和重要表征性指數(shù)，廣泛應(yīng)用于植被的生長(zhǎng)和其他植被涵蓋度進(jìn)行檢測(cè)[1]。有學(xué)者結(jié)合新疆地區(qū)1982—2013年NDVI數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)新疆植被覆蓋空間分布南北差異明顯，西北優(yōu)于東南[2]。在區(qū)域和小尺度上，學(xué)者研究了不同尺度上對(duì)不同地理單元的NDVI植被時(shí)空變化和氣候因子[3-9]。歸一化植被指數(shù)是目前最廣泛應(yīng)用的植被指數(shù)，也是監(jiān)測(cè)植被覆蓋狀況和其生長(zhǎng)的最佳植被指數(shù)[10]。很多學(xué)者對(duì)NDVI數(shù)據(jù)做出長(zhǎng)期研究，得出了植被覆蓋度變化和影響因子的相關(guān)性。近年來(lái)，通過(guò)NDVI做了大量的科學(xué)研究，并且取得了諸多科學(xué)研究成果，在全球區(qū)域等宏觀和大尺度的范圍內(nèi)，對(duì)于土地利用覆蓋、植被的動(dòng)態(tài)變化、植被的分類、作物生長(zhǎng)勢(shì)、氣候的影響以及監(jiān)測(cè)等諸多領(lǐng)域進(jìn)行了研究，NDVI已經(jīng)具有非常良好的實(shí)際適用性[11-13]。

NDVI是最常見(jiàn)且對(duì)土壤背景變化很敏感的植被指數(shù)，增強(qiáng)了對(duì)植被的響應(yīng)，它可以消除儀器定標(biāo)、地形、太陽(yáng)角，云陰影和大氣條件等對(duì)半徑變化的影響，是當(dāng)前40多種植被指數(shù)中應(yīng)用最廣的指標(biāo)之一[14-15]。鑒于此，本研究利用MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品，通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理獲布爾津縣2010—2014年逐月的MODIS-NDVI數(shù)據(jù)，研究布爾津縣歸一化植被指數(shù)時(shí)空演變，分布特征，趨勢(shì)分析。本研究結(jié)論將定量的呈現(xiàn)布爾津縣植被覆蓋的時(shí)空演變規(guī)律，能夠?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境的區(qū)域保護(hù)提供一些科學(xué)參考。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

布爾津縣(86°25′—88°06′E，47°22′—49°11′N)屬于新疆阿勒泰地區(qū)，位于阿爾泰山西南麓，與三國(guó)接壤是中國(guó)重要的邊境縣。布爾津縣呈葫蘆形，南北長(zhǎng)200 km，東西寬49～82 km，總面積10345 km2，國(guó)界線長(zhǎng)218 km。布爾津縣屬大陸性北溫帶寒涼氣候，夏季干燥炎熱，冬季寒冷，降水量小，蒸發(fā)量大，晝夜溫差大，光照充足[16]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

遙感數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云所提供的空間分辨率為1 km的中國(guó)2010—2014年5年MODIS-NDVI逐月產(chǎn)品和研究區(qū)矢量邊界。數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正、輻射校正，幾何校正，選取布爾津縣范圍，對(duì)月度植被指數(shù)空間分布數(shù)據(jù)進(jìn)行掩膜提取，得到2010—2014年NDVI數(shù)據(jù)，并得到了60幅影像圖。利用ArcGIS軟件，以研究區(qū)影像圖將生成的原始DN數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的逐旬NDVI值，原始NDVI值為擴(kuò)展NDVI值，采用取值0～10000范圍，DN值和實(shí)際值NDVI為DN=NDVI*10000，利用公式得到NDVI實(shí)際值。

1.3 研究方法

（1）歸一化植被指數(shù)NDVI

歸一化植被指數(shù)NDVI是根據(jù)通過(guò)測(cè)量植被強(qiáng)烈反射與植被吸收在近紅外和紅光電磁波段的吸附率之間的值作為數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)電磁輻射的特征值進(jìn)行數(shù)字化分析而得到的歸一化植被覆蓋率的表征指數(shù)，計(jì)算如公式(1)。

式中：NIR為700～1000 nm近紅外波段的波譜特征；RED為650 nm紅光波段的波譜特征。

（2）趨勢(shì)分析方法

通過(guò)一元線性回歸趨勢(shì)分析模擬出各個(gè)柵格的變動(dòng)趨勢(shì)，可以反映出研究區(qū)植被NDVI空間變化特征[17]，計(jì)算如公式(2)。

式中：θslope為NDVI的變化趨勢(shì)；n為研究區(qū)的年數(shù)；θslope＞0時(shí)，表示NDVI在研究期間內(nèi)的變化趨勢(shì)增加；θslope＜0時(shí)，表示NDVI在研究期間內(nèi)的變化趨勢(shì)減小。

2 結(jié)果分析

2.1 NDVI的時(shí)序變化

布爾津縣屬溫帶干旱氣候區(qū)，3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、對(duì)NDVI數(shù)據(jù)均值化處理后得到2010—2014年年均各季節(jié)NDVI數(shù)據(jù)集，取均值后制作的NDVI時(shí)序變化曲線，如圖1～2。

圖1 2010-2014年布爾津縣三季NDVI趨勢(shì)變化圖

圖2 2010-2014年布爾津縣四季NDVI指數(shù)動(dòng)態(tài)特征圖

由圖1所示，布爾津縣2010—2014年的NDVI平均值在春夏秋三季整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，2010—2014年的春季的NDVI值波動(dòng)幅度較小，夏季的NDVI值呈下降趨勢(shì)，秋季的NDVI值波動(dòng)較小。其中2010—2014年的夏季NDVI值都達(dá)到最大值，每一年春季NDVI都為最小值。

由圖2所示，NDVI在夏季值最高，2010年最高達(dá)到0.53。冬季NDVI值最低，2010年最低值0.01。春秋兩季NDVI值波動(dòng)幅度緩慢，除2010年春季NDVI值為0.12明顯偏低外，其他年份春季NDVI值均在0.2左右。2010—2014年四季NDVI值波動(dòng)幅度較平緩。便于理解和分析，人為將生長(zhǎng)周期分為不同的階段：春季是植被生長(zhǎng)為綠色的時(shí)期，且NDVI值呈現(xiàn)平緩增加的現(xiàn)象，NDVI值減少的原因是春季該地區(qū)降水量減少，春季植被覆蓋度不高過(guò)渡放牧所致；夏季是植被活力及作物生長(zhǎng)最旺盛的時(shí)期，NDVI值較為平穩(wěn)；秋季植被新陳代謝減慢，植被的覆蓋率開(kāi)始下降，NDVI值總體呈下降趨勢(shì)；冬季NDVI值沒(méi)有明顯的浮動(dòng)，趨近于0，大部分植被在冬季不能存活。

2.2 NDVI的空間分布特征

本研究使用ArcGIS 10.5對(duì)2010—2014年布爾津縣遙感NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，為了可以更加直觀的反映布爾津縣5年的NDVI空間分布特征，以5年所監(jiān)測(cè)的各月NDVI數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析布爾津植被在空間上分布規(guī)律（見(jiàn)圖3）。冬季NDVI數(shù)值相對(duì)來(lái)說(shuō)比較穩(wěn)定，變化波動(dòng)非常微弱，相對(duì)而言，春夏秋更加具有研究?jī)r(jià)值，所以篩選了時(shí)空分布上具有明顯特征性的春夏秋三個(gè)季節(jié)進(jìn)行不同年度同季節(jié)的對(duì)比。

圖3 2010—2014年布爾津縣NDVI空間分布圖

NDVI值越大，說(shuō)明植被變化情況劇烈，NDVI值越小，說(shuō)明植被變化呈下降趨勢(shì)。植被指數(shù)較高區(qū)域主要分布地區(qū)中部，植被指數(shù)較低區(qū)域主要分布在西南部，隨著時(shí)間的變化推移，NDVI空間布局上發(fā)生了變化，春季分布由北向南逐漸增加，夏季分布沒(méi)有明顯變化，秋季分布由北向南先逐年減少。

2010—2014年的春季、夏季、秋季NDVI空間分布數(shù)值，2010年春夏秋對(duì)比圖中，夏季的NDVI值達(dá)到最高，為0.94；秋季總體上來(lái)看，它的數(shù)值與夏季非常接近，最高值為0.92。從圖3可以看出在夏季NDVI高值的區(qū)域面積明顯要大于秋季NDVI數(shù)值高的面積。2011年春夏秋對(duì)比圖中，夏季NDVI最高值為0.97；秋季的數(shù)值與春季相接近，最高值為0.77，可以看出夏季NDVI高值的區(qū)域面積分布最廣，春季NDVI高數(shù)值分布區(qū)域面積高于秋季NDVI數(shù)值高值的區(qū)域面積。2012年三季分布圖中，夏季NDVI最高值為0.94；春季NDVI值總體上來(lái)說(shuō)與夏季接近，最高值為0.74，從圖中可以看出夏季NDVI高值分布區(qū)域面積最大，春季高值分布區(qū)域要大于秋季NDVI高值分布區(qū)域面積。2013年的分布圖中，夏季NDVI最高值為0.93，秋季的NDVI總體上來(lái)說(shuō)與夏季接近，最高值為0.89，夏季NDVI高值分布區(qū)域面積大于秋季NDVI高值分布區(qū)域面積。2014年分布圖中，夏季NDVI最高值為0.93，秋季NDVI高值總體上與夏季NDVI高值接近，秋季NDVI低閾值分布范圍最廣。

以不同年份同季節(jié)中，可以看出在春季2011年和2012年的NDVI高值分布區(qū)域較少，其余年份趨于相近，逐年布爾津縣中部植被分布增加，大部分地區(qū)都呈現(xiàn)出植被分布較少，西南地區(qū)邊緣植被分布較少。夏季在2010—2014年中NDVI空間分布變化較小，北部植被分布有所增加。秋季在2011年植被分布最廣，2014年植被分布最少，其余年份植被分布趨于相近，北部植被分布逐漸減少。

2.3 NDVI變化趨勢(shì)

變化趨勢(shì)SLOPE的計(jì)算，能更好的表征出隨著時(shí)間變化，長(zhǎng)時(shí)間序列歸一化植被指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化情況。植被NDVI變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出夏季高于秋季，秋季高于春季，冬季較穩(wěn)定的特征，數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 2010—2014年布爾津縣四季NDVI變化趨勢(shì)圖

5年間，春季NDVI值最小為-1.06，為負(fù)值，表示布爾津縣植被NDVI呈現(xiàn)出了逐漸減小的趨勢(shì)，由南向北NDVI呈現(xiàn)出逐步增加的分布特征，到北部邊緣逐漸減少。夏季NDVI值最小為0.01，NDVI值逐漸增加，植被分布廣泛，其夏季NDVI平均變化趨勢(shì)較小，但呈現(xiàn)逐漸增加的變化趨勢(shì)。夏季冰川融化且雨水充足，地表徑流豐富，人為的種植植物較多，NDVI值越高。

秋季NDVI值最小為0，為正值，呈現(xiàn)出植被指數(shù)呈現(xiàn)出了逐步增加的趨勢(shì)。秋季平均降水量降低，農(nóng)作物進(jìn)入收獲期，耐旱適鹽的植被可以在秋季繼續(xù)生長(zhǎng)和存活。冬季NDVI值最小為-0.01，北部NDVI值降低趨勢(shì)顯著，其植被變化趨勢(shì)減小。冬季11—12月，大部分耐寒耐旱植被仍保持生長(zhǎng)，土壤的溫度與含水率對(duì)植物的生長(zhǎng)有較明顯的影響。這一階段土壤氣候溫度及相對(duì)濕度都比較低，在土壤條件的影響下部分植被緩慢地衰敗甚至死亡，植被指數(shù)下降。

3 討論

2010—2014年布爾津縣四季NDVI的變化中，冬季NDVI均值最低，夏季均值最高，造成這一結(jié)果的原因是由于冬季溫度較低、降水量較少，部分植被進(jìn)入落葉期，植被處于生長(zhǎng)季末期；而夏季降水量充沛，溫度較高，植被光合作用活躍，處于生長(zhǎng)季最旺盛時(shí)期。本研究通過(guò)分析2010—2014年三季NDVI時(shí)序變化，發(fā)現(xiàn)NDVI呈現(xiàn)隨著時(shí)間的變化，NDVI的平均值也增加，特別是夏季和秋季NDVI增長(zhǎng)較為明顯。

NDVI空間分布表明，研究區(qū)在夏季NDVI平均值達(dá)到了最高值，主要分布西南部和東北部逐步減少，可能是由于夏季溫度較高，水分蒸發(fā)速度快，而植物需水量大，不能快速供給植物生長(zhǎng)所必需的水分，從而導(dǎo)致部分植物受到干旱脅迫，從而導(dǎo)致植被變化不均。春秋季NDVI均值較低，甚至出現(xiàn)負(fù)值，主要分布北部方向植被減少，可能是由于春季氣溫逐漸升高使水汽增多，出現(xiàn)多云天氣。秋季NDVI值與春季NDVI值相接近，秋季植被分布相對(duì)沒(méi)有明顯變化。

新疆是溫帶大陸性氣候，在全球氣候變化背景下，新疆NDVI時(shí)空變化引起了眾多學(xué)者的密切關(guān)注。相關(guān)研究表明[18-20]，近30年來(lái)新疆NDVI呈明顯增加趨勢(shì)，尤其是在夏秋兩季增加趨勢(shì)最為明顯。本研究結(jié)果表明，布爾津縣2010—2014年NDVI也表現(xiàn)出與整個(gè)新疆相同的變化規(guī)律，布爾津縣2010—2014年NDVI變化趨勢(shì)具有更明顯的規(guī)律性，即總體NDVI數(shù)值變化越大，呈現(xiàn)的增加趨勢(shì)更為顯著，NDVI數(shù)值變化越小，增加趨勢(shì)不明顯。NDVI變化趨勢(shì)較小，代表該區(qū)域內(nèi)的植被分布較穩(wěn)定，植被生長(zhǎng)狀況良好，表明該區(qū)域的植被內(nèi)部環(huán)境較穩(wěn)定不易受到外界氣候或環(huán)境的影響。變化趨勢(shì)顯著增加則表示該地區(qū)的植被呈下降趨勢(shì)，植被的覆蓋度降低[21-23]。NDVI下降的主要原因有，城市化進(jìn)程加快，旅游業(yè)發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)加速以及大規(guī)模的城市建設(shè)等人為活動(dòng)引起植被減少[24-26]。

本研究分析了布爾津縣5年的歸一化植被指數(shù)時(shí)序變化研究和空間分布特征，但還存在一定局限性，由于研究利用分布率問(wèn)題可能無(wú)法顯示特殊區(qū)域的變化特征，在今后的分析中將通過(guò)更高分布率數(shù)據(jù)對(duì)特殊區(qū)域進(jìn)行分析，在變化因素的分析中應(yīng)考慮人類活動(dòng)對(duì)植被覆蓋度造成的影響。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)布爾津縣2010—2014年基于時(shí)間序列的MODIS-NDVI數(shù)據(jù)處理，從時(shí)間和空間角度，采用季節(jié)變化和變化趨勢(shì)分析的方法，對(duì)NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，得出以下結(jié)論：

（1）2010—2014年布爾津縣NDVI從時(shí)序變化角度而言，NDVI存在明顯的季節(jié)性差異，夏季NDVI值相對(duì)較高，均在0.05～0.6之間波動(dòng)。春季和秋季年際的NDVI值波動(dòng)幅度較小，均分別在0.12～0.21和0.29～0.34之間波動(dòng)。不同季節(jié)NDVI年際變化的總體大小排序?yàn)椋合募荆厩锛荆敬杭荆径尽?/p>

（2）夏季NDVI分布的變化趨勢(shì)不明顯，夏季植被最為茂盛，空間分布無(wú)明顯變化，其中2011年植被生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)最佳；春季NDVI數(shù)值先減少后增加，空間分布上中部和西南部植被分布有所增加，北部植物相對(duì)減少，秋季NDVI數(shù)值呈現(xiàn)了先降低后增加的變化趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)相對(duì)較小，說(shuō)明秋季植被生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)變化不劇烈，尤其在研究區(qū)東北方向，植物分布相對(duì)減少。

（3）布爾津縣四季5年間的NDVI變化趨勢(shì)，春季NDVI呈現(xiàn)了逐步降低的變化趨勢(shì)，夏季和秋季NDVI變化趨勢(shì)均呈現(xiàn)出了增加趨勢(shì)，冬季NDVI變化趨勢(shì)微弱。