2012—2018 年忻州市生長(zhǎng)季NDVI 時(shí)空變化及影響因素分析

鄭維龍

（山西工程職業(yè)學(xué)院，山西太原 030001）

0 引言

植被是連接土壤、大氣和水分等自然要素的紐帶，具有明顯的時(shí)空變化特征，是一個(gè)區(qū)域生態(tài)變化的陰晴表。通過(guò)構(gòu)建長(zhǎng)時(shí)序的植被覆蓋變化監(jiān)測(cè)，對(duì)于了解一個(gè)區(qū)域的植被生長(zhǎng)狀況和生態(tài)環(huán)境變化，具有重要意義[1]。遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)因其監(jiān)測(cè)范圍廣、受約束條件小等特點(diǎn)，在植被變化監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI），由于其對(duì)植被監(jiān)測(cè)具有較高的靈敏度，被認(rèn)為是監(jiān)測(cè)植被生長(zhǎng)狀況的最佳指示因子，廣泛應(yīng)用于植被覆蓋變化監(jiān)測(cè)、生物生產(chǎn)量評(píng)估、生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測(cè)等研究領(lǐng)域[2-3]。忻州市作為山西省北部生態(tài)安全保護(hù)屏障、“太忻一體化”發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，研究該區(qū)域植被覆蓋時(shí)空變化具有重要戰(zhàn)略意義。以忻州市為研究區(qū)域，利用NDVI 和氣象因子之間的關(guān)系重構(gòu)2012—2018 年忻州市生長(zhǎng)季植被覆蓋時(shí)空分布格局，探明忻州市植被覆蓋時(shí)空變化規(guī)律，為推進(jìn)山西省“兩山四河一流域”生態(tài)修復(fù)治理、建設(shè)“太忻一體化經(jīng)濟(jì)區(qū)”提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)源與預(yù)處理

1.1 研究區(qū)

忻州市位于山西省中北部，地理環(huán)境復(fù)雜，屬于溫帶大陸性氣候，冬無(wú)嚴(yán)寒，夏無(wú)酷暑，四季分明。

1.2 數(shù)據(jù)源與預(yù)處理

本次研究選用美國(guó)國(guó)家航天局(NASA)提供的MODIS 中分辨率遙感數(shù)據(jù)MOD09A1 地表反射率產(chǎn)品，其空間分辨率為500 m，時(shí)間分辨率為8 d。實(shí)驗(yàn)中，選取覆蓋忻州市1 個(gè)軌道（h26v05）的2012—2018 生長(zhǎng)季（5—9 月）MOD09A1 數(shù)據(jù)集，在MRT 軟件中將數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換、掩膜等一系列預(yù)處理。在ArcGIS 軟件中通過(guò)波段運(yùn)算并利用最大值合成法[4]得到每個(gè)月的月最大NDVI 時(shí)間序列影像數(shù)據(jù)集。利用中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/）提供的包含忻州地區(qū)及周邊氣象站的5—9月的溫度與降水?dāng)?shù)據(jù)，考慮到忻州市的高海拔特征，采用克里金插值法[3]將氣象站點(diǎn)的降水、溫度進(jìn)行空間插值，使其空間分辨率與研究區(qū)域的NDVI一致。

2 研究方法

2.1 相關(guān)系數(shù)法

自然界中許多變量之間存在著一定的聯(lián)系，它們之間既不是確定的函數(shù)關(guān)系，也不是完全沒(méi)有關(guān)系，皮爾遜相關(guān)系數(shù)法可以定量研究?jī)蓚€(gè)變量之間的關(guān)系[5]。借助于皮爾遜相關(guān)系數(shù)法可以探測(cè)忻州市NDVI與降水（或溫度）之間的相關(guān)系數(shù)，從而可以確定它們之間的相關(guān)性，具體計(jì)算式如式（1）所示：

式中：Rxy為二者的相關(guān)系數(shù)；xi為每月的降水總量（或月均溫），xˉ為研究期內(nèi)降水總量（或溫度）的平均值；yi為每月的月最大NDVI，yˉ為研究期內(nèi)NDVI的平均值；i為研究期，本次選取i=1～7；n為研究年份，本次選取n=7。若相關(guān)系數(shù)Rxy的絕對(duì)值越接近于1，說(shuō)明二者的相關(guān)性越高；如果Rxy＞0，表明二者呈正相關(guān)，反之則呈負(fù)相關(guān)。

2.2 趨勢(shì)分析法

為了監(jiān)測(cè)忻州市長(zhǎng)時(shí)間序列的植被覆蓋變化特征，對(duì)忻州市2012—2018 年生長(zhǎng)季與時(shí)間進(jìn)行回歸分析，得到一元線性回歸方程。通過(guò)計(jì)算回歸方程斜率k，進(jìn)而得出在研究期同一像元的NDVIMAX變化趨勢(shì)。當(dāng)k＜0時(shí)，表示植被在研究期內(nèi)呈退化趨勢(shì)，k＞0表示呈改善趨勢(shì)[5]，具體計(jì)算式如式（2）所示：

式中：i為研究期，本次選取i=1～7；n為研究年份，本次研究中n=7；NDVIMAX為年生長(zhǎng)季最大NDVI。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被與降水的相關(guān)性

通過(guò)式（1）得到，生長(zhǎng)季NDVI與降水（溫度）的皮爾遜相關(guān)系數(shù)分布圖如圖1（a）所示。

圖1 忻州市植被趨勢(shì)圖

為了研究植被受降水（溫度）的影響程度，以相關(guān)系數(shù)R（-1≤R≤1）作為指標(biāo)，將R按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［5］分為：高度正相關(guān)（R≥0.8）、中度正相關(guān)（0.5≤R＜0.8）、低度正相關(guān)（0.3≤R＜0.5）、不相關(guān)（-0.3≤R≤0.3）和負(fù)相關(guān)（-1≤R≤-0.3）等5 類，如圖2 所示。

圖2 忻州市植被趨勢(shì)分類圖

在空間分布上,呈高度正相關(guān)的區(qū)域主要集中在河曲縣北部、保德縣東部、繁峙縣東部及原平市西北部；呈中度正相關(guān)的區(qū)域主要分布在偏關(guān)縣及原平市東部；呈低度正相關(guān)的區(qū)域主要分布在五臺(tái)縣東部及忻府區(qū)東部；其余區(qū)域表現(xiàn)為不相關(guān)或者負(fù)相關(guān)。

在不同地類中，呈高度正相關(guān)區(qū)域的植被覆蓋主要以草地為主，其相關(guān)系數(shù)R為0.9；呈中度正相關(guān)區(qū)域的植被覆蓋類型以林地和耕地為主，其中林地的相關(guān)系數(shù)R為0.76，耕地的相關(guān)系數(shù)R為0.68；呈不相關(guān)或者負(fù)相關(guān)的區(qū)域是非植被覆蓋地類，它們主要分布在忻州市各個(gè)縣城的中心區(qū)域及汾河和滹沱河流域，主要是建設(shè)用地和水體。忻州市不同植被覆蓋類型對(duì)降水的相關(guān)性R由高到低依次是：草地、林地、耕地。說(shuō)明在生長(zhǎng)季忻州地區(qū)林地和草地受降水的影響較大。耕地對(duì)降水的敏感性偏低，側(cè)面說(shuō)明在忻州市人工灌溉對(duì)栽培植被的生長(zhǎng)貢獻(xiàn)較高。降水是忻州地區(qū)林地和草地生長(zhǎng)的主導(dǎo)因素，而人工灌溉是耕地生長(zhǎng)的主導(dǎo)因素。

3.2 植被與溫度的相關(guān)性

從圖1(b)和圖2(b)上可以看到：在空間分布上，植被與溫度呈高度正相關(guān)性的區(qū)域主要分布在忻州市的繁峙縣、五臺(tái)縣、靜樂(lè)縣東部及原平市南部；呈中度正相關(guān)的區(qū)域主要分布在除河曲縣西部以外的大部分區(qū)域；呈低度正相關(guān)的區(qū)域主要分布在保德縣中西部及原平市東部。呈不相關(guān)或負(fù)相關(guān)的區(qū)域主要集中在忻府區(qū)中部。

通過(guò)對(duì)不同植被覆蓋類型分析發(fā)現(xiàn)：呈高度正相關(guān)的植被類型是林地，其相關(guān)系數(shù)R為0.85；呈中度正相關(guān)的植被類型是耕地，其相關(guān)系數(shù)R為0.73；呈低度正相關(guān)的區(qū)域主要植被是草地，其相關(guān)系數(shù)R為0.37；呈不相關(guān)和負(fù)相關(guān)的區(qū)域主要是建設(shè)用地和水體。通過(guò)植被與溫度的相關(guān)性可以看到，在忻州市植被覆蓋與溫度的相關(guān)系數(shù)由高到低依次為：林地、耕地和草地。

在通常情況下，隨著海拔的升高，溫度會(huì)下降。忻州市植被與溫度呈高度正相關(guān)的區(qū)域主要是海拔在2000 m 以上的寧武縣、五臺(tái)山縣；呈中度正相關(guān)性的區(qū)域集中在1000~2000 m 之間的原平市、代縣等區(qū)域；呈低度正相關(guān)的區(qū)域主要是海拔在1000 m以下的忻府區(qū)、定襄縣。

3.3 趨勢(shì)變化

通過(guò)對(duì)忻州市2012—2018年間生長(zhǎng)季最大NDVI做一元線性回歸，可以看到忻州地區(qū)7 年間植被覆蓋的變化趨勢(shì)如圖1（c）所示。參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[5]將斜率k分為明顯增加（k＞0.009 0）、中度增加（0.004 5＜k≤0.009 0）、略微增加（0.001 0＜k≤0.004 5）、基本不變（-0.001 0＜k≤0.001 0）、略微降低（-0.004 5＜k≤-0.001 0）、中度降低（-0.009 0＜k≤-0.004 5）、明顯降低（k≤-0.009 0）等7類，如圖2（c）所示。

通過(guò)圖2（c）可以看到:植被覆蓋變化趨勢(shì)呈明顯增加的區(qū)域主要集中在忻州市偏關(guān)縣、河曲縣、保德縣、原平市東部；呈中度增加的區(qū)域零星分布在忻州地區(qū)的各個(gè)縣市；略微增加的區(qū)域主要分布在靜樂(lè)縣中南部、寧武縣中部；基本不變的區(qū)域分布在神池縣中部、五臺(tái)縣東南部；略微降低的區(qū)域零星分布在靜樂(lè)縣西南部、岢嵐縣北中部等區(qū)域；呈中度降低和明顯降低的區(qū)域主要集中在忻府區(qū)中部、保德縣北部等區(qū)域。

通過(guò)對(duì)不同植被類型NDVI 一元變化趨勢(shì)做進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn):忻州市在2012—2018年間，植被覆蓋整體呈改善趨勢(shì)，但部分地理位置優(yōu)越的區(qū)域呈現(xiàn)少量退化趨勢(shì)。

忻州市所有植被覆蓋類型中，耕地的NDVI變化趨勢(shì)最穩(wěn)定，這說(shuō)明人類活動(dòng)對(duì)栽培植被穩(wěn)定性影響較大。NDVI呈退化的區(qū)域主要零星分布在忻州市城市化發(fā)展地理位置優(yōu)越的區(qū)域。對(duì)同期土地利用類型影像分析后發(fā)現(xiàn)，土地利用類型變化是導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因。受地形發(fā)展和經(jīng)濟(jì)政策等因素的影響，忻定盆地部分區(qū)域植被退化尤為明顯，建筑用地?cái)U(kuò)展、草地退化是忻州市植被退化的主要因素。在研究期內(nèi)，海拔較高的區(qū)域及人類活動(dòng)干擾較少的區(qū)域植被覆蓋呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；在經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的區(qū)域植被呈退化趨勢(shì)，其主要原因是城市化的發(fā)展，促進(jìn)土地利用類型的變化，從而導(dǎo)致了植被覆蓋的退化。

4 結(jié)語(yǔ)

使用MODIS-NDVI 數(shù)據(jù)集，對(duì)忻州市2012—2018年生長(zhǎng)季植被覆蓋變化進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1）忻州市植被覆蓋類型與降水相關(guān)性從高到低依次為：草地、林地、耕地；忻州西部植被與降水表現(xiàn)出較高的相關(guān)性；人工灌溉對(duì)耕地的貢獻(xiàn)較高。

2）忻州市植被覆蓋與溫度的相關(guān)系數(shù)由高到低依次為：林地、耕地、草地。在空間分布上，寧武縣、五臺(tái)縣、繁峙縣的植被與溫度的相關(guān)系數(shù)較高，其余部分為中度正相關(guān)。

3）在過(guò)去的7年間忻州市植被覆蓋整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，只是各個(gè)市縣中心的植被覆蓋略有退化，城市化發(fā)展建設(shè)是導(dǎo)致植被退化的主要因素。