2010—2020 年秦嶺北麓NDVI 時(shí)空變化分析
——以西安市為例

馬 凌，張恒毅

（1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065；2.周至縣自然資源和規(guī)劃局，西安 710499）

植被在氣候調(diào)節(jié)、水土保持、固碳釋氧等方面發(fā)揮重要作用，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成，同時(shí)也影響不同生態(tài)系統(tǒng)間水分循環(huán)和生物循環(huán)[1-3]。植被時(shí)空變化特征分析能反映氣候、環(huán)境和生態(tài)變化規(guī)律，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[4]。秦嶺是我國(guó)重要的生態(tài)屏障，秦嶺南北區(qū)域的自然環(huán)境存在明顯差異，是劃分南北氣候、降水、氣溫等方面的重要分界線，有著調(diào)節(jié)氣候、維護(hù)生物多樣性等生態(tài)服務(wù)價(jià)值。研究秦嶺地區(qū)植被覆蓋時(shí)空變化特征，對(duì)分析秦嶺生態(tài)變化趨勢(shì)、促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。衛(wèi)星遙感作為一種常用的技術(shù)手段，在監(jiān)測(cè)大面積植被長(zhǎng)勢(shì)和時(shí)空變化特征等方面發(fā)揮重要作用，利用遙感衛(wèi)星計(jì)算植被指數(shù)能準(zhǔn)確提取地表植被覆蓋，分析植被變化趨勢(shì)[5-7]。歸一化植被指數(shù)（NDVI）是一種研究植被生長(zhǎng)狀況的常用指數(shù)，而MODIS 衛(wèi)星的MOD13A2數(shù)據(jù)產(chǎn)品具有高精度、長(zhǎng)時(shí)序的優(yōu)勢(shì)，在相關(guān)研究中應(yīng)用廣泛[8]。本文選取秦嶺北麓西安段作為研究區(qū)，以2010—2020 年MODIS 衛(wèi)星的MOD13A2 數(shù)據(jù)產(chǎn)品為基礎(chǔ)，通過(guò)ENVI5.3 軟件、ArcGIS10.5 軟件進(jìn)行處理，利用最大值合成法、差值法，揭示NDVI的時(shí)空變化規(guī)律，為秦嶺生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測(cè)提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

西安市是陜西省省會(huì)，位于關(guān)中平原中部，下轄13 個(gè)區(qū)縣，是中國(guó)西部重要的中心城市。西安市屬于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，降水主要集中在7—9 月。北鄰渭河和黃土高原，南部毗鄰秦嶺，部分區(qū)縣位于秦嶺北麓，屬于我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的熱點(diǎn)區(qū)域。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)產(chǎn)品及處理

本研究選取2010 年和2020 年MODIS 衛(wèi)星的MOD13A2 數(shù)據(jù)產(chǎn)品，該數(shù)據(jù)產(chǎn)品為美國(guó)國(guó)家航空航天局的16 d 合成數(shù)據(jù)（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/），空間分辨率為1 km，每月可獲取兩期影像。其波段包括兩種植被指數(shù)，其中增強(qiáng)型植被指數(shù)（EVI）能突出植被冠層的結(jié)構(gòu)特征，而NDVI能有效反映植被葉綠素含量，準(zhǔn)確估算植被長(zhǎng)勢(shì)及覆蓋情況。根據(jù)需要，本研究選取MOD13A2 數(shù)據(jù)產(chǎn)品的NDVI 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通過(guò)MODIS 重投影工具對(duì)MOD13A2 數(shù)據(jù)產(chǎn)品的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，選取NDVI波段進(jìn)行批量投影轉(zhuǎn)換，重采樣方法為最鄰近法，輸出影像從HDF 格式轉(zhuǎn)為TIFF 格式。同時(shí)，利用ENVI5.3 軟件進(jìn)行拼接、區(qū)域裁剪、剔除異常值等處理。

2.2 最大值合成法

對(duì)研究區(qū)2010—2020 年的NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行最大值合成處理，最大值合成法對(duì)每個(gè)像元在一定時(shí)間內(nèi)的值進(jìn)行比較篩選，從而有效剔除因大氣環(huán)境、云量、太陽(yáng)高度角等原因?qū)DVI數(shù)據(jù)計(jì)算造成的干擾。本研究使用ArcGIS10.5軟件的空間分析模塊，根據(jù)式（1）對(duì)西安市2010 年和2020 年1—12 月的NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行最大值合成處理，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)NDVI進(jìn)行重分類。

式中：NDVIi為第i年的歸一化植被指數(shù)，i取2010 和2020，分別代表2010 年、2020 年；NDVIij為第i年第j月的歸一化植被指數(shù)，j取1 ～12，分別代表1 月至12 月。

2.3 差值法

差值法通過(guò)對(duì)不同時(shí)間的NDVI影像進(jìn)行像元級(jí)別的差值運(yùn)算，得到區(qū)域內(nèi)一定時(shí)間段內(nèi)的NDVI變化情況，是一種直觀描述區(qū)域內(nèi)不同時(shí)間NDVI動(dòng)態(tài)變化的有效方法。本研究使用ArcGIS10.5 軟件空間分析模塊的柵格計(jì)算器，根據(jù)式（2）對(duì)西安市2010 年和2020 年NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行差值運(yùn)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)NDVI插值進(jìn)行重分類，分析秦嶺北麓2010—2020 年植被生長(zhǎng)變化趨勢(shì)。

式中：NDVIi-j為第i年與第j年歸一化植被指數(shù)的差值；NDVIi、NDVIj分別為第i年和第j年的歸一化植被指數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 西安市NDVI 時(shí)空分布特征

通過(guò)最大值合成法對(duì)西安市2010 年、2020 年NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算結(jié)果能較好地反映植被生長(zhǎng)最佳狀況。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)區(qū)域內(nèi)植被覆蓋程度進(jìn)行劃分。若0.2 ＜NDVI＜0.3，則該區(qū)域?yàn)闃O低植被覆蓋區(qū)；若0.3 ＜NDVI＜0.6，則該區(qū)域?yàn)橹兄脖桓采w區(qū)；若NDVI＞0.6，則該區(qū)域?yàn)槊芗脖桓采w區(qū)。通過(guò)ArcGIS10.5 軟件對(duì)不同植被覆蓋程度進(jìn)行重分類，根據(jù)分類結(jié)果對(duì)不同植被覆蓋區(qū)域進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)。經(jīng)計(jì)算，2010 年西安市極低植被覆蓋區(qū)面積為106.42 km2，密集植被覆蓋區(qū)面積為9 079.21 km2，而2020 年西安市極低植被覆蓋區(qū)面積為73.29 km2，密集植被覆蓋區(qū)面積為8 628.41 km2。由結(jié)果可知，極低植被覆蓋區(qū)和密集植被覆蓋區(qū)面積均有所減少，中植被覆蓋區(qū)面積則有所增加。植被覆蓋程度在空間分布上呈現(xiàn)明顯差異，其中極低植被覆蓋區(qū)主要集中在西安市城區(qū)，以此為中心，植被覆蓋度向周圍逐漸遞增，密集植被覆蓋區(qū)則主要分布在南部秦嶺地帶，中植被覆蓋區(qū)則主要分布在西安市中部。西安市2010年NDVI均值為0.758，2020年NDVI均值為0.768，NDVI整體呈上升趨勢(shì)，以西安市城區(qū)為中心的NDVI極低植被覆蓋區(qū)呈擴(kuò)張趨勢(shì)，而南部以秦嶺為主的區(qū)域則由中高植被覆蓋區(qū)向密集植被覆蓋區(qū)轉(zhuǎn)變。

研究區(qū)北部主要為城市中心，土地利用類型以建設(shè)用地為主，受人類活動(dòng)影響較大，故而植被覆蓋度較低。但隨著城市不斷擴(kuò)張，經(jīng)政策調(diào)節(jié)，公園、防護(hù)林等的建設(shè)增加，使城市植被覆蓋度有所上升，生態(tài)環(huán)境有所改善。研究區(qū)南部秦嶺地帶以耕地、林地為主，加上政府對(duì)該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，南部生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步優(yōu)化，植被覆蓋度保持整體上升的趨勢(shì)。

3.2 西安市NDVI 動(dòng)態(tài)變化特征

利用差值法對(duì)2010 年、2020 年西安市的NDVI動(dòng)態(tài)變化特征進(jìn)行分析。根據(jù)差值計(jì)算結(jié)果，對(duì)秦嶺北麓植被動(dòng)態(tài)變化程度進(jìn)行分級(jí)。若NDVI≤-0.25，則該區(qū)域?yàn)橹脖粐?yán)重退化區(qū)；若-0.25 ＜NDVI≤-0.15，則該區(qū)域?yàn)橹脖恢卸韧嘶瘏^(qū)；若-0.15 ＜NDVI≤-0.05，則該區(qū)域?yàn)橹脖惠p度退化區(qū)；若-0.05 ＜NDVI≤0.05，則該區(qū)域?yàn)橹脖换静蛔儏^(qū)；若0.05 ＜NDVI≤0.15，則該區(qū)域?yàn)橹脖惠p度改善區(qū)；若0.15 ＜NDVI≤0.25，則該區(qū)域?yàn)橹脖恢卸雀纳茀^(qū)；若NDVI＞0.25，則該區(qū)域?yàn)橹脖桓叨雀纳茀^(qū)。通過(guò)ArcGIS10.5 軟件，對(duì)不同植被改善區(qū)域面積進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，西安市植被覆蓋改善的區(qū)域達(dá)到3 047.15 km2，其中輕度改善區(qū)域面積最大，占97.99%，主要集中分布在西安市南部秦嶺地帶；植被覆蓋退化區(qū)域面積為1 810.21 km2，其中輕度退化區(qū)域面積最大，占83.31%，主要分布在西安市北部城市中心地帶；基本不變的區(qū)域則在西安市范圍內(nèi)均有分布。數(shù)據(jù)顯示，2010—2020 年，西安市南部區(qū)域植被覆蓋度有所提升，生態(tài)環(huán)境改善明顯，反映政府相關(guān)政策的正確性。西安市北部則因城市發(fā)展擴(kuò)張，不斷占用周邊耕地和林草用地，導(dǎo)致植被覆蓋度明顯下降。西安市北部植被覆蓋退化和改善現(xiàn)象同時(shí)存在，反映該地區(qū)在城市發(fā)展過(guò)程中注重生態(tài)文明建設(shè)。

4 結(jié)論

最大值合成法和差值法能較好地反映研究區(qū)植被覆蓋變化趨勢(shì)，西安市植被覆蓋度在空間上存在明顯差異，NDVI由秦嶺向北逐漸減小，2010—2020 年植被覆蓋度明顯上升，但不同區(qū)域植被變化情況有所差異。2010—2020 年，研究區(qū)植被覆蓋改善區(qū)域面積為3 047.15 km2，其中輕度改善區(qū)域占97.99%，主要分布在南部秦嶺地帶；退化區(qū)域面積為1 810.21 km2，其中輕度退化區(qū)域占83.31%，主要集中在北部城市中心。植被覆蓋的時(shí)空變化特征反映城市建設(shè)擴(kuò)張和政府政策引導(dǎo)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。