基于ENVI的巴里坤草地动态变化信息提取及分析

邢文渊，石 玉，镨拉提，王 蕾，肖 然

（1.新疆维吾尔自治区气候中心，新疆 乌鲁木齐830002；2.广东省气象服务中心，广东 广州510080；3.成都信息工程学院，四川 成都610225）

草地不仅是畜牧业的生产基地[1]，而且是干旱区重要的绿色生态屏障，具有防风固沙、涵养水源、保持水土、净化空气以及维持区域生态平衡等重要生态功能[2]。草地植被的变化不仅可以反映牧草长势动态，也可以表明草地生态环境及其退化状况。随着气候变化和人类活动的影响，草地生态系统正经受着越来越严重的人为与自然因素干扰[3]，相关研究表明[4]，新疆的各类草地变化显著，草地存在严重的退化，且对草地生态系统也缺乏动态性研究[5]。

对于巴里坤草地而言，在气候变化的大背景下，其时空变化也不尽相同，不同区域、不同时间草地的变化也不同,认识这些变化状况并分析其原因,对于了解影响草地变化的因素,预测植被的演化状况有着重要意义[6]。

归一化植被指数（NDVI）是地表植被覆盖特征的重要指标之一，它能反映植被代谢强度及其季节和年际变化，可用于植被的监测、分类和物候分析。由于EOS/MODIS光谱性能稳定,辐射定标精度优越[7]，能够部分地补偿照明条件、地面坡度以及卫星观测方向的变化所引起的不足。归一化植被指数（NDVI）和增强型植被指数（EVI）对干旱-半湿润环境下低覆盖植被的描述能力相似[8]，但NDVI数据比较均一，其空间相关性高于增强型植被指数（EVI）[9]，且NDVI较EVI能更好地估算高原地区的草地生长状况[10]，并结合巴里坤地处西部干旱区海拔较高且植被覆盖较低，在7月时植被覆盖达到最大等实际情况。本文主要借助2003—2012年7月的MODIS-NDVI资料和气象数据资料，基于ENVI软件平台，对巴里坤草地覆盖动态变化进行研究。

1 资料和方法

1.1 资料来源及处理

1.1.1 资料来源

本文所用的MODIS影像数据资料都来自新疆维吾尔自治区气候中心接收的EOS-MODIS原始数据.PDS文件，选取2003—2012年7月的影像数据作为数据源，其间所用到的气象数据也来自新疆维吾尔自治区气候中心。

1.1.2 数据处理

1.1.2.1 数据预处理

MODIS原始数据为.PDS文件，需进行预处理。本文MODIS预处理采用了由新疆维吾尔自治区气候中心的EOS-MODIS资料接收处理系统，完成辐射定标。

1.1.2.2 几何校正

MODIS原始数据经预处理生成.HDF文件，利用星地通公司提供的EOS-MODIS投影工具将图像以等经纬度投影，中心经度93.75°，中心纬度43°，中心分辨率0.002 5。

1.1.3 研究区概况

巴里坤哈萨克自治县（图1）是新疆维吾尔自治区东北部的一个自治县，位于天山山脉东段与东准噶尔断块山系之间的草原上，隶属哈密行署，地理坐标为91°19′30″～94°48′30″E、43°21′～45°5′19″N，东邻伊吾县，南接哈密市，西毗木垒哈萨克自治县，北接蒙古人民共和国，全县总面积38 445.3 km2。巴里坤盆地海拔1 500～2 000 m，具大陆性高寒气候特征,年平均温度0.8℃。夏天湿凉，冬季严寒，光照充足，热量欠缺，干旱少雨,多大风[11]。该县具备良好的自然资源，在农林牧复合生态系统中，牧业占据主导地位，但由于人类活动影响的增强，草地生态系统退化表现明显[12]。

1.2 方法介绍

挑选研究区2003—2012年7月逐日的EOS/MODIS卫星影像，选取云覆盖较小的影像数据，对影像数据进行云检测处理，详细流程可参见前期论文[13]。

由于单个时相的数据很难排除云雾等造成的影响，因此要考虑用某一时间段内的植被指数合成一个反映这一时间段内植被状况的植被指数图像。为尽可能地消除云、雾、水汽等对NDVI数值的影响[14]，加之本文以月为研究单位，因此对每月的归一化植被指数数据做最大值合成（Maximum Value Composites），以此作为月NDVI数据。

利用巴里坤1:250 000的土地分类图，通过图像精校正、配准，提取巴里坤的草地NDVI信息，利用ENVI软件的Basic Tools工具中的Statistics功能将草地NDVI信息进行统计计算，并依据NDVI值大小进行分类，按照NDVI值的高低划分为荒漠化草地（0

将得到的2003年7月的草地NDVI图作为本底图，将其余年份分别与其进行差值计算，得到巴里坤草地的动态变化图（图2）。

2 结果分析

巴里坤草地时空变化差异较大，荒漠化草地面积总体呈现下降趋势，低覆盖草地面积总体呈现增加趋势，中覆盖草地面积年际间变化较大，高覆盖草地相对保持稳定，但这并不能详细反映出草地年际间相同地域细微的变化。为了更好地分析巴里坤草地同一区域逐年更为详细的变化情况，选取所获数据较早的年份—2003年作为基准年，将巴里坤2004—2012年7月的草地NDVI分别与2003年7月的草地NDVI进行差值计算，由于NDVI理论值介于[-1，+1]之间，进行差值计算后，理论上则可能产生[-2，+2]之间的情况，但实际情况并无变幅在1以上的情形。因此，根据实际情况，按照NDVI变动幅度情况依照不同区间进行数据的分类整理，同样借助ENVI的Statistics功能，统计计算不同变化区间的草地面积动态变化。为方便对比，依照对称区间进行分类统计，具体见图3。

图1 巴里坤哈萨克自治县EOS/MODIS卫星影像（a）和草地类型（b）示意图

图2 巴里坤哈萨克自治县草地NDVI动态变化

由巴里坤2004—2012年与2003年逐年的草地NDVI差值统计数据（图3）可以看出，其面积变化较大的主要发生在区间[0.001，0.1）与（-0.1，-0.001]，两区间面积合计能占到巴里坤草地面积的90%以上（2008年除外）；其次位于区间[0.1，0.2）与（-0.2，-0.1]，两区间面积合计占比不到巴里坤草地面积的6%（2008年除外）；位于其余区间的面积占比相对则很低了。由图2可以看出，2004—2012年相对2003年巴里坤草地NDVI负变化介于区间（-0.1，-0.001]的面积绝对数量较大，但总体呈现出逐年递减的趋势，虽说也有个别年份又有所增加（如2009年和 2011年）；NDVI正变化介于区间[0.001，0.1）的草地面积也较大，但总体呈现出逐年增加的趋势；NDVI变化在-0.2以下或超过0.2以上的面积较少，总和还不到巴里坤草地面积的2.2%，且总体向好，正变化面积多于负变化面积。这也说明，当地草地NDVI的变化主要介于（-0.1，-0.001]和[0.001，0.1）范围内的微幅变化，在所进行的2004—2012年与2003年的相比较中，除2007年和2010年草地面积位于正变化区间[0.001，0.1）的面积多于负变化区间（-0.1，-0.001]外，其余各年份则是负变化面积多于正变化，这也说明，虽说巴里坤草地面积整体呈现增加趋势，但是年际间还是存在负变化的情况，其细微变化还是很大。

2008年相对2003年的草地NDVI差值，位于正变化区间 [0.001，0.1）的草地面积只有2 633.6 km2，明显低于其他年份与2003年NDVI差值，但其位于正变化区间[0.1，0.2）的草地面积却显著高于其他年份与2003年NDVI差值，这也表明，2008年巴里坤草地长势较好，除了“量”的变化，更有“质”的增长，这也更好地解释了为何2008年呈现出荒漠化草地面积减少而中、低覆盖草地面积增加的现象。

从空间变化来看，易发生正—负交替变化的草地区域主要集中在巴里坤西南部地区，这里主要以低盖度和荒漠化草地为主，相对较为稳定的草地区域主要集中在巴里坤东部与伊吾交接的东天山区域，变化较为剧烈的草地区域主要集中在巴里坤湖区周边以及大河镇以北，八墙子乡以西部分区域以及南天山北坡一线草地也有较大波动，但近几年开始整体有逐步向好的趋势。

由此可见，借助对草地NDVI变化进一步的细化和分类统计，也更为直观地量化了巴里坤草地的具体变化情况，对细微变化起到了“放大”作用，有助于从微观角度发现其细微变化。这也说明MODISNDVI植被指数能很好地反映各草地类型的生长季节变化过程[15]。

3 讨论

2003—2012年间，巴里坤草地面积呈现逐年向好的趋势，荒漠化草地有向低覆盖草地演替的趋势；但从NDVI的差值动态变化来看，其变化区域主要集中在（-0.1，-0.001]和[0.001，0.1）范围内，说明其大部分的草地在年际间发生的变化是以微幅变动为主，其发生区域主要集中在覆盖度较低的荒漠化草地和低盖度草地，说明这些区域草地的生态脆弱性较强，易受外部气象条件扰动影响：当外部条件较合适时，其草地NDVI动态变化为正，向好；当外部条件较差时，草地NDVI动态变化为负，变差。NDVI差值动态变化发生较大范围变化的面积占比并不大，说明草地发生剧烈变化的面积并不多，且这小部分变化较大的区域主要位于巴里坤湖区周边，其变化主要受湖区水量多寡影响，这也表明当地的草地生态系统具有一定的相对稳定性。

图3 巴里坤草地NDVI差值变化图

草地逐年的面积变化，只是从整体上反映当地草地面积总的变化趋势，而进行草地面积的差值动态变化统计分析，是对同一区域不同年份NDVI值的差值计算，是一种“一一对应”的映射关系，更能体现出局部区域的细微变化，也能更好地反映出同一地方草地不同年份的变化情况，更接近当地草地变化的实际情况，因此，开展这样的监测，更有利于掌握草地实际的变化情况，为草原治理及恢复提供科学依据。

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