基于MODIS数据的科尔沁区植被覆盖时空变化分析

李生勇,王晓卿,李 彪

（1.河套学院土木工程系,内蒙古巴彦淖尔 015000；2.伊金霍洛旗水土保持监测站,内蒙古鄂尔多斯 017200；3.内蒙古农业大学水利测绘信息与技术研究所,呼和浩特 010018)



基于MODIS数据的科尔沁区植被覆盖时空变化分析

李生勇1,王晓卿2,李 彪3

（1.河套学院土木工程系,内蒙古巴彦淖尔 015000；2.伊金霍洛旗水土保持监测站,内蒙古鄂尔多斯 017200；3.内蒙古农业大学水利测绘信息与技术研究所,呼和浩特 010018)

摘 要：我国植被覆盖辽阔,自然环境相对优越,但是随着时代发展,植被的生态系统遭到严重破坏,因此对植被空间格局的变化进行及时的研究至关重要。以通辽市科尔沁区为例,利用该区域2004—2013年的MODIS遥感数据产品,结合时间序列、均值法、插值法等理论,分析科尔沁区归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)的时间和空间变化特征,得出了科尔沁区近10 a的植被覆盖演变情况:近10 a间科尔沁区植被整体上呈增加趋势,增加速率为0.033/ a,其中植被覆盖度较好的年份是2005,2010,2011,2012和2013年,对整个科尔沁区而言,西辽河流域植被覆盖度最高；从NDVI值看出,对植被覆盖度贡献最大的为夏季,增加速率为0.002 8/ a。研究成果将为科尔沁地区日后地表生态环境的改善和治理提供决策依据和理论基础。

关键词：MODIS数据；科尔沁区；植被覆盖；NDVI；时空变化分析；年均变化率

2016,33（02):118-122,127

1 研究背景

历史上的科尔沁地区是少数民族的重要牧场,草绿水清,一望无垠［1］。但是数年来,由于人类的大肆开采和全球生态环境的改变,多数半干旱和干旱地区的生态系统遭到了严重破坏,大都面临荒漠化的危险［2］。过度砍伐森林和放牧导致科尔沁草原处于荒漠化的边缘［3］,这对我国北部草原构成了相当严重的生态威胁［4］。科尔沁地区荒漠化面积比重从20世纪50年代的22%增加到20世纪末的48.5%［5］,荒漠化程度异常严重。虽然在过去的数年里,人们通过多种方法如建造或种植沙漠流动障碍等,基本控制了沙漠的移动［6］,但有些地区依靠种植植被治沙效果很不明显。那么如何利用合理管理天然植被的方法来防止荒漠化成为诸多学者研究的重点话题［7］。近些年利用遥感技术分析植被覆盖度变化的研究越来越多,利用遥感技术研究植被覆盖的动态变化相对传统方法有诸多优势,不仅节省了大量的野外调查时间和科研经费,而且提高了工作效率,最重要的是能更加直观地揭示植被分布的规律［1］。

国内利用遥感数据对森林和草场覆盖面积及分布情况进行量测始于20世纪50年代,致力于遥感数据研究的专家学者也都取得了一定研究成果。盛永伟等［8］依据气象卫星归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)的时间序列数据将中国植被划分成多种类型,通过与中国植被图比较分析,大体揭示了中国植被的分布规律；张旭［9］借助新疆气象2002,2003年2 a的中分辨率成像光谱仪（Moderate-Resolution Imaging Spectroradio-Meter,MODIS)数据资料,利用MODIS-NDVI方法对塔里木河下游地区植被覆盖情况进行了分类,并分析讨论了各植被覆盖类型的季节变化规律；马志勇等［10］利用2000—2005年杭州地区的MODIS遥感数据并结合NDVI指数,分析了6 a间杭州植被覆盖变化特征,研究发现该地区植被覆盖5 a来有大幅度提升；郭广猛等［11］利用2001—2004年的MODIS遥感数据分析讨论了泾河流域实行退耕还林、还草政策以来的植被覆盖变化情况；张雷［12］利用250 m分辨率的MODIS数据和8 km分辨率的GIMMS数据对宁夏回族自治区过去23 a来的植被覆盖度变化作了研究分析；穆少杰等［13］基于MODIS-NDVI遥感数据反演了内蒙古地区2001—2010年植被覆盖度情况,从时间和空间尺度上分析了不同生态区植被的月际和年际变化特征。当然近10多年,大量国外学者也针对不同区域、不同时间序列以及不同精度的NDVI影像做了大量的研究分析。A. Kawabata等［14］分析了1982—1990年全球范围内植被活动的年际变化特征,研究表明:北半球中高纬度地区以及热带地区植被活动显著增加；W. Lucht等［15］和J . Tucker［16］分别分析1981—1991年和1981—1999年的NDVI值变化情况,结果表明北半球植被活动呈现增强趋势,最为明显的为中纬度地区；X. H. Wang等［17］基于1982—2006年NDVI数据对北美洲的植被覆盖度做了分析,该地区在80年代,植被覆盖呈上升趋势,之后植被开始退化。综上所述,国内外学者们利用遥感数据对植被覆盖时空变化的分析研究已经取得了一定成果,然而利用MODIS遥感数据产品对科尔沁区植被覆盖近10 a的时空变化情况研究成果很少,本文研究将对科尔沁地区今后地表环境的改善和治理具有迫切的现实意义。

2 研究区概况及数据处理

2.1 研究区概况

通辽市科尔沁区（北纬43°20′～44°00′,东经121°30′～123°15′)地处内蒙古自治区东部,与具有装备制造业摇篮美称的沈阳相邻。科尔沁区属温带半干旱大陆性季风气候,气候呈现出半干旱区向半湿润区、温带向暖温带过渡等特点,冬季多风干燥,夏秋季雨水较多,其分布的土壤类型呈现多样性,土壤类型主要有栗钙土、暗棕壤、风沙土、草甸土和咸盐土。该研究区地带性植被是典型草原到森林草原的过渡类型的疏林草原,但由于土壤的沙质性以及地下水位高等环境因素,加之人口的急剧增长和以滥垦、滥牧为主要特征的人类生产活动的强烈干扰,取而代之的是处于不同演替阶段的沙地次生植被和人工植被［18］。

2.2 数据处理

NDVI是反映近红外与红光波段的归一化比值关系的指数,该指数对植物检测灵敏度较高,数据具有可比性,常用来反映植被覆盖、生长等信息,在农业生产、灾害监测、生态监测等领域中已经得到了广泛的应用［19］。计算公式为

式中:NIR为近红外波段的反射率；R为可见光红波段的反射率［20］。

该指数与植被密度呈现正相关性,因此NDVI值越大,反映植被覆盖情况越好。MODIS是美国在1992年2月18日发射的地球观测系统的第一颗先进的基地轨道环境遥感卫星,搭载在Terra和Aqua两颗卫星上的中分辨率成像光谱仪,是观测全球生物和物理过程的重要仪器［21］。

本文先借助ENVI4.5,ARCGIS10等软件进行影像数据的预处理工作,主要包括:将*.HDF格式的MODIS NDVI数据转换成*.TIFF格式；将下载的原始数据Sinusoidal（等面积伪圆柱投影)投影转换为兰伯特投影（坐标系为WGS84坐标)。然后,对影像进行合理的时序重建,有效降低影像的噪声水平［22］,提取包含科尔沁区的感兴趣区遥感影像。接下来利用科尔沁区的行政区域图在ArcMap中进行创建空间参考、地理配准等工作,利用编辑器准确描出科尔沁区行政区域边界,生成*.shp文件。最后,运用ArcMap中的Spatial Analyst工具按掩膜方式提取出科尔沁区的影像数据。由于研究区域高程变化不大,所以未结合DEM数据进行地形分析。

3 研究区植被NDVI时空变化特征

3.1 科尔沁区植被NDVI时间变化趋势分析

一年中NDVI值最大的月份是植被生长最好的时候,此时的植被生长状态,能够代表该年植被总体的生长情况,因而可用该月份的NDVI值来代表该年度的NDVI值,进行年际变化趋势分析。为了确定一年中哪个月份的NDVI值为最大,可任取2 a各月NDVI数据,绘成柱状图,进行相应月份的选取（NDVI值是该月内2幅影像NDVI值的平均值),以2005, 2012年这2 a的影像数据为例进行说明,如图1所示。

图1 2005,2012年NDVI各月变化柱状图Fig.1 Histograms of monthly changes of NDVI in 2005 and 2012

由图1可以看出,7月份的NDVI值最大,这与7月份植物生长最为茂盛这一基本事实相符。科尔沁区植被NDVI值的年内变化,能够体现出该区植被变化的特点,植被NDVI值最好主要集中在6—9月份,7月份NDVI值最高,代表了该地区整体植被覆盖最好时期,这个时候NDVI值变化状况可以体现出该地区植被1 a的整体生长状态［23］。因此,选用科尔沁区7月份NDVI值的变化趋势来研究该区植被近10 a的年际变化特征,具有一定的代表性。借助遥感处理软件获得相应各年研究区NDVI的区域平均值,绘制NDVI随时间变化的折线图,如图2所示。

图2 2004—2013年NDVI年际变化趋势Fig.2 Inter-annual variation trend of NDVI from 2004 to 2013

从图2中可以看出:科尔沁区的NDVI整体呈增加趋势,速率为0.033/（10 a)；最大值出现在2013 年,NDVI值为0.72；最小值出现在2006年,NDVI值为0.65；年际NDVI趋势变化表现为以2005,2008, 2010年为波峰,以2006,2009,2011年为波谷的波动上升过程,且在2006年NDVI急剧下降,出现近10 a以来的最低值；2009年以后,NDVI呈现相对稳定的增加趋势,且增长速度较快。

为了更加清楚地了解科尔沁各个季度趋势增长特征,绘制了科尔沁2004—2013年季平均变化曲线,分析该区域植被NDVI季度变化特征,如图3所示。

由以上各季NDVI变化趋势图可知,只有夏季的NDVI值表现为增加趋势,且增加速率为0.028/（10 a),其他季节的NDVI值均表现为不同程度的下降,下降速率分别为:春季0.014/（10 a),秋季0.012/（10 a),冬季0.038/（10 a)。春秋2季的下降速度不是很明显,相较而言,冬季的下降速度较快。

3.2 科尔沁区植被NDVI空间变化特征分析

NDVI基于时间序列的分析研究,其实是研究区内所有像元的平均结果,呈现出的是研究区随时间的整体变化趋势,研究结果没有表现出植被覆盖变化的空间差异,那么对NDVI进行空间特征的分析是很有必要的。为了解科尔沁区各年NDVI的空间分布情况,以各年7月份的NDVI值来代表该年度的NDVI值,进行科尔沁区NDVI空间分布特征的研究,生成各年NDVI空间分布图,如图4所示（本文只给出了2010年,作为代表)。

图3 2004—2013年各季度NDVI变化趋势Fig.3 Variation trends of NDVI in four seasons from 2004 to 2013

由图2和图4分析得出植被覆盖度较好的年份是2005,2010,2011,2012,2013年,这些年份NDVI ＞0.5的区域占到整个研究区的90%以上,其中2005年为最大,达到94%,其他年份分别为:91.3%, 92.8%,91.1%,91.5%。植被覆盖度较差的年份为: 2006,2007年,其NDVI＞0.5的区域所占比重分别为:79.7%,79.3%。就整个研究区而言,西辽河两岸区域植被覆盖度较高,该区域大部分NDVI在0.8以上,该区域主要土地利用类型为农田,植被覆盖比其他区域明显要高,而且该区生态系统比较稳定,植被覆盖度变化基本不变。水体分布区及通辽市区植被覆盖度较低,是NDVI＜0.25的主要分布区,如莫力庙水库、小塔子水库、吐尔基水库、通辽市部分区域。西部、北部和东部沙丘区,NDVI介于0.25～0.8之间,为图中的黄色和蓝色区域。

图4 2010年NDVI空间分布Fig.4 Spatial distribution of NDVI in 2010

为了更加直观地了解NDVI变化在空间上的具体表现,可以根据公式:NDVI空间变化量＝NDVIm-NDVIn（m,n为相应年份),逐像元地对NDVI的空间变化进行提取,以此来反映植被覆盖变化的空间差异［24］。并利用NDVI变化量与相应时间段的比值来研究年均变化率在空间上的表现,研究2004—2013年近10 a间NDVI值变化量的空间分布特征及NDVI值年均变化率的空间分布特征,从而研究近10 a的植被覆盖度变化,如表1、表2所示。

表1 2004—2013年NDVI变化量分布比重Table 1 Distribution of NDVI variation from 2004 to 2013

表2 2004—2013年NDVI年均变化率分布比重Table 2 Distribution of mean annual change rate of NDVI from 2004 to 2013

为了更加直观地反映植被覆盖变化情况,绘制了空间变化量和年均变化率分布图,如图5所示。

由图5、表1和表2分析可知,2004—2013年期间,NDVI变化量大于0的区域明显大于NDVI变化量小于0的区域,NDVI变化量大于0的区域占到整个研究区的73.5%,从而整体上表现出2004—2013年近10 a间该区植被覆盖度增加的趋势。NDVI变化量小于0的区域主要位于科尔沁区的西南部、中部以及东部的部分区域。其中在通辽市、莫力庙水库自然保护区、木里图镇等地的部分区域NDVI的减少量超过0.3,年均减少速率大于0.03,植被退化较明显。除此之外的大部分区域NDVI值均表现出了不同程度的增加,其中,NDVI变化量在0～0.3之间的区域最大,占到整个研究区的73.0%,这些区域的年均增长速率在0～0.015之间。植被覆盖度显著增加的区域主要位于吐尔基山林场、小塔子自然保护区等区域,这些区域NDVI变化量大于0.3,年均增加率超过0.015,个别地方年均增长率超过0.03。

图5 2004—2013年NDVI变化量和年均变化率空间分布Fig.5 Spatial distributions of variation and mean annual change rate of NDVI from 2004 to 2013

4 结 论

本文根据2004—2013年的MOD13Q1数据,分析了科尔沁区10 a间NDVI年际变化趋势、空间分布及变异特征,得出如下结论:

（1)近10 a间科尔沁区植被整体上呈增加趋势,增加速率为0.033/ a,其中2006年的NDVI值为近10 a的最低值,由2004—2006年,植被覆盖表现出减少趋势,由2006—2013年,植被覆盖表现出增加趋势,且这一阶段的增加趋势相对稳定。

（2)近10 a间,科尔沁区的季NDVI变化趋势中,春、秋、冬3季NDVI均表现出下降趋势,其下降速率分别为:0.001 4,0.001 2,0.003 8/ a,相较而言,冬季的下降趋势更为明显。夏季则表现出了增加趋势,增加速率为0.002 8/ a,其变化趋势与NDVI的年际变化趋势相一致。

（3)就整个科尔沁区而言,西辽河流域植被覆盖度较高,该区大部分NDVI值在0.8以上；水体分布区及通辽市植被覆盖度较低,是NDVI最小值的主要分布区。

（4)近10 a中,科尔沁区植被覆盖度较好的年份是2005,2010,2011,2012和2013年,这些年份NDVI＞0.5的区域占到整个研究区的90%以上；植被覆盖度较差的年份是2006,2007年NDVI＞0.5的区域,不足整个研究区的80%。

（5)近10 a间,科尔沁区大部分区域植被覆盖表现出了不同程度的增加,植被覆盖增加区占到研究区的73.5%,2013年相较2004年,植被覆盖减少的区域主要位于科尔沁区的西南部、中部,以及东部部分区域。其中在通辽市、莫力庙水库自然保护区、木里图镇等地的部分区域,植被退化较明显。而在吐尔基山林场、小塔子自然保护区等区域,植被增加较显著。

本文仅对科尔沁区NDVI进行了时空变化研究,未考虑气候因子及人为因素对NDVI变化的影响,在今后的研究中,植被变化与气候变化相关性分析是今后工作的重点。

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（编辑:刘运飞)

Spatio-temporal Analysis of Vegetation Cover Change Based on MODIS data in Horqin District

LI Sheng-yong1,WANG Xiao-qing2,LI Biao3
（1.Department of Civil Engineering, Hetao College, Bayannur 015000, China；2.Soil and Water Conservation Monitoring Station of Ejin Horo Banner, Erdos 017200, China；3.Research Institute of Hydraulic Surveying Information and Technology, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010018, China)

Abstract:China is a big country with broad vegetation cover and superior natural environment. As time changes, however, ecological system of part areas is seriously destructed, so it is very important to research on the change of spatial pattern of vegetation. Horqin district of Tongliao, located in Inner Mongolia, is taken as an example in this paper. By employing theories of time series, average method and interpolation method, and according to MODIS remote sensing data from 2004 to 2013 in the area, we analyze the spatial and temporal variations of NDVI in Horqin district, and conclude the vegetation cover in the district in the recent decade: 1) vegetation cover of the district shows tendency of increasing, with the increasing rate of 0.033/ a, and good vegetation cover is in the following years: 2005, 2010, 2011, 2012 and 2013；2) vegetation cover of west Liaohe river watershed is the highest among the whole Horqin district；3) summer is the largest contributor to vegetation cover, with the increasing rate of 0.002 8/ a. The results offer reference for theoretical study and decision making of ground ecological environment in Horqin district.

Key words:MODIS Data；Horqin district；vegetation cover；NDVI；spatio-temporal analysis；mean annual rate of change

通讯作者：王晓卿（1970-),男,内蒙古鄂尔多斯人,高级工程师,主要从事水土保持方面的研究工作,（电话)13847717256（电子信箱) 314231467@ qq.com。

作者简介：李生勇（1970-),女,蒙古族,内蒙古巴彦淖尔市人,副教授,硕士研究生,主要从事农业水利工程方面的教学与研究,（电话) 13190878634（电子信箱)1410874859@ qq.com。

收稿日期：2014-12-04;修回日期：2015-02-05

doi:10.11988/ ckyyb.20141015

中图分类号：S152.7;P628.2

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)02-0118-05