基于MODIS-NDVI的陕西省植被覆盖变化特征

陈科皓

（陕西省土地工程建设集团有限责任公司/陕西地建土地工程技术研究院/国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室/陕西省土地整治工程技术研究中心，西安710075）

0 引言

植被是陆地生态系统的重要组成部分，将大气圈、土壤圈和水圈紧密地联系在一起[1]。作为研究全球变化的“指示器”，在全球能量交换、生物地球化学和水文循环方面起着重要的作用[2]，能直接反映生态环境的总体状况，因此监测植被覆盖动态变化具有重要的科学意义和现实价值。归一化植被指数(Normal Difference Vegetation Index,NDVI)能够有效识别植被变化信息，是目前使用最为广泛的植被指数之一[3]，它与植被覆盖度、生物量、叶面积指数、土地利用等密切相关[4]。

近年来，植被覆盖状况是国内外研究的热点之一。国外研究学者基于NDVI数据，对植被覆盖变化做了大量研究工作，很好地揭示了研究区植被覆盖时空变化规律，以及季节、气候（气温、降水量、地表水等）等因子对NDVI的影响[5-7]；国内学者利用不同时空尺度的不同精度范围的NDVI数据，对植被覆盖的时空变化进行了大量研究[8-10]。目前对于陕西地区植被覆盖变化分析已有一些成果。张君等[11]基于1982—2013年陕西NDVI数据和陕西植被类型图，对这32年间陕西省植被覆盖状况时空变化特征及陕西13种类型的植被覆盖状况时空变化特征进行综合分析；王宇航等[12]对中国黄土高原地区NDVI与气候因子间的空间尺度依存性及非平稳性进行研究；马新萍等[13]基于2000—2010年NDVI数据，研究秦岭山地11年的植被物候变化特征，从宏观角度定量揭示气温与秦岭山地植被物候变化的响应关系；杨延征等[14]和白建军等[15]分别对陕北地区植被NDVI值进行时空变化特征分析，从温度、降水、季节等角度探索影响植被覆盖的因素；李登科等[16]基于像元分解模型，研究陕西省2000—2009年植被覆盖度的时空变化特征及其成因。

综上所述，自1999年国家启动退耕还林工程以来，陕西省植被覆盖情况总体趋于良好，呈现出波动上升的趋势。研究多以较长时间时序为主，从整体上分析植被覆盖变化情况，对于短时间内植被覆盖变化研究较少。同时，陕西省呈现出“两山加一川”的地貌格局，海拔跨度较大，但基于海拔高度下的植被覆盖度变化研究较少。因此，笔者以2015年植被覆盖指数NDVI为时间结点，结合陕西省不同区域海拔高度，分析了2011—2015年陕西省植被覆盖变化情况以及原因，以期为后期进行生态环境建设和保护提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

陕西省介于105°29′—110°15′E，31°42′—39°35′N之间，包含10个地级市、1个示范区（杨凌农业高新技术产业示范区）及1个计划单列市（韩城市），共104个县（区、市）。东邻山西省、河南省，西接宁夏回族自治区、甘肃省，南靠四川省、重庆市、湖北省，北连内蒙古自治区；地域南北向跨度大，东西向狭窄，土地总面积约20.56万km2，是通往西北、西南的门户。地势南北高、中间低，总体地貌类型呈现“两山加一川”的格局（见图1）。从北至南依次为温带、暖温带、北亚热带气候，自然环境复杂，生态条件多样，植物资源种类繁多。陕西省是中国水土流失、沙化等环境问题最严峻的地区之一，水土流失面积占全省土地总面积的66.90%，成为制约区域经济发展的重要因素。

图1 陕西省地理位置及海拔高度分布图

1.2 数据来源及处理

1.2.1 NDVI数据 根据陕西地区自然环境状况，选择空间分辨率较高的MOD13Q1数据，时间跨度为2011—2015年，来源于美国国家航空航天局(NASA)的EOS/MODIS数据产品(http://e4ftl01.cr.usgs.gov)，空间分辨率为250 m×250 m，时间分辨率为16天。采用MRT数据处理软件进行拼接、投影转换和格式转换。

1.2.2 高程数据 陕西省区域内高程数据来源于地理空间数据云(www.gscloud.cn)的DEM数据产品，空间分辨率为90 m×90 m。

1.3 研究方法

1.3.1 MVC法 最大合成法(maximum value coposites)是目前国际上通用的方法，该方法能够消除云、大气、太阳高度角等的部分干燥，消除异常值的干扰。本研究下载的是16天数据，以月为单位，对每月上半月和下半月的NDVI进行最大化处理，合成月数据；沿用此方法，再以年为单位，对每年12个月的NDVI进行最大化处理，合成年数据，其方法合成的年最大化NDVI能够更好地表示每年地表植被覆盖状况。最后以研究区行政图做掩膜，切割出研究区的影像。

1.3.2 趋势分析法 一元线性回归分析可以分析每个栅格的变化趋势，对2011—2015年陕西年最大NDVI在像元尺度上进行一元线性回归分析，计算NDVI的变化趋势[17]，综合反映陕西省植被覆盖时空格局发展演变[18-19]，见公式(1)。

式中：t是监测年数，yi是第i年的年最大NDVI值；slope为多年NDVI值线性拟合概率。

拟合直线可反映陕西省2011—2015年NDVI值的变化趋势及变化幅度。斜率为正，表明NDVI增加；斜率绝对值越大，NDVI变化幅度越大。

2 结果与分析

2.1 空间变化特征

图2 2011—2015年陕西省NDVI均值空间分布

植被覆盖度可由遥感影像反演的NDVI充分反映，并与NDVI呈正相关[20]。陕西省NDVI值呈现出南高北低的分布趋势，从2011—2015年平均NDVI值的空间分布图（见图2）可以明显地看出，在34°N左右和36.5°N左右有2条较为明显地地带性分界线，34°N以南为陕南秦岭山地和大巴山区，森林植被生长茂盛，NDVI值较高，是植被覆盖情况最好的区域；而36.5°N以北为陕北黄土高原地区，其中北部风沙区植被稀疏，NDVI值较低，植被覆盖情况较差。中间区域为关中平原区，以农田作物为主，NDVI值呈中等水平，植被覆盖度居中。

2.2 动态变化分析

2011—2015 年陕西省NDVI值呈现出波动变化的趋势（见图3a），NDVI最大值出现在2013年，最低值出现在2015年。以年份为自变量，NDVI值为因变量进行一元线性回归分析，陕西省5年间NDVI值以每年0.66%的速度减少，反映出陕西省植被覆盖减少，NDVI值呈逐年减少趋势。

2011—2015 年陕北地区NDVI值呈现出波动下降的趋势（见图3b），2013年出现了高峰值，2015年出现了最低值，2011—2015年间NDVI值下降了9.24%。低植被覆盖区域面积呈现出先降低后升高的变化趋势，中等及偏高的植被覆盖区域面积呈现先升高后降低的趋势，而较高植被覆盖区域在2011—2015年变化不显著。低植被覆盖区域主要集中在陕北北部长城沿线风沙区—毛乌素沙地，植被覆盖情况较差；较高植被覆盖区主要集中在陕北南部丘陵沟壑区，即位于子午岭、黄龙山地区的黄陵、黄龙及宜川南部部分区域，该地区森林植被茂密，植被生态环境稳定（见图4）。

关中地区NDVI指数呈现出平稳的变化趋势，上下波动幅度不显著（见图3b），以中高植被覆盖区域为主，低植被覆盖区域很少。关中平原是陕西省的粮食主产区，以种植小麦、玉米为主，作物种植时期稳定，NDVI值表现出平均水平，且2011—2015年变化并不明显。关中地区南部靠近秦岭山脉，是较高植被覆盖区域的主要分布区域，NDVI值较大，森林植被茂密，生态环境稳定，植被覆盖情况变化并不显著（见图4）。

陕南地区NDVI值同关中地区的变化趋势类似，5年间差异并不显著（见图3b）。陕南地区以秦巴山区为主，降水充足，气候条件适宜，该地域90%以上为高植被覆盖区域，NDVI值较大。近些年退耕还林工程，在秦巴山区得到了显著成效，保证了陕南地区生态环境稳定，目前处于平稳状态（见图4）。

2.3 空间趋势分析

图3 2011—2015年陕西省及三大区NDVI值变化分布图

图4 2011—2015年陕西省NDVI空间分布情况

为了分析陕西省NDVI值的变化趋势，将陕西省逐个栅格像元进行一元线性趋势分析，并对其结果进行标准差重分类，划分为显著退化、中度退化、轻微退化、基本不变、轻微好转和明显好转等6个水平（见表1）。整体来看，2011—2015年间，陕西省的植被状况呈现稳定且有所好转的趋势，呈增加和减少趋势的面积分别占35.59%和27.99%，保持稳定的区域面积为36.42%。从空间分布来看（见图5），陕南地区植被好转区域面积较多，而明显好转区域主要集中在陕北黄土高原的风沙区，这主要与退耕还林还草工程有密切的关系；但陕北地区同时也是退化面积最多的区域，占总退化区域面积的67.08%，主要是定边县、横山县、子洲县和吴堡县，这可能是由于部分经济树木栽种成活率较低，稳定性差，加之缺乏科学布局，使得经济林的发展大起大落，造成植被覆盖情况的下滑。值得注意的是，关中渭河流域部分区域NDVI值呈现出较明显地退化现象，而这一现象主要出现在城市周边地区，尤其是西安咸阳交界处，这可能是由于城市的不断扩张，占用部分农用地所造成。

表1 陕西省2011—2015不同植被变化类型统计表

图5 2011—2015年陕西省NDVI变化趋势

2.4 不同高程的NDVI变化分析

陕西省海拔高度在159～3747 m范围内，按照500 m等间距划分为8个区间：＜500 m、500～1000 m、1000～1500 m、1500～2000 m、2000～2500 m、2500～3000 m、3000～3500 m和3500～4000 m。随着海拔高度的增加，NDVI值呈现出“降低—升高—降低”的变化趋势（见图6），1000～1500 m处出现NDVI低值区，该海拔区域主要分布在秦巴山区和陕北西部，由于陕北西部风沙区植被覆盖情况较差，NDVI值较低，因此1000～1500 m区域的NDVI值出现1个低谷。海拔高度2000～2500 m范围的区域分布在秦岭山脉的太白山，该海拔高度气候、水热条件较好，适宜植被生长繁殖，森林植被茂密，随着海拔高度的不断增加，气温下降，植被覆盖情况逐渐变差，在3500～4000 m海拔高度区域，NDVI值达到最低值。

图6 陕西省NDVI值随海拔高度的变化

3 结论与讨论

（1）陕西省NDVI呈现“南高北低”的分布状况，陕南地区气候适宜、生态环境整体较好，植被覆盖情况较好；关中地区水热气候适宜，但由于城市建设的不断扩张，植被覆盖情况良好；陕北地区气候条件较差，缺乏降水，植被覆盖情况较差。2011—2015年间陕西省NDVI值以每年0.66%的速度减少，说明植被覆盖度有减少趋势，主要分布在陕北地区。

（2）将陕西省海拔高度与NDVI值进行叠加分析，在0～4000 m范围内，植被覆盖率呈现出“降低—升高—降低”的变化趋势。2000～2500 m海拔范围内，水热条件较好，且人为干预少，是陕西省植被覆盖情况最好区域；3500～4000 m海拔范围气候湿冷，常年低温，适宜生长的植被较少，因此次海拔高度下，植被覆盖情况较差。

（3）本研究以陕西省2011、2012、2013、2014、2015年5期NDVI数据为基础进行分析，得出陕西省5个时期NDVI空间分布情况，结合区域海拔高度，分析陕西省2011—2015年间NDVI空间分布及变化趋势，探讨海拔高度对植被覆盖情况的影响。在研究中对区域经济、气候、生态环境仅进行了定性描述，未开展定量研究。

（4）植被覆盖率随着海拔高度的增加呈现“降低—升高—降低”的变化趋势，不同区域最适宜高程并不相同。在今后的研究中，可以增加经济数据、温度指数、人口密度等数据，采用多因素综合法，探索多重因素对区域植被覆盖情况的影响。