内蒙古地区植被覆盖度时空变化遥感监测1)

候勇 陈文龙 钟成

(教育部长江三峡库区地质灾害研究中心(中国地质大学(武汉))，武汉，430074)

植被是陆地生态系统中重要的组成部分，在气候调节、维持生态系统稳定等方面发挥重要作用。植被覆盖度指某一区域植被(包括叶、茎等)投影面积与该地域面积之比，是植物群落覆盖地表状况的综合量化指标[1]，对水文、生态、区域变化等都具有重要意义[2]。覆盖度的检测主要有地表实测和遥感监测两种方法[3]。由于植被覆盖具有明显的时空变化特征，实地抽样的方法，很难获得大尺度时空范围的测量结果，而遥感技术拥有快速、宏观、动态、实时、客观等特点，并且具有良好的时间和空间连续性，能很好地完成对大尺度区域植被覆盖度的估计[4]。

内蒙古地处中国西北内陆地区，农牧交错带穿插，生态环境脆弱，是全球气候变化最为敏感的区域之一，也是中国北方温带草原的主体，对中国生态环境的保护和改善发挥着不可替代的作用[5-6]。近年来，在气候变化和人类活动的双重作用下，内蒙古地区资源环境问题日益突出，引起了国内外学者的共同关注和重视[7-10]。由于数据源缺乏，限制了对内蒙古地区植被时空特征变化的研究和时空定位能力。另外，当前针对内蒙古地区植被覆盖变化方面的研究，主要集中在归一化植被指数(INDV)[11-13]，而对其他类型的植被指数关注较少。增强植被指数(IEV)是对归一化植被指数的发展和延续，从植被指数计算公式和合成方法两方面做了改进[14]；增强植被指数避免了归一化植被指数在植被高覆盖区易饱和的问题，也考虑了植被覆盖度低的地区土壤背景对植被指数的影响[15]；增强植被指数时间序列季节性更明显，能够很好地表达高植被覆盖区的季节性变化特征[16]。因此，本文利用2001—2015年的MODIS/EVI数据，对内蒙古地区植被覆盖类型及植被覆盖度的分布和时空变化特征进行研究，不仅为该地区植被的变化趋势提供生态预警，也为实现农、林、牧业的可持续发展提供决策依据。

1 研究区概况

内蒙古自治区位于中国北部边疆，由东北向西斜伸，呈狭长形，东西直线距离2 400 km，南北跨度1 700 km，横跨东北、华北、西北三大区。土地总面积118.3万km2，占全国总面积的12.3%。内蒙古地区位于西北内陆干旱、半干旱气候向东南沿海湿润、半湿润季风气候的过渡带。气温-5～10 ℃，自东北向西南递增；降水量35～530 mm，自东向西或自东南向西北递减。受温度和水分条件的综合影响，植被带主要表现为经向的空间分异特征，从东到西依次为山地针叶林和阔叶林带、森林草原带、典型草原带、荒漠草原带和荒漠带。

2 研究方法

2.1 数据来源及预处理

本研究遥感数据来源于地理空间数据云平台，遥感数据为MODIS中国合成产品MODEV1F(TERRA星)，计算方法采用MODEV1D，取月内每5 d的最大值，经过几何校正和大气校正。时间和空间分辨率分别为5 d和250 m，时间覆盖2001年1月—2015年12月，每年72景，其中2004年与2008年数据缺失，共836景。利用内蒙古自治区边界矢量图裁剪原始影像得到内蒙古地区2001—2015年逐月增强植被指数的栅格图像。并对裁剪后的栅格图像进行归一化操作，去掉奇异值的影响。再利用最大值合成法(MVC)对5 d分辨率的增强植被指数进行最大化处理，得到2001年1月—2015年12月的月增强植被指数。内蒙古地区2001—2015年多年降水量、气温及畜牧数据来源于内蒙古统计局社会公众服务平台。

2.2 植被覆盖度

植被覆盖度计算常用的方法是像元二分模型。张春桂等[17]在归一化植被指数基础上，根据像元二分模型和增强植被指数建立植被覆盖度遥感估算模型。其计算公式为：

式中：FVC为植被覆盖度，IEV为增强植被指数，Iveg为纯植被覆盖像元的增强植被指数，Isoil为纯土壤像元的增强植被指数。

由于受植被类型的影响，Iveg的值在不同的时空尺度上会发生相应的改变；Isoil的理论值应该接近零，但由于大气影响及地表温度、湿度、土壤类型等条件的不同，Isoil会在不同的时空尺度上发生相应的改变。因此，本文在实际计算中，根据以往学者经验，结合影像DN值分布的累计频率，以5%和95%置信度截取增强植被指数的上下限阈值，分别近似代表Iveg和Isoil[18]。则植被覆盖度公式如下：

式中：I1和I2分别定义为植被整个生长季增强植被指数累计频率为5%和95%的值。

2.3 Mann-Kendall 趋势分析

与以往研究者采用的基于最小二乘法的时间序列线性回归模型的检验方法相比较[19-21]，Mann-Kendall检验法是一种非参数统计检验方法[22]，不需要样本遵循一定的分布，也不受少数异常值的干扰，适用于非正态分布的数据[23]。因此本文引入该方法对时间序列趋势进行显著性检验。在Mann-Kendall检验中，原假设H0为时间序列数据(X1，…，Xn)，是n个独立的、随机变量同分布的样本；假设H1是双边检验，对于所有的k，j≤n，且k≠j，Xk和Xj的分布是不相同的，检验的统计量S计算如下式：

当n>10时，标准的正态系统变量通过下式计算：

因此，在双边的趋势检验中，在给定的α置信水平上，如果|Z|≥Z1-α/2，则原假设是不可接受的，即在α置信水平上，时间序列数据存在明显的上升或下降趋势。当Z>0时，处于上升趋势；当Z<0时，处于下降趋势。Z的绝对值分别大于等于1.28、1.64、2.32时，表示通过了信度90%、95%、99%的显著性检验。

为研究2001—2015年内蒙古地区植被覆盖度的多年动态变化，采用Mann-Kendall时间序列对植被覆盖度进行显著性检验。以|Z|等于1.28为临界阈值，|Z|大于1.28表示置信水平小于0.10，即变化趋势显著；|Z|小于1.28表示置信水平大于0.10，即变化趋势不显著。将内蒙古植被覆盖度变化趋势划分为4种类型，同时统计不同级别的植被覆盖度变化趋势在影像中所占像元比，用来代替其实际面积比。

3 结果与分析

3.1 各植被覆盖类型空间分布及面积变化趋势

对内蒙古地区多年MODIS/EVI数据求均值，采用随机森林方法进行分类[24]。

由图1可知，内蒙古植被覆盖类型自东北向西呈径向分布，依次为森林、森林草原、典型草原、荒漠草原和荒漠。

由表1可知，整体精度和Kappa系数分别达到82.03%和0.774 8。森林与荒漠的分类精度分别达到95.64%和95.80%，能很好地区分出森林和荒漠；由于森林草原、典型草原和荒漠草原的光谱相似性，导致森林草原、典型草原和荒漠草原的精度较低，分类精度分别为76.77%、69.01%和74.48%，但分类准确性可以接受，因为都是属于草原的范畴。该分类结果与地理国情监测平台土地利用数据及王义凤等[10]对内蒙古植被地带研究得到的分布结果基本吻合，表明该植被覆盖类型划分结果具有可靠性。

图1 内蒙古植被覆盖类型空间分布

植被覆盖类别森林森林草原典型草原荒漠草原荒漠总计生产者精度/%用户精度/%森林640180 92216 92216 74 601383069995.6477.07森林草原26596505397231213584210754999676.7791.89典型草原2659621076415686546361273634669.0187.13荒漠草原179767876784707312558451185074.4891.97荒漠15352312506858215878215291884295.8085.12总计669338658288929732632010816468

整体精度=82.03%；Kappa系数=0.7748。

由图2可知，截至2015年，典型草原面积最大，荒漠面积次之，森林草原与荒漠草原面积接近，但小于森林面积。从其变化趋势来看，森林、森林草原和典型草原面积比例，整体上呈增加趋势，荒漠及荒漠草原整体上呈下降趋势。2001—2010年研究区内典型草原、森林草原及森林面积占比呈下降趋势，特别是典型草原面积的下降幅度最大(为4.82%)。2011—2015年，典型草原、森林及森林草原面积的比例持续增加，增加幅度分别达5.88%、2.67%和1.89%；荒漠及荒漠草原面积自2011年之后持续显著减少，下降幅度分别为3.75%、6.68%。

由图3和图4可知，内蒙古地区2001—2015年畜牧业发展迅速，平均每年牲畜增加速率达到379.1头。通过对草原面积与牲畜数量的相关性分析发现，2001—2010年随着畜牧业的发展，草原覆盖面积总体呈现下降趋势，特别是当牲畜数量达到10 000头之后，随着牲畜数量的增加，草原面积下降趋势更加明显。但是，2011—2015年随着牲畜总量的增长，草原面积整体上却出现上升趋势。由于2011年《内蒙古自治区基本草原保护条例》的颁布及人类活动对草原面积的保护及恢复产生了积极的影响，同时促进了该地区畜牧业的良性发展。

图2 2001—2015年内蒙古各植被覆盖类型面积占总面积百分比年际变化

3.2 植被覆盖度时空变化特征

3.2.1 植被覆盖度分布特征

由图5可知，内蒙古地区植被覆盖度存在明显的区域差异性。多年植被覆盖度较高的区域，集中在内蒙古东北大兴安岭等森林及森林草原区，多年平均植被覆盖度为0.85，地跨呼伦贝尔市、兴安盟等5个旗市。内蒙古东北林草覆盖地区多年植被覆盖度均值适中，一般在0.75以上。该区域气候上属于寒温带大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨。年平均气温约-1.5 ℃，无霜期76～120 d，年降水量300～450 mm；地形上为山地丘陵地形，中低山占96.2%，海拔在250～1 745 m，垂直分异明显，植被类型更加多样。同时，由于土层贫瘠，限制了该地区的农业发展，受人类活动影响相对其他区域较小，自然生态保持良好。

图3 2001—2015年内蒙古牲畜数量年际变化

图4 内蒙古牲畜数量与草原面积占比散点图

图5 2001—2015年内蒙古年植被覆盖度空间分布

0.4

位于内蒙古西部的荒漠区，多年植被覆盖度均值较低，多年平均植被覆盖度为0.23。该区域主要呈现典型的大陆性气候。冬季干燥寒冷，夏季酷热，年降水量40～120 mm，年均气温7.5 ℃，沙面温度可达70～80 ℃。由于降水稀少，地表径流不发育，且终年盛行西北风和西风，因此，植被覆盖面积极少。

3.2.2 植被覆盖度变化特征

由图6可知，2001—2015年内蒙古地区植被覆盖度基本未发生变化的区域占整个地区的面积较大，植被覆盖度发生显著改善的区域主要分布在呼伦贝尔市中部、锡林格勒盟中部以及兴安盟、通辽市的大部，植被覆盖度发生中度改善的区域主要分布在阿拉善盟中部、鄂尔多斯市和巴彦淖尔市东部以及赤峰市部分区域。

图6 2001—2015年内蒙古植被覆盖度变化趋势

由表2可知，2001—2015年植被覆盖度基本不变的面积占整个研究区面积的比例为67.18%；植被覆盖度发生改善面积的比例为32.82%；发生轻微改善的面积为5.63%，发生中度改善和显著改善的面积比例相当，分别占研究区面积的16.48%和10.86%。

表2 不同类型植被覆盖度面积变化的比例

由图7可知，2001—2015年研究区植被覆盖度整体上呈波动上升趋势(0.001 8/a)。其中，2001年植被覆盖度最低，2001—2010年波动较大，尤其在2005、2007年出现两次突变，最大振幅达0.08，但整体为上升趋势。

由图8可知，研究区2001—2003年年均降水量逐年上升，2003—2007年年均降水量变化为下降趋势，2007—2010年年均降水量变化为波动上升状态，与图7中2001—2010年研究区的植被覆盖度变化趋势及波动状态是一致的；而年均气温与相邻年份的气温差别较小，总的趋势为下降趋势，与研究区相应年份的植被覆盖度变化呈负相关关系。说明2001—2010年年均降水量是影响内蒙古地区植被覆盖度的主要因子，而年均温对年植被覆盖度的影响不明显。另外，内蒙古地区2015年遭受56年以来最严重的干旱，造成植被覆盖度的突然下降，则说明研究区植被覆盖度的突变与降水量密切相关。这一结果与我国北部地区植被覆盖动态变化对气候变化响应机制的研究结果是一致的[25]。

图7 2001—2015内蒙古植被覆盖度年际变化

图8 2001—2015年内蒙古降水量与气温年际变化

2011年之后内蒙古地区降水量逐年下降，但是植被覆盖度却呈稳定上升趋势。主要原因是2011年《内蒙古自治区基本草原保护条例》的颁布及相关人类活动对其起到了正向干扰。说明2011年之后，国家关于草原保护的政策以及相关人类活动对植被覆盖度的影响更加深刻。

4 结论

本文基于内蒙古地区2001—2015年MODIS-EVI遥感数据，分别对研究区各植被覆盖类型的空间分布和面积占比的年际变化、植被覆盖度的分布特征和变化特征进行分析，得出如下结论：

(1)内蒙古地区植被覆盖类型从东北到西南依次为森林、森林草原、典型草原、荒漠草原、荒漠。截止2015年，面积由大到小的顺序为：典型草原、荒漠、森林、森林草原、荒漠草原。其中，2001—2010年研究区各植被覆盖类型面积与该地区畜牧业的快速发展关系密切；2011—2015年由于受到政策的正向影响，内蒙古地区森林、森林草原及典型草原面积逐渐上升，荒漠草原及荒漠面积逐渐下降。

(2)内蒙古地区年均植被覆盖度空间分布呈现东北高、西部低的特征。内蒙古东北部森林覆盖区，多年平均植被覆盖度为0.85；中部森林草原、典型草原及荒漠草原等草原覆盖区，多年平均植被覆盖度为0.63；西部荒漠地区，多年平均植被覆盖度为0.23。

(3)2001—2015年内蒙古地区植被覆盖度基本不变的区域为67.18%，植被覆盖度提高的区域为32.82%。植被覆盖度轻微改善的面积为5.63%，中度改善和显著改善的面积相当，分别占研究区面积的16.48%和10.86%。

(4)从年际水平来看，2001—2015年内蒙古植被覆盖度整体以每年0.001 8的速率增大； 2001—2010年波动较大，分析说明植被覆盖度的突变与年均降雨量关系密切，2011—2015年植被覆盖度的增长，主要原因受草原保护条例、退牧还草等国家政策及人类活动的影响。