基于NDVI的渭河流域时空演变分析

傅志军 黄蓉 周毓栋 任源鑫

摘要：基于渭河流域2010—2015年MODIS NDVI时序数据集，采用GRC趋势分析法、植被覆盖度估算，分析2010—2015年渭河流域NDVI的变化趋势，并对2010和2015年植被覆盖度的时空格局进行分析。结果表明，2010—2015年，渭河流域NDVI均值呈缓慢增加趋势，仅增加了2.7%。渭河流域植被覆盖度总体呈现由西北向东南逐渐增加的趋势，高覆盖区仍集中分布在渭河谷地及延安南部。2010—2015年中高覆盖和高覆盖区面积分别增加3.2%、9.3%，中低覆盖和中覆盖区面积分别减少6.7%、5.9%。轻微改善区主要分布在天水地区，轻度退化区主要分布在秦岭北麓以及延安南部，明显退化区分布在六盘山南麓以及关中地区。

关键词：渭河流域;NDVI;植被覆盖度;变化趋势

中图分类号：TP79;Q948.156         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）06-0054-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.06.013           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： Based on the 2010—2015 MODIS NDVI time series data sets of Wei River basin， the change trend of NDVI in Wei River basin from 2010 to 2015 as well as the spatial and temporal pattern of vegetation coverage in 2010 and 2015 by GRC trend analysis method and vegetation coverage estimation were analyzed. Results showed that the value of NDVI increased slowly in the Wei River basin during 2010—2015 with a growth rate of 2.7%. The vegetation coverage increased gradually from northwest to southeast， and the high coverage areas were still concentrated in Wei River valley and the south of Yan'an. From 2010 to 2015， the area of high-middle coverage and the high coverage increased by 3.2% and 9.3%， respectively; The area of middle and low-middle coverage was reduced by 6.7% and 5.9%， respectively. The minor improvement areas were mainly distributed in the Tianshui area， and the minor degradation areas were mainly distributed in the northern of Qinling Mountains and the southern of Yan'an， and the obvious degradation areas were distributed in the southern foot of Liupan Mountain and Guanzhong region.

Key words： Wei River basin; NDVI; vegetation coverage; variation trend

植被是連接大气、水体、土壤的自然纽带，在调节大气、保持水土和维护生态系统稳定等方面具有十分重要的作用[1]。某一地区的植被生长状况可以通过计算植被覆盖度得到，两者之间具有很好的相关性。植被覆盖度指单位面积内植被的垂直投影面积所占百分比，它不仅是衡量生态环境状况的重要指标，也是许多土壤侵蚀模型中所需的重要参数[2]。

近年来，随着遥感技术的发展，利用相应光谱波段进行分析，建立植被指数模型，反演地表植被覆盖状况的遥感量测法被推广应用[3]。遥感量测法具有适合于较大区域植被实时监测，满足多时相变化分析等优势。目前，基于遥感量测多用来分析区域植被覆盖度的整体变化趋势，对于区域内小范围变化趋势不能很好地反映。研究证明，归一化植被指数（Normalized difference vegetation Index，NDVI）是监测地区和全球植被及生态环境的有效指标，是反演植被覆盖状况的最佳指示因子[4]。

本研究以空间分辨率为250 m、时间分辨率为16 d的MODIS为数据源，通过数据预处理获得2010—2015年渭河流域年均NDVI时间序列，采用最大值合成、GRC趋势分析，植被覆盖度估算及分析渭河流域NDVI的变化趋势，并对2010和2015年植被覆盖度的空间分布进行分析，旨在探明该流域植被演变规律以及为改善该流域内的生态环境提供科学合理的建议。

1  数据与方法

1.1  研究区概况

渭河流域位于33.42°-37.5°N，103.5°-110.5°E，涉及陕西、甘肃、宁夏三省（自治区），流域面积13.48万km2，其中甘肃占44.1%、宁夏占6.1%、陕西占49.8%（图1）。流域地势西北高东南低，南北两侧山地呈阶梯状向渭河干流倾斜[5]，流域北部为黄土高原，南部为秦岭山区。流域处于干旱地区和湿润地区的过渡地带，多年平均降水量572 mm，北岸400～700 mm，南岸800～900 mm。渭河流域处于南北方的地形、气候过渡区，是连通西北、西南的咽喉要地，其生态环境对该区的社会经济发展尤为重要，因此研究渭河流域植被覆盖的变化趋势对制定合理的土地利用和保护渭河流域生态建设的方案具有重要意义。

1.2  数据来源与处理

采用的NDVI数据来源于MODIS植被指数产品数据MOD13Q1，空间分辨率为250 m，时间分辨率为16 d，时间范围是2010年1月至2015年12月。使用ArcGIS软件将下载的NDVI数据进行格式转换，并用ERDAS软件进行投影转换，把原有格式转换为Geotiff格式，把原有投影转换成WGS-84坐标下的投影。将16 d的NDVI数据运用最大值合成，去除云、大气等产生的影响，并利用渭河流域图裁剪2010—2015年逐月NDVI栅格数据集[6]，最后为了避免某些年份气候异常对植被生长状态的影响，利用均值法计算获得每年NDVI均值。此外还有渭河流域DEM数据，来源于国际科学数据服务平台（http：//datamirror.csdb.cn/）。

1.3  研究方法

1.3.1  NDVI的变化趋势计算  每一栅格像元位置的多年NDVI会随时间变化呈现出一定的变化趋势，绿度变换率GRC（Greenness rate of change）是用来描述NDVI这种变化趋势的一个指标。其主要是在栅格像元的基础上，通过最小二乘法，构建像元时序NDVI的线性回归方程，分析各像元位置变化趋势[7]。

式中，n为时间，以年为单位，本研究为6年;i为年份，指从起始年后的第i年，i∈（0，n];di是第i年经合成后的年NDVI。GRC>0，表明NDVI在i年间有增加趋势;若GRC<0，则为减少趋势;GRC绝对值越大，表明植被覆盖变化情况越显著。

1.3.2  植被覆盖度计算  植被覆盖度（Vegetation coverage，VC）是指植被冠层的垂直投影面积与土壤总面积的百分比[8]。对流域内地表情况未知或无法获取植被覆盖度时，通常对研究区的NDVI分别作置信度检验，取累计频率5%和95%的NDVI分别作为区域的NDVI极小值（NDVImin）和NDVI极大值（NDVImax）。依据公式（2）估算植被覆盖度[9]，其中NDVI代表每一栅格属性值。

2  结果与分析

2.1  NDVI年际变化

研究区NDVI统计结果见表1。2010—2015年渭河流域NDVI均值呈波动增加趋势，2015年NDVI较2010年增加2.7%;2011—2012年增加0.047 8，增加率为7.8%;2013—2014年减少0.029 2，减少率为4.43%。2012年流域NDVI是6年来最高值（0.661 3），之后NDVI不断减少，2015年达0.637 6。各年的标准差均较小，说明NDVI变化都较为平缓、幅度较小。

2.2  NDVI的变化趋势分析

通过对渭河流域2010—2015年NDVI数据进行变化趋势分析，得到基于像元的GRC分析结果，经相关系数显著性检验后进行分级，划分为明显退化、轻度退化、稳定不变、轻微改善和明显改善5级[10]。

各级的GRC取值范围与相应分级结果在该流域的分布面积及百分比见表2。从统计结果可以看出，渭河流域整体的NDVI变化相对缓慢，约有1/3的区域基本稳定不变，NDVI改善趋势区面积小于退化区。

使用ArcGIS软件得到GRC变化趋势空间格局如图2所示。从空间上来看，流域内植被变化不均，存在空间差异性。2010—2015年，轻微改善区主要分布在天水地区，平凉部分地区也得到轻微改善。轻度退化区主要分布在秦岭北麓以及延安南部;明显退化区主要分布在六盘山南麓、白于山南麓以及關中地区，一方面是因为该区位于黄土高原丘陵沟壑区，土质疏松，水土流失使得植被不易存活[11];另一方面由于关中地区是流域内城市、人口集中区，城市的发展导致绿地不断减少。

2.3  植被覆盖度分析

利用公式（2）估算出2010和2015年渭河流域植被覆盖度，并分为低覆盖[0，30%）、中低覆盖[30%，45%）、中覆盖[45%，60%）、中高覆盖[60%，75%）、高覆盖[75%，100%]5级[12]，结果如图3所示。各级植被覆盖度占流域面积的百分比见图4。

渭河流域植被覆盖度总体呈现出由西北向东南逐渐增加的趋势，高覆盖区仍集中分布在渭河谷地及延安南部地区。2010年，渭河上游天水地区的植被覆盖度较低，而到2015年，这些区域的植被覆盖有明显的提高，说明生态环境和区域退耕还林工程成效明显。在西安市城区，植被覆盖度也有大幅提升。与2010年相比，2015年泾河上游庆阳地区低覆盖和中低覆盖区面积明显减少，延安地区中高覆盖区面积明显增加，关中地区低覆盖区面积也明显减少，可见流域内植被覆盖状况明显改善。

研究区总面积是13.43万km2，经统计，2010年低覆盖度的面积是1.343万km2，占总面积的6.5%，中低覆盖度、中覆盖度、中高覆盖度、高覆盖度的面积占流域总面积的百分比分别为18.2%、25.1%、21.0%、29.3%。2015年低覆盖度、中低覆盖度、中覆盖度、中高覆盖度、高覆盖度的面积占总面积的百分比分别为6.5%、11.5%、19.2%、24.2%、38.6%。2010—2015年中高覆盖和高覆盖区面积分别增加了3.2%、9.3%，中低覆盖和中覆盖区面积分别减少了6.7%、5.9%，而低覆盖区面积基本没有变化，植被覆盖状况整体明显改善。

3  小结与讨论

根据渭河流域2010—2015年的NDVI数据，采用GRC趋势分析法、植被覆盖度估算，研究近6年渭河流域NDVI的变化趋势及2010和2015年植被覆盖度的时空格局。

2010—2015年渭河流域NDVI均值呈缓慢增加趋势，2015年NDVI相比于2010年增加了2.7%。

渭河流域整体的NDVI变化相对缓慢，约有1/3的区域基本保持不变，NDVI改善区面积小于退化区。2010—2015年，轻微改善区主要分布在天水地区，平凉部分地区也得到轻微改善。轻度退化区主要分布在秦岭北麓以及延安南部;明显退化区主要分布在六盘山南麓、白于山南麓以及关中地区。

2010—2015年中高覆盖和高覆盖区面积分别增加了3.2%、9.3%，中低覆盖和中覆盖区面积分别减少了6.7%、5.9%。渭河流域植被覆盖度总体呈现由西北向东南逐渐增加的趋势，高覆盖区仍集中分布在渭河谷地及延安南部。2010年，渭河上游天水地区的植被覆盖度较低，而到2015年，这些区域的植被覆盖有明显的提高，说明生态环境和区域退耕还林工程成效明显。在西安市城区，植被覆盖度也有大幅提升。可见流域内植被覆盖状况有明顯改善。

参考文献：

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