辽河干流区域不同年代NDVI时空分布变化特征研究

尚真宇

(辽宁省河库管理服务中心(辽宁省水文局)，辽宁 沈阳 110003)

流域植被覆盖度是区域河流生态环境状况的重要评价指标[1]。流域植被生长与河流生态环境变化之间的影响从20世纪90年代开始就受到国内学者的广泛关注和研究[2- 7]。随着遥感技术的快速发展，NDVI数据逐步被推广和适用，例如SPOT-NDVI[8]、NOAA-AVHRR-NDVI[9]以及MODIS-NDVI[10]数据。这其中NOAA-AVHRR-NDVI在国内应用较多[11- 13]。辽河是辽宁地区第一大河流，区域水资源分布十分不平衡，辽河地形地貌空间分布特征的差异性，使得其植被覆盖度有所不同，辽河流域作为国家重要的生态保护和修复重点区域，其生态环境治理和保护已被列为辽宁省政府重点工作任务[14]。而分析其不同年代际植被覆盖度NDVI的变化对于区域生态环境修复和治理保护具有重要的参考价值。卫星遥感数据由于具有时间连续性佳、空间覆盖范围广的特点，为分析区域生态植被覆盖度的变化提供了有效的支撑[15]。不同年代的遥感影像数据，可以充分反映区域植被覆盖度的变化。为此本文结合遥感影响数据，对辽河干流3个年代际(1990年代、2000年代和2010年代)NDVI的时空变化趋势进行分析，从而为辽河流域综合治理与生态修复提供重要的参考依据。

1 研究区域概况

辽河是辽宁省境内第一大河，位于东北地区的东南部，其地理位置分别为(116°30′E～125°47′E，38°43′N～45°N)，流域横跨4个省份，分别为辽宁、吉林、内蒙古以及河北。辽河流域总的集水面积为22.896×104km2，河流总的长度为1394km。流域发源地为河北海拔高度为1729m的光头山，向东北流经内蒙而后途径吉林省双辽境内，在辽宁铁岭地区的福德店站与东辽河进行汇集后形成整个辽河流域。

2 研究方法及资料处理

NVDI表示为归一化的植被指数的英文简称，其对绿色植被敏感性较高，经常用于分析全球植被覆盖度的时空变化特征，是区域植被覆盖度指数较为理想的分析指标，其主要定义为：

NDVI=(ρNIR-ρVIS)/(ρNIR+ρVIS)

(1)

式中，ρNIR—遥感数据红外波段反射率；ρVIS—遥感数据可见光段反射率。在NVDI计算基础上，对植被的叶面积指数LAI进行计算，计算方程分别为：

(2)

表1 植被归一化指数数据集参数表

(3)

式中，FRAR—植被在光合作用下的辐射率有效值；SR—植被简单指数；Fcl—丛林植被的有效覆盖率；SRmax、SRmin—归一化植被指数NVDI样本数据系列的5%和98%的植被简单指数SR值；FPARmax、FPARmin—光合作用下的有效辐射率的最大和最小值；LAImax—植被生长充分条件下的叶面积指数最大值。本文结合辽河干流区域空间分辨率为8km的NOAA-AVHRR-NDVI月时间序列(1990年1月—2019年12月)数据进行植被相关参数的提取，采用遥感模型对数据进行提取，数据处理参数见表1。

3 辽河干流NDVI时空分布分析

3.1 各年代际NDVI时间序列变化

基于辽河干流区域空间分辨率为8km的NOAA-AVHRR-NDVI月时间序列(1990年1月—2019年12月)数据，在数据处理分析的基础上，对各年份不同季节的NDVI距平进行分析，结果如图1所示。

从辽河干流NDVI年距平分析结果可看出，辽河干流生长季节的NDVI呈现递增变化，年递增幅度为0.054/10a，干流生态环境总体持续改善，植被覆盖度增加的变化趋势有所递增，但增幅较为平缓。NDVI年平均值和年份之间的相关度为0.58。辽河干流植被NDVI变化的总体结论与东北地区近30年以来植被活动能力持续增强的相关结论具有一致性。从年代NDVI距平分析结果可看出，辽河干流年平均NDVI从1990年代出现一定峰值变化，其他年份年平均NDVI呈现一定的递减幅度变化，但递减幅度较小，年平均增率为-0.002/10a，而2000年以来，其年平均NDVI呈现一定的递增变化，年平均增率为0.029/10a。从图中可看出，夏季属于辽河干流植被主要生长期，因此其距平变化最为明显，其次为秋季，冬季由于植被进入冬眠期，其植被NDVI距平变化总体较为平稳。

3.2 各年代际春季NDVI空间变化

对辽河干流春季3个年代际(1990年代、2000年代和2010年代)NDVI的时空变化特征进行分析，并统计分析不同年代际NDVI空间变化度，分析结果见图2—3。

从图2中可看出，春季辽河干流各月NDVI空间变化较为明显，各年代际NDVI最高值主要出现在抚顺、铁岭以及本溪一带，这些区域主要为温带落叶阔叶林为主的植被类型，整个干流区域生态植被NDVI空间分布的差异性较大，但各年代春季NDVI空间变化总体较为一致，总体呈现西北较高东南较低的空间变化趋势，这和辽河干流水热条件从西北向东南逐渐改善具有一致性。1990—2000年代辽河干流植被NDVI显著递减的区域占总流域范围的30.25%，与2000—2010年代相比减少18.34%，植被覆盖度较低的区域呈现明显减少的变化趋势。植被覆盖度较大的区域占流域总面积的20.35%，与1990—2000年代相比增加15.12%，植被覆盖度增加的区域主要分布在铁岭昌图、沈阳康平一带。春季不同年代际，辽河干流的植被NDVI持续向好变化。

图1 辽河干流1990—2019年NDVI距平变化分析结果

图2 不同年代辽河干流春季各月NDVI空间分布特征

3.3 各年代际夏季NDVI空间变化

对辽河干流夏季3个年代际(1990年代、2000年代和2010年代)NDVI的时空变化特征进行分析，并统计分析不同年代际NDVI空间变化度，分析结果见图4和图5。

夏季为植被主要生长期，从分析结果可看出，

图3 年代际之间辽河干流春季各月NDVI空间变化

图4 不同年代辽河干流夏季各月NDVI空间分布特征

图5 年代际之间辽河干流夏季各月NDVI空间变化

各年代夏季NDVI显著增加的区域占总区域的比例为54.25%，NDVI显著减少的区域占总流域的比例为8.45%，均分布在辽河干流的西北方向。NDVI增加的区域和减少的区域在空间上存在一定的交叉分布，从各年代际NDVI空间变化度分析可看出，在夏季1990—2000年代辽河干流植被NDVI显著递减的区域占总流域范围的41.25%，与2000—2010年代相比减少24.35%，植被覆盖度较低的区域呈现明显减少的变化趋势。夏季辽河干流植被NDVI增加的变化趋势较为明显，是干流生态植被主要的恢复时期，夏季NDVI线性递增变化比例为0.054/10a。

3.4 各年代际秋季NDVI空间变化

对辽河干流秋季3个年代际(1990年代、2000年代和2010年代)NDVI的时空变化特征进行分析，并统计分析不同年代际NDVI空间变化度，分析结果如图6—7所示。

从秋季辽河干流各月NDVI空间变化可看出，NDVI显著增加的区域占总区域的比例为45.25%，NDVI显著减少的区域占总流域的比例为7.65%，辽河干流秋季NDVI减少的区域主要分布在西北部区域，秋季各月NDVI空间变化特征和夏季变化特征较为一致，干流植被变化总体延续前其植被较好的生长变化趋势，秋季NDVI线性递增变化比例为0.047/10a。

在秋季1990—2000年代辽河干流植被NDVI显著递减的区域占总流域范围的20.25%，与2000～2010年代相比减少12.39%。

3.5 各年代际冬季NDVI空间变化

对辽河干流冬季3个年代际(1990年代、2000年代和2010年代)NDVI的时空变化特征进行分析，并统计分析不同年代际NDVI空间变化度，分析结果如图8—9。

从图中可看出，NDVI显著增加的区域占总区域的比例为26.98%，NDVI显著减少的区域占总流域的比例为5.63%，辽河干流冬季NDVI减少的区域主要分布在中南部区域。辽河干流冬季NDVI增加的区域占总流域比例的75.23%，从各年代际之间的对比结果可看出，冬季辽河干流植被NDVI呈弱变化趋势，但总体也呈现递增变化，冬季NDVI线性递增变化比例为0.014/10a。在冬季1990—2000年代辽河干流植被NDVI显著递减的区域占总流域范围的50.35%，与2000—2010年代相比减少8.45%。

图6 不同年代辽河干流秋季各月NDVI空间分布特征

图7 年代际之间辽河干流秋季各月NDVI空间变化

图8 不同年代辽河干流冬季各月NDVI空间分布特征

图9 年代际之间辽河干流冬季各月NDVI空间变化

4 分析结论

(1)辽河干流2000—2010年代NDVI平均变化率相比于1990—2000年代植被覆盖显著减少的区域递减比例达到24.35%，主要分布在流域的西北部区域，与干流生态环境日益改善具有一致性。

(2)干流不同年代际NDVI空间变化差异的主要原因在于辽河干流水热条件从西北向东南逐步改善所致，中南部分区域NDVI呈现退化状态，其他区域波动呈现递增变化。

(3)辽河干流秋季延续了夏季良好的生长态势，春季和冬季稳中有增变化，对干流年际NDVI增长起到促进作用。

(4)本文未对区域NDVI变化的成因尤其是气候因子进行分析，以后研究中还应重点关注其和气候因子之间的相关性。