基于Landsat数据的横山区植被指数变化研究

杨亮彦

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075；2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710021；3.自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西 西安 710021；4.陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西 西安 710075)

1 引言

植被是陆地生态系统中进行能量交换、水循环和碳循环的重要媒介，在地球保持能量平衡和调节气候变化中发挥着重要作用[1，2]。植被也是区域生态系统稳定性的指示器，具有防风固沙、减弱水土流失的作用，是生态建设工程的重要工具[3，4]。且干旱区植被对气候变化和水热条件极为敏感，因此探究区域植被变化过程，在生态环境改善以及生物资源利用方面具有重要的指导意义[5～7]。

黄土高原是我国生态环境最脆弱区之一，20世纪因自然因素和人类活动的共同影响，黄土高原水土流失、土地沙化等问题日益突出[8]。近些年，国家实施防风固沙、退耕还林还草工程等重大生态建设工程，黄土高原生态环境得到有效恢复[9～11]。榆林市横山区作为黄土高原生态退耕的典型区，其位于黄土高原的中南部，北部属于毛乌素沙地风沙滩边缘区，南部为黄土高原沟壑区，在生态工程的影响下，横山区植被覆盖度发生巨大变化，但横山区生态环境依然脆弱，探明横山区植被动态变化规律对指导横山区社会经济与生态环境协调发展具有重要意义。因此，本研究以榆林市横山区为研究区，以Landsat系列卫星影像为数据基础，利用植被指数遥感反演方法，获取横山区1993年和2019年同时期的植被指数，并分析横山区1993～2019年植被指数的时空动态变化，为区域的生态环境保护提供科学借鉴。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

Landsat系列卫星是NASA的陆地卫星计划，从1972年发射第一颗卫星，相继发射了8颗卫星。其凭借影像质量高、光谱信息丰富、更新周期短及免费获取等优势，在植物、土壤、生物等领域应用广泛。Landsat系列卫星重返周期为16 d，卫星高度为705 km，幅宽为185 km×185 km[12]。本文选取榆林市横山区作为研究区，覆盖研究区的Landsat影像数据的条代号为(127，034)，在地理空间数据云中，根据遥感影像的条代号进行筛选，由于受云等因素的影响，无法获取不同年份同一日期的影像，所以本文选取并下载了覆盖整个研究区的2019年8月29日、1993年8月24日两期数据。并通过辐射定标、大气校正等预处理减弱大气对影像的影响。

2.2 研究方法

2.2.1 归一化植被指数

归一化植被指数的获取方法为近红外波段的反射值与红光波段的反射值之差比上两者之和。

NDVI=(BNIR-BR)/(BNIR-BR)

(1)

式(1)中：BNIR为遥感近红外波段；BR为遥感红外波段。

2.2.2 差值法

差值法是用来分析研究区不同时间段之间的指标动态变化。本研究采用差值法研究近27a横山区植被指数的变化趋势。

NDVI差值=NDVIi-NDVIj

(2)

式(2)中：NDVIi、NDVIj表示第i年和第j年的NDVI值；NDVI差值表示第i年与第j年的差值。

3 结果与分析

图1为横山县1993年和2019年NDVI空间分布图。统计各年份不同NDVI区间的比例见表1。由图表可知，1993和2019年横山区NDVI均值分别为0.38和0.44。其中1993年NDVI小于0.2的区域分布在研究区的北部和西部，占研究区的15.48%，0.2～0.4和0.4～0.6的区域较多，遍布整个研究区，分别占研究区的40.31%和35.77%，而大于0.6的区域主要分布在河道附近，呈线状分布，占研究区的8.25%；与1993年相比，横山区2019年NDVI空间分布有明显变化，小于0.2的区域明显减少，呈点状分布在研究区的北部，0.2～0.4的区域占比降低，0.4～0.6的区域的比例明显增多，占研究区的54.08%，大于0.6的区域也有所增加。以上数据说明，横山区植被覆盖得到明显的改善，特别是研究区的北部和西部，经过多年的生态工程的实施，风沙草滩区的植被覆盖有了明显的提升。

图1 1993和2019年榆林市横山区NDVI空间分布

表1 榆林市横山区1993和2019年不同NDVI区间的比例 %

为了进一步探明横山区植被改善或退化的区域，本研究将2019年与1993年的数据进行差值处理，获取两期NDVI差值数据，统计结果见表2。NDVI差值小于0的区域占比33.42%，主要为-0.1～0.0，大于0的区域占研究区的66.58%，主要分布在0.0～0.1和0.1～0.2。以上数据表明，研究区内植被指数改善的区域占比较大。

4 结论

基于1993年和2019年Landsat系列数据，利用定

表2 横山区不同NDVI差值占比

量遥感反演方法获取研究区2期植被指数，分析横山区1993-2019年植被指数的时空分布及动态变化规律，得到如下结论：榆林市横山区NDVI值空间分布呈现北部和西部较低，南部和东部较高。研究区1993和2019年NDVI均值分别为0.38和0.44。其中小于0.2的区域明显减少，0.2～0.4的区域占比降低，0.4～0.6的区域的比例明显增多，大于0.6的区域也有所增加。横山区2019年和1993年的NDVI差值小于0的区域占比33.42%，主要在-0.1～0.0区间，大于0的区域占研究区的66.58%，主要分布在0.0～0.1和0.1～0.2区间。1993～2019年间，横山区植被覆盖得到明显的改善，但植被覆盖退化的区域占比依然较重，需进一步探明植被退化的原因，为横山区生态环境恢复提供支持。