2011—2020年武威市植被覆盖度时空变化特征分析

张玉婷 张祯 马吉虎

摘 要 基于武威市2011—2020年MODIS13Q1数据提取16 d的NDVI数据，通过Arcgis像元统计工具计算得到年均NDVI数据，采用回归趋势分析法研究植被覆盖度时空变化、生态适应性和植被地域分布等主要特征。结果表明：武威市植被地域分布特征明显，植被覆盖度整体呈自北向南递增趋势空间分布，高覆盖度主要分布在天祝县南部祁连山山地，中覆盖度主要分布在凉州区、古浪县、民勤县中部绿洲农业区，低覆盖度主要分布在凉州区、古浪县、民勤县北部沙漠腹地，年均NDVI值波动幅度整体平穩，呈上升趋势特征，植被整体生长有明显改善。

关键词 MODIS;植被覆盖度NDVI;时空变化;武威市

文章编号：1005-5215（2022）01-0056-03

中图分类号：S771.8 文献标识码：A doi：10.13601/j.issn.1005-5215.2022.01.017

Abstract Based on the MODIS13Q1 data of Wuwei City from 2011 to 2020，the 16-day NDVI data was extracted，and the annual average NDVI data was calculated by the ArcGIS pixel statistical tool. The regression trend analysis method was used to study the spatio-temporal changes of vegetation coverage，ecological adaptability，and vegetation geographical distribution. Main features. Result shows that the vegetation area distribution characteristics of Wuwei City are obvious，and the overall vegetation coverage is increasing from north to south. The high coverage is mainly in the Qilian Mountains in the south of Tianzhu County，and the medium coverage is mainly distributed in Liangzhou District and Gulang County. In the oasis agricultural area in the central part of Minqin County，the low coverage is mainly distributed in Liangzhou District，Gulang County，and the northern desert hinterland of Minqin County. The fluctuation range of the average annual NDVI value is generally stable，showing an upward trend，and the overall vegetation growth has been significantly improved.

Key words MODIS; vegetation coverage NDVI; temporal and spatial changes; Wuwei City

植被指标用于反映全球植被环境条件监测和显示土地覆盖和土地覆盖变化，在生态恢复和保护方面发挥着重要作用。植被不仅具有维持区域气候稳定和生态平衡的功能，还能反映区域绿洲与荒漠生态系统的相互作用过程，为区域生态研究提供重要信息[1]。

归一化植被指数（Normalized Differential Vegetation Index，NDVI）是目前最为常用的表征植被覆盖状况的指标，综合反映了区域植被覆盖密度和植被生长状况﹐是描述植被空间分布密度的最佳指标[2]。武威市地处河西走廊东端，局部地形复杂，植被分布不均，高覆盖森林植被主要分布在南部祁连山山区，占9.83%，中部绿洲区域和北部风沙区长期受风沙危害，导致植被稀疏，荒漠化和沙化严重，生态环境非常脆弱。因此，通过开展植被动态监测分析，掌握武威市植被覆盖时空变化、生态环境适应性和植被地域分布等规律，可因地制宜、科学规划造林绿化，精准提升林草质量，推动武威市生态建设可持续性发展。

1 研究区概况

武威市地处甘肃省西部，河西走廊东端，地势南高北低，局部地形复杂，植被盖度分布不均，高海拔南部祁连山山区降水量大，植被生长比较好，主要分布有云杉、柏树、松树、金露梅、高山杜鹃等天然植被;中部绿洲区大部分区域有灌溉条件，植被生长情况良好，农耕地周边分布有人工植被，主要为杨树、云杉、樟子松、榆树等乔木;北部防沙区地处腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠腹地，降水较少，蒸发量大，气候干燥，植被稀疏，主要分布荒漠植被，以耐旱的小灌木、半灌木为主，生长稀疏，植物种类相对贫乏，代表种主要有梭梭、沙拐刺、白刺、泡泡刺、花棒、沙蒿、红柳、盐爪爪等。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源及处理

本研究采用2011年1月—2020年12月美国宇航局NASA的250 m中等空间分辨率的长时间序列MODIS13Q1/NDVI数据，每月2景，总共460景，时间分辨率为16 d。首先利用MRT软件进行数据拼接、格式转换和投影转换等方式提取16 d的NDVI数据，然后利用Arcgis Python批处理对2011—2020年16 d的NDVI进行归一化处理，并采用掩膜提取和最大值合成法提取武威市2011—2020年逐月NDVI数据，最后利用生长季的6—10月NDVI数据均值法提取逐年平均的NDVI数据。

2.2 研究方法

2.2.1 NDVI最大化处理 采用最大值合成法（MaximumValue Composites，MVC）[3]，借助ArcGIS中的像元统计分析工具，根据多个栅格数据计算每个像元的统计数据，提取武威市10年的各月最大NDVI值作为各月月均NDVI值。由于云雨的影响，遥感数据无法有效地观测地面。这种影响表现为NDVI上的低值噪声。为了减少这种影响，通常采用最大值综合法来更准确反映植被覆盖度，并获得相邻时间的最佳观测值作为填充值，以消除低值噪声。

2.2.2 均值法 年均NDVI值是求生长季2011—2020年间每年6-10月植被NDVI的平均值：

2.2.3 趋势性分析法 采用单变量线性回归对随时间变化的变量进行线性回归分析，通过MATLAB计算得到回归模型方程的斜率（Slope），从而预测研究区植被覆盖的变化趋势，能够综合反映研究区生长季NDVI时空格局的演变。利用MATLAB批处理功能，对NDVI每个像元进行趋势回归分析处理，回归方程的斜率代表植被NDVI每个栅格单元的变化趋势，当Slope为正值时，表示随时间空间变化该栅格单元所代表的植被NDVI值呈上升趋势。当Slope为负值时，表示随时间空间变化该栅格数据单元所代表的植被NDVI值呈下降趋势[4，5]。其计算公式为：

式中： Slope为单像元植被NDVI回归方程的斜率;Pi为第i年的年平均NDVI值;n是年数。采用F检验对变化发展趋势进行显著性检验，计算公式如下[6]：

式中：，为回归平方和;为剩余平方和，yi是第i年覆盖度值，y^为其回归值，y为10年覆盖度平均值;n=10，为年数。

3 结果与分析

3.1 武威市植被覆盖时空分布特征

利用2011—2020的年平均NDVI数据，计算10年平均值得到平均NDVI，将NDVI分为5级：低覆盖度（NDVI<0.30）、较低覆盖度（NDVI：0.30～<0.45）、中覆盖度（NDVI：0.45～<0.60）、较高覆盖度（NDVI：0.60～<0.75）、高覆盖度（NDVI≥0.75）。

从图1可以看出，武威市植被覆盖地域空间分布特征显著，植被覆盖度在地域空间上整体呈自北向南递增趋势，低覆盖度主分布在民勤县、凉州区、古浪县北部腾格里沙漠，中覆盖度主分布在中部绿洲区域，高覆盖度主分布在凉州区、天祝县、古浪县南部祁连山区域。

对10年NDVI平均值的分级统计结果显示，低覆盖度面积占62.7%，较低覆盖度面积占15.15%，中覆盖度面积占12.94%，高覆盖度面积占9.54%，较高覆盖度面积占0.29%。

3.2 武威市植被覆盖时间变化特征

为了研究武威市植被覆盖区域NDVI随时间变化的特点，取2011—2020年平均NDVI影像中的植被覆盖区域的NDVI平均值，代表当年的植被覆盖度，制作当年年际NDVI变化图（图2）。从图2显示结果来看，武威市植被覆盖区域的年均NDVI值为0.25～0.3。波动幅度平稳，研究区的植被覆盖NDVI整体呈平稳趋势，植被覆盖区域的最低值出现在2013年（0.249），最高值出现在2019年（0.302），NDVI整体呈上升趋势特征，表明植被整体生长状况开始好转。

3.3 武威市植被覆蓋度变化趋势分析

武威市植被覆盖度变化趋势分析采用一元线性回归趋势分析，并与F检验结合起来，可以有效反映2011—2020年武威市植被覆盖NDVI的变化趋势的空间分析特征。根据Slope趋势分析的分级结果和F检验的分级结果叠加分析，植被退化面积占6.52%（表1），植被改善面积占11.45%，植被稳定面积占82.02%，武威市的植被总体上生长良好。

由图3可以看出，2011—2020年武威市地表植被改善的面积远大于植被退化的面积，植被稳定面积占82.02%，说明2011—2020年武威市地表植被整体呈平稳趋势。植被明显改善的区域主要分布在武威市中部绿洲区域;轻微改善的地区主要位于在南部祁连山林缘边、绿洲区沙区边缘以及沙区公路两侧;稳定不变地区在武威市呈整体分布;轻微退化的区域主要位于武威市凉州区、民勤县、古浪县北部沙区;严重退化的区域主要分布在中部绿洲区域，呈零星分布。

4 结论

4.1 武威市植被覆盖地域空间分布特征明显，植被覆盖度整体呈自北向南递增趋势空间分布，高覆盖度主要分布在南部祁连山山地，中覆盖度主要分布在中部走廊平原，低覆盖度主要分布在北部荒漠区。

4.2 武威市植被覆盖区域的年均NDVI值在0.25～0.3之间波动，植被覆盖区域的NDVI波动整体呈平稳趋势，植被覆盖区域的最低值出现在2013年，为0.249;最高值出现在2019年，为0.302。NDVI整体呈上升趋势特征，表明植被整体生长状况开始好转。

4.3 从DNVI变化趋势上分析，2011—2020年武威市地表植被改善的区域远远大于植被退化的区域。植被退化区域占6.52%，植被改善区域占11.45%，植被稳定区域占82.02%。武威市植被NDVI变化趋势地域空间分布特征明显，海拔较低处的变化趋势普遍大于海拔较高处的，表明植被NDVI变化趋势具有海拔梯度差异特征，这是因为较低的海拔受人类活动的影响较大，中部绿洲平原地区植被覆盖呈增加趋势，主要与三北防护林工程、退耕还林还草、祁连山生态修复、造林补助、北部风沙治理等生态建设重点工程有关，也有小部分呈明显减少或轻度减少，主要与部分地区城市化与工业化的快速发展有关，建设项目占用林业用地。海拔较高处的植被覆盖主要受气候变化的影响。

参考文献：

[1] 张惜伟，汪季，高永，等.近15年呼伦贝尔沙质草原植被覆盖变化对气候因子的响应[J].草地学报，2018，26（1）：62-69

[2] Holben B N.Characteristics of maximum-value composite images from temporal AVHRR data [J]. International Journal of Re-mote Sensing，1986，7（11）：1417-1434

[3] 武正丽，贾文雄，刘亚荣，等.近10a来祁连山植被覆盖变化研究[J].干旱区研究，2014，31（1）：80-87

[4] 刘宪锋，任志远，林志慧，等.2000—2011年三江源区植被覆盖时空变化特征[J].地理学报，2013，68（7）：897-908

[5] Stow D，Daceschner S，Hope A，et al. Variability of the seasonally integrated normalized difference vegetation index across thenorth slope of Alaska in the 1990s[J]. International Journal of Remote Sensing，2003，24（5）：1111-1117

[6] 宋怡，马明国.基于CIMMS AVHRR NDVT数据的中国寒旱区植被动态及其与气候因子的关系[J].遥感学报，2008，12（3）：499-505