2010—2020 年秦岭北麓NDVI 时空变化分析——以西安市为例

马 凌，张恒毅

（1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065；2.周至县自然资源和规划局，西安 710499）

植被在气候调节、水土保持、固碳释氧等方面发挥重要作用，是陆地生态系统的重要组成，同时也影响不同生态系统间水分循环和生物循环[1-3]。植被时空变化特征分析能反映气候、环境和生态变化规律，具有十分重要的现实意义[4]。秦岭是我国重要的生态屏障，秦岭南北区域的自然环境存在明显差异，是划分南北气候、降水、气温等方面的重要分界线，有着调节气候、维护生物多样性等生态服务价值。研究秦岭地区植被覆盖时空变化特征，对分析秦岭生态变化趋势、促进生态文明建设具有重要现实意义。卫星遥感作为一种常用的技术手段，在监测大面积植被长势和时空变化特征等方面发挥重要作用，利用遥感卫星计算植被指数能准确提取地表植被覆盖，分析植被变化趋势[5-7]。归一化植被指数（NDVI）是一种研究植被生长状况的常用指数，而MODIS 卫星的MOD13A2数据产品具有高精度、长时序的优势，在相关研究中应用广泛[8]。本文选取秦岭北麓西安段作为研究区，以2010—2020 年MODIS 卫星的MOD13A2 数据产品为基础，通过ENVI5.3 软件、ArcGIS10.5 软件进行处理，利用最大值合成法、差值法，揭示NDVI的时空变化规律，为秦岭生态环境变化监测提供科学参考。

1 研究区概况

西安市是陕西省省会，位于关中平原中部，下辖13 个区县，是中国西部重要的中心城市。西安市属于温带季风气候区，四季分明，降水主要集中在7—9 月。北邻渭河和黄土高原，南部毗邻秦岭，部分区县位于秦岭北麓，属于我国生态文明建设的热点区域。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据产品及处理

本研究选取2010 年和2020 年MODIS 卫星的MOD13A2 数据产品，该数据产品为美国国家航空航天局的16 d 合成数据（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/），空间分辨率为1 km，每月可获取两期影像。其波段包括两种植被指数，其中增强型植被指数（EVI）能突出植被冠层的结构特征，而NDVI能有效反映植被叶绿素含量，准确估算植被长势及覆盖情况。根据需要，本研究选取MOD13A2 数据产品的NDVI 数据进行处理。通过MODIS 重投影工具对MOD13A2 数据产品的原始数据进行处理，选取NDVI波段进行批量投影转换，重采样方法为最邻近法，输出影像从HDF 格式转为TIFF 格式。同时，利用ENVI5.3 软件进行拼接、区域裁剪、剔除异常值等处理。

2.2 最大值合成法

对研究区2010—2020 年的NDVI数据进行最大值合成处理，最大值合成法对每个像元在一定时间内的值进行比较筛选，从而有效剔除因大气环境、云量、太阳高度角等原因对NDVI数据计算造成的干扰。本研究使用ArcGIS10.5软件的空间分析模块，根据式（1）对西安市2010 年和2020 年1—12 月的NDVI数据进行最大值合成处理，并根据计算结果对NDVI进行重分类。

式中：NDVIi为第i年的归一化植被指数，i取2010 和2020，分别代表2010 年、2020 年；NDVIij为第i年第j月的归一化植被指数，j取1 ～12，分别代表1 月至12 月。

2.3 差值法

差值法通过对不同时间的NDVI影像进行像元级别的差值运算，得到区域内一定时间段内的NDVI变化情况，是一种直观描述区域内不同时间NDVI动态变化的有效方法。本研究使用ArcGIS10.5 软件空间分析模块的栅格计算器，根据式（2）对西安市2010 年和2020 年NDVI数据进行差值运算，并根据计算结果对NDVI插值进行重分类，分析秦岭北麓2010—2020 年植被生长变化趋势。

式中：NDVIi-j为第i年与第j年归一化植被指数的差值；NDVIi、NDVIj分别为第i年和第j年的归一化植被指数。

3 结果与分析

3.1 西安市NDVI 时空分布特征

通过最大值合成法对西安市2010 年、2020 年NDVI数据进行处理，计算结果能较好地反映植被生长最佳状况。根据计算结果，对区域内植被覆盖程度进行划分。若0.2 ＜NDVI＜0.3，则该区域为极低植被覆盖区；若0.3 ＜NDVI＜0.6，则该区域为中植被覆盖区；若NDVI＞0.6，则该区域为密集植被覆盖区。通过ArcGIS10.5 软件对不同植被覆盖程度进行重分类，根据分类结果对不同植被覆盖区域进行面积统计。经计算，2010 年西安市极低植被覆盖区面积为106.42 km2，密集植被覆盖区面积为9 079.21 km2，而2020 年西安市极低植被覆盖区面积为73.29 km2，密集植被覆盖区面积为8 628.41 km2。由结果可知，极低植被覆盖区和密集植被覆盖区面积均有所减少，中植被覆盖区面积则有所增加。植被覆盖程度在空间分布上呈现明显差异，其中极低植被覆盖区主要集中在西安市城区，以此为中心，植被覆盖度向周围逐渐递增，密集植被覆盖区则主要分布在南部秦岭地带，中植被覆盖区则主要分布在西安市中部。西安市2010年NDVI均值为0.758，2020年NDVI均值为0.768，NDVI整体呈上升趋势，以西安市城区为中心的NDVI极低植被覆盖区呈扩张趋势，而南部以秦岭为主的区域则由中高植被覆盖区向密集植被覆盖区转变。

研究区北部主要为城市中心，土地利用类型以建设用地为主，受人类活动影响较大，故而植被覆盖度较低。但随着城市不断扩张，经政策调节，公园、防护林等的建设增加，使城市植被覆盖度有所上升，生态环境有所改善。研究区南部秦岭地带以耕地、林地为主，加上政府对该区域生态环境的保护，南部生态环境进一步优化，植被覆盖度保持整体上升的趋势。

3.2 西安市NDVI 动态变化特征

利用差值法对2010 年、2020 年西安市的NDVI动态变化特征进行分析。根据差值计算结果，对秦岭北麓植被动态变化程度进行分级。若NDVI≤-0.25，则该区域为植被严重退化区；若-0.25 ＜NDVI≤-0.15，则该区域为植被中度退化区；若-0.15 ＜NDVI≤-0.05，则该区域为植被轻度退化区；若-0.05 ＜NDVI≤0.05，则该区域为植被基本不变区；若0.05 ＜NDVI≤0.15，则该区域为植被轻度改善区；若0.15 ＜NDVI≤0.25，则该区域为植被中度改善区；若NDVI＞0.25，则该区域为植被高度改善区。通过ArcGIS10.5 软件，对不同植被改善区域面积进行计算。结果发现，西安市植被覆盖改善的区域达到3 047.15 km2，其中轻度改善区域面积最大，占97.99%，主要集中分布在西安市南部秦岭地带；植被覆盖退化区域面积为1 810.21 km2，其中轻度退化区域面积最大，占83.31%，主要分布在西安市北部城市中心地带；基本不变的区域则在西安市范围内均有分布。数据显示，2010—2020 年，西安市南部区域植被覆盖度有所提升，生态环境改善明显，反映政府相关政策的正确性。西安市北部则因城市发展扩张，不断占用周边耕地和林草用地，导致植被覆盖度明显下降。西安市北部植被覆盖退化和改善现象同时存在，反映该地区在城市发展过程中注重生态文明建设。

4 结论

最大值合成法和差值法能较好地反映研究区植被覆盖变化趋势，西安市植被覆盖度在空间上存在明显差异，NDVI由秦岭向北逐渐减小，2010—2020 年植被覆盖度明显上升，但不同区域植被变化情况有所差异。2010—2020 年，研究区植被覆盖改善区域面积为3 047.15 km2，其中轻度改善区域占97.99%，主要分布在南部秦岭地带；退化区域面积为1 810.21 km2，其中轻度退化区域占83.31%，主要集中在北部城市中心。植被覆盖的时空变化特征反映城市建设扩张和政府政策引导对生态环境的影响。