基于NDVI的三峽庫區(qū)植被時空變化規(guī)律研究

張思詩,杜曉初

(湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430062)

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)和景觀的重要組成部分,在物質(zhì)與能量循環(huán)中起著非常重要的作用,對區(qū)域植被研究十分重要,目前大多采用植被指數(shù)進(jìn)行研究.植被指數(shù)在表現(xiàn)植被信息和狀態(tài)時,是通過紅色可見光通道與近紅外光譜通道的組合來實(shí)現(xiàn)的,在一定程度上反映植被的演化信息.在這些植被指數(shù)中,歸一化植被指數(shù)NDVI(normalized difference vegetation index)能夠較為準(zhǔn)確地反映地表植被的生長狀況以及覆蓋程度等特征[1-3],在植被活動的研究中得到了廣泛應(yīng)用.NDVI被定義為近紅外波段與可見光紅波段數(shù)值之差和這兩個波段數(shù)值之和的比值,是植被生長狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指示因子,也是季節(jié)變化和人為活動影響的重要指示器[4],其表達(dá)式為：NDVI=(NIR-R)/(NIR+R),其中,NIR為近紅外波段的反射值,R為可見光紅波段的反射值.王晶晶等采用NDVI序列計(jì)算植被覆蓋度對三峽大壩蓄水前后岸邊3 km緩沖區(qū)的植被覆蓋變化進(jìn)行了研究,得出三峽大壩岸邊帶植被覆蓋變化顯著、總體上有增加趨勢的結(jié)論[5]；范莉等利用MODIS-NDVI數(shù)據(jù)分析重慶三峽庫區(qū)水稻關(guān)鍵生育期的長勢并對產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測[6].這些工作對于三峽庫區(qū)植被覆蓋以及水稻長勢和產(chǎn)量預(yù)測有一定研究,而對于三峽庫區(qū)NDVI時空變化規(guī)律研究涉及較少.

為此,本文中主要以三峽庫區(qū)為研究區(qū),參考國家1∶400萬基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù),通過對該區(qū)域2001-2008年間歸一化植被指數(shù)NDVI的分析,研究該地區(qū)植被的空間分布特征、年內(nèi)及年際變化規(guī)律,探討2001-2008年間三峽庫區(qū)植被覆蓋率的變化趨勢.

1 數(shù)據(jù)來源與分析方法

1.1研究區(qū)地理背景與數(shù)據(jù)源三峽庫區(qū)位于東經(jīng)106°16′～111°28′與北緯28°56′～3l°44′之間[7],地形復(fù)雜,地貌類型多樣,土地結(jié)構(gòu)復(fù)雜,有利于各種植被類型的發(fā)育.該地區(qū)在植物區(qū)系上和植被類型上顯示出豐富性和多樣性,且氣候特征明顯,水熱條件優(yōu)越.三峽庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境直接影響到居民生活的安定性以及整個三峽工程的長期安全運(yùn)行,因此對三峽庫區(qū)的研究顯得尤為重要.

本文中所使用的數(shù)據(jù)來自EOS/MODIS數(shù)據(jù),為2001-2008年逐月的數(shù)據(jù). EOS/MODIS數(shù)據(jù)獲取信息的速度較快,分辨率高,覆蓋范圍廣,能夠定量獲取植被信息,因此本文中利用MODIS/NDVI數(shù)據(jù),對三峽庫區(qū)2001-2008年NDVI變化規(guī)律進(jìn)行研究.此外,由于冬季積雪會對NDVI值產(chǎn)生一定的影響,所以本文中僅對生長季內(nèi)即3-10月的植被長勢進(jìn)行分析[8].

輔助的空間數(shù)據(jù)為國家1∶400萬基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù).

1.2 分析方法

(1)進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理,利用NDVI柵格數(shù)據(jù)和三峽的邊界數(shù)據(jù),使用ArcGIS9.2空間分析模塊的柵格計(jì)算器功能,提取三峽庫區(qū)NDVI圖層的范圍.

(2)在ArcGIS9.2的空間分析模塊的柵格計(jì)算器內(nèi)對2001-2008年逐月數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,得到月均及年均NDVI的數(shù)據(jù).

(3)使用回歸方法檢驗(yàn)月均NDVI年內(nèi)生長季平均NDVI以及NDVI極差的變化趨勢,將NDVI時間序列看成時間的一元線性回歸函數(shù):Y=at+b,

其中a表示趨勢傾向,a>0時,說明隨時間t變化Y呈現(xiàn)上升趨勢；a<0時,表示隨時間t變化Y呈現(xiàn)下降趨勢,a的絕對值大小則表示上升或下降的速率.

2 三峽庫區(qū)植被時空變化規(guī)律分析

2.1NDVI空間分布特征NDVI對植被分布的變化非常敏感,對三峽庫區(qū)2001-2008年NDVI空間分布的變化見圖1.可以看到,2001-2008年的植被覆蓋范圍總體上呈增加的趨勢,2001-2004年逐步在庫區(qū)東北部地區(qū)增加,中部地區(qū)也有一定程度的上升趨勢.其中,2001年庫區(qū)的植被覆蓋范圍較小,2002-2004年NDVI高值區(qū)分布呈上升趨勢,說明植被的覆蓋率在逐漸增加,而到了2005年,植被覆蓋率驟降,三峽大壩的修建對庫區(qū)的植被造成了一定程度的影響,水庫壩上水位的上升,人為的破壞以及氣候原因,都是造成2005年NDVI高值區(qū)下降的因素.然后2006-2008年,NDVI高值區(qū)分布又呈上升趨勢,并且開始有區(qū)域內(nèi)均勻分布的趨勢,這與后期指定的庫區(qū)的生態(tài)工程建設(shè)方案,包括早期的中國21世紀(jì)議程——林業(yè)行動計(jì)劃、生態(tài)防護(hù)林體系的建設(shè)、綜合治理和開發(fā)建設(shè)等一系列措施的頒布有一定的關(guān)系[5].

圖1 三峽庫區(qū)NDVI空間分布圖(2001-2008年)

圖2 2001-2008年三峽庫區(qū)NDVI的年際變化曲線

2.2NDVI年際變化將2001-2008年生長季內(nèi)NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后得到三峽庫區(qū)NDVI的年際變化曲線如圖2所示,可以看出,三峽庫區(qū)平均NDVI值一般在0.472～0.797之間變化,2003年5月達(dá)到最大值0.797,可見當(dāng)月植被長勢最好；2001年3月出現(xiàn)最小值0.472,可見當(dāng)月植被長勢最差；2005年和2003年分別出現(xiàn)次小值0.497 5和0.497 8.

表1 月均NDVI年際變化趨勢線方程(2001-2008年)

R2表示方程的確定系數(shù)；*表示通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn),下同.

2001-2008年三峽庫區(qū)內(nèi)月均及年均NDVI的變化趨勢線方程見表1.從表1中可以看出, 3-6月的NDVI均呈顯著性上升趨勢,增加的速率a依次為0.011 1、0.014 3、0.010 7、0.006 3,說明在3-6月庫區(qū)的植被生長狀況較好,覆蓋率較高；而7月和10月的NDVI呈現(xiàn)下降趨勢,減少的速率a分別為-0.003 1和-0.000 2.但可以看到,年均NDVI呈現(xiàn)上升趨勢,增加的速率a為0.005 2.這說明3-6月的溫度和降水對農(nóng)作物的生長較為有利,此結(jié)果對作物生長具有一定的指導(dǎo)意義.

2.3NDVI年內(nèi)變化首先分析生長季內(nèi)各月的NDVI變化情景.對8年的3-10月NDVI求平均值,得到月均NDVI年內(nèi)變化趨勢圖,見圖3.圖3給出了庫區(qū)植被NDVI值多年平均的年內(nèi)變化趨勢及標(biāo)準(zhǔn)差,可以看出這8個月份里,7月的NDVI值最高,3月的NDVI值最低,說明在生長季內(nèi),7月植被覆蓋率最高,長勢最好,而3月植被覆蓋率最低,長勢最差.這是由于7月的溫度和降水較為適合農(nóng)作物的生長.

圖3 月均NDVI年內(nèi)變化趨勢

由于NDVI的季節(jié)變化可以反映出植被生長過程中的變化差異, NDVI極差(年內(nèi)NDVI最大與最小值之差)可以作為衡量NDVI季節(jié)變化的量度指標(biāo)[9].由2001-2008年NDVI極差變化的趨勢分析結(jié)果可得到方程:Y=-0.012 5t+25.334 5*,

其中t表示時間,Y表示NDVI極差.從該方程我們可以看出,NDVI極差呈逐年下降趨勢.

3 結(jié)果與結(jié)論

對三峽庫區(qū)2001-2008年NDVI時空變化規(guī)律的研究結(jié)果表明：

(1)三峽工程修建以來,對庫區(qū)植被的影響較大.通過對2001-2008年NDVI時空分布特征分析可以得到,除了2005年各方面因素的影響導(dǎo)致植被覆蓋率減少外,庫區(qū)的NDVI基本上呈上升趨勢,說明三峽庫區(qū)植被覆蓋有增加并且達(dá)到區(qū)域內(nèi)逐漸均勻分布的趨勢.

(2)NDVI的年際變化趨勢表明2001-2008年除7月外,植被的月均NDVI值均呈增加趨勢,特別是3-6月尤為顯著,年均NDVI也呈上升趨勢,表明三峽庫區(qū)內(nèi)植被覆蓋度增加,生態(tài)環(huán)境有逐漸改善的趨勢.

(3)生長季內(nèi)各月的NDVI變化表明,三峽庫區(qū)在生長季內(nèi),7月植被覆蓋率最高,長勢最好,而3月覆蓋率最低,長勢最差.NDVI的季節(jié)變化研究表明NDVI極差呈逐年下降趨勢,說明三峽庫區(qū)的植被覆蓋率越來越高.

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