基于NDVI的黃土高原植被覆蓋變化特征分析

鐘莉娜，趙文武

(地表過程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京師范大學(xué)資源學(xué)院，100875，北京)

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是氣候和人文因素對(duì)環(huán)境影響的敏感指標(biāo)。歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)是對(duì)地表植被覆蓋和生長(zhǎng)情況的一種反映，其值可以指示植被覆蓋的變化，是監(jiān)測(cè)植被和生態(tài)變化的有效指標(biāo)［1］。植被覆蓋狀況可以直接反映所在地區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況。近年來，對(duì)地表植被覆蓋狀況的研究已經(jīng)成為全球科學(xué)研究的熱點(diǎn)問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)NDVI的動(dòng)態(tài)演變規(guī)律進(jìn)行了大量研究［2-13］，在不同氣候條件、不同時(shí)期、不同土地利用類型的區(qū)域，NVDI變化特征具有明顯的差異［14-15］。當(dāng)植被覆蓋較低時(shí)，NDVI對(duì)覆蓋度增減反應(yīng)靈敏，當(dāng)覆蓋度較大時(shí)，NDVI趨于飽和［16］。對(duì)于植被覆蓋度低的區(qū)域，NDVI可以比較靈敏地反映植被生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)變化情況。黃土高原是我國(guó)生態(tài)環(huán)境最為脆弱的地區(qū)之一，自然環(huán)境條件不穩(wěn)定，植被覆蓋度低，抵御自然災(zāi)害的能力弱，對(duì)氣候和人文活動(dòng)影響較為敏感。以NDVI為數(shù)據(jù)源，通過空間統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行黃土高原地區(qū)植被覆蓋空間變化特征的分析，有助于加深人們對(duì)黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境總體動(dòng)態(tài)狀況的了解，增強(qiáng)對(duì)植被覆蓋空間模式變化規(guī)律的理解和認(rèn)知。

對(duì)黃土高原地區(qū)植被覆蓋變化特征的研究一直是國(guó)內(nèi)學(xué)者研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一［17-21］。研究表明，氣候變化和人類活動(dòng)等是影響黃土高原地區(qū)植被覆蓋變化的重要因素。孫睿等［22］利用8 km分辨率的Pathfinder NOAA-NDVI數(shù)據(jù)，對(duì)黃河流域 1982—1999年地表植被覆蓋的空間分布及時(shí)間序列變化進(jìn)行了分析，并分析了降水對(duì)流域植被覆蓋的影響。信忠保等［23］利用 GIMMS和 SPOT VGT 2種 NDVI數(shù)據(jù)對(duì)黃土高原地區(qū)1981—2006年植被覆蓋的時(shí)空變化進(jìn)行了研究，并從氣候變化和人類活動(dòng)的角度分析了植被覆蓋變化的原因。以往的研究注重對(duì)植被覆蓋變化的原因分析，但是對(duì)植被覆蓋時(shí)空格局演變特征的研究相對(duì)較少，植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化的研究方法也有待于進(jìn)一步拓展。筆者基于1998、2003、2008和2012年每年8月21日的 SPOT-VGT NDVI數(shù)據(jù)，在GeoDa 095i和ArcGIS9.3分析軟件的支持下，對(duì)黃土高原不同地區(qū)NDVI值進(jìn)行空間自相關(guān)分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)其空間熱點(diǎn)分布進(jìn)行探測(cè)，以期豐富植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化的研究案例，揭示黃土高原地區(qū)植被覆蓋格局隨時(shí)間的演變特征，并在一定程度上反映黃土高原地區(qū)退耕還林(草)政策的成效。

1 研究區(qū)概況

黃土高原是世界上最大的黃土堆積區(qū)，也是水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)之一。該區(qū)域?qū)儆谂瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候。蒸發(fā)強(qiáng)烈，秋季總蒸發(fā)量自西北向東南由380 mm減少到220 mm［24］。年平均降雨量492 mm，52%的降雨量集中在夏季，與同緯度地區(qū)比較，年降雨總量少，且季節(jié)分配集中［25］。以200和400 mm等降雨量線為界，西北部為干旱區(qū)，中部為半干旱區(qū)，東南部為半濕潤(rùn)區(qū)［26］。黃土高原處于從平原向山地高原過渡、從濕潤(rùn)向干旱過渡、從森林向草原過渡、從農(nóng)業(yè)向牧業(yè)過渡的地區(qū)，各種自然要素相互交錯(cuò)，自然環(huán)境條件不夠穩(wěn)定。黃土高原地區(qū)自1999年開始全面實(shí)行退耕還林(草)政策，不僅強(qiáng)化了全民的生態(tài)意識(shí)，而且促進(jìn)了黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，取得了比較明顯的水土保持、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

植被覆蓋數(shù)據(jù)來自比利時(shí)弗萊芒技術(shù)研究所(FlemishInstitute for Technological Research，Vito)影像處理中心(VEGETATION Processing Centre，CTIV)，該數(shù)據(jù)是基于法國(guó)SPOT-4衛(wèi)星拍攝的遙感影像處理得到的全球NDVI數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km×1 km。結(jié)合植被生長(zhǎng)的季節(jié)變化特征和年份周期，選擇1998、2003、2008和2012年每年8月21日的SPOT-VGT NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行黃土高原植被覆蓋的時(shí)空變化分析。

2.2 研究方法

應(yīng)用空間數(shù)據(jù)分析軟件 GeoDa 095i和 Arc-GIS9.3對(duì)研究區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間自相關(guān)分析和空間熱點(diǎn)探測(cè)。空間自相關(guān)分析是進(jìn)行空間熱點(diǎn)探測(cè)的前提。

空間自相關(guān)是指地理事物分布于不同空間位置的某一屬性之間的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性，通常距離越近的值之間相關(guān)性越大?？臻g相關(guān)性由空間自相關(guān)系數(shù)度量，檢驗(yàn)空間事物屬性是否高高相鄰分布或者是高低間錯(cuò)分布［27］。基于 GeoDa 095i以指標(biāo) Moran'I來度量黃土高原不同地區(qū)的NDVI數(shù)據(jù)之間是否存在空間自相關(guān)。Moran'I統(tǒng)計(jì)方法首先假設(shè)研究對(duì)象間沒有任何空間相關(guān)性，然后通過Z-score得分檢驗(yàn)來驗(yàn)證假設(shè)是否成立。

空間熱點(diǎn)探測(cè)從某種意義上來說是空間聚類的特例。熱點(diǎn)探測(cè)采用的是Getis-Ord Gi*統(tǒng)計(jì)模型。每一個(gè)要素計(jì)算的Gi*統(tǒng)計(jì)成為Z分值。對(duì)于具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的Z分值，Z分值越高，高值(熱點(diǎn))的聚類就越緊密，Z分值越低，低值(冷點(diǎn))的聚類就越緊密。Z分值與置信度相關(guān)聯(lián)，所以根據(jù)置信度來確定冷點(diǎn)和熱點(diǎn)的分級(jí)。綜合考慮黃土高原地區(qū)植被覆蓋度較低、植被覆蓋度變化范圍不大的區(qū)域特點(diǎn)，參考ArcGIS熱點(diǎn)分析模塊的相關(guān)原理，選擇可接受的置信水平為90%(P＜0.1)。在這種情況下，Z得分小于-1.65的區(qū)域稱為NDVI冷點(diǎn)區(qū)，Z得分大于1.65的區(qū)域稱為NDVI熱點(diǎn)區(qū)［28］。同時(shí)，為了方便進(jìn)一步的分析，分別在置信水平為95%(Z＜-1.96或Z＞1.96)、99%(Z＜ -2.58或Z＞2.58)處劃分等級(jí)，將冷點(diǎn)和熱點(diǎn)區(qū)又分別劃分為3個(gè)等級(jí)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同年份植被覆蓋度比較

將黃土高原地區(qū)NDVI數(shù)據(jù)重分類為5個(gè)等級(jí)，即 -1.0 ～0.2、0.2 ～0.4、0.4 ～0.6、0.6 ～0.8、0.8～1.0(圖1)。不同年份等級(jí)面積比較見表1?？梢钥闯觯?003年較1998年而言，第1等級(jí)面積增幅最大，增加了2萬(wàn)km2，第2等級(jí)面積略有降低，而第3、4、5等級(jí)面積均減少，說明2003年比1998年植被覆蓋度明顯降低，這可能會(huì)導(dǎo)致當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的惡化。2008和2012年情況逐漸好轉(zhuǎn)，第1等級(jí)和第2等級(jí)的土地面積逐漸減少，第3等級(jí)面積基本保持穩(wěn)定，而第4等級(jí)和第5等級(jí)面積則有明顯增加。

黃土高原地區(qū)在1999年開始全面推行退耕還林(草)政策。由表1中的NDVI年際變化可知，退耕還林(草)政策實(shí)施初期，植被恢復(fù)并沒有顯現(xiàn)很好的效果。這種現(xiàn)象可能是由于在退耕還林(草)或是荒地造林(草)初期，新種植的林地或草地尚處于植被恢復(fù)的初級(jí)階段，樹木成活率低，植被覆蓋狀況并沒有出現(xiàn)迅速好轉(zhuǎn)的局面。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在1999—2000年早期的還林工程中，樹木的成活率可能只在30%左右，2001—2002年才有所改善［29］;所以，在退耕還林(草)工程實(shí)施初期，黃土高原地區(qū)植被覆蓋并未增加反而降低;但隨著時(shí)間的推移和對(duì)退耕還林(草)政策的持續(xù)貫徹執(zhí)行，到2012年，退耕還林(草)政策已經(jīng)取得了明顯的成效，黃土高原整體的植被覆蓋明顯增加，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到了顯著提升。

3.2 空間自相關(guān)分析

圖1 黃土高原地區(qū)NDVI分級(jí)圖Fig．1 Classification map of NDVI in the Loess Plateau

表1 植被覆蓋不同等級(jí)面積及年變化率Tab．1 Vegetation coverage area and change rate for different grades

將黃土高原按照行政區(qū)域劃分為39個(gè)區(qū)域，統(tǒng)計(jì)每一個(gè)行政區(qū)內(nèi)的NDVI值，計(jì)算其平均值并賦為行政區(qū)劃的屬性。利用空間數(shù)據(jù)分析軟件GeoDa 095i分別分析1998、2003、2008和2012年各行政區(qū)NDVI之間是否具有空間自相關(guān)關(guān)系，結(jié)果見圖2?？芍?，1998、2003、2008和 2012年各年的 Moran's I值分別為0.563 2、0.387 7、0.352 8、0.464 7，并且計(jì)算結(jié)果通過了Z值檢驗(yàn)(P值分別為0.005 0、0.010 0、0.010 0、0.005 0，均小于 0.05)，說明各年 NDVI在空間上具有空間正相關(guān)性，即在1998、2003、2008和2012年，植被覆蓋高的地區(qū)與植被覆蓋高的地區(qū)相鄰，植被覆蓋低的地區(qū)與植被覆蓋低的地區(qū)相鄰?？臻g自相關(guān)分析的結(jié)果表明，黃土高原地區(qū)植被覆蓋表現(xiàn)出良好的空間聚集性。

3.3 空間熱點(diǎn)探測(cè)

圖2 NDVI單變量Moran散點(diǎn)圖Fig．2 Univariate Moran scatter plot of NDVI

1998、2003、2008 和 2012 年 NDVI值的熱點(diǎn)和冷點(diǎn)如圖3所示。圖中紅色區(qū)域表示NDVI值的熱點(diǎn)區(qū)，藍(lán)色區(qū)域表示NDVI值的冷點(diǎn)區(qū)。可以看出:冷點(diǎn)區(qū)主要分布在黃土高原的西北方向，熱點(diǎn)區(qū)則分布在黃土高原的東南方向;冷點(diǎn)區(qū)面積總體上呈減少趨勢(shì)，而熱點(diǎn)區(qū)面積則先減少后增加。1998—2003年，黃土高原冷點(diǎn)區(qū)主要集中在固原市、中衛(wèi)市、吳忠市、銀川市和石嘴山市、鄂爾多斯市和巴彥淖爾市，1998年熱點(diǎn)區(qū)主要集中在忻州市、晉城市、陽(yáng)泉市、太原市、晉中市、長(zhǎng)治市、洛陽(yáng)市、三門峽市和運(yùn)城市，2003年熱點(diǎn)區(qū)主要分布在西安、渭南市、晉城市和陽(yáng)泉市;2003—2008年，NDVI值的冷點(diǎn)區(qū)域范圍縮小，主要分布在中衛(wèi)市、吳忠市、銀川市、鄂爾多斯市和巴彥淖爾，2008年熱點(diǎn)集中在西安、寶雞市、咸陽(yáng)市、銅川市和晉城市;2008—2012年，冷點(diǎn)區(qū)及其范圍沒有變化，2012年的熱點(diǎn)區(qū)較2008年發(fā)生了轉(zhuǎn)移，主要分布在黃土高原東部的長(zhǎng)治市、晉中市、太原市、陽(yáng)泉市和忻州市。

在干旱、半干旱的黃土高原地區(qū)，水分條件是制約植被生長(zhǎng)的瓶頸，降水對(duì)植被的空間分布有決定性的意義。黃土高原地區(qū)熱點(diǎn)區(qū)和冷點(diǎn)區(qū)的變化與當(dāng)?shù)氐慕邓畻l件有關(guān)。黃土高原多年平均降雨量總的趨勢(shì)是從東南向西北遞減，東南部600～700 mm，中部300～400 mm，西北部100～200 mm。以200和400 mm等年降雨量線為界，西北部為干旱區(qū)，中部為半干旱區(qū)，東南部為半濕潤(rùn)區(qū)［28］。可見，黃土高原年降雨量分布與NDVI值分布有較高的一致性，說明降雨量在很大程度上決定了該地區(qū)的植被覆蓋情況。

圖3 黃土高原NDVI值分布熱點(diǎn)圖Fig．3 NDVI hotspots distribution map in the Loess Plateau

4 結(jié)論與討論

1)1998、2003、2008和 2012年，黃土高原地區(qū)植被覆蓋具有較好的空間自相關(guān)性，表明黃土高原植被具有良好的集聚性分布特征。

2)1998—2012年黃土高原的植被覆蓋經(jīng)歷了先降低后增加的過程。退耕還林(草)政策有效增加了黃土高原地區(qū)的植被覆蓋度，對(duì)遏制黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境退化起到了一定的控制作用。

3)黃土高原植被覆蓋具有明顯的空間差異。NDVI冷點(diǎn)區(qū)一直位于黃土高原的西北方向，熱點(diǎn)區(qū)分布在黃土高原的東南方向。

影響黃土高原地區(qū)植被覆蓋變化的原因有很多，由于數(shù)據(jù)和資料的限制，沒有深入探討土地利用方式的變化、人類活動(dòng)的干擾等因素對(duì)黃土高原地區(qū)植被覆蓋年際變化的影響，有待于在進(jìn)一步的研究中深化。

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