基于ERDAS與GIS的滁州市植被NDVI時(shí)空變化特征研究

黃海洧，趙 來(lái)，谷家川，許 輝

(滁州學(xué)院地理信息與旅游學(xué)院，安徽滁州 239000)

基于ERDAS與GIS的滁州市植被NDVI時(shí)空變化特征研究

黃海洧，趙 來(lái)，谷家川*，許 輝

(滁州學(xué)院地理信息與旅游學(xué)院，安徽滁州 239000)

摘要[目的]研究滁州市歸一化植被指數(shù)(NDVI)時(shí)空分布規(guī)律，為今后有針對(duì)性地改善滁州市的植被資源乃至生態(tài)系統(tǒng)提供理論依據(jù)。[方法]運(yùn)用ERDAS和GIS技術(shù)，選取2001～2010年滁州市MODIS影像數(shù)據(jù)，得到2001～2010年滁州市的NDVI，并分析了NDVI時(shí)空變化的特征。[結(jié)果]從時(shí)間上看，2001～2010年滁州市植被NDVI平均值整體呈上升趨勢(shì)，其中2001年植被NDVI平均值為0.468 1，2010年達(dá)0.681 3，年均增加率5.06%；從空間上看，滁州市植被NDVI的空間分布格局產(chǎn)生了較大變化，呈現(xiàn)東部和東北部增加，北部和西南部減少的趨勢(shì)，中部和南部較為穩(wěn)定。[結(jié)論]2001～2010年滁州市植被NDVI總體呈上升趨勢(shì)，且植被起伏較大，區(qū)分較明顯。

關(guān)鍵詞滁州市；植被覆蓋度；NDVI；時(shí)空變化

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體及存在的基礎(chǔ)，在保持水土、降低溫室氣體濃度、調(diào)節(jié)全球碳平衡和維持氣候穩(wěn)定等方面有著不可替代的作用[1]。歸一化植被指數(shù)(NDVI)又稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)化植被指數(shù)，是植物生長(zhǎng)狀態(tài)以及植被空間分布密度的最佳指示因子，與植被分布密度呈線性相關(guān)。在植被覆蓋變化研究中，NDVI能很好地反映植被覆蓋、生物量及生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)的變化[2]。NDVI對(duì)土壤背景的變化較為敏感，與綠葉的葉面積系數(shù)(LAI)有很好的正相關(guān)性，可直接表征某地區(qū)的植被覆蓋狀況[3-6]，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于植被覆蓋變化研究中。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)遙感影像在植被覆蓋度研究中的應(yīng)用已有大量報(bào)道。Rouse等[7]提出用于監(jiān)測(cè)植被生長(zhǎng)狀態(tài)的NDVI，該指數(shù)常被應(yīng)用于區(qū)域和全球的植被狀態(tài)研究。Duncan等[8]研究了墨西哥荒漠地區(qū)灌木林覆蓋率NDVI的關(guān)系，得到了較好的關(guān)系模型；甘甫平等[9]根據(jù)植被在685 nm的最大吸收深度劃分植被污染程度；陳云浩等[10]通過(guò)對(duì)1983～1992年我國(guó)陸地植被NDVI演變特征的矢量分析，從一個(gè)相對(duì)較廣的區(qū)域分析了我國(guó)陸地整體植被演化的過(guò)程。國(guó)內(nèi)很多省市對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行了估算，但是對(duì)滁州市的研究較少。鑒于此，筆者以2001～2010年滁州市的Modis遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用ERDAS軟件的Moderler構(gòu)建了植被覆蓋度轉(zhuǎn)換模型，分析了滁州市植被NDVI的時(shí)空分布特征，以期為滁州市生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供參考。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況滁州市位于117°09′～119°13′ E，31°51′～33°13′ N，濱臨長(zhǎng)江，東與江蘇省南京市、揚(yáng)州市、淮安市接壤，西與安徽省合肥市、淮南市毗鄰，南與馬鞍山市相連，北與蚌埠市交界，面積約13 398 km2。

滁州市地處長(zhǎng)江中下游平原及江淮之間丘陵地帶，為北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，四季分明，溫暖濕潤(rùn)，春季冷暖交替，夏季炎熱多雨，秋季晴朗氣爽，冬季寒冷少雨。全市年平均氣溫15.4 ℃，年平均降水量1 035.5 mm。梅雨期長(zhǎng)23 d。滁州市域跨長(zhǎng)江、淮河兩大流域，全市地貌大致可分為崗地區(qū)、丘陵區(qū)和平原區(qū)三大類(lèi)型，平原較少，主要分布在沿河、湖的狹窄地帶，其余均為丘陵與崗地，全市最高峰為南譙區(qū)境內(nèi)的北將軍嶺，海拔399.2 m。

1.2數(shù)據(jù)預(yù)處理根據(jù)下載到的MOD3Q1特性，利用Modis Reprojection Tool(MRT)對(duì)格式與投影進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使用ERDAS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，再使用滁州市行政區(qū)劃圖對(duì)其進(jìn)行裁剪，得到滁州市的植被覆蓋指數(shù)，然后在ERDAS中進(jìn)行運(yùn)算，通過(guò)ERDAS的功能定義→條件選項(xiàng)→EITHER條件語(yǔ)句對(duì)所有小于零的值賦零值。最后運(yùn)用Arcgis軟件的空間統(tǒng)計(jì)功能制圖，得到2001～2010年滁州市植被NDVI值。

1.3取正值模型基于MRT軟件實(shí)現(xiàn)Modis遙感數(shù)據(jù)的投影和格式的轉(zhuǎn)換，再利用ERDAS軟件植被NDVI指數(shù)建立模型，獲得滁州市植被NDVI數(shù)據(jù)。然后基于ESRI公司ArcGIS空間分析模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)滁州市植被NDVI數(shù)據(jù)時(shí)空變化特征的分析。

使用ERDAS遙感軟件，對(duì)遙感影像各波段的值進(jìn)行處理，即對(duì)植被指數(shù)提取正值進(jìn)行特殊處理，在ERDASImagine的Modeler的波段運(yùn)算中采用以下語(yǔ)句：EITHERIF()OROTHERWISE。具體描述為：EITHER 0 IF($n1_ndvi20020914 < 0)OR $n1_ndvi20020914 OTHERWISE，利用 ERDAS軟件中的 Modeler 模塊編寫(xiě) Modeler。

1.4數(shù)據(jù)來(lái)源采用2001～2010年的MODIS數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)際數(shù)據(jù)科學(xué)服務(wù)平臺(tái)(http：//datamirror.csdb.cn/)。輔助資料為滁州市行政區(qū)劃圖，由滁州市國(guó)土資源管理部門(mén)提供。

2結(jié)果與分析

2.1植被NDVI最大值時(shí)間變化特征從圖1可見(jiàn)，2001～2010年滁州市各縣區(qū)植被NDVI最大值總體呈上升趨勢(shì)，由2001年的0.921 8增加到2010年的0.999 4，增長(zhǎng)率達(dá)8.42%。植被NDVI歷史最大值分別出現(xiàn)在2007、2010年，均為0.999 4，最小值出現(xiàn)在2003年，為0.910 9。由此可見(jiàn)，2001～2010年滁州市各區(qū)縣植被NDVI最大值變化幅度不大。從地區(qū)來(lái)看，各區(qū)縣有差別，其中增幅最大的為來(lái)安縣，年增長(zhǎng)率達(dá)2.78%，增幅最小的為明光市，為0.80%。10年間各區(qū)縣的變化趨勢(shì)相似，2007～2009年均有所下降，最高值出現(xiàn)在2004年，2009年出現(xiàn)最低值。

圖1　2001～2010年滁州市各區(qū)縣NDVI最大值變化情況Fig.1　The change of NDVI maximum value in each county in Chuzhou City during 2001-2010

2.2植被NDVI平均值時(shí)間變化特征從圖2可見(jiàn)，2001～2010年滁州市植被NDVI平均值總體呈上升趨勢(shì)。2001年植被NDVI平均值為0.468 1，2010年達(dá)0.681 3，增長(zhǎng)率為45.55%。滁州市植被NDVI平均值的最高值出現(xiàn)在2010年，為0.681 3，最小值出現(xiàn)在2009年，為0.370 3，最大值是最小值的1.8倍。從地區(qū)來(lái)看，2001～2005年各縣區(qū)的變化趨勢(shì)大致相同，均為緩慢增長(zhǎng)，2006年之后天長(zhǎng)市的植被NDVI平均值變化曲線與其他區(qū)縣有明顯不同，其他區(qū)縣在2009年均出現(xiàn)了最低值，而天長(zhǎng)市在2008～2009年呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，各區(qū)縣在2010年均達(dá)到峰值。

圖2　2001～2010年滁州市各區(qū)縣NDVI平均值變化情況Fig.2　The change of NDVI mean in each county in Chuzhou City during 2001-2010

2.3植被NDVI總值時(shí)間變化特征從圖3可見(jiàn)，滁州市植被NDVI總值總體呈上升趨勢(shì)，由2001年的100 345.900 0增長(zhǎng)到2010年的146 745.800 0。2010年各區(qū)縣的NDVI總值較2001年均有所提升，其中定遠(yuǎn)縣提升的最多，由2001年的21 251.100 0增加到2010年的32 862.100 0，增長(zhǎng)率為35.33%。這說(shuō)明定遠(yuǎn)縣在植被保護(hù)的相關(guān)政策及對(duì)相關(guān)的政策性投資力度比較大，且取得了一定成效。排在定遠(yuǎn)縣之后的植被NDVI總值增長(zhǎng)較多的分別是天長(zhǎng)市、來(lái)安縣、明光市，分別增長(zhǎng)了8 450.300 0、6 761.400 0、4 930.500 0。由此可知，2001～2010年滁州市的植被覆蓋狀況較好。

圖3　2001～2010年滁州市各區(qū)縣NDVI總值變化情況Fig.3　The change of NDVI total value in each county in Chuzhou City during 2001-2010

2.4植被NDVI空間變化特征從圖4可見(jiàn)，2001～2010年滁州市植被NDVI的空間分布格局發(fā)生了一定變化，滁州市中南部地區(qū)植被覆蓋度的變化較為平穩(wěn)，且維持在全市中上游水平，然而西北部部分地區(qū)植被覆蓋出現(xiàn)下滑情況。從行政區(qū)劃來(lái)看，這部分區(qū)域集中在鳳陽(yáng)縣西北部和明光市北部。天長(zhǎng)市的植被覆蓋程度在2001～2010年間呈不斷改善趨勢(shì)，2010年部分原先植被覆蓋程度較低的區(qū)域有顯著改善。相對(duì)于其他區(qū)縣，2010年來(lái)安縣的植被覆蓋達(dá)到了一個(gè)相對(duì)較高的程度，出現(xiàn)了部分植被覆蓋程度很高的區(qū)域。滁州市區(qū)的植被NDVI指數(shù)較其他地區(qū)較為突出，這可能是由于區(qū)域面積相對(duì)較大，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對(duì)較高，因此，2001～2010年植被NDVI總值變化不大甚至低于市內(nèi)大部分區(qū)縣。結(jié)合2001～2010年各個(gè)區(qū)縣及滁州市植被NDVI空間分布情況可知，滁州市整體的NDVI植被覆蓋空間分布呈東部和東北部增加，北部和西南部減少的趨勢(shì)，中部和南部較為穩(wěn)定。

圖4　2001、2004、2007、2010年滁州市植被NDVI特征Fig.4　NDVI features in Chuzhou City in 2001，2004，2007 and 2010

3結(jié)論與討論

筆者運(yùn)用ERDAS和GIS技術(shù)，利用2001～2010年滁州市MODIS影像數(shù)據(jù)，得到滁州市歸一化植被指數(shù)(NDVI)，并對(duì)其時(shí)間序列和空間序列進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

(1)從時(shí)間上看，2001～2010年滁州市植被NDVI最大值總體呈增加趨勢(shì)，滁州市植被NDVI總值呈反復(fù)上升下降的過(guò)程，但總體呈上升趨勢(shì)。其中，NDVI總值從2001年的100 345.900 0增長(zhǎng)到2010年的146 745.800 0，增長(zhǎng)率為46.24%。

(2)從空間上看，前期中部植被覆蓋值域比外圍高，但分布不均勻。明光市中部出現(xiàn)了1條植被覆蓋相對(duì)較低的區(qū)域，且這片區(qū)域在2001～2010年變化不大。在后期天長(zhǎng)市和來(lái)安縣的植被覆蓋呈不斷回升的團(tuán)塊狀，且出現(xiàn)了部分植被覆蓋水平較高地塊。滁州市區(qū)的植被覆蓋起伏較大，2001～2010年呈正負(fù)相間，區(qū)分比較明顯。

(3)植被NDVI指數(shù)分析是一個(gè)長(zhǎng)期、連續(xù)的過(guò)程，短期數(shù)據(jù)采集可能受外界環(huán)境的影響較大，有一定的偶然性，從而產(chǎn)生一定誤差。經(jīng)濟(jì)發(fā)展也是植被NDVI值的影響因素，城市發(fā)展必然會(huì)伴隨著一系列變化，包括土地利用方式及植被保護(hù)意識(shí)，因此需要整合其他研究方法，建立科學(xué)的分析模型，使結(jié)果更客觀、更科學(xué)。

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Study on Spatial and Temporal Variation Characteristics of NDVI in Chuzhou City Based on ERDAS and GIS

HUANG Hai-wei, ZHAO Lai, GU Jia-chuan*et al

(College of Geographical Information and Tourism, Chuzhou University, Chuzhou, Anhui 239000)

Abstract[Objective] The aim was to study the temporal and spatial distribution law of vegetation NDVI in Chuzhou City, and provide theoretical basis for improving vegetation and ecosystem in Chuzhou City. [Method] Using ERDAS and GIS technology, choosing MODIS data in Chuzhou City during 2001-2010, NDVI was obtained, the temporal and spatial variation characteristics were analyzed. [Result] Seeing from time, the overall trend of NDVI mean was upward, NDVI in 2001 was 0.468 1 and in 2010 was 0.681 3, annual average increase rate was 5.06%; From the aspect of space, NDVI spatial pattern of Chuzhou achieved a major change. The spatial distribution reflected an increase in east and northeast, but a decline in north and southwest, remained stable in center and south. [Conclusion] The overall trend of NDVI in Chuzhou City during 2001-2010 is upward, vegetation fluctuation is larger, and the distinction is obvious.

Key wordsChuzhou City; Vegetation coverage; NDVI; Temporal and spatial variation

基金項(xiàng)目滁州學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015CXXL040)；安徽省省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510377036)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41271545)；校級(jí)一般教學(xué)研究項(xiàng)目(2015jyy015)。

作者簡(jiǎn)介黃海洧(1995- )，男，安徽亳州人，本科生，專(zhuān)業(yè)：GIS應(yīng)用。*通訊作者，助教，碩士，從事氣候環(huán)境變化與GIS應(yīng)用研究。

收稿日期2016-03-18

中圖分類(lèi)號(hào)S 127；TP 79；Q 948.11

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)11-070-03