基于MODIS數(shù)據(jù)的寧波市植被覆蓋時(shí)空變化研究

張 濤，佟光臣，任 瓊，林 杰

（1.寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 寧波 315192；2.浙江省寧?？h水利局，浙江 寧海 315600；3.江西省林業(yè)科學(xué)院，江西 南昌 330032；4.南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，江蘇 南京 210037）

基于MODIS數(shù)據(jù)的寧波市植被覆蓋時(shí)空變化研究

張 濤1，佟光臣2，任 瓊3，林 杰4

（1.寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 寧波 315192；2.浙江省寧?？h水利局，浙江 寧海 315600；3.江西省林業(yè)科學(xué)院，江西 南昌 330032；4.南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，江蘇 南京 210037）

基于MODIS - NDVI數(shù)據(jù)，利用像元二分模型定量估算了寧波市 2001 — 2015年3期植被覆蓋度，并定量分析了近15 a來寧波市植被覆蓋時(shí)空變化特征。結(jié)果表明：①寧波市平均植被覆蓋度從2001年的68.4%一直下降到2015年的63.0%，整體呈下降趨勢。②2001 — 2015年研究區(qū)內(nèi)5等級(jí)植被覆蓋占絕對優(yōu)勢，3期面積占比均在40%以上；1、2等級(jí)植被覆蓋面積呈逐漸增大趨勢，4、5等級(jí)恰好相反，而3等級(jí)則先增大后減?。徽麄€(gè)研究區(qū)植被變化等級(jí)具有變化等級(jí)越高變化面積越小的特點(diǎn)。③1、2等級(jí)植被覆蓋重心向東北方向分別移動(dòng)了5 583.6 m和2 416.0 m， 3、5等級(jí)重心分別向西南方向移動(dòng)了3 390.6 m和1 158.0 m，4等級(jí)重心向東南方向移動(dòng)了12 891.5 m，其中移動(dòng)距離5等級(jí)最近，4等級(jí)最遠(yuǎn)，反映出寧波市東北部植被覆蓋退化較為明顯，西南方向植被覆蓋有輕微改善現(xiàn)象，而東南方向部分較高植被覆蓋改善明顯。

植被覆蓋度；MODIS - NDVI；寧波市

植被作為大氣、土壤和水的天然紐帶，是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，植被在水土保持、氣候調(diào)節(jié)、維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性等方面扮演著重要角色[1-2]。植被覆蓋度（FVC），是指綠色植被垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的百分比，是地表植被狀況的重要參數(shù)[3-5]。

中分辨率成像光譜儀(MODIS) 的 NDVI 產(chǎn)品，雖然自2000年才開始投入使用，但具有較高的空間和時(shí)間分辨率等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為植被動(dòng)態(tài)研究的一種重要數(shù)據(jù)源[6-7]，并不斷被世界各國學(xué)者廣泛使用[8-11]。寧波市地處經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的長江三角洲的南翼，是國務(wù)院批復(fù)的長江三角洲地區(qū)區(qū)域規(guī)劃中“五大都市圈”的“寧波都市圈”，努力打造全球一流的現(xiàn)代化綜合樞紐港、國際航運(yùn)服務(wù)基地和國際貿(mào)易物流中心，形成長江經(jīng)濟(jì)帶龍頭龍眼和“一帶一路”戰(zhàn)略支點(diǎn)。本文基于MODIS - NDVI遙感數(shù)據(jù)，利用像元二分模型定量估算寧波市 2001 — 2015年的植被覆蓋度，并定量分析了近15 a來寧波市植被覆蓋時(shí)空變化特征，為寧波市城市規(guī)劃和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

寧波，簡稱甬，浙江省第二大城市，地處東南沿海，長江三角洲南翼，下轄6個(gè)區(qū)、2個(gè)縣、3個(gè)縣級(jí)市，全市陸域總面積9 714.65 km2，地勢由西南向東北緩慢傾斜，地貌分為山地、丘陵、臺(tái)地、谷（盆）地和平原。

寧波市屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫16.7 ℃，多年平均降水深1 517.1 mm；區(qū)內(nèi)土壤有濱海鹽土、潮土和水稻土，在丘陵低山區(qū)主要有紅壤和黃壤[12]，土地利用以林地、耕地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地為主；植被屬中亞熱帶常綠闊葉林北部亞地帶，浙閩山丘甜儲(chǔ)、木荷林區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究使用的MODIS NDVI數(shù)據(jù)來源于美國NASA的MOD13Q1植被指數(shù)產(chǎn)品，選取年份為2001、2008、2015年，每年時(shí)間跨度為1 — 12月。寧波市所在位置跨越2個(gè)分幅影像（h28v5和h28v6），共需144景數(shù)據(jù)，空間分辨率為250 m，時(shí)間分辨率為16 d，數(shù)據(jù)格式為HDF - EOS。使用MODIS Reprojection Tool(MRT)將原始影像Sinusoidal投影轉(zhuǎn)為WGS84/Albers Equal Area Conic、HDF格式轉(zhuǎn)為Geotiff格式，同時(shí)批量拼接影像，重采樣分辨率保持不變。采用最大值合成法（MVC）進(jìn)行2001 — 2015年的合成，可以有效去除由大氣、云層、太陽高度角等帶來的影響[13]，然后采用均值法合成逐年平均的NDVI數(shù)據(jù)，可以降低或消除特殊年份氣候異常造成的NDVI值年際波動(dòng)影響，增加研究的可靠性[14-15]。最后，利用行政區(qū)邊界數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，得到了研究區(qū)范圍的最終數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 植被覆蓋度計(jì)算及植被覆蓋度等級(jí)劃分

歸一化植被指數(shù)(NDVI)是植被生長狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指示因子[16]。本文利用像元二分模型估算研究區(qū)的植被覆蓋度，計(jì)算公式如下：

式中：NDVImax為完全由植被所覆蓋像元的NDVI值，NDVImin為裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，均為無量綱，范圍為[- 1，1]。

計(jì)算植被覆蓋度時(shí)，通常根據(jù)圖像大小、圖像清晰度等情況，以置信度截取NDVI 的上下限閾值分別近似代表NDVImax和NDVImin，可以在一定程度上消除遙感影像噪聲所帶來的誤差［17］。本研究通過分析15個(gè)時(shí)期的NDVI 數(shù)據(jù)，考慮空間和時(shí)間的差異，最終采用5% 和95%的累計(jì)百分比為置信區(qū)間計(jì)算NDVI的 最大值與最小值。

根據(jù)水利部制定的SL 757 — 2014《南方紅壤丘陵區(qū)水土流失綜合治理標(biāo)準(zhǔn)》，將植被覆蓋度劃分為5個(gè)等級(jí)：1級(jí)（0.00 ～ 0.30）、2級(jí)（0.30 ～ 0.45）、3級(jí)（0.45 ～0.60）、4級(jí)（0.60 ～ 0.75）、5級(jí)（0.75 ～ 1.00），分別為低植被覆蓋、較低植被覆蓋、中度植被覆蓋、較高植被覆蓋和高植被覆蓋，以上操作在ARCGIS9.3中完成。

2.2 植被覆蓋重心演變模型

根據(jù)平面重心模型，計(jì)算各植被覆蓋等級(jí)所有斑塊面積的重心位置，通過分析每個(gè)時(shí)期重心移動(dòng)來反映出各等級(jí)植被覆蓋在平面位置上的變化，有助于了解植被覆蓋的動(dòng)態(tài)格局［18-19］。該植被覆蓋重心模型為：

式中：Xk、Yk分別代表某年某一等級(jí)植被覆蓋分布重心的經(jīng)緯度（°）； Aki表示某年第k類等級(jí)植被覆蓋斑塊i的面積（km2）；Xki、Yki分別表示第k類等級(jí)植被覆蓋斑塊 i分布重心的經(jīng)緯度（°）。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度計(jì)算結(jié)果分析

利用像元二分模型計(jì)算出寧波市3期植被覆蓋度（見圖1）。從圖1中可以看出寧波市的整體植被覆蓋狀況較好，3期平均植被覆蓋度均在60.0%以上；從時(shí)間變化上看，寧波市平均植被覆蓋度由2001年的68.4%下降到2008年的64.3%，再繼續(xù)下降到2015年的63.0%，表現(xiàn)出持續(xù)緩慢降低的趨勢。從空間分布上看，植被覆蓋度的空間格局呈現(xiàn)出西南高、東北低和山區(qū)高、沿海及平原低的分布格局。此外本文對寧波各縣（市）、區(qū)的植被覆蓋度狀況也進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見圖2。從圖2中可以看出，3個(gè)時(shí)期內(nèi)植被覆蓋狀況最高的為奉化市和寧?？h，其平均植被覆蓋度均在74.0%以上；植被覆蓋狀況均最低的為海曙區(qū)和江東區(qū)，2001 — 2015年2地平均覆蓋度均在29.0%以下。

3.2 植被覆蓋度等級(jí)計(jì)算結(jié)果分析

通過ArcGIS軟件對上述植被覆蓋度結(jié)果按照前文分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，對應(yīng)得到3期植被覆蓋等級(jí)圖（見圖3），對3期植被覆蓋等級(jí)圖分別進(jìn)行各級(jí)面積統(tǒng)計(jì)得到圖4。從圖4中可以看出，2001 — 2015年研究區(qū)內(nèi)5等級(jí)植被覆蓋面積比例始終最大，占絕對優(yōu)勢，均在40.0%以上；2等級(jí)植被覆蓋面積比例始終最小，均在12.0%以下。從時(shí)間變化上看，1、2等級(jí)植被覆蓋面積逐漸程增大趨勢，4、5等級(jí)恰好與之相反，而3等級(jí)則先增大后減小，整體仍呈增大趨勢。經(jīng)進(jìn)一步分析，研究區(qū)內(nèi)高等級(jí)植被正逐漸轉(zhuǎn)化成低等級(jí)植被，與研究區(qū)迅速發(fā)展的城市化進(jìn)程密不可分，其對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響有待進(jìn)一步評(píng)估。

圖1 2001 — 2015年寧波市植被覆蓋度圖

圖2 寧波各縣（市）、區(qū)的植被覆蓋度狀況圖

圖3 2001 — 2015年寧波市植被覆蓋等級(jí)圖

圖4 寧波市各年份植被覆蓋等級(jí)結(jié)構(gòu)圖

3.3 植被覆蓋等級(jí)變化分析

對上述3期植被覆蓋等級(jí)相鄰2期分別進(jìn)行柵格相減運(yùn)算，得到不同階段植被覆蓋等級(jí)變化（見圖5、圖6）。從空間分布上看，2001 — 2008年植被覆蓋等級(jí)下降趨勢明顯，主要分布在寧波市中部及東北部、南部濱海新區(qū)；2008 — 2015年植被覆蓋等級(jí)上升與下降并存，其中下降區(qū)域主要分布在寧波市中心城區(qū)以及奉化、寧海、象山城區(qū)和南部濱海新區(qū)，上升區(qū)域主要分布在慈溪市和余姚市。對2期植被覆蓋等級(jí)變化圖分別進(jìn)行各級(jí)面積統(tǒng)計(jì)得到圖7。由圖7可知，研究區(qū)2個(gè)時(shí)段無變化等級(jí)的面積比例分別占到了70.83%和77.79%，由此可見研究區(qū)植被景觀整體上保持了很大的穩(wěn)定性；其次為下降一個(gè)等級(jí)的，其面積比例依次為20.72%和13.23%，這也是占據(jù)研究區(qū)內(nèi)植被下降等級(jí)面積最大的一級(jí)，在數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上升一個(gè)等級(jí)的面積比例（3.87%和7.40%）。研究區(qū)內(nèi)上升4個(gè)等級(jí)的面積均為0.00 km2，下降4個(gè)等級(jí)的2個(gè)階段面積分別為1.96 km2和0.98 km2，僅占總面積的0.02%和0.01%。綜上可以看出，整個(gè)植被變化等級(jí)呈現(xiàn)變化等級(jí)越高變化面積比例越小的趨勢，即“中間大兩頭小”。

圖5 2001 — 2008年寧波市植被覆蓋等級(jí)變化圖

圖6 2008 — 2015年寧波市植被覆蓋等級(jí)變化圖

圖7 寧波市不同階段不同植被覆蓋等級(jí)變化圖

圖8 2001 — 2015年各等級(jí)植被覆蓋類型重心轉(zhuǎn)移圖

3.4 不同植被覆蓋度等級(jí)的重心分布及變化

根據(jù)公式（2）和（3）計(jì)算得到寧波市2001 — 2015年植被覆蓋度重心變化圖（見圖8），由圖8可得，從重心空間分布上看，整體上較高等級(jí)的4、5兩個(gè)等級(jí)重心大多數(shù)分布在奉化市境內(nèi)，且5等級(jí)在其它等級(jí)的西南方向，反映了寧波市主要植被覆蓋較好區(qū)的分布方位；1、2、3等級(jí)重心均分布在鄞州區(qū)境內(nèi)，且1等級(jí)重心在其它等級(jí)的最東面，反映了寧波城市建設(shè)向東偏重，2、3等級(jí)相互靠近，均在1等級(jí)重心的東北方向。從重心時(shí)間變化上看，1、2等級(jí)重心最終向東北方向分別移動(dòng)了5 583.6，2 416.0 m，寧波東北部主要為平原和海灘，城市和港區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展迅速，植被覆蓋退化較為明顯；3、5等級(jí)重心最終分別向西南方向移動(dòng)了3 390.6，1 158.0 m，5等級(jí)移動(dòng)距離為最近，說明了西南方向植被覆蓋有改善現(xiàn)象，但不夠明顯；4等級(jí)重心向東南方向移動(dòng)了12 891.5 m，移動(dòng)距離最遠(yuǎn)，反映出東南方向較高植被覆蓋改善明顯。

4 結(jié) 論

基于MODIS - NDVI數(shù)據(jù)，利用像元二分模型定量估算了寧波市 2001 — 2015（2001、2008、2015年）3期植被覆蓋度，并定量分析了近15 a來寧波市植被覆蓋時(shí)空變化特征，主要結(jié)論有：

（1）在植被覆蓋度上，從時(shí)間變化來看，寧波市平均植被覆蓋度從2001年的68.4%一直下降到2015年的63.0%，表現(xiàn)出持續(xù)緩慢降低的趨勢；從空間分布來看，呈現(xiàn)出西南高、東北低和山區(qū)高、沿海及平原低的分布格局；從各縣（市）、區(qū)的分布來看，最高的為奉化市和寧?？h，其3期平均值被覆蓋度均在74.0%以上，最低的為海曙區(qū)和江東區(qū)，其3期平均植被覆蓋蓋度均在20.0%以下。

（2）在植被覆蓋等級(jí)上，2001 — 2015年研究區(qū)內(nèi)5等級(jí)植被覆蓋面積比例始終最大，占絕對優(yōu)勢，3期均在40.0 %以上；1、2等級(jí)植被覆蓋面積逐漸呈增大趨勢，4、5等級(jí)恰好相反，而3等級(jí)則先增大后減小，整體仍呈增大趨勢，經(jīng)進(jìn)一步分析，研究區(qū)內(nèi)部分高等級(jí)植被正逐漸轉(zhuǎn)化成低等級(jí)植被。整個(gè)研究區(qū)植被變化等級(jí)呈現(xiàn)變化等級(jí)越高變化面積比例越小的趨勢，無變化等級(jí)最大，變化1等級(jí)次之，變化4等級(jí)最小，即“中間大兩頭小”。

（3）在不同植被覆蓋度等級(jí)的重心移動(dòng)上，1、2等級(jí)重心向東北方向分別移動(dòng)了5 583.6，2 416.0 m，3、5等級(jí)重心分別向西南方向移動(dòng)了3 390.6，1 158.0 m，4等級(jí)重心向東南方向移動(dòng)了12 891.5 m，其中5等級(jí)移動(dòng)距離最近，4等級(jí)移動(dòng)距離為最遠(yuǎn)，反映出寧波市東北部植被覆蓋退化較為明顯，西南方向植被覆蓋有改善現(xiàn)象，但不夠明顯，而東南方向部分較高植被覆蓋改善明顯。

[1] Chen L，Wei W，F(xiàn)u B，et al.Soil and water conservation on the Loess Plateau in China：review and perspective[J].Progress in Physical Geography，2007，31(4)：389 - 403.

[2] Sun W，Song X，Mu X，et al.Spatiotemporal vegetation cover variations associated with climate change and ecological restoration in the Loess Plateau[J].Agricultural and Forest Meteorology, 2015，209：87 - 99.

[3] 吳云，曾源，趙炎，等.基于MODIS數(shù)據(jù)的海河流域植被覆蓋度估算及動(dòng)態(tài)變化分析[J].資源科學(xué)，2010，32(7)：1417 - 1424.

[4] 馮莉莉，何貞銘，劉學(xué)鋒，等.基于MODIS - NDVI數(shù)據(jù)的吉林省植被覆蓋度及其時(shí)空動(dòng)態(tài)變化[J].中國科學(xué)院大學(xué)學(xué)報(bào)， 2014，31(4)：492 - 499.

[5] Jia K，Liang S，Liu S，et al.Global land surface fractional vegetation cover estimation using general regression neural networks from MODIS surface re fl ectance[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2015，53(9)：4787 - 4796.

[6] 宋乃平，杜靈通，王磊.鹽池縣 2000 — 2012 年植被變化及其驅(qū)動(dòng)力[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2015，35(22) ：7377 - 7386.

[7] le Maire G，Marsden C，Nouvellon Y，et al. MODIS NDVI time -series allow the monitoring of Eucalyptus plantation biomass[J]. Remote Sensing of Environment，2011，115(10)：2613 - 2625.

[8] 于信芳，莊大方.基于MODIS NDVI數(shù)據(jù)的東北森林物候期監(jiān)測[J].資源科學(xué)，2006，28(4)：111 - 117.

[9] Beck P S A，Atzberger C,H?gda K A，et al.Improved monitoring of vegetation dynamics at very high latitudes：A new method using MODIS NDVI[J]. Remote Sensing of Environment，2006，100(3)：321 - 334.

[10] Fensholt R，Proud S R.Evaluation of Earth Observation based global long term vegetation trends — Comparing GIMMS and MODIS global NDVI time series[J].Remote Sensing of Environment，2012，119(3)：131 - 147.

[11] Feng L，Jia Z，Li Q，et al.Fractional Vegetation Cover Estimation Based on MODIS Satellite Data from 2000 to 2013：a Case Study of Qinghai Province[J].Journal of the Indian Society of Remote Sensing， 2016， 44(2)：269 - 275.

[12] 方曉峰.寧波地區(qū)植被的物種多樣性特征研究[D].上海：華東師范大學(xué)，2006.

[13] 樸世龍， 方精云.最近18年來中國植被覆蓋的動(dòng)態(tài)變化[J].第四紀(jì)研究，2001(4)：294 - 302.

[14] 張?jiān)聟玻?趙志強(qiáng)，李雙成，等. 基于SPOT NDVI的華北北部地表植被覆蓋變化趨勢[J]. 地理研究，2008，27(4)：745 - 754.

[15] 袁麗華，蔣衛(wèi)國，申文明，等.2000 — 2010年黃河流域植被覆蓋的時(shí)空變化[J].生態(tài)學(xué)報(bào)， 2013， 33(24)：7798 - 7806.

[16] 趙英時(shí).遙感應(yīng)用分析原理與方法[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[17] 李登科，范建忠，王娟.陜西省植被覆蓋度變化特征及其成因[J].應(yīng)用生態(tài)報(bào)，2010，21(11)：2896 - 2903.

[18] 孫艷萍，張曉萍，劉建祥，等．黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化[J]．干旱區(qū)研究，2013，30(6)：1036 - 1043.

[19] 徐芮，陳志強(qiáng)，陳志彪.朱溪流域植被覆蓋的時(shí)空變化及地形分異特征[J].地球與環(huán)境，2016，44(2)：154 - 160.

（責(zé)任編輯 黃 超）

Dynamic Monitoring of the Fractional Vegetation Cover in Ningbo City Based on MODIS — NDVI Data

ZHANG Tao1，TONG Guang - chen2，Ren Qiong3，LIN Jie4
(1.Ningbo Hydraulic Waterpower Planning and Designing Research Institution，Ningbo 315192，Zhejiang，China；2. Ninghai Water Conservancy Bureau，Ninghai 315600，Zhejiang，China；3.Jiangxi Academy of Forestry，Nanchang 330032，Jiangxi，China；4. College of Forest，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，Jiangsu，China)

Based on MODIS - NDVI data，this paper used the dimidiate pixel model to quantitatively estimate vegetation coverage of Ningbo city during three periods from 2001 to 2015 and made a quantitative analysis on the temporal and spatial variations of vegetation cover in Ningbo city in recent 15 years. Results showed that：① The average vegetation coverage of Ningbo City has been declining from 68.4% in 2001 to 63.0% in 2015 with an overall a downward trend. ② In the study area, Grade 5 vegetation dominated from 2001 to 2015 with an area ratio of above 40.0 % in three periods；the coverage ranges of Grade 1 and 2 vegetation were gradually increasing，while the Grade 4 and 5 were just the opposite，and the Grade 3 was fi rst increased and then decreased；the whole study area of vegetation change level showed a trend of higher grade and lower area.③The centroid of Grade 1 and 2 vegetation cover respectively moved 5 583.6 m and 2 416.0 m to the northeast； the centroid of Grade 3 and 5 respectively moved 3 390.6 m and 1 158.0 m to the southwest；the centroid of Grade 4 moved 12 891.5 m to the southeast. The moving distance of Grade 5 vegetation was the shortest and that of Grade 4 was the longest， re fl ecting the degradation of the vegetation cover in Northeast of Ningbo City was more obvious. The vegetation coverage in southwest had slightly improved，while the higher vegetation coverage in southeast improved signi fi cantly. The research results provided a scienti fi c basis for the urban planning and ecological environment construction for Ningbo city.

fractional vegetation cover；MODIS - NDVI；Ningbo City

TP79

：A

：1008 - 701X(2017)01 - 0005 - 05

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.01.002

2016-10-28

張 濤(1985 - )，男，工程師，碩士，主要從事生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案編制與監(jiān)測。E - mail：191866076@qq.com

林 杰(1976 - )，女，副教授，博士，主要從事土壤侵蝕遙感監(jiān)測研究。E - mail：jielin@njfu.edu.cn