基于NDVI的渭河流域時(shí)空演變分析

傅志軍 黃蓉 周毓棟 任源鑫

摘要：基于渭河流域2010—2015年MODIS NDVI時(shí)序數(shù)據(jù)集，采用GRC趨勢(shì)分析法、植被覆蓋度估算，分析2010—2015年渭河流域NDVI的變化趨勢(shì)，并對(duì)2010和2015年植被覆蓋度的時(shí)空格局進(jìn)行分析。結(jié)果表明，2010—2015年，渭河流域NDVI均值呈緩慢增加趨勢(shì)，僅增加了2.7%。渭河流域植被覆蓋度總體呈現(xiàn)由西北向東南逐漸增加的趨勢(shì)，高覆蓋區(qū)仍集中分布在渭河谷地及延安南部。2010—2015年中高覆蓋和高覆蓋區(qū)面積分別增加3.2%、9.3%，中低覆蓋和中覆蓋區(qū)面積分別減少6.7%、5.9%。輕微改善區(qū)主要分布在天水地區(qū)，輕度退化區(qū)主要分布在秦嶺北麓以及延安南部，明顯退化區(qū)分布在六盤(pán)山南麓以及關(guān)中地區(qū)。

關(guān)鍵詞：渭河流域;NDVI;植被覆蓋度;變化趨勢(shì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP79;Q948.156? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）06-0054-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.06.013? ? ? ? ? ?開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract： Based on the 2010—2015 MODIS NDVI time series data sets of Wei River basin， the change trend of NDVI in Wei River basin from 2010 to 2015 as well as the spatial and temporal pattern of vegetation coverage in 2010 and 2015 by GRC trend analysis method and vegetation coverage estimation were analyzed. Results showed that the value of NDVI increased slowly in the Wei River basin during 2010—2015 with a growth rate of 2.7%. The vegetation coverage increased gradually from northwest to southeast， and the high coverage areas were still concentrated in Wei River valley and the south of Yan'an. From 2010 to 2015， the area of high-middle coverage and the high coverage increased by 3.2% and 9.3%， respectively; The area of middle and low-middle coverage was reduced by 6.7% and 5.9%， respectively. The minor improvement areas were mainly distributed in the Tianshui area， and the minor degradation areas were mainly distributed in the northern of Qinling Mountains and the southern of Yan'an， and the obvious degradation areas were distributed in the southern foot of Liupan Mountain and Guanzhong region.

Key words： Wei River basin; NDVI; vegetation coverage; variation trend

植被是連接大氣、水體、土壤的自然紐帶，在調(diào)節(jié)大氣、保持水土和維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定等方面具有十分重要的作用[1]。某一地區(qū)的植被生長(zhǎng)狀況可以通過(guò)計(jì)算植被覆蓋度得到，兩者之間具有很好的相關(guān)性。植被覆蓋度指單位面積內(nèi)植被的垂直投影面積所占百分比，它不僅是衡量生態(tài)環(huán)境狀況的重要指標(biāo)，也是許多土壤侵蝕模型中所需的重要參數(shù)[2]。

近年來(lái)，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，利用相應(yīng)光譜波段進(jìn)行分析，建立植被指數(shù)模型，反演地表植被覆蓋狀況的遙感量測(cè)法被推廣應(yīng)用[3]。遙感量測(cè)法具有適合于較大區(qū)域植被實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，滿(mǎn)足多時(shí)相變化分析等優(yōu)勢(shì)。目前，基于遙感量測(cè)多用來(lái)分析區(qū)域植被覆蓋度的整體變化趨勢(shì)，對(duì)于區(qū)域內(nèi)小范圍變化趨勢(shì)不能很好地反映。研究證明，歸一化植被指數(shù)（Normalized difference vegetation Index，NDVI）是監(jiān)測(cè)地區(qū)和全球植被及生態(tài)環(huán)境的有效指標(biāo)，是反演植被覆蓋狀況的最佳指示因子[4]。

本研究以空間分辨率為250 m、時(shí)間分辨率為16 d的MODIS為數(shù)據(jù)源，通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理獲得2010—2015年渭河流域年均NDVI時(shí)間序列，采用最大值合成、GRC趨勢(shì)分析，植被覆蓋度估算及分析渭河流域NDVI的變化趨勢(shì)，并對(duì)2010和2015年植被覆蓋度的空間分布進(jìn)行分析，旨在探明該流域植被演變規(guī)律以及為改善該流域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)合理的建議。

1? 數(shù)據(jù)與方法

1.1? 研究區(qū)概況

渭河流域位于33.42°-37.5°N，103.5°-110.5°E，涉及陜西、甘肅、寧夏三?。ㄗ灾螀^(qū)），流域面積13.48萬(wàn)km2，其中甘肅占44.1%、寧夏占6.1%、陜西占49.8%（圖1）。流域地勢(shì)西北高東南低，南北兩側(cè)山地呈階梯狀向渭河干流傾斜[5]，流域北部為黃土高原，南部為秦嶺山區(qū)。流域處于干旱地區(qū)和濕潤(rùn)地區(qū)的過(guò)渡地帶，多年平均降水量572 mm，北岸400～700 mm，南岸800～900 mm。渭河流域處于南北方的地形、氣候過(guò)渡區(qū)，是連通西北、西南的咽喉要地，其生態(tài)環(huán)境對(duì)該區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展尤為重要，因此研究渭河流域植被覆蓋的變化趨勢(shì)對(duì)制定合理的土地利用和保護(hù)渭河流域生態(tài)建設(shè)的方案具有重要意義。

1.2? 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

采用的NDVI數(shù)據(jù)來(lái)源于MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)MOD13Q1，空間分辨率為250 m，時(shí)間分辨率為16 d，時(shí)間范圍是2010年1月至2015年12月。使用ArcGIS軟件將下載的NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，并用ERDAS軟件進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，把原有格式轉(zhuǎn)換為Geotiff格式，把原有投影轉(zhuǎn)換成WGS-84坐標(biāo)下的投影。將16 d的NDVI數(shù)據(jù)運(yùn)用最大值合成，去除云、大氣等產(chǎn)生的影響，并利用渭河流域圖裁剪2010—2015年逐月NDVI柵格數(shù)據(jù)集[6]，最后為了避免某些年份氣候異常對(duì)植被生長(zhǎng)狀態(tài)的影響，利用均值法計(jì)算獲得每年NDVI均值。此外還有渭河流域DEM數(shù)據(jù)，來(lái)源于國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)（http：//datamirror.csdb.cn/）。

1.3? 研究方法

1.3.1? NDVI的變化趨勢(shì)計(jì)算? 每一柵格像元位置的多年NDVI會(huì)隨時(shí)間變化呈現(xiàn)出一定的變化趨勢(shì)，綠度變換率GRC（Greenness rate of change）是用來(lái)描述NDVI這種變化趨勢(shì)的一個(gè)指標(biāo)。其主要是在柵格像元的基礎(chǔ)上，通過(guò)最小二乘法，構(gòu)建像元時(shí)序NDVI的線(xiàn)性回歸方程，分析各像元位置變化趨勢(shì)[7]。

式中，n為時(shí)間，以年為單位，本研究為6年;i為年份，指從起始年后的第i年，i∈（0，n];di是第i年經(jīng)合成后的年NDVI。GRC>0，表明NDVI在i年間有增加趨勢(shì);若GRC<0，則為減少趨勢(shì);GRC絕對(duì)值越大，表明植被覆蓋變化情況越顯著。

1.3.2? 植被覆蓋度計(jì)算? 植被覆蓋度（Vegetation coverage，VC）是指植被冠層的垂直投影面積與土壤總面積的百分比[8]。對(duì)流域內(nèi)地表情況未知或無(wú)法獲取植被覆蓋度時(shí)，通常對(duì)研究區(qū)的NDVI分別作置信度檢驗(yàn)，取累計(jì)頻率5%和95%的NDVI分別作為區(qū)域的NDVI極小值（NDVImin）和NDVI極大值（NDVImax）。依據(jù)公式（2）估算植被覆蓋度[9]，其中NDVI代表每一柵格屬性值。

2? 結(jié)果與分析

2.1? NDVI年際變化

研究區(qū)NDVI統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。2010—2015年渭河流域NDVI均值呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，2015年NDVI較2010年增加2.7%;2011—2012年增加0.047 8，增加率為7.8%;2013—2014年減少0.029 2，減少率為4.43%。2012年流域NDVI是6年來(lái)最高值（0.661 3），之后NDVI不斷減少，2015年達(dá)0.637 6。各年的標(biāo)準(zhǔn)差均較小，說(shuō)明NDVI變化都較為平緩、幅度較小。

2.2? NDVI的變化趨勢(shì)分析

通過(guò)對(duì)渭河流域2010—2015年NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行變化趨勢(shì)分析，得到基于像元的GRC分析結(jié)果，經(jīng)相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)后進(jìn)行分級(jí)，劃分為明顯退化、輕度退化、穩(wěn)定不變、輕微改善和明顯改善5級(jí)[10]。

各級(jí)的GRC取值范圍與相應(yīng)分級(jí)結(jié)果在該流域的分布面積及百分比見(jiàn)表2。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，渭河流域整體的NDVI變化相對(duì)緩慢，約有1/3的區(qū)域基本穩(wěn)定不變，NDVI改善趨勢(shì)區(qū)面積小于退化區(qū)。

使用ArcGIS軟件得到GRC變化趨勢(shì)空間格局如圖2所示。從空間上來(lái)看，流域內(nèi)植被變化不均，存在空間差異性。2010—2015年，輕微改善區(qū)主要分布在天水地區(qū)，平?jīng)霾糠值貐^(qū)也得到輕微改善。輕度退化區(qū)主要分布在秦嶺北麓以及延安南部;明顯退化區(qū)主要分布在六盤(pán)山南麓、白于山南麓以及關(guān)中地區(qū)，一方面是因?yàn)樵搮^(qū)位于黃土高原丘陵溝壑區(qū)，土質(zhì)疏松，水土流失使得植被不易存活[11];另一方面由于關(guān)中地區(qū)是流域內(nèi)城市、人口集中區(qū)，城市的發(fā)展導(dǎo)致綠地不斷減少。

2.3? 植被覆蓋度分析

利用公式（2）估算出2010和2015年渭河流域植被覆蓋度，并分為低覆蓋[0，30%）、中低覆蓋[30%，45%）、中覆蓋[45%，60%）、中高覆蓋[60%，75%）、高覆蓋[75%，100%]5級(jí)[12]，結(jié)果如圖3所示。各級(jí)植被覆蓋度占流域面積的百分比見(jiàn)圖4。

渭河流域植被覆蓋度總體呈現(xiàn)出由西北向東南逐漸增加的趨勢(shì)，高覆蓋區(qū)仍集中分布在渭河谷地及延安南部地區(qū)。2010年，渭河上游天水地區(qū)的植被覆蓋度較低，而到2015年，這些區(qū)域的植被覆蓋有明顯的提高，說(shuō)明生態(tài)環(huán)境和區(qū)域退耕還林工程成效明顯。在西安市城區(qū)，植被覆蓋度也有大幅提升。與2010年相比，2015年涇河上游慶陽(yáng)地區(qū)低覆蓋和中低覆蓋區(qū)面積明顯減少，延安地區(qū)中高覆蓋區(qū)面積明顯增加，關(guān)中地區(qū)低覆蓋區(qū)面積也明顯減少，可見(jiàn)流域內(nèi)植被覆蓋狀況明顯改善。

研究區(qū)總面積是13.43萬(wàn)km2，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2010年低覆蓋度的面積是1.343萬(wàn)km2，占總面積的6.5%，中低覆蓋度、中覆蓋度、中高覆蓋度、高覆蓋度的面積占流域總面積的百分比分別為18.2%、25.1%、21.0%、29.3%。2015年低覆蓋度、中低覆蓋度、中覆蓋度、中高覆蓋度、高覆蓋度的面積占總面積的百分比分別為6.5%、11.5%、19.2%、24.2%、38.6%。2010—2015年中高覆蓋和高覆蓋區(qū)面積分別增加了3.2%、9.3%，中低覆蓋和中覆蓋區(qū)面積分別減少了6.7%、5.9%，而低覆蓋區(qū)面積基本沒(méi)有變化，植被覆蓋狀況整體明顯改善。

3? 小結(jié)與討論

根據(jù)渭河流域2010—2015年的NDVI數(shù)據(jù)，采用GRC趨勢(shì)分析法、植被覆蓋度估算，研究近6年渭河流域NDVI的變化趨勢(shì)及2010和2015年植被覆蓋度的時(shí)空格局。

2010—2015年渭河流域NDVI均值呈緩慢增加趨勢(shì)，2015年NDVI相比于2010年增加了2.7%。

渭河流域整體的NDVI變化相對(duì)緩慢，約有1/3的區(qū)域基本保持不變，NDVI改善區(qū)面積小于退化區(qū)。2010—2015年，輕微改善區(qū)主要分布在天水地區(qū)，平?jīng)霾糠值貐^(qū)也得到輕微改善。輕度退化區(qū)主要分布在秦嶺北麓以及延安南部;明顯退化區(qū)主要分布在六盤(pán)山南麓、白于山南麓以及關(guān)中地區(qū)。

2010—2015年中高覆蓋和高覆蓋區(qū)面積分別增加了3.2%、9.3%，中低覆蓋和中覆蓋區(qū)面積分別減少了6.7%、5.9%。渭河流域植被覆蓋度總體呈現(xiàn)由西北向東南逐漸增加的趨勢(shì)，高覆蓋區(qū)仍集中分布在渭河谷地及延安南部。2010年，渭河上游天水地區(qū)的植被覆蓋度較低，而到2015年，這些區(qū)域的植被覆蓋有明顯的提高，說(shuō)明生態(tài)環(huán)境和區(qū)域退耕還林工程成效明顯。在西安市城區(qū)，植被覆蓋度也有大幅提升?？梢?jiàn)流域內(nèi)植被覆蓋狀況有明顯改善。

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