基于MODIS-NDVI 的岷江流域植被時空演變及地形分異研究

王鑫, 薛飛陽, 蘇子昕, 青玲萱, 楊存建*

1. 四川師范大學(xué)西南土地評價與監(jiān)測教育部重點實驗室, 四川 成都 610068；

2. 四川師范大學(xué)地理與資源科學(xué)學(xué)院, 四川 成都 610068

植被作為地球表面的重要覆蓋物之一，同時也是生態(tài)系統(tǒng)中不可缺少的一部分，能夠通過與水體、大氣、土壤等物質(zhì)的相互作用，起到有效調(diào)節(jié)該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的作用[1]。植被的空間信息分析與研究對于生態(tài)環(huán)境的建設(shè)與保護起到了重要的作用。遙感技術(shù)為植被信息獲取提供了新的方法與手段[2]。目前隨著遙感技術(shù)的迅速發(fā)展，時間序列MODIS影像，以較高的時間分辨率和優(yōu)異的多光譜特性，其植被數(shù)據(jù)已廣泛用于全球及區(qū)域尺度植被變化研究[3]。而植被指數(shù)能夠較好地反映地表植被覆蓋狀況和生長情況，比值植被指數(shù)(RVI)、歸一化植被指數(shù)(NDVI)、差值植被指數(shù)(DVI)是較為常見的3 種植被指數(shù)形式[4]。其中歸一化植被指數(shù)（NDVI）應(yīng)用最為廣泛，其原理是通過計算植被反射的近紅外波段（NIR）與植被吸收的紅光波段（RED）之間的差異對植被進行量化。目前，國內(nèi)外有許多專家學(xué)者利用MODIS-NDVI 數(shù)據(jù)對不同區(qū)域的植被演變特征進行了深入研究。如楊城等[5]基于MODIS-NDVI 數(shù)據(jù)探討了青藏鐵路沿線的植被演變特征及其響應(yīng)因子，得出植被演變受降水以及人類活動的影響程度較大。王思等[6]研究了廣東省的植被覆蓋變化特征，得出不同土地利用類型對該省植被覆蓋度的貢獻各異的結(jié)論。易揚等[7]探究了長江中游地區(qū)的植被時空變化特征及其氣候響應(yīng)因子。

岷江作為長江的重要分支之一，其流域面積內(nèi)地形復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境脆弱[9]。該區(qū)域內(nèi)植被作為生態(tài)環(huán)境的重要調(diào)節(jié)者，前人對其流域內(nèi)部分地區(qū)進行植被演變研究。但缺乏一定的時效性以及全面性，本文基于MODIS-NDVI 時序數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)，并借助空間分析方法、變異系數(shù)、Hurst 指數(shù)、線性趨勢分析等方法對岷江流域2003 年至2021 年的植被時空演變特征、未來趨勢變化及其地形影響因子進行研究。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

岷江發(fā)源于四川省岷山南麓，是長江上游的重要支流。介于99°38′-105°51′E，28°16′-33°39′N 之間，干流全長約711 km，總落差達到3560 m，其流域面積135 881km2。岷江流域內(nèi)地形差異較大，以都江堰－大邑－洪雅－峨眉－線為界，此線以西，多高山峽谷，地形復(fù)雜。其中支流雜谷腦河、黑水河沿河狹長河谷地帶，類型主要為干溫河谷[10]。其東部為丘陵與成都平原，城鎮(zhèn)林立，人口眾多。流域內(nèi)森林資源豐富，主要糧食作物為水稻、小麥、玉米、油菜等（見圖1）。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig. 1 Location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

MODIS-NDVI 數(shù)據(jù)是通過遙感云計算平臺(GEE)獲取的岷江流域的數(shù)據(jù)集，時間尺度為2003 年至2021 年，分別包括MOD13Q1 數(shù)據(jù)與MYD13Q1 數(shù)據(jù)?？臻g分辨率為250 m，通過使用這兩種數(shù)據(jù)產(chǎn)品，而將原本的時間分辨率為16 d 提升至8 d。首先，將獲取得到的MODIS-NDVI 數(shù)據(jù)使用ArcMap 軟件批量裁剪出岷江流域的NDVI 數(shù)據(jù)；其次，使用最大合成法（MVC）計算得到月NDVI 數(shù)據(jù)，用于有效剔除遙感影像中的云影等誤差數(shù)據(jù)，再由月NDVI數(shù)據(jù)合成年均值NDVI 數(shù)據(jù)，最后，得到岷江流域逐月及逐年NDVI 值。

地形數(shù)據(jù)采用NASA 發(fā)布的ASTER GDEM V2版數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m。為保證提取結(jié)果的準確性，將其重采樣至250 m 空間分辨率。將提取得到的地形因子與植被變化趨勢進行結(jié)合分析，研究地形因子與植被變化的相關(guān)關(guān)系。

1.3 研究方法

1.3.1 植被覆蓋度穩(wěn)定性

變異系數(shù)是一種描述概率分布離散程度的歸一化量度，通過變異系數(shù)可以很好地反映植被覆蓋度的波動程度[11]，定義為原始數(shù)據(jù)標準差與原始數(shù)據(jù)平均數(shù)的比，其計算式為：

式中：C 為變異系數(shù)，S 為標準差，V 為研究區(qū)多年植被覆蓋度平均值，n 為研究年限長度， Vi為第i 年植被覆蓋度。

1.3.2 趨勢分析

采用一元線性回歸分析方法，逐像元分析研究區(qū)內(nèi)年均NDVI 的變化趨勢，其計算式為：

式中：S 為回歸方程的斜率，i 為年份，n 為研究總時間跨度， Vi為第i 年的年均NDVI。當S 小于0時,表示NDVI 處于下降趨勢，當S 大于0 時，表示NDVI 處于增長趨勢。采用F 檢驗法對年均NDVI 的變化趨勢進行顯著性檢驗，根據(jù)檢驗結(jié)果將變化趨勢分為6 個等級。

1.3.3 Hurst 指數(shù)

基于重標極差法(R/S)的Hurst 指數(shù)可用于定量描述時間序列長期依賴性[7]。其計算式為：

對于時間序列{NDVI( t )}，t = 1，2，…，n，定義均值序列：

式中，Hurst 指數(shù)即H 值可根據(jù)log(R/S)n=a+H×log(n)利用最小二乘法擬合得到。根據(jù)H 值判斷NDVI 序列是隨機變化或存在持續(xù)性。H 值的取值范圍為0～1，若0.5≤H≤1，表明該時間序列具有可持續(xù)性，未來趨勢變化與過去時間段內(nèi)的趨勢相同；若H=0.5，表明該時間序列具有隨機性，未來趨勢變化與過去時間段內(nèi)的趨勢無關(guān)；若H≤0.5，表明未來趨勢變化可能保持基本穩(wěn)定或者發(fā)生逆轉(zhuǎn)，在研究中將此類歸為變化趨勢不確定[7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 岷江流域植被的時間演變特征

通過2003～2021 年的岷江流域植被NDVI 平均值（見圖2），對岷江流域的植被覆蓋隨年際變化的特征進行分析?？梢缘玫?，2003～2021 年岷江流域的植被NDVI 均值在0.55—0.60 范圍內(nèi)，最低值出現(xiàn)在2012 年的0.55，最高值為2019 年的0.60。根據(jù)一元線性方法所擬合的線性函數(shù)可知，近年來岷江流域的植被NDVI 均值整體呈波動上升趨勢，增長速率為2.4%·10a-1，表明岷江流域植被覆蓋度在穩(wěn)步增加。

圖2 岷江流域植被NDVI 年際變化Fig. 2 Interannual changes of vegetation NDVI in Minjiang River basin

2.2 岷江流域植被的空間演變特征

2.2.1 NDVI 空間分布基本特征

依據(jù)2003～2021 年岷江流域年均NDVI 數(shù)據(jù)，計算19a 平均值得到平均NDVI 的空間分布圖(見圖3)。可以看出，岷江流域植被分化較為明顯，NDVI 值較高的區(qū)域主要分布在川西高原的河谷、雅安市、樂山市南部、涼山彝族自治州北部。其次主要分布在果洛藏族自治州南部、德陽市、眉山市、內(nèi)江市、自貢市、資陽市、宜賓市、重慶市、成都市非中心城區(qū)域、樂山市北部。而NDVI 值較低的區(qū)域主要分布在川西高原的高海拔山地以及城市城鎮(zhèn)分布區(qū)，根據(jù)影像判斷該區(qū)域主要為積雪以及建筑物。

圖3 岷江流域NDVI 空間分布Fig. 3 Spatial distribution of NDVI in Minjiang River basin

2.2.2 NDVI 空間波動變化特征

根據(jù)岷江流域2003—2021 年NDVI 結(jié)果，逐像元統(tǒng)計變異系數(shù)值，依照計算結(jié)果將穩(wěn)定性分為五個程度[12]，見表1。由空間變化波動性圖（見圖4）可以看出，在該研究時段內(nèi)岷江流域大部分區(qū)域的植被波動性偏低，其中處于較低波動變化的區(qū)域占比最高，達到43.83%。主要分布在雅安市、樂山市、宜賓市、自貢市、內(nèi)江市、眉山市西部、成都市西部。其次是低波動變化區(qū)域占比達到43.56%，主要分布在川西高原地區(qū)的山谷、成都市東部、資陽市、眉山市東部、德陽市中部。中等波動變化區(qū)域占比為7.89%，主要分布在成都西北緣、樂山市南部。較高波動變化以及高波動變化區(qū)域分別占比為2.21%和2.39%，主要分布在川西高原的高海拔山地、成都市城鎮(zhèn)區(qū)域。

表1 植被NDVI 波動分類及比例Tab. 1 Classification and proportion of vegetation NDVI fluctuation

圖4 岷江流域植被NDVI 空間變化波動性Fig. 4 Spatial fluctuation of vegetation NDVI in Minjiang River basin

2.2.3 NDVI 的趨勢分析

（1）NDVI變化趨勢

采用一元線性回歸趨勢分析逐像元模擬影像每個柵格該研究時段內(nèi)的變化趨勢（見圖5），并對分析結(jié)果進行顯著性檢驗，把結(jié)果劃分為6 個變化等級[20]（見圖6），分別為極顯著增加、顯著增加、不顯著增加、極顯著減少、顯著減少、不顯著減少（見表2）?？梢钥闯?，岷江流域植被NDVI 呈增長趨勢的面積占比為84.49%，而岷江流域面積的15.51%呈下降趨勢。在處于增長趨勢區(qū)域中，極顯著增加所占比值最大，主要分布在川西高原的河谷地區(qū)、雅安市東部、成都市西北緣以及龍泉山、眉山市西部、樂山市、宜賓市、自貢市、內(nèi)江市。而下降區(qū)域主要分布在川西高原的高海拔山地、成都市向外擴張的新城區(qū)、眉山市城區(qū)，主要由于城市的快速發(fā)展以及城鎮(zhèn)擴張等因素所造成[13,14,18]。

表2 植被NDVI 變化趨勢顯著性統(tǒng)計結(jié)果Tab. 2 Statistical results of the significance of NDVI trends

圖5 岷江流域植被變化趨勢Fig. 5 Vegetation trends in Minjiang River basin

圖6 岷江流域植被變化趨勢顯著性檢驗結(jié)果Fig. 6 Significance test results of vegetation change trend in Minjiang River basin

（2）NDVI未來趨勢分析

岷江流域在該研究時間內(nèi)，植被Hurst 指數(shù)小于0.5 的區(qū)域占比為57.04%,大于0.5 的區(qū)域占比為42.96%。根據(jù)Hurst 指數(shù)與植被變化趨勢的耦合圖（見圖7），可以看出，植被持續(xù)性增加的面積占比為36.05%，主要分布在川西高原的部分河谷地區(qū)、成都市西北緣、雅安市中部、樂山市西部、內(nèi)江市東部、自貢市。植被持續(xù)性減少的面積占比為6.91%，主要分布在成都市龍門山附近以及擴張的新城區(qū)、眉山市城區(qū)。未來趨勢不確定所占比值達到最高，為57.04%，主要分布在川西高原。

圖7 岷江流域植被未來趨勢Fig. 7 Future trends of vegetation in Minjiang River basin

2.3 岷江流域植被的地形效應(yīng)

因岷江流域地形分異明顯，為進一步探究植被變化與地形的關(guān)系，將所提取的高程、坡向和坡度進行重分類，探究在不同等級的地形因子上植被的變化情況。其中將高程以1 000 m 為間隔劃分為＜1 000 m、1 000～2 000 m、2 000～3 000 m、3 000～4 000 m、＞4 000 m。將坡向劃分為陰坡、半陰坡、陽坡、半陽坡和平地[15]。將坡度劃分為＜5°，5°～15°，15°～25°，25°～35°，≥35°[16]。

2.3.1 高程

在不同的海拔區(qū)域內(nèi)，植被的變化趨勢分布也明顯不同。如圖8 所示，極顯著增加主要發(fā)生在1 000 m 以下的海拔范圍內(nèi)，占比達到該流域面積的19%。而不顯著增加面積占比達到14%，主要發(fā)生在4 000 m 以上的海拔范圍內(nèi)。極顯著減少也主要發(fā)生在1 000 m 以下的范圍內(nèi)，但其在占比較少，僅占總面積的1%。在每個高程等級內(nèi)，植被增加的占比均大于植被減少的占比，研究區(qū)域內(nèi)的植被增加的趨勢明顯。

圖8 岷江流域各海拔等級的植被覆蓋面積變化Fig. 8 Changes of vegetation cover area at different altitudes in Minjiang River basin

2.3.2 坡向

因平地各植被變化趨勢總占比不足1%，將平地不納入研究范圍內(nèi)，這里比較各個坡向的植被變化趨勢。如圖9 所示，極顯著增加的面積占比在陽坡區(qū)域內(nèi)相對較多，植被減少發(fā)生在半陰坡的占比相對較多，但各個坡向的植被變化趨勢相差不大，因此坡向因子不作為植被變化主要影響因素[19]。

圖9 岷江流域各坡向等級的植被覆蓋面積變化Fig. 9 Changes in vegetation cover area of different slope grades in Minjiang River basin

2.3.3 坡度

如圖10 所示，植被覆蓋的變化主要發(fā)生在坡度小于35°的范圍內(nèi)。隨著坡度的增加，植被的極顯著增加變化趨勢的占比逐漸減少。植被的減少變化趨勢主要分布在5°～25°的坡度范圍內(nèi)。在各個坡度等級上，植被的增加趨勢占比均大于減少趨勢的占比。

圖10 岷江流域各坡度等級的植被覆蓋面積變化Fig. 10 Changes of vegetation cover area of different slope grades in Minjiang River basin

3 討論

自2003～2021 年以來，岷江流域的植被覆蓋整體呈現(xiàn)波動增長趨勢，這與李婷[17]等研究結(jié)果基本一致。岷江流域是四川省退耕還林還草重大生態(tài)工程實施的重點區(qū)域，并在天保一期以及天保二期工程的推進下，實現(xiàn)了植被覆蓋的穩(wěn)步增長。其中岷江流域植被改善區(qū)域主要分布在川西高原的河谷部分以及盆地內(nèi)部非城鎮(zhèn)區(qū)域。而成都市向外擴張的新城區(qū)、眉山市和德陽市因為受近年來人口增長、城鎮(zhèn)擴張等因素的影響出現(xiàn)了明顯的植被退化趨勢[18]。

岷江流域的地形分異明顯，植被的分布以及變化趨勢與其地理環(huán)境息息相關(guān),而地形因子又是決定熱量、水文、土壤等的主要因素。其中海拔和坡度作為影響岷江流域植被分布以及變化的主要地形因子，這一結(jié)論與張詩羽等[19]人的研究結(jié)果一致。其中海拔處于1 000 m 以下以及坡度小于25°的地區(qū)，植被極顯著增加趨勢最明顯，這得益于各種植被保護措施[20]，后期也應(yīng)該將保持或進一步完善各項生態(tài)修復(fù)工程。在未來岷江流域的發(fā)展過程中，城鎮(zhèn)擴張的同時應(yīng)注意植被的變化趨勢以及生態(tài)環(huán)境的修復(fù)。

4 結(jié)論

基于岷江流域2003～2021 年MODIS-NDVI 數(shù)據(jù)集和DEM 數(shù)據(jù)，分析該研究時段內(nèi)岷江流域植被NDVI 的時空變化特征，并探究不同地形因子與植被變化的相關(guān)性。得出以下結(jié)論：

（1）從植被NDVI 空間分布特征來看，研究時段內(nèi)的NDVI 均值介于0～0.9 之間。其流域的NDVI值上中游偏高，下游偏低，空間上分布呈現(xiàn)出明顯的差異性。從時間變化特征上看，岷江流域植被整體呈現(xiàn)波動上升的趨勢，增長速率為2.4%/10a，其中最低值出現(xiàn)在2012 年的0.55，最高值為2019 年的0.60。

（2）從變化趨勢來看，岷江流域植被覆蓋呈增加趨勢和減少趨勢的面積分別占84.49%和15.51%。在增加趨勢中，極顯著和顯著增加的面積占48.31%，主要分布在川西高原的河谷地區(qū)以及四川盆地的非城鎮(zhèn)區(qū)域。在減少趨勢中，極顯著和顯著減少的面積占2.38%，主要分布在成都市向外擴張的新城區(qū)、眉山市和德陽市。

（3）從穩(wěn)定性來看，波動性較強的區(qū)域主要分布在川西高原的高海拔山地以及成都市，而低波動主要出現(xiàn)在川西高原的相對低海拔區(qū)域，植被較為穩(wěn)定。

（4）從未來趨勢來看，岷江流域的大面積區(qū)域的未來變化趨勢不確定，植被變化呈現(xiàn)持續(xù)性減少的主要是成都市向外擴張的新城區(qū)。而呈現(xiàn)持續(xù)性增加的主要分布在四川盆地的非城鎮(zhèn)地區(qū)以及川西高原的河谷地區(qū)。

（5）從地形影響因子來看，海拔和坡度作為影響植被變化的主要因素，其中低海拔（1 000 m 以下）以及低坡度（5°以下）的植被的極顯著增加趨勢明顯，坡向與植被變化的相關(guān)性并未顯示出明顯的規(guī)律。