單文龍 何立恒 駱思瑩

摘要：北方農(nóng)牧交錯帶生態(tài)環(huán)境脆弱，系列生態(tài)工程的主要目標就是恢復(fù)退化植被，提高植被覆蓋度。本文以MO-DIS為數(shù)據(jù)源，選取歸一化植被指數(shù)（NDVI）構(gòu)建北方農(nóng)牧交錯帶2000-2013年NDVI數(shù)據(jù)集，分析ⅣDVI的時空變化。結(jié)果表明：北方農(nóng)牧交錯帶NDVI呈小幅波動上升，由2000年的0.28升至2013年的0.33，年增長率為0.38%。NDVI增加幅度存在明顯空間差異，增長速度最快的是中部分區(qū)，西部分區(qū)的ⅣDVI值較低，但2014年來一直以平緩速度穩(wěn)步增長，NDVI逐年提升。東北分區(qū)和東部分區(qū)的NDVI值較高，但增長較緩，東部分區(qū)的NDVI無顯著變化，東北分區(qū)的NDVI值常年穩(wěn)定在0.32左右。NDVI值在0.30以上的區(qū)域明顯擴大，空間差異正逐步縮小。該研究成果為北方農(nóng)牧交錯帶的生態(tài)環(huán)境建設(shè)和資源開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：NDVI；植被指數(shù)；時空變化；北方農(nóng)牧交錯帶

中圖分類號：S181；Q948.15+3

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X（2015）04-0033-05植被是土地覆蓋最主要的類型，是覆蓋地表的植物群落的總稱，植被與氣候、地形、土壤等自然環(huán)境密切相關(guān)，屬陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體。植被在地球的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化中起著巨大的作用，具有改善區(qū)域氣候、保水固土、凈化空氣、減輕污染等作用。因此，植被覆蓋變化在很大程度上反映區(qū)域環(huán)境狀況，研究和掌握區(qū)域植被覆蓋變化特征，能為減緩?fù)嘶突謴?fù)生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)和決策服務(wù)。

估算和監(jiān)測植被覆蓋的重要手段是遙感技術(shù)，遙感具有成本低、覆蓋范圍廣、周期短、波段寬和時間系列長短選擇靈活等優(yōu)點，植被指數(shù)常用來計算植被覆蓋度的估值。歸一化植被指數(shù)（Nor-malized Difference Vegetation Index，NDVI）又稱標準化植被指數(shù)，因其具有檢測植被靈敏度較高、范圍寬、能消除群落結(jié)構(gòu)和地形的陰影、可去除輻射干擾、會削弱太陽高度角和大氣所帶來的噪音等優(yōu)點，多被用來估算和監(jiān)測植被覆蓋變化。估算和監(jiān)測植被覆蓋的遙感數(shù)據(jù)有NOAA/AVHRR、Landsat、SPOT、MODIS、MISS等。MODIS具有時空分辨率高、全球免費、覆蓋和光譜范圍廣、數(shù)據(jù)質(zhì)量高、數(shù)據(jù)接收簡單等特點，故被選作本文數(shù)據(jù)源。

北方農(nóng)牧交錯帶作為我國最大面積、最長空間跨度、最具典型特征的農(nóng)牧交錯帶，是科學(xué)界研究的焦點地區(qū)之一，主要集中在土地覆被變化和氣候變遷與植被覆蓋度的相關(guān)分析、區(qū)縣的植被覆蓋度變化、界線演變等，單純研究北方農(nóng)牧交錯帶ⅣDVI的較少。作為我國“西部大開發(fā)”生態(tài)和繹濟建設(shè)的重點地區(qū)，揭示近年來ⅣDVI的時空變化特征，對全面了解北方農(nóng)牧交錯帶的自然環(huán)境條件有重要的現(xiàn)實意義。1 研究區(qū)概況

北方農(nóng)牧交錯帶北起大興安嶺西麓，沿長城經(jīng)冀北、晉北，內(nèi)蒙古中南向西南延展，直至陜北、甘東北和寧南的交接地帶，行政區(qū)劃涉及9個省106個旗（縣市）（圖1），具有復(fù)雜、邊緣、融和、脆弱等典型生態(tài)交錯帶的基本特征。氣候處于東部季風(fēng)區(qū)與西北干旱區(qū)之間的過渡地帶；生產(chǎn)經(jīng)營模式屬于從農(nóng)耕區(qū)向草原牧區(qū)的農(nóng)牧過渡地帶；景觀表現(xiàn)為農(nóng)林牧交錯分布的復(fù)合式景觀格局；自然條件上，東南是濕潤、半濕潤地區(qū)，降水400～450mm，地勢相對平坦，海拔較低，環(huán)境條件優(yōu)越，而以西以北則分布著我國主要的沙漠、高原和山地，地形復(fù)雜，風(fēng)沙干旱發(fā)生頻繁，氣候多變、土地瘠薄，植被稀少，降水量為300-400mm，生態(tài)環(huán)境較為脆弱。

根據(jù)地形地貌、氣候分布特征，將北方農(nóng)牧交錯帶劃分為包括內(nèi)蒙古高原部分地區(qū)的東北分區(qū)，涵蓋冀北壩上草原部分地區(qū)的東部分區(qū)，包括陜、晉黃土高原北部地區(qū)的中部分區(qū)，包含青、寧、甘部分地區(qū)的西部分區(qū)（如圖1所示）。

2 數(shù)據(jù)處理

下載（https： //lpdaac. usgs. gov/data—access/data_ pool） 2000～2013年每年23期（2000年20期）共319期MODIS數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理包括拼接、文件格式轉(zhuǎn)換、投影改正、影像裁剪等。根據(jù)MO-DIS數(shù)據(jù)中國分區(qū)代碼，北方農(nóng)牧交錯帶主要分布在h25v04-05、h26v04-05、h27v04-05。將下載的格式為*.hdf等面積偽圓柱投影的原始數(shù)據(jù)投影轉(zhuǎn)換為蘭伯特投影，坐標系轉(zhuǎn)化為WGS84坐標，并將文件另存為TIF格式。為實現(xiàn)圖像幾何糾正，利用最鄰近像元內(nèi)插算法和衛(wèi)星數(shù)據(jù)附帶的經(jīng)緯度坐標信息，將數(shù)據(jù)糾正到250m分辨率的通用橫軸墨卡托（UTM）投影地圖坐標系中。根據(jù)矢量地圖，通過ROI不規(guī)則裁剪上述處理后的各期遙感數(shù)據(jù)，得到遙感影像圖。

分別用最大值合成法和平均值法提取NDVI（公式1），最大合成法提取的NDVI差異較小，區(qū)分度不夠，不足以反映研究區(qū)植被覆蓋的時空變化特征。用平均值法提取ⅣDVI值，統(tǒng)計出年、季節(jié)、月和四個分區(qū)的NDVI均值，對比發(fā)現(xiàn)各期平均值的時空差異明顯，被選用于研究植被指數(shù)時空變化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

NDVI=（DN_NIR-DN_R）/（DN_NIR+ DN_R）。 （1）式中：DN_DIR為近紅外波段的灰度值；DNR為紅波段的灰度值。

3 結(jié)果與分析

3.1

NDVI的時間變化特征

3.1.1 NDVI月變化特征

選取2000～2013年NDVI月平均值，研究ND-VI年內(nèi)變化（如圖2所示）。曲線呈起伏明顯的先升后降的單峰型變化，NDVI值1月份最低，為0.15，7月～8月份達0.53的最高值。1月～3月的標準差較小，變化平緩，增長趨勢不明顯。4月～6月急劇上升，9月開始快速下降，植被進入枯黃期和休眠期，6月、7月和9月的較大標準差說明植被在此時段內(nèi)各年的差異變化。從11月到來年的2月，NDVI均保持較低值，也是全年的最低值。

3.1.2

NDVI季節(jié)變化特征

依陽歷3月～5月、6月～8月、9月～11月、12月～來年2月為春、夏、秋、冬四季，將ⅣDVI按季節(jié)進行均值統(tǒng)計（見表1）。夏季NDVI的平均值遠高于其他季節(jié)，對年均ⅣDVI的提高貢獻最大，最大最小值的波動范圍和較大的標準差同時說明夏季處于植被快速生長期。其次是NDVI處于下降的秋季，均值為0.30，再次是波動范圍在0.22～0.26之間的春季，但NDVI處于上升階段。冬季的ND VI最低，波動范圍、均值和標準差均小。

空間上，隨著季節(jié)變化，ⅣDVI由北向南逐步增大。生態(tài)環(huán)境相對脆弱區(qū)的NDVI隨季節(jié)明顯發(fā)生變化，而植被覆蓋較好地區(qū)的NDVI隨季節(jié)起伏變化相對較小。冬季NDVI值較小，特別是陜、晉黃土高原區(qū)，相對較大的是河北壩上平原地區(qū)；春季的植被覆蓋有明顯提高，0.00～0.20的區(qū)域范圍明顯縮小，0.20～0.40的范圍持續(xù)擴大，而且冀北地區(qū)的NDVI明顯升高；夏季的ND VI值達最高，僅寧、青、甘北部部分地區(qū)ⅣDVI值稍低，在0.40以下；秋季的NDVI逐漸回落。

3.1.3 NDVI年際變化特征

年均NDVI值在波動中呈線性增加趨勢（圖3），由2000年的0.28上升至2013年的0.33，年增長率為0.38%。年最大NDVI在2013年達0.63的最高值，最低值0. 49出現(xiàn)在2000年。2000～2002年、2009～2013年處于明顯上升期，2002～2007年的NDVI比較平穩(wěn)，2007～2009經(jīng)歷先升后降的波動過程。

分別以年均和年最大NDVI值為因變量y，以年份為自變量x進行定量分析。從曲線方程可看出，年最大NDVI增加趨勢更為顯著，波動起伏也大。

3.1.4 分區(qū)NDVI年際變化特征

年均NDVI從高到低的是東部分區(qū)、東北分區(qū)、中部分區(qū)和西部分區(qū)（見表2）。中部分區(qū)與西部分區(qū)的波動起伏較大，增長趨勢更為顯著，反映出研究時段內(nèi)該地區(qū)整體植被增長較明顯。而冀北地區(qū)與內(nèi)蒙古高原地區(qū)雖然NDVI整體水平較高，但增長較為緩慢。

中部分區(qū)和西部分區(qū)較大的標準差說明該區(qū)域的ND VI增加速度高于東部分區(qū)和東北分區(qū)，內(nèi)蒙古高原所在的東北分區(qū)的增長速度最慢。陜、晉黃土高原區(qū)受人類活動影響較為強烈，當人類活動受到限制時，其植被覆蓋在自然狀態(tài)下出現(xiàn)恢復(fù)，歸功于防護林建設(shè)、退耕還林等生態(tài)環(huán)境保護政策，陜、晉黃土高原區(qū)的NDVI顯示出較高的增加速度。

3.2

DN VI的空間變化特征

依據(jù)各分區(qū)2000～2013年的ND VI值，根據(jù)變化趨勢線特征分別選擇2001、2004、2008和2013年作為典型年，制作ⅣDVI的空間分布圖（如圖4所示）。結(jié)果表明，植被覆蓋具有明顯的地域特征，ND VI從大到小依次是東北分區(qū)、東部地區(qū)、中部地區(qū)和西部地區(qū)。

東北分區(qū)屬于內(nèi)蒙古高原東北部，位于大興安嶺北段西麓。地勢東高西低，海拔在600～800m之間，水資源較豐富，植被以羊草和針茅為主。該地區(qū)NDVI值相對較高，主要集中在0.30～0.40之間，植被覆蓋相對較好。

東部分區(qū)位于河北北部壩上草原地區(qū)，東南高、西北低，典型的干旱型草原，植被以旱禾草居多。該地區(qū)NDVI值多分布在0.20～0.40之間，多年保持平穩(wěn)狀態(tài)，與相關(guān)研究成果吻合。

中部分區(qū)主要包括陜北和山西黃土高原區(qū)，平均海拔800～1300m，氣溫和降水的空間分布差異較大，下墊面復(fù)雜，水土流失嚴重。植被覆蓋逐年得到改善，2000年的ND VI值集中在0.20左右，2004年顯著增長至0.30左右，此后，ND VI值逐年上升，至2013年，絕大多數(shù)范圍內(nèi)的NDVI值穩(wěn)定在0.35左右，跟相關(guān)研究成果一致。由此可見，該地區(qū)水土保持、退耕還林工程初見成效，植被得到恢復(fù)，生態(tài)環(huán)境得到改善。

西部地區(qū)包含寧夏、甘肅、青海部分地區(qū)，氣候干燥，年較差、日較差大，降水量少，多大風(fēng)天氣。該地區(qū)的ND VI普遍較低，除南部邊緣地區(qū)ND VI值高于0.30外，其余地區(qū)均低于0.20。人類對該地區(qū)的影響遠不如東部季風(fēng)區(qū)那么廣泛和深刻，水是植被生長的決定性因素。

4 結(jié)論

基于北方農(nóng)牧交錯帶2000～2013年MODIS/ND VI數(shù)據(jù)，進行波段運算，提取研究區(qū)2014年的ⅣDVI值，對ⅣDVI值進行時空變化分析，得出以下結(jié)論：

（1）NDVI隨時間呈波動上升，植被覆蓋狀況得到改善。年均ND VI的年增長率為0.38%，NDVI年內(nèi)變化呈現(xiàn)出很強的季節(jié)性，夏季的ND VI值最高，逐年增加最為顯著，對植被覆蓋狀況的改善貢獻最大。

（2） ND VI增加幅度存在明顯的空間差異。增長速度最快的地區(qū)為中部分區(qū)，絕大多數(shù)范圍內(nèi)的ND VI值穩(wěn)定在0.35左右。西部分區(qū)的ND VI值相對較低，但2014年來一直以平緩速度穩(wěn)步增長。東北分區(qū)和東部分區(qū)的NDVI值較高，植被覆蓋情況相對較好，但ND VI無顯著增大趨勢。ⅣDVI值在0.30以上的區(qū)域明顯擴大，空間差異逐步縮小。

本文僅探討了北方農(nóng)牧交錯帶ND VI的時空變化，沒對ⅣDVI進行分級統(tǒng)計和分析各級的變化，沒有對影響NDVI時空變換的各種環(huán)境因素進行深入討論與分析，使用的MODIS/ND VI數(shù)據(jù)，分辨率較大，無法對植被類型做細致的區(qū)分研究，有待在今后的研究中繼續(xù)探討。