蔡朝朝 白濤 謝嵐 李湘

[摘要]選用MODIS NDVI數(shù)據(jù)，運(yùn)用像元二分模型提取植被覆蓋度，采用均值、時(shí)間序列和線性回歸等分析方法，對新疆2000-2015年植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化特征進(jìn)行研究，、結(jié)果顯示，2000-2015年新疆總體植被覆蓋度較低，南北疆植被覆蓋差異較大;近16年新疆植被覆蓋經(jīng)歷了“增加一減少一增加”的過程，但總體呈增長趨勢，南疆植被改善明顯，北疆部分地區(qū)植被有所退化。

[關(guān)鍵詞]新疆;NDVI;植被覆蓋度;像元二分模型

[中圖分類號]Q948

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

新疆位于我國西部干旱區(qū)，是全國生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。研究表明新疆植被狀況北疆優(yōu)于南疆，西北優(yōu)于東南;不同類型植被的覆蓋度也存在著顯著差異;近年來植被總體呈現(xiàn)增加趨勢，但生長季存在明顯階段性;北疆平原地區(qū)、南疆平原地區(qū)和南疆山區(qū)的植被呈顯著增長趨勢，北疆山區(qū)的植被呈下降趨勢，總體上植被改善面積大于退化面積。

本文基于新疆2000-2015年長時(shí)間序列NDVI數(shù)據(jù)，參考前人研究成果，選取適合新疆的生長季月份，構(gòu)建NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)集，采用像元二分模型提取植被覆蓋度、均值分析、時(shí)間序列分析、線性回歸分析和差值分析等方法，探討了研究時(shí)段內(nèi)新疆植被覆蓋空間分布及動(dòng)態(tài)變化特征，以期為新疆的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1材料和方法

1.1研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)預(yù)處理

新疆位于亞歐大陸腹地，自然植被覆蓋面積廣、類型豐富，既是我國第三大草原區(qū)，又是西部干旱地區(qū)主要的天然林區(qū);但由于特殊的地形地貌和干旱的氣候條件，植被總體覆蓋度較低，生態(tài)系統(tǒng)較脆弱。

研究所用NDVI數(shù)據(jù)來源于美國航空航天局地球觀測組織提供的月合成NDVI數(shù)據(jù)集（https：//neo.sci.gsfc.nasa.gov），空間分辨率0.1°，時(shí)間序列為2000年1月至2015年12月。利用與NDVI數(shù)據(jù)統(tǒng)一后的新疆區(qū)域邊界Shapefile矢量圖對各期NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行研究區(qū)域裁剪，提取新疆范圍內(nèi)2000-2015年的NDVI月數(shù)據(jù)。為了真實(shí)反應(yīng)研究區(qū)植被覆蓋在空間上的整體變化特征，在月合成最大值NDVI數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用平均值法計(jì)算年內(nèi)生長季的NDVI均值，以代表當(dāng)年的年均NDVI值。在完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理后，利用2000-2015年的生長季年NDVI均值進(jìn)一步開展植被覆蓋度的研究工作。

1.2研究方法

NDVI與植被覆蓋度有顯著的正相關(guān)關(guān)系，像元二分模型是基于線性混合像元分解模型中簡單實(shí)用的模型，因此將NDVI與像元二分模型結(jié)合反演植被覆蓋度精度較高。研究根據(jù)像元二分模型原理，結(jié)合數(shù)據(jù)特點(diǎn)并參考已有研究，計(jì)算基于像元的植被覆蓋度，通過統(tǒng)計(jì)得到2000-2015年平均植被覆蓋度，從而分析研究區(qū)16a的植被覆蓋空間特征。

植被覆蓋度的值介于[0，1]之間，根據(jù)已有研究，并結(jié)合研究區(qū)植被覆蓋實(shí)際情況，將研究區(qū)植被覆蓋度分為5個(gè)等級：①覆蓋度小于0.1為極低覆蓋植被區(qū)（強(qiáng)度沙化土地、裸地等）;②覆蓋度介于0.1到0.3之間為低覆蓋植被區(qū)（零星植被、稀疏林地等）;③覆蓋度介于0.3到0.5之間為中覆蓋植被區(qū)（中等郁閉灌木林地、中產(chǎn)草地等）;④覆蓋度介于0.5到0.8之間為中高覆蓋植被區(qū)（灌木林地、中高產(chǎn)草地等）;⑤覆蓋度大于0.8為高覆蓋植被區(qū)（密灌木地、密林地、高產(chǎn)草地、耕地等）。

利用時(shí)間序列分析法將研究時(shí)段內(nèi)新疆生長季植被覆蓋度按時(shí)間排列，形成植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化軌跡，并通過曲線擬合和參數(shù)估計(jì)來建立回歸模型。采用差值法量化各個(gè)年份間植被覆蓋度的動(dòng)態(tài)變化，用后一時(shí)期的植被覆蓋度等級值減去前一時(shí)期的植被覆蓋度等級值衡量植被變化。差值為負(fù)數(shù)表示植被有所退化;差值為0表示植被未變化;差值為正數(shù)表示植被有所改善。

2結(jié)果與分析

2.1新疆植被覆蓋空間分布特征

研究得到新疆植被覆蓋度特征圖，再按照等級指標(biāo)進(jìn)行密度分割得到新疆植被覆蓋等級空間格局（見圖1），并對各等級植被面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

新疆植被覆蓋度特征分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，新疆植被覆蓋度總體水平較低，極低覆蓋植被區(qū)域占總面積的33.61%，低覆蓋植被區(qū)占總面積的39.46%，中覆蓋植被區(qū)占總面積的11.69%，中高覆蓋植被區(qū)占總面積的9.76%，而高覆蓋植被區(qū)僅占總面積的5.48%。同時(shí)，植被覆蓋南北差異性較大，表現(xiàn)為北疆植被覆蓋度明顯優(yōu)于南疆，西部和西北部植被覆蓋度優(yōu)于南部和東南部。

2.2新疆植被覆蓋時(shí)間變化特征

圖2是利用像元二分模型反演得到的2000-2015年新疆生長季植被覆蓋度時(shí)間序列，由圖2可以看出，2000-2015年新疆植被覆蓋變化表現(xiàn)出明顯的階段性，經(jīng)歷了“先增加，再下降，又增加”的過程，2005年和2009年是明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，但總體上植被覆蓋度以0.013·10 a-1變化率呈增長趨勢。16年間新疆植被覆蓋度的平均值為0.251，年平均值在0.235到0.271之間波動(dòng)，最低和最高值分別出現(xiàn)在2001和2012年。

16年間中、中高、高覆蓋植被區(qū)總體變化不大，這3種等級所覆蓋的區(qū)域占全疆總面積的比例從2000年的25%增加到2015年的近30%，但期間也有波動(dòng);16年間極低、低覆蓋植被區(qū)面積變化明顯，極低覆蓋植被區(qū)以0.05·10a-1速率下降，而低覆蓋植被區(qū)以0.04·10a-1速率增加，2種等級覆蓋面積相互轉(zhuǎn)換，總面積略有減少（見圖3）。

2.3新疆植被覆蓋空間變化特征

利用植被覆蓋度等級的差值量化2000-2015年新疆植被覆蓋空間變化特征，揭示了新疆植被覆蓋變化情況，并以2005年和2009年兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)對植被覆蓋度變化的面積和比例變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見圖2和表1）。與時(shí)間變化特征一致，2000-2005年全疆植被覆蓋以改善為主，18.81%的植被得到改善，1.72%的植被有所退化;2005-2009年植被生長狀況趨于下降，有20.23%的植被有不同程度的退化;2009-2015年植被覆蓋有所恢復(fù)，16.95%的植被增長顯著，少數(shù)地區(qū)植被有所退化，植被覆蓋狀況總體呈改善趨勢（見圖4）。其中，中高、高覆蓋植被區(qū)增加明顯，除極低覆蓋植被區(qū)外其他等級植被都有向其轉(zhuǎn)移。同時(shí)，中覆蓋植被區(qū)轉(zhuǎn)移較為明顯，有11.36%退化為低植被覆蓋區(qū)，19.715%轉(zhuǎn)移為中高、高植被覆蓋區(qū)。

16年間全疆80.79%的地區(qū)植被覆蓋沒有發(fā)生明顯變化，植被覆蓋改善地區(qū)的面積明顯大于降低地區(qū)的面積，說明新疆總體植被狀況得到改善，呈現(xiàn)良好的發(fā)展趨勢，尤其是南疆植被改善面積較大，而北疆部分地區(qū)植被有所退化。2000-2015年植被退化面積占新疆總面積的2.89%，并均為輕度退化。北疆植被退化區(qū)域主要集中在烏魯木齊市至昌吉州以北、古爾班通古特沙漠腹地至烏倫古湖一帶，以及烏魯木齊市至奎屯天山北麓;南疆和田西南昆侖山區(qū)的植被有所退化。植被總體改善面積要比植被退化面積多出13.43%，其中大部分地區(qū)為輕度改善，只有0.27%為中度改善和0.02%為極度改善。2015年與2000年相比，北疆的古爾班通古特沙漠及周邊荒漠戈壁植被有所退化，而南疆的塔克拉瑪干沙漠周邊植被覆蓋好轉(zhuǎn)。

3結(jié)論

（1）新疆植被覆蓋水平整體較低，2000-2015年的16年間植被覆蓋度平均值為0.251，極低、低覆蓋植被區(qū)占全疆總面積的七成。南北疆植被覆蓋差異較大，表現(xiàn)為北疆植被覆蓋優(yōu)于南疆，高、中高覆蓋植被區(qū)主要集中在北疆西部和西北部。

（2）2000-2015年新疆植被覆蓋雖然總體上呈現(xiàn)增加趨勢，但存在著明顯的階段變化，以2005年和2009年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)先后經(jīng)歷了“增加一減少一增加”的過程。16年間，2001年植被覆蓋度最低，2012年植被覆蓋度最高。中、中高、高覆蓋植被區(qū)總體變化不大，低覆蓋植被區(qū)面積有所增加，極低覆蓋植被區(qū)面積呈逐年減少趨勢。

（3）2000-2015年新疆植被覆蓋總體以改善為主，植被恢復(fù)改善面積大于植被退化面積。但不同地區(qū)植被覆蓋度等級表現(xiàn)出不同的變化特征，南疆植被狀況改善明顯，北疆荒漠和天山北麓部分植被有所退化。

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[收稿日期]2020-08-09

[作者簡介]蔡朝朝（1978-），女，福建閩侯人，講師，博士，研究方向：林業(yè)信息化、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。