崔　衛(wèi),劉曉芹

(隴南市康縣林業(yè)局，甘肅 康縣746500)

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西安市1998-2010年植被覆蓋時(shí)空變化研究

崔衛(wèi),劉曉芹

(隴南市康縣林業(yè)局，甘肅 康縣746500)

摘要：利用1998-2010年SPOT-VGT NDVI影像對(duì)西安市植被的時(shí)空變化進(jìn)行分析，結(jié)果表明，西安市13年月NDVI平均值為0.445，月均NDVI值0.230～0.629，受6月作物收獲影響，NDVI值出現(xiàn)了5月和8月兩個(gè)峰值；西安市植被總體呈改善趨勢(shì)，山區(qū)和平原地區(qū)植被改善明顯，但主城區(qū)受到城區(qū)建設(shè)影響，植被出現(xiàn)了一定的退化；降水和氣溫是影響NDVI值變化的重要因子，同時(shí)經(jīng)濟(jì)建設(shè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)NDVI值也有重要的影響。

關(guān)鍵詞：西安市;SPOT-VGT NDVI；植被；時(shí)空變化

植被在地圈-生物圈-大氣圈交叉研究中所具有的特殊作用[1]，被認(rèn)為是進(jìn)行人類環(huán)境評(píng)價(jià)和監(jiān)測(cè)的最重要參數(shù)[2]。植被覆蓋的稀疏和退化是導(dǎo)致區(qū)域水土流失、生態(tài)環(huán)境惡化的根源[5]，因此，監(jiān)測(cè)植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化研究具有重要意義[3-4]?；谶b感技術(shù)對(duì)植被覆蓋進(jìn)行監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)多種多樣[6-9]，其中，由近紅外波段和紅外波段產(chǎn)生的歸一化植被指數(shù)(Normal Difference Vegetation Index, NDVI)能夠很好地反映植被代謝強(qiáng)度及其季節(jié)和年際變化[10-11]，在區(qū)域乃至全球大尺度進(jìn)行植被動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、植被分類、全球和區(qū)域土地覆蓋分類及其變化等方面得到了廣泛應(yīng)用[14]，形成了定量監(jiān)測(cè)方法及體系。

西安市是中國(guó)西部地區(qū)具有重要區(qū)域意義的大城市，城鎮(zhèn)化發(fā)展非常迅速，因此對(duì)西安植被變化的研究具有重要意義。目前，對(duì)西安市植被覆蓋狀況的研究已有一些階段性成果[15-16]，但多數(shù)局限于某年的植被變化情況，沒有使用長(zhǎng)時(shí)間序列影像對(duì)西安市較長(zhǎng)時(shí)期植被覆蓋時(shí)空演變和驅(qū)動(dòng)力因素的分析研究。本研究利用1998-2010年SPOT-VGT NDVI影像對(duì)西安市植被時(shí)空變化進(jìn)行研究，探討西安市植被的時(shí)空變化特征，并通過分析其變化的驅(qū)動(dòng)力因素，旨在為今后的生態(tài)建設(shè)規(guī)劃提供一定的科學(xué)支撐。

1研究區(qū)概況

西安市( 33°39' N～34°45' N，107°40' E～109°49'E)位于黃河流域中部的關(guān)中盆地，地處中國(guó)西北部、秦嶺北麓，地跨渭河南北兩岸?，F(xiàn)轄9區(qū)4縣，總面積10 233 km2，常住人口830.54萬人，戶籍人口764.25萬人。其中平原面積為4367.4 km2，占全市土地面積43.7%，土壤肥沃，灌溉便利，屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。本研究為了更好的闡明西安各區(qū)域植被變化情況，按照土地利用類型和地形因素將研究區(qū)劃分為主城區(qū)、平原區(qū)和山區(qū)三個(gè)部分。主城區(qū)主要是西安城市發(fā)展用地；平原區(qū)主要是關(guān)中平原的一部分，為渭河沖積平原，是陜西最重要的糧食產(chǎn)區(qū)；山區(qū)是秦嶺北部的一部分，海拔高于700 m。

Ⅰ:西安主城區(qū),Ⅱ:平原區(qū) ,Ⅲ:山區(qū)

圖1西安市地勢(shì)分級(jí)圖

2數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源和預(yù)處理

本研究所使用的主要數(shù)據(jù)為1998年4月-2010年3月的SPOT逐旬NDVI 數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)通過大氣校正、輻射校正、幾何校正等，生成10 d最大化合成NDVI數(shù)據(jù)，將-1 ～ -0.1的值設(shè)置為-0.1[17-18]。其次，西安市1998-2010年逐月氣溫和降水資料用于NDVI變化驅(qū)動(dòng)力的分析。本文用Savitzky-Golay濾波器對(duì)SPOT-VGT NDVI進(jìn)行噪音處理[19-20]。其中，每10 d即每旬采集1次數(shù)據(jù)，每月NDVI 數(shù)值為上中下旬的算術(shù)平均值，每年NDVI 數(shù)值為該年12個(gè)月的算術(shù)平均值。

2.2變化趨勢(shì)分析

(1)$$式中：n為變化監(jiān)測(cè)的年數(shù)；NDVIi為第i年的最大化NDVI值。

根據(jù)西安市綠度變化率結(jié)果，分析1998-2010年間西安市植被變化趨勢(shì)，并以-0.01、0、0.01和0.02為分段點(diǎn)，對(duì)區(qū)域植被變化進(jìn)行分級(jí)。其中嚴(yán)重退化設(shè)置為θslope<-0.01；輕微退化設(shè)置為-0.01≤θslope<0；輕微改善設(shè)置為0.≤θslope<0.01；中度改善設(shè)置為 0.01≤θslope<0.02；極度改善設(shè)置為θslope≥0.02。

2.3數(shù)據(jù)分析

本研究采用ArcGIS10.2和ENVI/IDL軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

3結(jié)果與分析

3.1區(qū)域NDVI的時(shí)間變化

3.1.11998-2010年不同月份NDVI均值的變化西安市13年(1998-2010年)月平均NDVI值為0.445(圖2)。研究區(qū)月均NDVI值季節(jié)變化明顯(6月份除外)，月均NDVI值在0.230～0.629，最小值出現(xiàn)在1月，然后逐漸增加，2月之后即快速上升，到5月達(dá)到一個(gè)高峰之后迅速下降，6月之后又逐漸增加，直到8月達(dá)到最高值，此后迅速回落，直至最小值。這一變化是由于6月份正值小麥?zhǔn)崭钇?，?月之后開始種植玉米，造成了NDVI值下降后又逐漸回升。

圖2西安市1998-2010 年月均NDVI值

3.1.2不同年份之間月均NDVI變化研究期間，西安市NDVI值各年之間變化趨勢(shì)基本相同，但振幅有所變化(圖3)。對(duì)西安市的三個(gè)區(qū)域分別求年平均NDVI值，得到(2-5)式?？傮wNDVI區(qū)域特征為：山區(qū)>全市>平原>主城區(qū)(圖4)，其中山區(qū)和平原地區(qū)植被得到改善(方程斜率>0)，主城區(qū)植被出現(xiàn)退化現(xiàn)象(方程斜率<0)。研究期間，整個(gè)西安市的植被覆蓋情況得到一定程度的改善。

主城區(qū) NDVIt= -0.0030t + 0.3022，R2= 0.2714

(2)

平原 NDVIt = 0.0086t + 0.3504，R2= 0.5263

(3)

山區(qū) NDVIt = 0.0108t + 0.4395，R2= 0.7609

(4)

全市 NDVIt = 0.0084t + 0.3886，R2= 0.6577

(5)

式中，NDVIt為第t年的NDVI的平均值。

圖3西安市1 998年4月-2010年3月各月NDVI值變化

圖4 西安市1998-2010年NDVI值變化

3.2區(qū)域NDVI的空間變化

3. 2. 1典型年份NDVI的空間變化以2009年作為典型年份，計(jì)算得到西安市2009年間各月NDVI平均值影像(圖5)，可以看出西安市總體NDVI從3月份開始增大，受作物收獲的影響，6月有一個(gè)明顯的下降，隨后又逐漸增大，到8月達(dá)到最大值后迅速下降，直到最小值。這與NDVI時(shí)間變化分析結(jié)果一致。

3. 2. 2區(qū)域NDVI 的空間變化趨勢(shì)西安市3個(gè)區(qū)域除了主城區(qū)之外，1998-2010年13年間NDVI值均呈上升趨勢(shì)(圖6)，表明西安市生態(tài)退化的區(qū)域主要分布在西安主城區(qū)，而平原區(qū)和山區(qū)的植被覆蓋均增加，生態(tài)環(huán)境有所改善。

A: NDVI<0.05 B: 0.05≤NDVI<0.20 C: 0.20≤NDVI<0.35 D:

0.35≤NDVI<0.50 E: 0.50≤NDVI<0.65 F: NDVI≥0.65

圖5西安市2009年NDVI空間變化

圖6西安市1998-2010年NDVI值變化趨勢(shì)

研究期間，西安市的θslope>0.01的地區(qū)占西安市總面積的70.08%(表1)，說明研究期間整個(gè)西安市的生態(tài)環(huán)境得到了很大程度的改善，其中，改善地區(qū)主要集中于平原和山區(qū)，主城區(qū)的的退化面積占了整個(gè)主城區(qū)的50.22%，說明主城區(qū)植被出現(xiàn)了嚴(yán)重退化的現(xiàn)象，也表現(xiàn)了主城區(qū)加強(qiáng)生態(tài)建設(shè)的迫切性。

表1　不同區(qū)域1998-2010年NDVI變化趨勢(shì)分級(jí)統(tǒng)計(jì)

3.3西安市NDVI值變化和自然因子相關(guān)性

3.3.1區(qū)域NDVI 與主要?dú)夂蛞蜃拥南嚓P(guān)性西安市及其不同區(qū)域13年間不同月份平均氣溫、降水與NDVI值的關(guān)系分析結(jié)果表明，除6月份受人為糧食收割過程影響之外，西安市各區(qū)域NDVI值年際變化趨勢(shì)與月均氣溫和降水大體一致(圖7)， NDVI值變化與氣溫(R2=0.924, P<0.05)和降水(R2=0.862, P<0.05)呈顯著正相關(guān)。

圖7西安市多年平均氣溫降水與各區(qū)域多年平均NDVI的關(guān)系

3.3.2區(qū)域NDVI與人為因子的相關(guān)性分析由上述分析得出，除主城區(qū)外的研究區(qū)植被均得以改善。主城區(qū)主要受經(jīng)濟(jì)建設(shè)和城鄉(xiāng)一體化政策的影響，在城市周圍城鄉(xiāng)結(jié)合部出現(xiàn)了植被的嚴(yán)重退化；山區(qū)的植被得以改善，得益于西安市的森林天然林保護(hù)、退耕還林工程的實(shí)施，同時(shí)，近年來，西安市對(duì)秦嶺北坡荒山綠化工程建設(shè)的加強(qiáng)也起到了舉足輕重的作用；平原地區(qū)植被的恢復(fù)與經(jīng)濟(jì)林建設(shè)和關(guān)中地區(qū)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整帶來的糧食增產(chǎn)有一定關(guān)系。

4結(jié)論與討論

利用SPOT-VGT NDVI影像對(duì)西安市及其三個(gè)地區(qū)1998-2010年13年的植被變化研究結(jié)果表明，西安市植被整體得以改善，與賈寶全研究結(jié)果[15]相同。其中山區(qū)植被改善程度最大，其次為平原地區(qū)，主城區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重的植被退化現(xiàn)象，這與城市的發(fā)展占用綠地密不可分，退化嚴(yán)重地區(qū)集中于西安的北部和西南方向，臨潼和閻良的城區(qū)也出現(xiàn)了植被退化現(xiàn)象。這是城市發(fā)展過程中不可避免的，也是發(fā)展城市綠地系統(tǒng)緊迫性的重要表現(xiàn)。

西安市的整體NDVI受平原地區(qū)農(nóng)田的影響較大，不論從時(shí)間還是空間上來分析，均可以得出6月由于受作物收獲的影響，西安市整體NDVI出現(xiàn)了下降谷，隨著玉米等作物的生長(zhǎng)，NDVI出現(xiàn)了回升直至8月，NDVI達(dá)到最高值，這與非作物耕作區(qū)NDVI變化趨勢(shì)不同[22-23]。以農(nóng)業(yè)為主的地區(qū)，月均NDVI會(huì)受作物收獲影響會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)高峰。

參 考 文 獻(xiàn)

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Spatial-temporal Variation of Vegetation in Xi'an from 1998 to 2010

CUI Wei，LIU Xiao-qin

(ForestryBureauofKangCounty,Longnan,Gansu746500)

Abstract:SPOT-VGT NDVI images from 1998 to 2010 were used to estimate the spatial-temporal variation of vegetation in Xi'an. The result showed that the annual average of NDVI was 0.445 and monthly average was 0.230 to 0.629 during recent 13years. Affected by the summer harvest in June, there were two peaks of the value of NDVI in May and August separately. The total vegetation coverage was increasing year by year in the study area, much significant in mountain and plain area within Xi'an. Due to urban construction, the main city area showed a serious vegetation degradation. Temperature and precipitation were the important climate factors affecting the variation of vegetation NDVI. The value of NDVI was also under the greatly influenced by the economic construction and production activities.

Key words:Xi'an,SPOT-VGT NDVI, vegetation , spatial-temporal changes

中圖分類號(hào):S718.54

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1001-2117(2016)01-0017-06

作者簡(jiǎn)介：崔衛(wèi)(1966-)，男，天津市人，本科，工程師，主要從事林業(yè)資源管理與技術(shù)推廣等工作。

收稿日期：2015-10-18