劉英， 侯恩科， 岳輝

(西安科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,西安 710054)

基于MODIS的神東礦區(qū)植被動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與趨勢(shì)分析

劉英， 侯恩科， 岳輝

(西安科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,西安 710054)

以神府-東勝礦區(qū)(簡(jiǎn)稱神東礦區(qū))為研究對(duì)象，利用2000―2015年獲取的250 m分辨率MODIS NDVI數(shù)據(jù)，采用像元二分法提取礦區(qū)植被覆蓋度(fractional vegetation coverage,FVC)的基礎(chǔ)上，利用一元線性回歸方法和重標(biāo)極差分析法分析礦區(qū)植被空間格局變化并預(yù)測(cè)其未來發(fā)展趨勢(shì)。結(jié)果表明： 16 a來神東礦區(qū)的年均植被指數(shù)(NDVI)呈上升趨勢(shì)，增加速率為8.9%/10 a； 礦區(qū)大部分地區(qū)地表植被覆蓋得到改善，其中明顯改善面積占比為50.43%，分布趨向?yàn)榈V區(qū)東南方向； 而退化面積僅為4.90%，分布在烏蘭木倫河、窟野河兩側(cè)以及西部和北部溝壑區(qū)； 65.03%的礦區(qū)區(qū)域Hurst指數(shù)值在0.35～0.45之間，具有較弱的反持續(xù)性； 礦區(qū)中部Hurst指數(shù)較高，而西部Hurst指數(shù)偏低； 結(jié)合FVC來看，礦區(qū)地表植被未來僅有較弱的退化趨勢(shì)。綜合遙感分析結(jié)果，神東礦區(qū)植被改善的主要原因在于神東礦區(qū)對(duì)環(huán)保的重視和投入的增加，以及科學(xué)和高效的生態(tài)環(huán)境綜合防治技術(shù)體系的建立與實(shí)施。

神東礦區(qū)； 地表植被； 植被覆蓋度(FVC)； 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)； 趨勢(shì)分析

0 引言

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是大氣圈、生物圈和水圈等地球圈層相互連接的樞紐，在調(diào)節(jié)大氣組成、防止水土流失、保持氣候系統(tǒng)穩(wěn)定和維持溫室氣體在大氣中的合理濃度等方面發(fā)揮著重要作用[1]。神府-東勝礦區(qū)(簡(jiǎn)稱神東礦區(qū))位于我國(guó)西北部，是我國(guó)規(guī)劃建設(shè)的13個(gè)大型煤炭基地之一，煤炭年產(chǎn)量位居全國(guó)首位，在全球化石能源儲(chǔ)量日趨減少的情況下，我國(guó)西北地區(qū)煤炭資源的大力開發(fā)，對(duì)國(guó)家未來經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和穩(wěn)定具有十分重要的戰(zhàn)略意義[2-4]。然而，西北地區(qū)地處內(nèi)陸，屬干旱、半干旱荒漠區(qū)，水資源匱乏，降雨稀少且季節(jié)分配不均，植被稀疏，地表溝壑縱橫發(fā)育，荒漠化趨勢(shì)加劇，生態(tài)環(huán)境極為脆弱[5-6]。近年來，煤炭大規(guī)模地下開采和礦山露天開采，導(dǎo)致礦區(qū)地表河流的徑流量減少、地下水位下降、植被因缺水而枯萎死亡等生態(tài)問題，使本來就十分脆弱的礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)一步惡化，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境已成為各級(jí)政府部門和相關(guān)專家學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)。一個(gè)地區(qū)生態(tài)環(huán)境的演變與變遷可通過植被覆蓋變化來反映，因此植被變化監(jiān)測(cè)是揭示干旱、半干旱荒漠礦區(qū)自然環(huán)境演變的重要手段之一[7-8]。本文利用2000―2015年獲取的250 m分辨率MODIS歸一化差值植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI)數(shù)據(jù)，研究神東礦區(qū)地表植被的時(shí)空演變規(guī)律并對(duì)其未來發(fā)展趨勢(shì)做出預(yù)測(cè)。

1 研究區(qū)概況

神東煤田位于陜西省榆林市北部與內(nèi)蒙古鄂爾多斯市南部交界處，煤田總面積3.1萬(wàn)km2，探明煤炭?jī)?chǔ)量2 236億t。其中神東礦區(qū)面積3 481 km2，煤炭地質(zhì)儲(chǔ)量354億t。神東礦區(qū)擁有特大型現(xiàn)代化煤礦19座，其中1 000萬(wàn)t以上的特大型煤礦12座，現(xiàn)年煤炭總產(chǎn)能2億t左右[9]。神東礦區(qū)北接毛烏素沙地，南臨黃土高原，屬典型的干旱、半干旱荒漠高原氣候，年平均降雨量?jī)H360 mm左右，年蒸發(fā)量卻高達(dá)2 300 mm； 原生植被種類單一，平均植被覆蓋率僅為3%～11%； 風(fēng)蝕區(qū)面積占總面積的70%，是全國(guó)水土流失的重點(diǎn)治理區(qū)(圖1)。

圖1 神東礦區(qū)地理位置

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 植被動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

本文所采用的遙感數(shù)據(jù)為2000―2015年16 a期間獲取的250 m分辨率的MOD13Q1(MODIS/Terra Vegetation Indices 16-Day L3 Global 250m SIN Grid V005)植被指數(shù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)集。表征植被信息的遙感指示因子采用NDVI和植被覆蓋度(fractional vegetation coverage,FVC)。其中NDVI計(jì)算公式為

NDVI=(ρnir-ρred)/(ρnir+ρred)，

(1)

式中：ρnir和ρred分別為地物在近紅外波段和紅光波段的反射率。

利用像元二分法計(jì)算FVC，即

FVC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil) ，

(2)

式中：NDVIsoil為NDVI累積頻率置信度為1%時(shí)對(duì)應(yīng)的土壤NDVI值；NDVIveg為NDVI累積頻率置信度為99%時(shí)對(duì)應(yīng)的植被NDVI值。

根據(jù)水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將FVC劃分為6個(gè)等級(jí)：FVC=0為無(wú)植被覆蓋，0

2.2 植被變化趨勢(shì)分析

植被在16 a期間的變化趨勢(shì)采用一元線性回歸法進(jìn)行分析。Stow等[10]用此方法計(jì)算綠色植被的綠度變化率(greenness rate of change,GRC)，而將某段時(shí)間內(nèi)的季節(jié)合成歸一化植被指數(shù)(seasonally integrated normalized difference vegetation index,SINDVI)年際變化的最小次方線性回歸方程的斜率Slope定義為GRC，其計(jì)算公式為：

(3)

式中：i為年序號(hào)，i=1,2,…,16；MNDVI,i為第i年的最大NDVI值。

對(duì)植被未來變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)采用重標(biāo)極差分析法。該方法最早由Hurst[11]提出，通過分析時(shí)間序列樣本的長(zhǎng)程依賴性和自相關(guān)性得到赫斯特(Hurst)指數(shù)(即“有偏的隨機(jī)游走”)，用以描述時(shí)間序列未來變化趨勢(shì)。根據(jù)Hurst指數(shù)(H值)的不同，可分為：

1)H=0.5，說明植被指數(shù)時(shí)間序列是隨機(jī)變化的，相互之間不存在依賴關(guān)系，是完全獨(dú)立的。

2)0.5

3)0

3 結(jié)果與分析

3.1 植被時(shí)空動(dòng)態(tài)變化分析

3.1.1 植被年際變化趨勢(shì)

從植被的年際變化(圖2(a))可以看出，研究區(qū)2000年與2001年的植被狀況相似。從2002年后，神東礦區(qū)年均NDVI變化情況大致可分為5個(gè)階段： ①2001—2002年，年均NDVI有一個(gè)明顯的提高(約提高了25.78%)； ②2003年后，年均NDVI呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)； ③2009年后，年均NDVI呈下降趨勢(shì)； ④2011―2013年，年均NDVI呈快速增加趨勢(shì)(提高了22.19%)； ⑤從2013年開始，NDVI呈下降趨勢(shì)。從圖2(b)可以看出，2001―2002年、2003―2005年、2006―2009年及2011―2013年的NDVI差值為正值； 2000―2001年、2002―2003年、2005―2006年、2009―2011年和2013―2015年的NDVI差值為負(fù)值。從整體上看，年均NDVI的增長(zhǎng)幅度要大于其退化幅度，F(xiàn)VC在逐步提高，地表植被有改善的趨勢(shì)。

(a) NDVI年際變化 (b) NDVI年際差異分析

3.1.2 植被空間分布特征

2000―2015年間，神東礦區(qū)FVC等級(jí)在空間上的分布狀況發(fā)生了明顯改變： 低和中低覆蓋度等級(jí)的植被在礦區(qū)的西北和北部大面積減小，中等覆蓋度植被在礦區(qū)西部出現(xiàn)增加趨勢(shì)，中高和高等覆蓋度植被在礦區(qū)東南部增加顯著(圖3)。

(a) 2000年 (b) 2005年

(c) 2010年 (d) 2015年

圖3 研究區(qū)2000,2005,2010和 2015年植被覆蓋度等級(jí)

從圖3可以看出，礦區(qū)西北向東南FVC呈逐漸增加的趨勢(shì)。FVC為低等和中低等級(jí)的區(qū)域主要分布于西北臨近毛烏素沙地和礦區(qū)北部的溝壑區(qū)，以及烏蘭木倫河、窟野河的兩側(cè)，在礦區(qū)東部、西部和中部地區(qū)也有零星分布； 礦區(qū)的中西部地區(qū)為中等FVC區(qū)； 礦區(qū)東南部和紅堿淖的周邊為中高和高等FVC區(qū)。

3.1.3 植被年際變化空間格局

利用式(3)計(jì)算得到神東礦區(qū)2000―2015年植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)空間分布圖(圖4)。

圖4 2000―2015年神東礦區(qū)植被覆蓋度變化趨勢(shì)空間分布

按照一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)[12]，按Slope值的變化將植被變化類型分為嚴(yán)重退化、中度退化、輕微退化、基本不變、輕微改善、中度改善和明顯改善7個(gè)等級(jí)，并分別計(jì)算出各等級(jí)面積占全區(qū)總面積的比例(表1)。

表1 16 a來神東礦區(qū)NDVI變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

礦區(qū)大部分地區(qū)的植被在16 a中得到了較好的改善，改善區(qū)域主要集中在礦區(qū)中部、北部、東部及南部大部分地區(qū)，植被退化主要集中在烏蘭木倫河、窟野河兩側(cè)及礦區(qū)西部和西北部的溝壑區(qū)。NDVI改善面積達(dá)到92.25%(其中明顯改善面積為50.43%)，而退化面積僅為4.90%，地表植被覆蓋狀況得到了顯著改善。

3.1.4 植被時(shí)空變化原因

神東礦區(qū)地處生態(tài)環(huán)境極為脆弱的西北地區(qū)，在大規(guī)模和高強(qiáng)度煤炭開采的情況下，礦區(qū)植被覆蓋不僅沒有遭到很大的破壞，而且得到了進(jìn)一步的保護(hù)和改善。相關(guān)學(xué)者的研究也證明了這一點(diǎn)，例如吳立新等[7]以SPOT4/5 NDVI為數(shù)據(jù)源，分析了神東礦區(qū)1999―2008年間植被覆蓋和土地沙化的動(dòng)態(tài)變化，結(jié)果表明礦區(qū)82.13%面積的地表植被覆蓋得到明顯改善； 付新雷[13]利用Landsat TM/ETM+和HJ-1 CCD數(shù)據(jù)反演了神東礦區(qū)FVC，結(jié)果表明神東中心礦區(qū)64.01%面積的FVC得到改善。結(jié)合相關(guān)資料綜合分析，筆者認(rèn)為神東礦區(qū)地表植被改善的主要原因主要有： ①神東煤炭公司自1990年開始向國(guó)家財(cái)政部申請(qǐng)?jiān)诿繃嵜撼杀局刑崛?.45元作為環(huán)境治理專項(xiàng)資金，另有專項(xiàng)配套的水土流失補(bǔ)償金，30 a來累計(jì)投入環(huán)保綠化資金26.3億元，累計(jì)生態(tài)治理面積達(dá)240 km2，充足的資金保障使得神東礦區(qū)FVC由開發(fā)初期的3%～11%提高到60%以上； ②土地復(fù)墾和微生物復(fù)墾在礦區(qū)土地資源保護(hù)中發(fā)揮了重要作用。神東煤炭公司通過采用最大化減少地表沉陷的長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化、充填開采等綠色開采工藝，盡可能地減少了煤炭地下開采對(duì)土壤的破壞，加之采煤后土地復(fù)墾和微生物復(fù)墾技術(shù)的推廣和應(yīng)用，使礦區(qū)土壤得到改良，植被重建速度加快[14-18]。

3.2 植被未來發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

利用MATLAB語(yǔ)言編程進(jìn)行Hurst指數(shù)的逐像元空間計(jì)算，得到神東礦區(qū)2000―2015年MODIS NDVI變化的Hurst指數(shù)空間分布(圖5)和各等級(jí)面積占全區(qū)總面積的百分比(表2)。

圖5 神東礦區(qū)2000―2015年植被Hurst指數(shù)空間分布圖

表2 神東礦區(qū)2000―2015年植被Hurst指數(shù)面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從總體來看，神東礦區(qū)的Hurst指數(shù)偏低，平均值為0.411 7； 礦區(qū)北部、西南部和東北部的部分區(qū)域的Hurst指數(shù)均在0～0.35之間。結(jié)合2000―2015年神東礦區(qū)FVC空間分布來看，這些區(qū)域的植被是呈增加趨勢(shì)的，因此具有較強(qiáng)的反持續(xù)性，預(yù)示這些區(qū)域未來植被狀況有退化的趨勢(shì)； 紅堿淖周邊區(qū)域的植被狀況在2000―2015年的變化趨勢(shì)是退化的，但Hurst指數(shù)較低，表明該區(qū)域未來植被覆蓋有改善的趨勢(shì)； 占礦區(qū)65.03%的區(qū)域的Hurst值在0.35～0.45之間，從圖2和表1可以看出，盡管礦區(qū)50.43%的面積植被狀況在2000—2015年呈明顯改善的變化趨勢(shì)，但由于這些區(qū)域的Hurst指數(shù)具有較弱的反持續(xù)性，因而未來這些區(qū)域的植被變化會(huì)有較弱的退化趨勢(shì)。

4 結(jié)論

1)神東礦區(qū)2000―2015年16 a來年均NDVI總體呈上升趨勢(shì)，增加速率為8.9%/10 a，表明礦區(qū)的NDVI呈增加趨勢(shì)，植被覆蓋在16 a期間呈較快速度的增加。低和較低覆蓋度的植被面積減少最多(減幅分別達(dá)63.96%和50.13%)； 較高植被覆蓋度等級(jí)的面積增加最多(增幅達(dá)395.93%)； 中等和高覆蓋度植被面積也分別增加了101.12%和245.32%，說明植被覆蓋度由低和較低等級(jí)向高等級(jí)轉(zhuǎn)移。

2)神東礦區(qū)2000―2015年植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)的空間格局顯示，礦區(qū)的大部分地區(qū)植被16 a中得到了較好的改善，改善面積為92.25%，其中明顯改善面積達(dá)50.43%； 退化面積僅為4.90%。但由于礦區(qū)65.03%區(qū)域的Hurst值在0.35～0.45之間，具有較弱的反持續(xù)性，盡管礦區(qū)的大部分區(qū)域植被狀況在2000―2015年間有改善的趨勢(shì)，未來這些區(qū)域的植被仍會(huì)有較弱的退化趨勢(shì)。

礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和重建是解決大規(guī)模地下開采造成生態(tài)環(huán)境破壞的關(guān)鍵。生態(tài)環(huán)境的影響因素眾多，目前利用遙感技術(shù)研究較為成熟的影響因素包括地表植被、土壤濕度、植被凈初級(jí)生產(chǎn)力等[19-20]，但當(dāng)前的研究多局限在對(duì)單因素的研究上，在未來的研究中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)多種生態(tài)環(huán)境因素協(xié)同作用的研究。

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(責(zé)任編輯： 劉心季)

Dynamic monitoring and trend analysis of vegetation change in Shendong mining area based on MODIS

LIU Ying， HOU Enke， YUE Hui

(CollegeofGeomatics，Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi’an710054，China)

Using 250 m resolution MODIS NDVI data acquired from 2000 to 2015, the authors examined spatial-temporal features of NDVI in the Shendong mining area based on the methods of dimidiate pixel model, unary linear regression and rescaled range analysis(R/S analysis). The spatial pattern changes of vegetation cover was extracted and analyzed，and the development trend of vegetation in future was predicted. The results show that, during the past 16 years, the vegetation cover of the Shendong mining area has been rising with increasing rate of 8.9% / 10 a. Vegetation cover has been improved in most of the study area, in which the obviously improved area accounts for 50.43%, and the distribution tends to migrate towards the southeast of the mining area, while the deterioration area only accounts for 4.90% and is distributed on both sides of the Wulanmulun and Kuye Rivers and in the north and west gully regions. The Hurst indexes are between 0.35 and 0.45 in most of the mining area, accounting for 65.03% of the total area，and have a weak anti-sustainability. In the middle of the mining area the Hurst index is higher, whereas the Hurst index is lower in the west of the mining area. Combined with vegetation cover improved in the past 16 years, the vegetation cover in the mining area will have a weaker trend of degradation in future. Based on the analytical results of remote sensing data, the primary reason of the vegetation improvement lies in the fact that the Shendong mining area has paid attention to the environmental protection, and a scientific and high efficient comprehensive prevention and control technical system for ecological environment has been established and implemented.

Shendong mining area； surface vegetation； fractional vegetation coverage(FVC)； dynamic monitoring； trend analysis

10.6046/gtzyyg.2017.02.19

劉英,侯恩科,岳輝.基于MODIS的神東礦區(qū)植被動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與趨勢(shì)分析[J].國(guó)土資源遙感,2017,29(2)：132-137.(Liu Y,Hou E K,Yue H.Dynamic monitoring and trend analysis of vegetation change in Shendong mining area based on MODIS[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(2)：132-137.)

2015-12-07；

2016-01-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“荒漠化礦區(qū)土壤濕度多分辨率時(shí)空演變機(jī)理研究”(編號(hào)： 41401496)、中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目“ 荒漠化礦區(qū)湖泊水量平衡遙感估算”(編號(hào)： 2016M592815)和陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程項(xiàng)目“淺埋厚煤層群開采地表治理技術(shù)研究”(編號(hào)： 2011KTZB01-02-04)共同資助。

劉英(1982-),女,博士,講師,主要從事環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)研究。Email： liuying712100@163.com。

岳輝(1983-),男,博士,講師,主要從事礦區(qū)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)研究。Email： 13720559861@163.com。

TP 79

A

1001-070X(2017)02-0132-06