田鵬舉，徐丹丹，丁立國,陳 娟

(1.貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002；2.貴州省氣象學會，貴州 貴陽 550002)

基于MODIS-NDVI貴州省2005—2014年植被時空變化特征分析

田鵬舉1，徐丹丹2，丁立國1,陳 娟1

(1.貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002；2.貴州省氣象學會，貴州 貴陽 550002)

該文利用貴州省2005—2014年MODIS-NDVI數(shù)據(jù)，運用最大合成法、加權(quán)平均法、線性趨勢法等方法和GIS中的Spatial Analyst Tools等技術(shù)方法，生成貴州省月、季、年NDVI時間序列數(shù)據(jù)，對貴州省植被的時空變化特征進行了研究分析。研究結(jié)果表明：①貴州省NDVI月變化呈單峰型結(jié)構(gòu)，2月最低，8月最高；②植被年內(nèi)變化有很強的季節(jié)性，夏季的NDVI季均值最高，春季次之，冬季最低。春季植被不僅上升幅度最大，而且上升速率最高；③2005—2014年貴州省植被NDVI整體呈正增長趨勢，其線性增加率為0.006 3/a,植被增加的區(qū)域面積為72 019 km2，占全省面積的40.89%，減少的區(qū)域為6 806 km2，占全省面積的3.86%。

MODIS；植被；遙感；NDVI

1 引言

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是連接土壤、大氣和水分的紐帶，是生態(tài)平衡的支柱，它具有調(diào)節(jié)氣候、防風、防沙、降低風速、消除污染、凈化環(huán)境、保護物種、防止洪水泛濫等重大作用。植被指數(shù) VI(Vegetation Index)是對地表植被活動的簡單、有效的度量[1]，它是反映植被在可見光、近紅外波段反射與土壤背景之間差異的指標，將兩個(或多個)光譜觀測通道組合可得到不同植被指數(shù)，各個植被指數(shù)在一定條件下能用來定量說明植被的生長狀況，并在一定程度上可以反映植被演化信息。歸一化植被指數(shù)NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)是多種植被指數(shù)中應用最廣泛的，被公認為是研究全球變化非常理想的植被指數(shù)，NDVI定義為近紅外波段反射率和紅外波段反射率之差與兩者之和的比值，其變化趨勢在一定程度上代表著地表植被覆蓋變化、生物量及生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)的變化，為多年植被覆蓋變化監(jiān)測提供數(shù)據(jù)保證，成為全球諸多植被變化研究的首選數(shù)據(jù)源并得到廣泛應用[2]。MODIS遙感數(shù)據(jù)區(qū)域宏觀性好、時空分辨率高等特點，為大范圍實時監(jiān)測植被變化提供了很好的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。國內(nèi)外在利用NDVI研究植被覆蓋變化方面做了很多研究，取得了很多成果：從國外研究成果可以看出[3-8]，近幾十年來，北半球大部分地區(qū)植被覆蓋度都明顯增大，且植被提前回綠、生長季延長的現(xiàn)象也很明顯；相對于國外學者，國內(nèi)學者的研究主要集中小區(qū)域的變化研究[9-20]，鄭有飛等[21]研究了1982—2003年近22 a來貴州植被覆蓋變化及其與主要氣候因子的關系,結(jié)果表明貴州這22 a來植被覆蓋線性傾向率呈升高趨勢,溫度和降水也有不同程度的升高;李威[22]分析了2001—2010年貴州植被覆蓋變化，研究表明貴州植被覆蓋總體上以改善為主。貴州省委、省政府提出牢牢守住發(fā)展與生態(tài)“兩條底線”，近幾年貴州生態(tài)環(huán)境變化如何值得繼續(xù)深入研究，本文將采用2005—2014年的逐日MODIS-NDVI，運用GIS和RS技術(shù)方法，分析研究這10 a年貴州省植被的時空變化特征。

2 研究區(qū)域及分區(qū)概況

2.1 研究區(qū)域概況

貴州省位于中國西南的東南部，介于103°36′～109°35′E，24°37′～29°13′N之間，東毗湖南省、南鄰廣西自治區(qū)、西連云南省、北接四川省和重慶市。全省東西長約595 km，南北相距約509 km，總面積為176 167 km2，占全國國土面積的1.8%。屬亞熱帶季風氣候，東半部在全年濕潤的東南季風區(qū)內(nèi)，西半部處于無明顯的干濕季之分的東南季風向干濕明顯的西南季風區(qū)的過渡地帶。氣候復雜而多樣，雖然大部分地區(qū)氣候溫和濕潤，但在山地、河谷的氣候垂直變化卻特別明顯。地勢西高東低，自中部向北、東、南三面傾斜，平均海拔1 100 m左右。地貌以山地和丘陵為主，占全省面積92.5%。降水豐富，河網(wǎng)密度較大。河流多發(fā)源于西部和中部山地，順勢向北、東、南三面分流。以苗嶺為分水嶺，苗嶺以北為長江流域；苗嶺以南為珠江流域。

2.2 分區(qū)概況

按照貴州省的DEM的分布特征，結(jié)合地貌特點，將研究區(qū)域分為東部山地丘陵區(qū)、中部丘原山原山地區(qū)以及西部高原山地區(qū)等3個片區(qū)[23](圖1):

圖1 研究區(qū)域分區(qū)圖Fig.1 The study area zoning map

①貴州東部山地、丘陵區(qū)位于梵凈山、佛頂山、凱里、三都以東，與廣西、湖南兩省(區(qū))交界。地跨銅仁市、黔東南自治州和黔南自治州。

②中部丘原、山原、山地區(qū)位于貴州中部，丘原泛指高原丘陵地貌為主的地區(qū),山原指山脈和高原的分布交錯在一起的地區(qū)。此區(qū)域約分布在黔西、織金、六枝、普安、盤州市以東，梵凈山、凱里、三都以西，地跨4個市、3個自治州、2個省轄市，縱貫貴州南北的廣大地區(qū)，面積為116 219.36 km2，占全省土地面積的66%，是貴州高原的主體部分。

③西部高原山地區(qū)位于貴州西部，約黔西—織金—普安一線以西。西、北分別與云南、四川為鄰，面積27 244.21 km2。占全省土地面積的15.5%。在行政分區(qū)上屬畢節(jié)市和六盤水市。

3 數(shù)據(jù)來源及處理

3.1 數(shù)據(jù)來源

來源一：貴州省氣候中心遙感接收系統(tǒng)接收的EOS/MODIS資料；來源二：部分資料來源于國家衛(wèi)星氣象中心風云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)網(wǎng)的EOS/MODIS。

3.2 數(shù)據(jù)處理

首先計算生成2005—2014年每日的NDVI數(shù)據(jù)，再運用最大值合成法(MVC，Maximum Value Composite)生成每旬的NDVI時間序列數(shù)據(jù)，再采用加權(quán)平均法生成月、季、年NDVI時間序列數(shù)據(jù)集。運用線性趨勢法對近10 a的植被指數(shù)變化進行處理分析。

線性趨勢法：對于年NDVI時間序列數(shù)據(jù)，每個像元都相應有10 a的NDVI時間序列數(shù)值,這些NDVI數(shù)值的線性趨勢系數(shù)揭示了該像元(區(qū)域)植被覆蓋在10 a的時空序列中的演變趨勢。如果斜率>0則說明該像元(區(qū)域)植被狀況趨于正向趨勢發(fā)展,即植被覆蓋近10 a為增加的趨勢； 反之斜率<0則說明該像元(區(qū)域)植被覆蓋狀況趨于退化。

第二，不是所有的學生都能成為大師并進入藝術(shù)史。而且能否進入藝術(shù)史之類的問題，也絕非靠繪畫而詩意棲居的很多學生輩畫家的遠大理想。面對修煉成佛這樣的主題，他們或許只想成為修行意義上的香客而非佛本身。如同我們不能要求所有的香客都成佛一樣，我們也不能奢望所有的學生都進入藝術(shù)史。當絕大多數(shù)學生都因為主客觀原因而不能進入藝術(shù)史時，我們應該給予他們充分的尊敬，同時主動調(diào)低自己的學術(shù)評論指數(shù)，矚目并祝福他們以藝術(shù)的名義而享有的和諧生活。

公式(1)中:slop為每個像元對應的線性擬合斜率,xi為第i年的年NDVI的平均值,ti為年份(研究年份為2005—2014年),n為總年數(shù),本次研究為10。

4 結(jié)果分析

4.1 貴州省植被空間分布特征

對2005—2014年的10a植被資料進行平均計算，得到貴州省植被空間分布數(shù)據(jù)(圖2)，貴州省NDVI年平均值為0.46，其中小于等于0.40的地區(qū)面積為11 118km2，占全省國土面積的6.3%，主要分布在畢節(jié)市威寧縣、黔西縣中西部、大方縣南部、金沙縣中部偏東地區(qū)；六盤水市鐘山區(qū)；遵義仁懷市北部、遵義縣中部、習水縣西南部；銅仁市的沿河縣、德江縣、思南縣、松桃縣北部、碧江區(qū)中部以北一線、玉屏縣；黔東南州凱里市中部；貴陽市、清鎮(zhèn)市南部；安順市平壩縣東北部、西秀區(qū)西北部、鎮(zhèn)寧縣北部部分地區(qū)、關嶺縣西部；黔西南州的晴隆縣東北部、興仁縣北部、貞豐縣北部等地。植被指數(shù)大于等于0.51的地區(qū)有22 411km2，占全省國土面積的12.7%，主要分布在黔東南州的黎平縣、從江縣、榕江縣、劍河縣、雷山縣、丹寨縣、臺江縣，黔南州的三都縣、荔波縣、龍里縣北部、貴定縣南部、羅甸縣；黔西南州的望謨縣、冊亨縣、興義市；梵凈山保護區(qū)。植被指數(shù)在0.41～0.50的地區(qū)面積有142 638km2，占全省國土面積的81.0%。

圖2 貴州省植被NDVI分布圖Fig.2 The distribution diagram of NDVI in GuiZho

從空間分區(qū)上看，全省的植被覆蓋總體分布不均勻，呈現(xiàn)東部大于西部，南部好于北部的分布特點。東部的年均植被指數(shù)值為0.48，是3個分區(qū)中最高的區(qū)域，中部地區(qū)的年均植被指數(shù)值為0.46，西部高原山地區(qū)的年均植被指數(shù)值(0.45)最低。NDVI植被分布的不均勻與全省的森林分布不均勻相關性很大，其中黔東南州的森林覆蓋率(2014年為64.01%)在9個市州中最高，其NDVI平均值為0.484，在9個市州最高，NDVI>0.50的區(qū)域主要分布在黔東南自治州；貴陽市的森林覆蓋率(45.00%)最低，其NDVI平均值為0.441，亦為9個市州最低。

4.2 貴州省年內(nèi)植被月變化特征

對各月的NDVI數(shù)據(jù)求平均，得到各月的平均NDVI值，其變化趨勢如圖3，總體變化呈單峰形態(tài)，從2—8月份，貴州植被生長越來越茂盛，NDVI數(shù)值逐步上升，到8月達到最頂峰；從8月份—次年2月份，NDVI值逐步降低，在2月達到最低。月NDVI最高值出現(xiàn)在8月份，為0.60，NDVI最低值出現(xiàn)在2月份，為0.30。

圖3 貴州省NDVI月均值變化圖Fig.3 The monthly variation of NDVI in GuiZhou

將2005—2014年10a的四季NDVI時間序列數(shù)據(jù)進行平均，得到貴州省春、夏、秋、冬NDVI變化圖(圖 4)，從季節(jié)變化來看，貴州省植被季節(jié)變化明顯，冬季的植被處于最低時期，春季開始明顯上升，夏季植被覆蓋達到最頂峰，秋季開始慢慢回落。

圖4 貴州省四季NDVI變化圖Fig.4 The seasonal variation of NDVI in GuiZhou

4.4 貴州省年際年NDVI變化特征

在各年12個月月均NDVI值的基礎上，計算各年全省的NDVI平均值，由此得到2005—2014年10a間NDVI年際變化圖(圖5)。其中年均NDVI值最低的是2005年的0.41，2009年和2013年的年均NDVI值0.49為最高。由線性回歸方程的斜率可知，貴州省的植被覆蓋呈震蕩上升趨勢，NDVI值每年上升的幅度為0.006 3。

圖5 2005—2014年貴州省年均NDVI值變化圖Fig.5 The annual variation of NDVI during 2005—2014 in GuiZhou

圖6 基于線性趨勢法的貴州2005—2014年植被變化Fig.6 The change of vegetation during 2005—2014 in GuiZhou base on linear trend method

對于NDVI影像圖的每個像元, 都相應有10年的NDVI時間序列數(shù)值,根據(jù)公式(1)計算出每個像元的NDVI數(shù)值的線性趨勢系數(shù)slop，根據(jù)專家打分法,將變化趨勢分為明顯增加、稍有增加、基本不變、輕微減少、嚴重退化這5個等級，得到揭示了貴州植被覆蓋近10年的變化趨勢圖(圖6)。由圖6可知2005年至2014年貴州省大部分地區(qū)的植被覆蓋是增加的趨勢，但部分地區(qū)有所退化。

由表1可知:嚴重退化的區(qū)域面積僅為2km2，基本可以忽略不計。植被覆蓋輕微減少的區(qū)域面積為6 804km2，占全省國土面積的3.86%，分布較為零散，主要分布在銅仁市碧江區(qū)城區(qū)、江口縣城區(qū)、印江縣中部、沿河縣烏江邊；黔東南的凱里城區(qū)、黃平縣中部；黔西南州的興義市城區(qū)周圍、安龍縣中部、普安縣東部部分地區(qū)；盤州市西部、水城縣西部；畢節(jié)的赫章北部部分地區(qū)、畢節(jié)市城區(qū)、金沙縣北部地區(qū)；遵義市遵義縣南部、仁懷市西部大部地區(qū)、習水縣西南部邊緣；貴陽市大部等地。

植被覆蓋基本不變的區(qū)域面積為97 342km2，占全省國土面積的55.26%，基本不變的區(qū)域分布在銅仁市的松桃、江口、思南、印江、石阡、碧江區(qū)、萬山區(qū)；黔東南州大部地區(qū)；黔南州的甕安、獨山西南部、貴定西南部、龍里、平塘、惠水大部、長順南部、羅甸；黔西南州的望謨、冊亨、安龍大部、興義大部、興仁、普安；六盤水市的水城、盤州市大部、六枝特區(qū)大部；畢節(jié)的赫章、大方、畢節(jié)市、金沙大部、納雍南部；遵義的道真、余慶、鳳崗北部、桐梓南部、習水大部、赤水市大部；安順市的紫云、西秀區(qū)、普定南部；貴陽市開陽東北部。

植被覆蓋稍有增加的區(qū)域面積為72 010km2，占全省國土面積的40.88%，植被覆蓋稍有增加的區(qū)域主要部分在銅仁市的松桃東北部邊緣、碧江區(qū)西南部、沿河大部、德江中部以北地區(qū)、石阡西北部；黔東南州的凱里市、鎮(zhèn)遠南部、施秉東南角、榕江西南角、黎平中部、雷山西北部、丹寨西北部、從江西南部；黔南州的三都、獨山東北部、都勻市、福泉、貴定北部、長順北部；畢節(jié)的威寧、大方中部、金沙東南角、納雍西北部、織金大部、黔西大部；遵義的道真、務川、正安大部、綏陽大部、鳳崗南部、桐梓北部、遵義中部、赤水市大部；安順市的平壩、普定東北角；貴陽市的息烽大部、開陽西部。

植被覆蓋明顯增加的區(qū)域面積為9km2，占全省國土面積的0.01%?？傮w上貴州省2005—2014年植被覆蓋以基本不變和稍有增加為主，總體變化趨勢處于上升過程中。

由表2可知東部山地丘陵區(qū)NDVI變化沒有明顯增加和嚴重退化的區(qū)域。輕微減少的區(qū)域面積有673km2，占分區(qū)面積的2.2%;基本不變的區(qū)域面積有21 073km2，占分區(qū)面積的67.9%;稍有增加的區(qū)域面積有9 268km2，占分區(qū)面積的29.9%。

中部丘原山原山地區(qū)NDVI變化明顯增加的區(qū)域面積有9km2，嚴重退化的區(qū)域面積為1km2，可以忽略不計；輕微減少的區(qū)域面積有4272km2，占分區(qū)面積的3.7%;基本不變的區(qū)域面積有58 996km2，占分區(qū)面積的51.4%;稍有增加的區(qū)域面積有52 362km2，占分區(qū)面積的45.0%。

西部高原山地區(qū)NDVI變化沒有明顯增加和嚴重退化的區(qū)域;NDVI輕微減少的區(qū)域面積有1 856km2，占分區(qū)面積的6.5%;基本不變的區(qū)域面積有16 338km2，占分區(qū)面積的57.3%;稍有增加的區(qū)域面積有10 345km2，占分區(qū)面積的36.3%。

貴州省東部山地丘陵區(qū)的植被基礎最好，2005—2014年大部地區(qū)植被覆蓋較為穩(wěn)定，三分之一的區(qū)域植被覆蓋有所增加；中部丘原山原山地區(qū)植被覆蓋有一半的區(qū)域基本不變，45%的地區(qū)NDVI值增加，是3個分區(qū)中增加比例和增加絕對面積最多的；西部高原山地區(qū)的植被增加比例處于中游水平。貴州省各個區(qū)域的植被這10a總體處于上升的趨勢中，全省生態(tài)文明建設取得很好的成果，生態(tài)環(huán)境得到進一步的提升。

5 小結(jié)

①貴州省NDVI月變化呈單峰型結(jié)構(gòu)，2月處于低谷，從2—8月NDVI逐月穩(wěn)步上升達到最高峰，9月—次年2月NDVI逐月下降至低谷。北部地區(qū)的植被各月波動幅度較大，南部地區(qū)植被變化幅度相對較小，黔東南州大部地區(qū)、黔南州南部地區(qū)，黔西南州的望謨縣、冊亨縣以及銅仁市梵凈山保護區(qū)等地的植被覆蓋度全年都保持在相對較高的水平。

植被年內(nèi)變化也有很強的季節(jié)性，全省夏季的NDVI季均值最高，春季次之，冬季最低。春季的植被不僅上升幅度最大，而且也是上升速率最高的季節(jié)。

②2005—2014年貴州省植被覆蓋呈正增長趨勢，其線性增加率為0.006 3/a,植被增加的區(qū)域面積為72 019km2，占全省面積的40.89%，減少的區(qū)域為6 806km2，占全省面積的3.86%,同時局部區(qū)域有減少趨勢。這反映出近10a來貴州大部分地區(qū)植被活動在增強的同時，少部分區(qū)域出現(xiàn)植被退化或者惡化的現(xiàn)象。

③貴州省各個區(qū)域的植被近10a總體處于上升的趨勢中，但存在明顯的區(qū)域差異：東部山地丘陵區(qū)的植被基礎最好，近10a大部地區(qū)植被覆蓋較為穩(wěn)定，只有29.9%的區(qū)域植被有所增加，67.9%的區(qū)域保持不變；中部丘原山原山地區(qū)增加的面積比例占分區(qū)的45%，51.4%的區(qū)域保持不變；西部高原山地區(qū)的植被增加區(qū)域比例為36.3%，57.3%的區(qū)域保持不變。

④2005—2014年貴州植被覆蓋的總體上升首先得益于政府提倡的保護生態(tài)、退耕還林的政策；其次農(nóng)村建房減少了對木材的使用、部分農(nóng)村電成為主要的生活能源、農(nóng)村青壯年外出打工等都減少了人類活動對植被的影響。植被退化的區(qū)域主要分布在近幾年城鎮(zhèn)化發(fā)展較快的區(qū)域，但總體比例很低。

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Analysis of spatial-temporal variation characteristic of vegetation in Guizhou during 2005—2014 period based on MODIS-NDVI

TIAN Pengju1, XU Dandan2, DING Liguo1, CHEN Juan1

(1.The Climate Center of Guizhou Province, Guiyang 550002,Guizhou; 2.Guizhou Provincial Meteorological Society, Guiyang 550002,Guizhou)

Making use of MODIS /NDVI data during the period of 2005-2014, the methods of Maximum Value Composite, weighted average method, linear trend method and GIStechniques, such as Spatial Analyst Tools were used to generate the monthly, quarterly and annual NDVI time series data of Guizhou. The spatial-temporal variation characteristics of Guizhou vegetation were analyzed. The following conclusions were obtained: 1. The monthly variations of Guizhou vegetation appeared as single peak, the lowest value of which appeared in February and highest value appeared in August. 2. The annual vegetation change with the season obviously, the highest season average NDVI is in Summer, Spring’s NDVI is the second, Winter’s NDVI is the lowest. The highest ascensional range and rate of NDVI variation all appear in Spring. 3.From 2005 to 2014, Guizhou’s vegetation changes characterized as positive growth trend, the linear slope is 0.0063/a, but few areas appear the reduce trend .The area of NDVI increased region are 72019km2, is the 40.89% of the provincialland area, the decreased region are 6806 km2, is the 3.86% of the Guizhou。

MODIS; vegetation; remote sensor; NDVI

1003-6598(2017)02-0014-06

2017-02-10

田鵬舉(1980—)，男，工程師，主要從事遙感應用處理工作，E-mail:729106280@qq.com。

貴州省氣象局青年基金黔氣科合QN[2015]07號。

P407

A