鄭維龍，劉 珺

(太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024)

植被是連結(jié)土壤、大氣和水分等自然要素的紐帶，能夠在很大程度上代表一個(gè)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境總體狀況，并在全球變化研究中起著“指示器”的作用[1-2]。構(gòu)建長時(shí)序的植被覆蓋監(jiān)測(cè)，對(duì)于了解一個(gè)區(qū)域的植被生長和生態(tài)環(huán)境變化，具有重要的意義。遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)因其監(jiān)測(cè)范圍廣、受約束條件小等特點(diǎn)，在植被變化監(jiān)測(cè)中得到廣泛的應(yīng)用。歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)，由于其對(duì)植被監(jiān)測(cè)具有較高的靈敏度，被認(rèn)為是監(jiān)測(cè)植被生長狀況的最佳指示因子[3]，廣泛地應(yīng)用于植被覆蓋變化監(jiān)測(cè)、生物生產(chǎn)量評(píng)估、生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測(cè)等研究。

多年來，國內(nèi)外許多學(xué)者利用NDVI數(shù)據(jù)對(duì)不同地區(qū)植被覆蓋變化及其驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了大量研究。不少學(xué)者從NDVI的變化速率和變化特征，探討了海拔、氣象、人類活動(dòng)等因素對(duì)NDVI的影響，得出了不同研究區(qū)域植被覆蓋的變化特征及其對(duì)驅(qū)動(dòng)力的響應(yīng)關(guān)系[4-7]。土地利用轉(zhuǎn)變和植被蓋度變化也是影響植被覆蓋變化的客觀因素,但少有學(xué)者將這兩者考慮到植被覆蓋變化監(jiān)測(cè)中。因此在植被覆蓋變化監(jiān)測(cè)中，需要結(jié)合土地利用變化和植被蓋度變化進(jìn)行分析。

黃淮海平原處于干旱半干旱地區(qū)，是我國第二大平原，該區(qū)域城市化發(fā)展迅速、生態(tài)環(huán)境脆弱、植被覆蓋變化復(fù)雜。本研究利用NDVI數(shù)據(jù)集，著重從降水、土地利用以及植被蓋度等方面剖析黃淮海平原2001-2010年的植被覆蓋變化，以便為該區(qū)域的植被變化、生態(tài)研究以及水土保持提供科學(xué)的依據(jù)。

1 研究區(qū)域簡介

黃淮海平原(114°～120°E，32°～40°N，圖1)又稱作華北平原，位于燕山以南，淮河以北，太行山以東，瀕臨渤海和黃海，行政區(qū)域橫跨五省二市，面積約31萬km2，是我國第二大平原，也是重要的農(nóng)業(yè)工業(yè)生產(chǎn)基地。該地區(qū)氣溫屬溫帶大陸性氣候，年降水量在500～700 mm之間，年際降水差異較大且區(qū)域性降水分布不均勻。西北部的山地高原以及中部的魯中丘陵植被生長茂密，植被類型以針葉林、闊葉林、草叢、草甸為主；其余70%區(qū)域地勢(shì)平坦，以小麥、玉米、棉花等多熟制栽培植被為主[8]。

圖1 研究區(qū)位置及植被類型分布圖Fig.1 Location and vegetation cover type of the study area

2 數(shù)據(jù)源與預(yù)處理

本研究選用美國國家航天局(NASA)的MODIS遙感數(shù)據(jù)，包括覆蓋黃淮海平原4個(gè)軌道(h26v04，h26v05，h27v04，h27v05)的2001-2010年的MOD09A1地表反射率產(chǎn)品、2001年與2010年兩年的MCD12Q1土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品和MOD44B植被蓋度產(chǎn)品。在ENVI軟件中將數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、投影轉(zhuǎn)換等預(yù)處理。參照IGBO土地分類方案，考慮到研究區(qū)域未利用地較少，將黃淮海區(qū)域的MCD12Q1土地覆蓋產(chǎn)品分為林地、草地、耕地、水體和建設(shè)用地等5類，得到黃淮海平原2001年和2010年土地利用圖(圖2)和不同地類占比(表1)。按照植被蓋度的百分比劃分[9]，將研究區(qū)域的植被蓋度分為6類，得到黃淮海平原2001年與2010年植被蓋度空間分布圖(圖3)與植被蓋度占比(表2)。在ENVI軟件中通過波段運(yùn)算并利用最大值合成法[10]得到黃淮海平原每年的年均NDVI時(shí)間序列影像數(shù)據(jù)集。利用中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)提供的包含黃淮海平原及周邊氣象站的2001-2010年期間每年的年降水總量，借助Arcgis軟件中克里金插值法將氣象站點(diǎn)的降水量進(jìn)行空間插值，結(jié)合黃淮海平原行政矢量圖將其裁剪，使降水的空間分辨率、投影與研究區(qū)域的NDVI一致。研究區(qū)域的1∶100萬植被類型數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn).

3 研究方法

3.1 矩陣轉(zhuǎn)移方法

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是描述不同地類之間相互轉(zhuǎn)換的一種方式[11]，目前可以通過這種方法來監(jiān)測(cè)不同時(shí)期植被蓋度的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系[12]。

圖2 黃淮海平原2001年與2010年土地利用分類圖Fig.2 Landuse of Huang-Huai-Hai plain in 2001 and 2010

圖3 黃淮海平原2001年與2010年植被蓋度空間分布Fig.3 Spatial distribution patterns of vegetation continuous fields of Huang-Huai-Hai plain in 2001 and 2010

年份林地草地耕地水體建設(shè)用地20017.707.9068.143.8012.4620108.837.1065.834.3413.90

表2 2001年和2010年黃淮海平原植被蓋度占比Table 2 Percentage of vegetation continuous fields in Huang-Huai-Hai plain in 2001 and 2010 %

3.2 相關(guān)系數(shù)法

借助于皮爾遜相關(guān)系數(shù)[13]定量地研究黃淮海地區(qū)NDVI與降水因子之間的關(guān)系。兩者之間的相關(guān)系數(shù)如下式所示：

(1)

式中：xi為每年的年降水總量；R為相關(guān)系數(shù)；β為10 a降水總量的平均值；yi為每年的年均NDVI；γ為10 a的年總NDVI均值；i=1～10，n=10為樣本數(shù)。相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越接近于1，說明二者的相關(guān)性越高；如果R>0，表明二者正相關(guān)，反之則負(fù)相關(guān)。

3.3 差值法

為了定量地比較同一區(qū)域不同時(shí)期的植被實(shí)際變化狀況，用兩景影像做差，差值用δ來表示。δ>0表示植被增加，δ<0表示植被減少；即，δ絕對(duì)值越大，說明研究年份內(nèi)植被動(dòng)蕩越嚴(yán)重。

3.4 趨勢(shì)影響法

以像元為基本單位，建立降水與歸一化植被指數(shù)之間的線性回歸模型，得出降水對(duì)植被的影響趨勢(shì)分布[6]。具體公式如下：

(2)

式中：η代表每個(gè)像元的NDVI受降水影響的趨勢(shì)；n=10為樣本數(shù)；xi為每年的年降水總量，β為10 a降水總量的平均值；yi為每年的年均NDVI，γ為10 a的年總NDVI均值；i=1～10.

每個(gè)像元的η值都不一樣，不同的η構(gòu)成了研究區(qū)域的整景影像。η>0，表明受降水影響NDVI呈增長趨勢(shì)；η<0，表明受降水影響NDVI呈減少趨勢(shì)。η的正負(fù)只表明降水對(duì)植被生長的影響趨勢(shì)，其值的大小與變化程度無關(guān)。

4 結(jié)果與分析

4.1 植被覆蓋變化分析

通過土地利用轉(zhuǎn)移矩陣得到黃淮海平原2010年新增地類分布圖(圖4)。參照相關(guān)分類標(biāo)準(zhǔn)[12]將植被蓋度變化分為略微降低、明顯降低、明顯增加、略微增加、不變等5類(圖5).

圖4 黃淮海平原2010年新增地類分布Fig.4 Distribution of newly added landuse of the Huang-Huai-Hai plain in 2010

圖5 黃淮海平原2001年與2010年植被蓋度變化分布Fig.5 Distribution of vegetation continuous fields changes in Huang-Huai-Hai plain in 2001 and 2010

對(duì)圖2和表1進(jìn)行分析后得出：與2001年相比，2010年黃淮海平原耕地和草地的總面積在減少，而林地和建設(shè)用地以及水體總面積在增加；在空間分布上，新增水體的區(qū)域主要分布在安徽省北部以及山東省南部，新增林地和草地的區(qū)域主要集中在北京市轄區(qū)、黃淮海平原與山西高原交匯處的丘陵山區(qū)地帶，新增建設(shè)用地主要體現(xiàn)在城市周邊及地理位置優(yōu)越的地方，新增耕地的區(qū)域主要在黃淮海平原的西北部。這些變化與劉永強(qiáng)等[14]的研究相一致。

對(duì)表2和圖5的分析表明：黃淮海平原北部和南部的植被蓋度呈顯整體增長趨勢(shì)，中部呈下降趨勢(shì)。與2001年相比，2010年植被蓋度10%～20%的區(qū)域占比呈上升趨勢(shì)；植被蓋度小于10%的區(qū)域占比呈下降趨勢(shì)；植被蓋度20%～30%的區(qū)域占比增長比較明顯，增加了3.44%，說明林地草地的擴(kuò)張、生物生產(chǎn)量的提高促進(jìn)了這些區(qū)域植被蓋度的增長。

4.2 植被與降水的相關(guān)性分析

為了研究植被受降水的影響程度，以相關(guān)系數(shù)R作為指標(biāo)，將黃淮海平原年均NDVI與年總降水量做了相關(guān)性分析(圖6)。其中，R≥0.70的區(qū)域主要集中在黃淮海平原北部及其與山西高原及燕山山脈的交匯處、魯中南地區(qū)、膠州半島以及黃淮海平原南部的區(qū)域。對(duì)不同植被類型與降水量的關(guān)系(圖1和圖6)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，林地、草地的NDVI與降水量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。其中，草甸與降水的相關(guān)系數(shù)最高，為0.86，其他植被與降水的相關(guān)性由高到低依次為草叢、灌叢、針葉林、闊葉林，相關(guān)系數(shù)分別為0.84，0.82，0.76，0.72.其他地類則表現(xiàn)出不相關(guān)或負(fù)相關(guān)，這說明這些區(qū)域的植被的生長更多依賴于人類的影響。黃淮海平原耕地面積所占比重較大，農(nóng)業(yè)植被生長所需的水分更多還是來自人工灌溉[13]。

圖6 黃淮海平原NDVI與降水量的相關(guān)性分布Fig.6 Distribution of corelation between rainfall and NDVI in Huang-Huai-Hai plain

4.3 差值分析

為了真實(shí)地對(duì)比這兩年植被的實(shí)際變化狀況，通過計(jì)算得到2001年和2010年研究區(qū)的NDVI差值δ分布圖(圖7)。考慮到不同植被覆蓋類型變化，將差值變化分為明顯改善、 一般改善、幾乎不變、一般退化和嚴(yán)重退化等5類，通過計(jì)算得到5種不同變化的占比(表3).

圖7 黃淮海平原2010年與2001年NDVI差值分布Fig.7 Difference distribution of NDVI in 2001 and 2010 of Huang-Huai-Hai plain

變化程度差值δ分布占比/%嚴(yán)重退化δ≤-0.20.28一般退化-0.2≤δ<-0.19.18幾乎不變-0.1≤δ<0.158.74一般改善0.1≤δ<0.231.55明顯改善0.2≤δ0.25

由圖7和表3可以看出：植被呈嚴(yán)重退化的區(qū)域主要集中在山東省微山湖、江蘇省宿遷市以及天津市轄區(qū)。結(jié)合圖2可以看到，水體面積的擴(kuò)張是導(dǎo)致這些區(qū)域植被嚴(yán)重退化的主要原因。呈一般退化狀態(tài)的區(qū)域主要集中在河北省中部、山東省北部、黃河流域、北京市和天津市。其中，山東省北部和黃河流域主要是由優(yōu)質(zhì)林地草地轉(zhuǎn)向了耕地，而其他區(qū)域植被退化主要是由耕地轉(zhuǎn)向了建設(shè)用地[14]，從而導(dǎo)致這些區(qū)域植被的退化。

植被覆蓋呈現(xiàn)改善的區(qū)域主要體現(xiàn)在：河北平原北部及其與山西高原的交匯處，北京市轄區(qū)。由于各種因素[15]，耕地逐步被林地和草地取代[14]，導(dǎo)致植被的增長[16]。植被覆蓋明顯改善的區(qū)域在河南省的駐馬店市，生物生產(chǎn)量和植被蓋度的提高帶來了這樣的結(jié)果。植被覆蓋呈不變區(qū)域主要集中在黃淮海平原的耕地上，側(cè)面說明農(nóng)業(yè)用地的植被蓋度變化幅度是最小的。

4.4 降水對(duì)NDVI趨勢(shì)分析

通過分析降水對(duì)NDVI的影響趨勢(shì)(圖8)可以看到，η>0的區(qū)域主要集中在黃淮海北部、魯中地區(qū)以及河南省和安徽省的南部。受降水驅(qū)動(dòng)的影響，在太行山生態(tài)功能保護(hù)區(qū)和京津水源涵養(yǎng)功能保護(hù)區(qū)的植被呈增長趨勢(shì)；這與實(shí)際的變化是相吻合的[15]，說明降水對(duì)自然植被的影響是比較明顯的。這些區(qū)域受人類活動(dòng)影響較小，降水是自然植被生長的主要驅(qū)動(dòng)力。η<0的地方主要集中在河北平原區(qū)域、河南省北部、安徽省北部和山東省西部，這些地方降水偏少且地類多以耕地為主，說明人工灌溉是這些區(qū)域植被生長的主要驅(qū)動(dòng)力。

圖8 降水對(duì)黃淮海平原NDVI的影響趨勢(shì)Fig.8 Influence of rainfall on NDVI of Huang-Huai-Hai plain

5 結(jié)論

基于MODIS-NDVI數(shù)據(jù)，通過相關(guān)系數(shù)法、差值法及趨勢(shì)分析法，結(jié)合降水、土地利用變化及植被蓋度變化等因素對(duì)黃淮海平原的植被覆蓋變化及其驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了研究分析，得出如下結(jié)論：

1) 黃淮海平原的林地和草地與降水量的相關(guān)性較高，且受降水的驅(qū)動(dòng)力影響植被呈增長趨勢(shì)。

2) 與2001年相比，2010年黃淮海平原的植被蓋度整體呈上升趨勢(shì)，林地的增加和生物生產(chǎn)量的提升是產(chǎn)生這種變化的主要因素。

3) 黃淮海平NDVI差值變化監(jiān)測(cè)中，農(nóng)業(yè)用地的變化最小。

4) 與2001年相比，2010年黃淮海平原的植被覆蓋發(fā)生了不同程度的變化，林地、水域和建設(shè)用地的總面積在增加，草地和耕地的總面積在減少。土地利用類型轉(zhuǎn)變和植被蓋度的變化是引起植被覆蓋變化的主要因素。

：

[1] SUN H Y,WANG C Y,NIU Z,et al.Analysis of the vegetation cover change and the relationship between NDVI and environmental factors by using NOAA time series data[J].Journal of Remote Sensing,1998,2(3):204-210.

[2] 信忠保,許炯心,鄭偉.氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)黃土高原植被覆蓋變化的影響[J].中國科學(xué)D輯:地球科學(xué),2007,37(11):1504-1514.

XIN Z B,XU J X,ZHENG W.Response of vegetation cover change to climate change and human activities in Loess Plateau[J].Science in China Series D:Earth Sciences,2007,37(11):1504-1514.

[3] SUN Z H ,LIU Z C,LEI Y P,et al.The variations of NDVI and the relation with climate inhilly and gully region of Northern Yanan[J].Acta Ecologica Sinica,2010,30(2):533-540.

[4] 宋怡,馬明國.基于Spot Vegetation數(shù)據(jù)的中國西北植被覆蓋變化分析[J].中國沙漠,2007,27(1):89-93.

SONG Y,MA M G.Study on vegetation cover change in northwest China based on Spot Vegetation data[J].Journal of Desert Research,2007,27(1):89-93.

[5] LIU X,REN Z,LIN Z,et al.The spatial-temporal changes of vegetation coverage in the Three-River headwater region in recent 12 years[J].Acta Geographica Sinica,2013,68(7):897-908.

[6] LAMCHIN M,PARK T,LEE J Y,et al.Monitoring of vegetation dynamics in the Mongolia using MODIS NDVI and their relationship to rainfall by natural zone[J].Journal of the Indian Society of Remote Sensing,2015,43(2):325-337.

[7] WU X F,LI G X,PAN X P,et al.Response of vegetation cover to temperature and precipitation in the source region of the Yellow River[J].Resources Science,2015,37(3)：512-521.

[8] XU H,JIA J H,LIU L Y,et al.Drought monitoring in Huang-Huai-Hai plain using the multi-drought indices[J].Remote Sensing Technology and Application,2015,30(1):25-32.

[9] HASEN M C,DE R S,TOWNSHEND J G,et al.The MODIS 500meter global vegetation continuous fields products[C]∥Processings of Second International Workship on the Multitemp 2003:Analysis of Multi-temporal Remote Sensing Images,2004:295-301.

[10] SUN Y L,GUO P.Spatiotemporal variation of vegetation coverage index in north China during the period from 1982 to 2006[J].Arid Zone Research,2012,29(2):187-193.

[11] TIAN F X,XUE X,LIAO J,et al.Land use change in the watershed of the Ningxia-Inner Mongolia reaches of the Yellow River during 1990-2010[J].Journal of Desert Research,2014,34(4):1167-1176.

[12] YANG L,ZHANG M,LUO M L,et al.Landscape pattern change of vegetation coverage in hilly area of central Sichuan,southwest China based on MODIS NDVI[J].Chinese Journal of Ecology,2013,32(1):171-177.

[13] 杜靈通，田慶久.寧夏植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化及與氣候因子的關(guān)系[J].中國沙漠,2012,32(5):1479-1485.

DU L T,TIAN Q J.Vegetation coverage variations in Ningxia during 1999-2009 and its relationships with climatic factors[J].Journal of Desert Research,2012,32(5):1479-1485.

[14] 劉永強(qiáng)，龍花樓.黃淮海平原農(nóng)區(qū)土地利用轉(zhuǎn)型及其動(dòng)力機(jī)制[J].地理學(xué)報(bào),2012,32(5):1479-1485.

LIU Y Q,LONG H L .Land use transitions and their dynamic mechanism:The case of the Huang-Huai-Hai plain[J].Journal of Geographical Sciences,2016,26(5):515-530.

[15] SHI S,FENG J Z,Zhou Y Y,et al.Dynamic change of the aboveground biomass and net primary productivity in the areas of Beijing and Tianjin sand source control project[J].Journal of Basic Science & Engineering,2010,18(6):886-894.

[16] Yan E P,LIN H,DANG Y F,et al.The spatiotemporal changes of vegetation cover in Beijing-Tianjin sandstorm source control region during 2000-2012[J].Acta Ecologica Sinica,2014，34(17):5007-5020.