張玉婷 張禎 馬吉虎

摘 要 基于武威市2011—2020年MODIS13Q1數(shù)據(jù)提取16 d的NDVI數(shù)據(jù)，通過Arcgis像元統(tǒng)計工具計算得到年均NDVI數(shù)據(jù)，采用回歸趨勢分析法研究植被覆蓋度時空變化、生態(tài)適應(yīng)性和植被地域分布等主要特征。結(jié)果表明：武威市植被地域分布特征明顯，植被覆蓋度整體呈自北向南遞增趨勢空間分布，高覆蓋度主要分布在天祝縣南部祁連山山地，中覆蓋度主要分布在涼州區(qū)、古浪縣、民勤縣中部綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)，低覆蓋度主要分布在涼州區(qū)、古浪縣、民勤縣北部沙漠腹地，年均NDVI值波動幅度整體平穩(wěn)，呈上升趨勢特征，植被整體生長有明顯改善。

關(guān)鍵詞 MODIS;植被覆蓋度NDVI;時空變化;武威市

文章編號：1005-5215（2022）01-0056-03

中圖分類號：S771.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A doi：10.13601/j.issn.1005-5215.2022.01.017

Abstract Based on the MODIS13Q1 data of Wuwei City from 2011 to 2020，the 16-day NDVI data was extracted，and the annual average NDVI data was calculated by the ArcGIS pixel statistical tool. The regression trend analysis method was used to study the spatio-temporal changes of vegetation coverage，ecological adaptability，and vegetation geographical distribution. Main features. Result shows that the vegetation area distribution characteristics of Wuwei City are obvious，and the overall vegetation coverage is increasing from north to south. The high coverage is mainly in the Qilian Mountains in the south of Tianzhu County，and the medium coverage is mainly distributed in Liangzhou District and Gulang County. In the oasis agricultural area in the central part of Minqin County，the low coverage is mainly distributed in Liangzhou District，Gulang County，and the northern desert hinterland of Minqin County. The fluctuation range of the average annual NDVI value is generally stable，showing an upward trend，and the overall vegetation growth has been significantly improved.

Key words MODIS; vegetation coverage NDVI; temporal and spatial changes; Wuwei City

植被指標(biāo)用于反映全球植被環(huán)境條件監(jiān)測和顯示土地覆蓋和土地覆蓋變化，在生態(tài)恢復(fù)和保護(hù)方面發(fā)揮著重要作用。植被不僅具有維持區(qū)域氣候穩(wěn)定和生態(tài)平衡的功能，還能反映區(qū)域綠洲與荒漠生態(tài)系統(tǒng)的相互作用過程，為區(qū)域生態(tài)研究提供重要信息[1]。

歸一化植被指數(shù)（Normalized Differential Vegetation Index，NDVI）是目前最為常用的表征植被覆蓋狀況的指標(biāo)，綜合反映了區(qū)域植被覆蓋密度和植被生長狀況﹐是描述植被空間分布密度的最佳指標(biāo)[2]。武威市地處河西走廊東端，局部地形復(fù)雜，植被分布不均，高覆蓋森林植被主要分布在南部祁連山山區(qū)，占9.83%，中部綠洲區(qū)域和北部風(fēng)沙區(qū)長期受風(fēng)沙危害，導(dǎo)致植被稀疏，荒漠化和沙化嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境非常脆弱。因此，通過開展植被動態(tài)監(jiān)測分析，掌握武威市植被覆蓋時空變化、生態(tài)環(huán)境適應(yīng)性和植被地域分布等規(guī)律，可因地制宜、科學(xué)規(guī)劃造林綠化，精準(zhǔn)提升林草質(zhì)量，推動武威市生態(tài)建設(shè)可持續(xù)性發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

武威市地處甘肅省西部，河西走廊東端，地勢南高北低，局部地形復(fù)雜，植被蓋度分布不均，高海拔南部祁連山山區(qū)降水量大，植被生長比較好，主要分布有云杉、柏樹、松樹、金露梅、高山杜鵑等天然植被;中部綠洲區(qū)大部分區(qū)域有灌溉條件，植被生長情況良好，農(nóng)耕地周邊分布有人工植被，主要為楊樹、云杉、樟子松、榆樹等喬木;北部防沙區(qū)地處騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠腹地，降水較少，蒸發(fā)量大，氣候干燥，植被稀疏，主要分布荒漠植被，以耐旱的小灌木、半灌木為主，生長稀疏，植物種類相對貧乏，代表種主要有梭梭、沙拐刺、白刺、泡泡刺、花棒、沙蒿、紅柳、鹽爪爪等。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究采用2011年1月—2020年12月美國宇航局NASA的250 m中等空間分辨率的長時間序列MODIS13Q1/NDVI數(shù)據(jù)，每月2景，總共460景，時間分辨率為16 d。首先利用MRT軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接、格式轉(zhuǎn)換和投影轉(zhuǎn)換等方式提取16 d的NDVI數(shù)據(jù)，然后利用Arcgis Python批處理對2011—2020年16 d的NDVI進(jìn)行歸一化處理，并采用掩膜提取和最大值合成法提取武威市2011—2020年逐月NDVI數(shù)據(jù)，最后利用生長季的6—10月NDVI數(shù)據(jù)均值法提取逐年平均的NDVI數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 NDVI最大化處理 采用最大值合成法（MaximumValue Composites，MVC）[3]，借助ArcGIS中的像元統(tǒng)計分析工具，根據(jù)多個柵格數(shù)據(jù)計算每個像元的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，提取武威市10年的各月最大NDVI值作為各月月均NDVI值。由于云雨的影響，遙感數(shù)據(jù)無法有效地觀測地面。這種影響表現(xiàn)為NDVI上的低值噪聲。為了減少這種影響，通常采用最大值綜合法來更準(zhǔn)確反映植被覆蓋度，并獲得相鄰時間的最佳觀測值作為填充值，以消除低值噪聲。

2.2.2 均值法 年均NDVI值是求生長季2011—2020年間每年6-10月植被NDVI的平均值：

2.2.3 趨勢性分析法 采用單變量線性回歸對隨時間變化的變量進(jìn)行線性回歸分析，通過MATLAB計算得到回歸模型方程的斜率（Slope），從而預(yù)測研究區(qū)植被覆蓋的變化趨勢，能夠綜合反映研究區(qū)生長季NDVI時空格局的演變。利用MATLAB批處理功能，對NDVI每個像元進(jìn)行趨勢回歸分析處理，回歸方程的斜率代表植被NDVI每個柵格單元的變化趨勢，當(dāng)Slope為正值時，表示隨時間空間變化該柵格單元所代表的植被NDVI值呈上升趨勢。當(dāng)Slope為負(fù)值時，表示隨時間空間變化該柵格數(shù)據(jù)單元所代表的植被NDVI值呈下降趨勢[4，5]。其計算公式為：

式中： Slope為單像元植被NDVI回歸方程的斜率;Pi為第i年的年平均NDVI值;n是年數(shù)。采用F檢驗對變化發(fā)展趨勢進(jìn)行顯著性檢驗，計算公式如下[6]：

式中：，為回歸平方和;為剩余平方和，yi是第i年覆蓋度值，y^為其回歸值，y為10年覆蓋度平均值;n=10，為年數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 武威市植被覆蓋時空分布特征

利用2011—2020的年平均NDVI數(shù)據(jù)，計算10年平均值得到平均NDVI，將NDVI分為5級：低覆蓋度（NDVI<0.30）、較低覆蓋度（NDVI：0.30～<0.45）、中覆蓋度（NDVI：0.45～<0.60）、較高覆蓋度（NDVI：0.60～<0.75）、高覆蓋度（NDVI≥0.75）。

從圖1可以看出，武威市植被覆蓋地域空間分布特征顯著，植被覆蓋度在地域空間上整體呈自北向南遞增趨勢，低覆蓋度主分布在民勤縣、涼州區(qū)、古浪縣北部騰格里沙漠，中覆蓋度主分布在中部綠洲區(qū)域，高覆蓋度主分布在涼州區(qū)、天?？h、古浪縣南部祁連山區(qū)域。

對10年NDVI平均值的分級統(tǒng)計結(jié)果顯示，低覆蓋度面積占62.7%，較低覆蓋度面積占15.15%，中覆蓋度面積占12.94%，高覆蓋度面積占9.54%，較高覆蓋度面積占0.29%。

3.2 武威市植被覆蓋時間變化特征

為了研究武威市植被覆蓋區(qū)域NDVI隨時間變化的特點，取2011—2020年平均NDVI影像中的植被覆蓋區(qū)域的NDVI平均值，代表當(dāng)年的植被覆蓋度，制作當(dāng)年年際NDVI變化圖（圖2）。從圖2顯示結(jié)果來看，武威市植被覆蓋區(qū)域的年均NDVI值為0.25～0.3。波動幅度平穩(wěn)，研究區(qū)的植被覆蓋NDVI整體呈平穩(wěn)趨勢，植被覆蓋區(qū)域的最低值出現(xiàn)在2013年（0.249），最高值出現(xiàn)在2019年（0.302），NDVI整體呈上升趨勢特征，表明植被整體生長狀況開始好轉(zhuǎn)。

3.3 武威市植被覆蓋度變化趨勢分析

武威市植被覆蓋度變化趨勢分析采用一元線性回歸趨勢分析，并與F檢驗結(jié)合起來，可以有效反映2011—2020年武威市植被覆蓋NDVI的變化趨勢的空間分析特征。根據(jù)Slope趨勢分析的分級結(jié)果和F檢驗的分級結(jié)果疊加分析，植被退化面積占6.52%（表1），植被改善面積占11.45%，植被穩(wěn)定面積占82.02%，武威市的植被總體上生長良好。

由圖3可以看出，2011—2020年武威市地表植被改善的面積遠(yuǎn)大于植被退化的面積，植被穩(wěn)定面積占82.02%，說明2011—2020年武威市地表植被整體呈平穩(wěn)趨勢。植被明顯改善的區(qū)域主要分布在武威市中部綠洲區(qū)域;輕微改善的地區(qū)主要位于在南部祁連山林緣邊、綠洲區(qū)沙區(qū)邊緣以及沙區(qū)公路兩側(cè);穩(wěn)定不變地區(qū)在武威市呈整體分布;輕微退化的區(qū)域主要位于武威市涼州區(qū)、民勤縣、古浪縣北部沙區(qū);嚴(yán)重退化的區(qū)域主要分布在中部綠洲區(qū)域，呈零星分布。

4 結(jié)論

4.1 武威市植被覆蓋地域空間分布特征明顯，植被覆蓋度整體呈自北向南遞增趨勢空間分布，高覆蓋度主要分布在南部祁連山山地，中覆蓋度主要分布在中部走廊平原，低覆蓋度主要分布在北部荒漠區(qū)。

4.2 武威市植被覆蓋區(qū)域的年均NDVI值在0.25～0.3之間波動，植被覆蓋區(qū)域的NDVI波動整體呈平穩(wěn)趨勢，植被覆蓋區(qū)域的最低值出現(xiàn)在2013年，為0.249;最高值出現(xiàn)在2019年，為0.302。NDVI整體呈上升趨勢特征，表明植被整體生長狀況開始好轉(zhuǎn)。

4.3 從DNVI變化趨勢上分析，2011—2020年武威市地表植被改善的區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于植被退化的區(qū)域。植被退化區(qū)域占6.52%，植被改善區(qū)域占11.45%，植被穩(wěn)定區(qū)域占82.02%。武威市植被NDVI變化趨勢地域空間分布特征明顯，海拔較低處的變化趨勢普遍大于海拔較高處的，表明植被NDVI變化趨勢具有海拔梯度差異特征，這是因為較低的海拔受人類活動的影響較大，中部綠洲平原地區(qū)植被覆蓋呈增加趨勢，主要與三北防護(hù)林工程、退耕還林還草、祁連山生態(tài)修復(fù)、造林補(bǔ)助、北部風(fēng)沙治理等生態(tài)建設(shè)重點工程有關(guān)，也有小部分呈明顯減少或輕度減少，主要與部分地區(qū)城市化與工業(yè)化的快速發(fā)展有關(guān)，建設(shè)項目占用林業(yè)用地。海拔較高處的植被覆蓋主要受氣候變化的影響。

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