涑水河流域植被覆蓋變化特征分析

南 鋒，畢如田

（1.山西農業大學研究生學院，山西太谷030801；2.山西農業大學資源與環境學院，山西太谷030801）

全球環境的種種變化威脅著人類及其社會的持續發展，越來越受到各國政府和科學家的重視。全球變化與陸地生態系統（Global Change and Terrestrial Ecosystem，GCTE）是當前全球變化研究的重要內容，氣候變化對陸地生態系統的影響及其反饋一直是其中的研究焦點之一[1-3]。而利用遙感技術進行對地觀測又具有以下優點：（1）衛星遙感圖像具有周期性、宏觀性、現勢性、經濟性的特點，可以用于大區域的植被覆蓋監測[4]；（2）遙感數據的可重復獲取特性是其相對于其他數據源的優勢之一，利用多時相衛星影像進行變化分析，是遙感數據應用的重要領域[5]；（3）高光譜遙感數據具有波段多、信息量豐富的特點，可以提供連續、精細的光譜信息，用于植被遙感的定量研究中[6]；（4）多源遙感信息（多時相、多光譜、多傳感器、多平臺和多分辨率）提供的信息具有互補性、合作性，可以使對植被覆蓋度的定量估算更加精確、完全和可靠[7]。因而，遙感技術在全球變化的氣候—植被關系研究中倍受重視，用遙感技術進行大范圍調查意義重大。

本研究利用MODIS數據，以涑水河流域植被指數變化，探討了近8年該流域植被覆蓋變化情況，分析研究NDVI月平均值、多年月平均值、季平均值、年平均值的變化特征。

1 研究區概況

涑水河流域位于山西省南部的運城市境內，東、南、北三面山地和臺地環繞，中部地勢開闊平坦，地形從東北向西南傾斜，是一個從東北向西南傾斜的半閉流區，海拔為210～1 935 m。地理坐標東經110°15′～112°04′，北緯34°35′～35°49′。東部及南部環繞著中條山，綿延起伏約200 km，海拔1 500～2 400 m。流域屬于干旱半干旱大陸性季風氣候，流域里主要氣候特征為“十年九旱”，農作物以冬小麥為主，春旱發生頻繁，對產量影響很大。涑水河屬北方間歇性季節河流，非汛期河道成為排污河道。由于非汛期處于斷流狀態，沒有自凈和稀釋能力，導致涑水河污染嚴重，生態問題突出。

2 數據來源及處理方法

2.1 數據來源

本研究所使用的數據來源于美國NASA網站的MODIS 1B 250 m分辨率影像，共申請下載2002—2009年各月數據540期，通過NASA快視圖選擇無云或少云數據。氣象數據由山西省氣象局提供。

2.2 數據處理方法

2.2.1 數據預處理 MODIS 1B數據預處理（主要是影像的幾何校正，去蝴蝶效應）由遙感圖像處理軟件ENVI 4.6來實現。由于MODIS1B數據（HDF文件）中已經包含有經緯度數據，所以利用這些經緯度數據進行幾何糾正，同時利用ENVI 4.6軟件Map菜單下的Georeference MODIS幾何糾正功能進行影像糾正，且ENVI 4.6在幾何糾正的同時對Bowtie也進行了處理。在幾何糾正的過程中采用的投影為經緯度坐標系，WGS-84橢球體。

2.2.2 植被指數計算 用MODIS數據1，2波段的反射率數據反演出歸一化植被指數NDVI。中分辨率成像光譜儀遙感影像共有36個光譜通道，其第1個波段（0.62～0.67 μm）和第2個波段（0.841～0.876 μm）分別是紅光波段和近紅外波段，可以用第1和第2個波段計算植被指數。

其中，ρRED為紅光波段反射率（對應于MODIS數據的第1波段），ρNIR為近紅外波段反射率（對應于MODIS數據的第2波段）。

2.2.3 MVC法合成植被指數 用最大值合成法MVC合成月NDVI圖。

其中，i為月份，k為天數（1～30/31 d）。

2.2.4 植被指數圖裁剪 在ENVI軟件中，打開處理好的植被指數圖，疊加涑水河流域邊界，將其轉化為一個感興趣區（ROI），裁剪出整個流域和各縣區的植被指數圖。

3 涑水河流域2002—2009年植被覆蓋變化特征分析

3.1 NDVI月平均值變化特征分析

其中，i表示月份（6—8月），j表示年份（2002—2009年）。i=6表示6月，j=1表示2002年，依次類推。

根據國際通用辦法并結合流域實際情況，將植被指數分為裸地（NDVI=0.16）；較少植被（0.16＜NDVI≤0.33）；中等植被 （0.33＜NDVI≤0.44）；茂密植被（0.44＜NDVI≤0.60）；很密植被（NDVI＞0.60）5 個等級。

涑水河流域2002—2009年6—8月的月平均NDVI分布如圖1所示。

從圖1可以看出，涑水河流域NDVI空間分布總體趨勢是：自東北向西南NDVI逐漸增加，茂密植被和很密植被主要集中在沿東北至西南絳縣、夏縣中條山一帶及永濟市中部、東南部雪花山區林地。中等植被主要分布在聞喜西南部、鹽湖、臨猗、永濟大部分地區，主要以農業植被中早熟的棉花、冬麥、花生等溫熱作物和可夏播的玉米、谷子、豆類為主要覆蓋植被。稀少及裸土植被主要分布在聞喜中北部大部分區域、臨猗北部和永濟西南部分地區。

對涑水河流域植被各個等級的像元進行統計分析，得出各等級像元分布比例（圖2）。從圖2可以看出，涑水河流域植被長勢較好，茂密植被分布最廣，占43.3%；其次是中等植被，占28.4%；較少植被僅次于中等植被，占19.6%；很密植被較少，占6.9%；流域裸土很少，占1.8%。

3.2 植被生長季 （夏季）NDVI平均值變化特征分析

其中，j表示月份（6—8月），i表示年份（2002—2009年）。j=6表示6月，i=1表示2002年，依次類推。

由涑水河流域8年的6—8月植被指數圖，統計各等級像元分布比例，繪制曲線圖（圖3）。

從圖3可以看出，8年來涑水河流域裸土的分布比例幾乎沒有變化；2002—2004年間較少植被、中等植被和很密植被都處于下降趨勢，向茂密植被迅速轉化；2005年中等植被和茂密植被均有所下降，較少植被和很密植被有所增加；2006—2007年間，茂密植被和很密植被呈下降趨勢，向較少植被和中等植被轉化；2008—2009年，較少植被急劇下降。這些突變主要是受干旱、霜凍、冰雹、大風、暴雨等氣象災害天氣以及由此而導致的農作物病蟲草害影響的結果。

4 結論

本研究在遙感和地理信息系統技術的支持下，對山西運城涑水河流域2002—2009年的MODIS數據進行NDVI數據的反演，分析了NDVI月平均值的變化特征、植被生長季NDVI平均值的變化特征，結果表明，這種方法可以有效地分析區域尺度植被覆蓋的變化特征，具有廣泛的應用價值和現實意義。本研究只對植被指數平均值的變化趨勢作了分析，在以后的研究中還需要深入分析植被與土壤、環境、生態、城市等的關系。

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