黑河下游額濟(jì)納旗植被動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)解析＊

楊曉華，韓 芳

（內(nèi)蒙古生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

20世紀(jì)60年代以來(lái)遙感手段被應(yīng)用在大范圍的植被監(jiān)測(cè)中，其中歸一化植被指數(shù)（NDVI）是目前最常用的表征植被活動(dòng)的指標(biāo)〔1〕。植被指數(shù)是描述植被數(shù)量、質(zhì)量、植被長(zhǎng)勢(shì)和生物量等指標(biāo)的指示參數(shù)，是地面植被與相應(yīng)遙感影像的橋梁，特別是NASA（美國(guó)國(guó)家航天局）提供的MODIS NDVI植被指數(shù)產(chǎn)品，由于數(shù)據(jù)質(zhì)量高、獲取便捷，因而在全球植被遙感研究領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為大尺度植被遙感研究的主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)〔2〕。

黑河流域是我國(guó)西北干旱地區(qū)最大的內(nèi)陸河流域之一，位居黑河下游的內(nèi)蒙古自治區(qū)額濟(jì)納旗，地處內(nèi)蒙古自治區(qū)最西部，南與甘肅省為鄰，北部與蒙古國(guó)接壤，東部為巴丹吉林沙漠，屬干旱、極干旱荒漠區(qū)，總土地面積11.46萬(wàn)km2，黑河是境內(nèi)唯一的河流〔3〕。額濟(jì)納天然林草植被既是阻擋風(fēng)沙侵襲、保護(hù)生態(tài)的屏障，也是當(dāng)?shù)厝嗣穹毖苌ⅰ?guó)防科研和邊防建設(shè)的重要依托，及時(shí)掌握植被的變化趨勢(shì)關(guān)系到廣大牧民的生計(jì)甚至影響到國(guó)家的相關(guān)政策。

以往針對(duì)植被長(zhǎng)時(shí)間序列時(shí)空變化特征的研究，主要基于已有20余年數(shù)據(jù)積累的NOAA植被指數(shù)產(chǎn)品展開〔4－6〕，但 NOAA NDVI植被指數(shù)產(chǎn)品在空間、光譜分辨率上劣于MODIS NDVI植被指數(shù)產(chǎn)品〔2，7〕。本文利用2001～2010年 MODIS數(shù)據(jù)研究額濟(jì)納植被指數(shù)的變化情況，對(duì)于因地制宜地采取有效措施保護(hù)和拯救額濟(jì)納綠洲，發(fā)揮其綠色屏障的強(qiáng)大生態(tài)功能具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 資料與研究方法

利用2001～2010年8月的EOS／MODIS衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)資料，制作額濟(jì)納旗各年之間的歸一化植被指數(shù)圖和植被指數(shù)差值變化分布圖，并計(jì)算和統(tǒng)計(jì)出每年的NDVI平均值，植被指數(shù)差值的變化區(qū)間、面積值等數(shù)據(jù)，對(duì)額濟(jì)納旗植被指數(shù)的變化狀況和地表植被長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。

1.1 植被生物量、覆蓋度信息的提取

年度NDVI是反映植被生物量和覆蓋度狀況的最直接體現(xiàn)〔8〕，每年8月植被覆蓋度達(dá)到最大值。在生物量上，本文采用每年8月NDVl的平均值來(lái)代表當(dāng)年植被的生物量狀況。在植被覆蓋度上，本文將每年8月NDVI數(shù)據(jù)分為（0，0.09）、（0.1，0.19）、（0.2，0.29）、（0.3，0.39）、（0.4，0.49）、（0.5，0.59）6個(gè)等級(jí)，分別代表不同覆蓋程度的植被，并提取每個(gè)等級(jí)的面積，通過(guò)不同等級(jí)面積的變化，反映10年來(lái)額濟(jì)納旗植被覆蓋度的變化趨勢(shì)。在差值分析上，用每年的NDVI與2001～2010年10年的NDVI平均值進(jìn)行比較，差值＜－0.04，NDVI下降；差值－0.03～0.03之間，NDVI基本不變；差值＞0.04，NDVI增長(zhǎng)。

1.2 計(jì)算方法

利用公式（1）計(jì)算10年NDVI平均值在時(shí)間維上的線性擬合趨勢(shì)，通過(guò)該趨勢(shì)反映研究區(qū)域內(nèi)植被狀況的變化。如果斜率大于零說(shuō)明植被狀況趨于正向趨勢(shì)發(fā)展，反之，斜率小于零則說(shuō)明植被狀況趨于惡化〔9〕。

利用公式（2）和公式（3）分別計(jì)算2001～2010年10年間年度NDVI的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，以此來(lái)反映10年來(lái)研究區(qū)域內(nèi)不同NDVI類型的植被絕對(duì)變異量和相對(duì)波動(dòng)程度〔10〕。波動(dòng)值大說(shuō)明植被群落不穩(wěn)定（植被狀況趨于恢復(fù)或退化），波動(dòng)值小說(shuō)明植被群落狀態(tài)穩(wěn)定。

式中：a—斜率；Y—研究年份；S—標(biāo)準(zhǔn)差；xi—第i年的年NDVI；CV—變異系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 NDVI的年際變化

圖l給出了額濟(jì)納旗2001～2010年，年NDVl變化曲線及趨勢(shì)線。從年平均值來(lái)看，2001年平均值最小，為0.07，之后，2001～2007年平均值緩慢上升，2008年、2009年，平均值有所下降，但2010年最好，NDVI為0.1。10年平均NDVI為0.08。從線性趨勢(shì)看，2001～2010年NDVI總體上處于上升趨勢(shì)。平均每年的NDVI增加0.0018。這可能與黑河下游分水，對(duì)額濟(jì)納綠洲植被的恢復(fù)起到很好的作用有關(guān)〔11〕。

圖1 額濟(jì)納旗NDVI年變化曲線和線性趨勢(shì)

2.2 NDVI面積變化

從10年來(lái)各等級(jí)NDVI的平均面積（表1）來(lái)看，額濟(jì)納旗植被總體較差，有近85.97%的植被處于較差水平（NDVI介于（0，0.09）），12.94%的植被處于中等水平 （NDVI介于 （0.1，0.19）），1.09%的植被處于較好水平（NDVI介于（0.2，0.59）），其中 NDVI介于（0.5，0.59）區(qū)間值，僅出現(xiàn)在2004～2008年。植被較好水平區(qū)域主要分布在額濟(jì)納綠洲，其它地區(qū)植被較差。

通過(guò)變異系數(shù)可以看出，2001～2010年額濟(jì)納旗不同等級(jí)植被年度NDVI介于（0.4，0.49）之間的面積波動(dòng)最強(qiáng)，介于（0.1，0.19）和（0.5，0.59）之間的面積波動(dòng)次之，介于（0，0.09）之間的面積被動(dòng)最弱。說(shuō)明額濟(jì)納旗高植被覆蓋度的植被群落不穩(wěn)定（植被狀況趨于恢復(fù)或退化），而植被覆蓋度低的植物群落相對(duì)穩(wěn)定。

從各等級(jí)面積的年度線性擬合斜率來(lái)看，NDVI在（0，0.09）區(qū)間內(nèi)的低覆蓋度草原面積呈減少趨勢(shì)，其它區(qū)間的面積呈增加趨勢(shì)，總的來(lái)說(shuō)，高覆蓋度植被面積在增加，低覆蓋度植被面積在減少，研究區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度在朝恢復(fù)的方向發(fā)展。

表1 2001～2010年8月額濟(jì)納旗不同等級(jí)NDVI面積變化（Km2）

2.3 植被指數(shù)對(duì)比分析

利用每年的植被指數(shù)與近10年的植被指數(shù)平均值進(jìn)行差值分析（表2），可以看出，2001年植被指數(shù)增長(zhǎng)區(qū)域的面積最小，植被指數(shù)下降區(qū)域的面積最大，植被長(zhǎng)勢(shì)相比最差：2010年增長(zhǎng)區(qū)域的面積最大，植被長(zhǎng)勢(shì)較好。通過(guò)線性擬合斜率分析，2001～2010年植被指數(shù)下降區(qū)域的面積呈減少趨勢(shì)，植被指數(shù)增加的面積呈上升趨勢(shì)，額濟(jì)納綠洲植被指數(shù)增長(zhǎng)明顯。總體來(lái)看，額濟(jì)納旗約98.15%的植被長(zhǎng)勢(shì)基本保持不變，約0.38%的植被長(zhǎng)勢(shì)下降，約1.47%的植被長(zhǎng)勢(shì)向好的方向發(fā)展，再一次說(shuō)明額濟(jì)納旗低覆蓋度植被面積減少，高覆蓋度植被面積增加，植被的穩(wěn)定性增強(qiáng)，植被狀況明顯好轉(zhuǎn)。

表2 額濟(jì)納旗2001～2010年植被指數(shù)差值變化分析

3 結(jié)論與討論

2001～2010年間，額濟(jì)納旗的植被盡管有波動(dòng)起伏，但總體趨于好轉(zhuǎn)。在植被生產(chǎn)力上，年度NDVI平均值趨于增加。在植被覆蓋度上，NDVI值介于（0，0.09）之間的面積趨于減少，其它高值區(qū)植被面積趨于增加。在空間面積比例上，1.47%的面積植被狀況趨于好轉(zhuǎn)，0.38%的面積植被狀況趨于惡化。說(shuō)明近10年來(lái)額濟(jì)納旗植被長(zhǎng)勢(shì)呈上升趨勢(shì)，可見黑河分水對(duì)下游的額濟(jì)納綠洲及其周邊植被的恢復(fù)成效是顯著的。這與劉詠梅〔12〕、都瓦拉〔13〕提出的黑河分水使下游的生態(tài)環(huán)境退化問(wèn)題得到了緩解，使生態(tài)環(huán)境得到改善的觀點(diǎn)基本相同。可見利用每年MODIS NDVI數(shù)據(jù)，可以很好地分析植被長(zhǎng)勢(shì)狀況及植被的發(fā)展趨勢(shì)。

總的來(lái)說(shuō)，本文利用MODIS NDVI數(shù)據(jù)闡述了額濟(jì)納旗10年來(lái)植被的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，為近期草原保護(hù)治理措施的評(píng)價(jià)，以及黑河分水對(duì)下游生態(tài)環(huán)境的影響，提供了基礎(chǔ)科學(xué)數(shù)據(jù)。但也存在一定的不足之處，在數(shù)據(jù)分析方面，選擇每年8月的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行最大值合成，合成的數(shù)據(jù)產(chǎn)品代表當(dāng)年的植被生長(zhǎng)狀況，雖然能夠說(shuō)明植被的變化情況，但受當(dāng)年氣候及1年生植物的影響，植被長(zhǎng)勢(shì)數(shù)據(jù)會(huì)存在偏差，因此會(huì)對(duì)研究結(jié)果產(chǎn)生一定程度的影響。

〔1〕烏蘭吐雅，劉愛軍，高娃 .內(nèi)蒙古天然草原植被20年動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)〔J〕.草業(yè)科學(xué)，2009，26（9）：40－42.

〔2〕田慶久，閔祥軍 .植被指數(shù)研究進(jìn)展〔J〕.地球科學(xué)進(jìn)展，1998，13（4）：327－333.

〔3〕陳江南，李會(huì)安，鐘思勵(lì)，等 .黑河下游額濟(jì)納旗天然林草植被保護(hù)途徑探討〔J〕，水土保持學(xué)報(bào)，2004，8，（2）：45－48.

〔4〕毛飛，孫涵，張艷紅，等 .近20年藏北草地地表參數(shù)動(dòng)態(tài)變化研究〔J〕.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（4）：166－172.

〔5〕張宏斌 .基于多源遙感數(shù)據(jù)的草原植被狀況變化及其驅(qū)動(dòng)力研究〔D〕.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2007.

〔6〕王晨軼，李秀芬，紀(jì)仰慧 .黑龍江省植被長(zhǎng)勢(shì)遙感監(jiān)測(cè)解析〔J〕.中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2009，30（4）：582－584.

〔7〕嚴(yán)建武，李春娥，袁雷，等.EOS－MODIS數(shù)據(jù)在草地資源監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)展綜述〔J〕.草業(yè)科學(xué)，2008，25（4）：1－9.

〔8〕徐斌，楊秀春，陶偉國(guó)，等 .中國(guó)草原產(chǎn)草量遙感監(jiān)測(cè)〔J〕.生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，27（2）：405－413.

〔9〕閻福禮，李震，邵蕓，等 .基于NOAA.AVHRR數(shù)據(jù)的西部植被覆蓋變化監(jiān)測(cè)〔J〕.蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，39（2）：18－23.

〔10〕張宏斌，唐華俊，楊桂霞，等.2000～2008年內(nèi)蒙古草原MODIS NDVI時(shí)空特征變化〔J〕.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（9）：168－175.

〔11〕金曉媚，胡光成，李文梅 .中國(guó)西北地區(qū)額濟(jì)納綠洲植被蓋度與黑河流量的滯后效應(yīng)研究〔J〕.地學(xué)前緣，2008，15（4）：198－203.

〔12〕劉詠梅，趙忠福，王麗華 .額濟(jì)納河水資源變化對(duì)其流域天然植被的影響〔J〕.內(nèi)蒙古氣象，2008，（6）：14－15－23.

〔13〕都瓦拉，鄧曉東，玉山 .黑河下游分水對(duì)額濟(jì)納綠洲植被恢復(fù)效果的遙感監(jiān)測(cè)〔J〕.干旱氣象，2008，26（4）：67－70.