基于NDVI的三峽庫區植被時空變化規律研究

張思詩,杜曉初

(湖北大學資源環境學院,湖北 武漢 430062)

植被是陸地生態系統和景觀的重要組成部分,在物質與能量循環中起著非常重要的作用,對區域植被研究十分重要,目前大多采用植被指數進行研究.植被指數在表現植被信息和狀態時,是通過紅色可見光通道與近紅外光譜通道的組合來實現的,在一定程度上反映植被的演化信息.在這些植被指數中,歸一化植被指數NDVI(normalized difference vegetation index)能夠較為準確地反映地表植被的生長狀況以及覆蓋程度等特征[1-3],在植被活動的研究中得到了廣泛應用.NDVI被定義為近紅外波段與可見光紅波段數值之差和這兩個波段數值之和的比值,是植被生長狀態及植被覆蓋度的最佳指示因子,也是季節變化和人為活動影響的重要指示器[4],其表達式為：NDVI=(NIR-R)/(NIR+R),其中,NIR為近紅外波段的反射值,R為可見光紅波段的反射值.王晶晶等采用NDVI序列計算植被覆蓋度對三峽大壩蓄水前后岸邊3 km緩沖區的植被覆蓋變化進行了研究,得出三峽大壩岸邊帶植被覆蓋變化顯著、總體上有增加趨勢的結論[5]；范莉等利用MODIS-NDVI數據分析重慶三峽庫區水稻關鍵生育期的長勢并對產量進行預測[6].這些工作對于三峽庫區植被覆蓋以及水稻長勢和產量預測有一定研究,而對于三峽庫區NDVI時空變化規律研究涉及較少.

為此,本文中主要以三峽庫區為研究區,參考國家1∶400萬基礎地理數據,通過對該區域2001-2008年間歸一化植被指數NDVI的分析,研究該地區植被的空間分布特征、年內及年際變化規律,探討2001-2008年間三峽庫區植被覆蓋率的變化趨勢.

1 數據來源與分析方法

1.1研究區地理背景與數據源三峽庫區位于東經106°16′～111°28′與北緯28°56′～3l°44′之間[7],地形復雜,地貌類型多樣,土地結構復雜,有利于各種植被類型的發育.該地區在植物區系上和植被類型上顯示出豐富性和多樣性,且氣候特征明顯,水熱條件優越.三峽庫區的生態環境直接影響到居民生活的安定性以及整個三峽工程的長期安全運行,因此對三峽庫區的研究顯得尤為重要.

本文中所使用的數據來自EOS/MODIS數據,為2001-2008年逐月的數據. EOS/MODIS數據獲取信息的速度較快,分辨率高,覆蓋范圍廣,能夠定量獲取植被信息,因此本文中利用MODIS/NDVI數據,對三峽庫區2001-2008年NDVI變化規律進行研究.此外,由于冬季積雪會對NDVI值產生一定的影響,所以本文中僅對生長季內即3-10月的植被長勢進行分析[8].

輔助的空間數據為國家1∶400萬基礎地理數據.

1.2 分析方法

(1)進行數據的預處理,利用NDVI柵格數據和三峽的邊界數據,使用ArcGIS9.2空間分析模塊的柵格計算器功能,提取三峽庫區NDVI圖層的范圍.

(2)在ArcGIS9.2的空間分析模塊的柵格計算器內對2001-2008年逐月數據進行計算,得到月均及年均NDVI的數據.

(3)使用回歸方法檢驗月均NDVI年內生長季平均NDVI以及NDVI極差的變化趨勢,將NDVI時間序列看成時間的一元線性回歸函數:Y=at+b,

其中a表示趨勢傾向,a>0時,說明隨時間t變化Y呈現上升趨勢；a<0時,表示隨時間t變化Y呈現下降趨勢,a的絕對值大小則表示上升或下降的速率.

2 三峽庫區植被時空變化規律分析

2.1NDVI空間分布特征NDVI對植被分布的變化非常敏感,對三峽庫區2001-2008年NDVI空間分布的變化見圖1.可以看到,2001-2008年的植被覆蓋范圍總體上呈增加的趨勢,2001-2004年逐步在庫區東北部地區增加,中部地區也有一定程度的上升趨勢.其中,2001年庫區的植被覆蓋范圍較小,2002-2004年NDVI高值區分布呈上升趨勢,說明植被的覆蓋率在逐漸增加,而到了2005年,植被覆蓋率驟降,三峽大壩的修建對庫區的植被造成了一定程度的影響,水庫壩上水位的上升,人為的破壞以及氣候原因,都是造成2005年NDVI高值區下降的因素.然后2006-2008年,NDVI高值區分布又呈上升趨勢,并且開始有區域內均勻分布的趨勢,這與后期指定的庫區的生態工程建設方案,包括早期的中國21世紀議程——林業行動計劃、生態防護林體系的建設、綜合治理和開發建設等一系列措施的頒布有一定的關系[5].

圖1 三峽庫區NDVI空間分布圖(2001-2008年)

圖2 2001-2008年三峽庫區NDVI的年際變化曲線

2.2NDVI年際變化將2001-2008年生長季內NDVI數據進行統計后得到三峽庫區NDVI的年際變化曲線如圖2所示,可以看出,三峽庫區平均NDVI值一般在0.472～0.797之間變化,2003年5月達到最大值0.797,可見當月植被長勢最好；2001年3月出現最小值0.472,可見當月植被長勢最差；2005年和2003年分別出現次小值0.497 5和0.497 8.

表1 月均NDVI年際變化趨勢線方程(2001-2008年)

R2表示方程的確定系數；*表示通過0.05水平的顯著性檢驗,下同.

2001-2008年三峽庫區內月均及年均NDVI的變化趨勢線方程見表1.從表1中可以看出, 3-6月的NDVI均呈顯著性上升趨勢,增加的速率a依次為0.011 1、0.014 3、0.010 7、0.006 3,說明在3-6月庫區的植被生長狀況較好,覆蓋率較高；而7月和10月的NDVI呈現下降趨勢,減少的速率a分別為-0.003 1和-0.000 2.但可以看到,年均NDVI呈現上升趨勢,增加的速率a為0.005 2.這說明3-6月的溫度和降水對農作物的生長較為有利,此結果對作物生長具有一定的指導意義.

2.3NDVI年內變化首先分析生長季內各月的NDVI變化情景.對8年的3-10月NDVI求平均值,得到月均NDVI年內變化趨勢圖,見圖3.圖3給出了庫區植被NDVI值多年平均的年內變化趨勢及標準差,可以看出這8個月份里,7月的NDVI值最高,3月的NDVI值最低,說明在生長季內,7月植被覆蓋率最高,長勢最好,而3月植被覆蓋率最低,長勢最差.這是由于7月的溫度和降水較為適合農作物的生長.

圖3 月均NDVI年內變化趨勢

由于NDVI的季節變化可以反映出植被生長過程中的變化差異, NDVI極差(年內NDVI最大與最小值之差)可以作為衡量NDVI季節變化的量度指標[9].由2001-2008年NDVI極差變化的趨勢分析結果可得到方程:Y=-0.012 5t+25.334 5*,

其中t表示時間,Y表示NDVI極差.從該方程我們可以看出,NDVI極差呈逐年下降趨勢.

3 結果與結論

對三峽庫區2001-2008年NDVI時空變化規律的研究結果表明：

(1)三峽工程修建以來,對庫區植被的影響較大.通過對2001-2008年NDVI時空分布特征分析可以得到,除了2005年各方面因素的影響導致植被覆蓋率減少外,庫區的NDVI基本上呈上升趨勢,說明三峽庫區植被覆蓋有增加并且達到區域內逐漸均勻分布的趨勢.

(2)NDVI的年際變化趨勢表明2001-2008年除7月外,植被的月均NDVI值均呈增加趨勢,特別是3-6月尤為顯著,年均NDVI也呈上升趨勢,表明三峽庫區內植被覆蓋度增加,生態環境有逐漸改善的趨勢.

(3)生長季內各月的NDVI變化表明,三峽庫區在生長季內,7月植被覆蓋率最高,長勢最好,而3月覆蓋率最低,長勢最差.NDVI的季節變化研究表明NDVI極差呈逐年下降趨勢,說明三峽庫區的植被覆蓋率越來越高.

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