基于NDVI的農(nóng)牧交錯(cuò)帶典型地區(qū)時(shí)空動(dòng)態(tài)特征研究
——以吉林西部為例

楊佰義，皮龍風(fēng)，李程程

(1.山東科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590；2.即墨市國土資源局，山東青島 266200)

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基于NDVI的農(nóng)牧交錯(cuò)帶典型地區(qū)時(shí)空動(dòng)態(tài)特征研究

——以吉林西部為例

楊佰義1，皮龍風(fēng)1，李程程2

(1.山東科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590；2.即墨市國土資源局，山東青島 266200)

[目的]探討農(nóng)牧交錯(cuò)帶典型地區(qū)的時(shí)空動(dòng)態(tài)特征。[方法]基于MODIS歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)集(2000～2010年)，采用空間自相關(guān)分析和趨勢(shì)分析方法，以吉林西部為例，研究農(nóng)牧交錯(cuò)帶典型地區(qū)地表植被空間分布特征。[結(jié)果]2000～2010年，吉林西部地表植被在生長季呈明顯上升趨勢(shì)；研究區(qū)地表植被的空間分布表現(xiàn)出正相關(guān)，但在局部地區(qū)地表植被分布有破碎傾向，空間分布的整體性一般。[結(jié)論]該研究為人類合理保護(hù)自然提供科學(xué)依據(jù)。

吉林西部；典型農(nóng)牧交錯(cuò)帶；NDVI；時(shí)空動(dòng)態(tài)特征

植被作為自然環(huán)境最敏感的要素，其變化在環(huán)境和全球變化研究中起著重要的指示性作用[1-2]。地表歸一化植被差值植被指數(shù)(NDVI)對(duì)植被的生物物理特征十分敏感，許多學(xué)者在全球和區(qū)域尺度下研究植被變化對(duì)氣候要素的響應(yīng)特征[3]。植被具有涵養(yǎng)水源、保持水土的作用，有助于生物地球化學(xué)的良性循環(huán)，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究長時(shí)間序列植被指數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確地反映植被生長變化以及時(shí)空分布規(guī)律[4]，對(duì)人類進(jìn)一步合理開發(fā)、綜合利用資源、保護(hù)環(huán)境等具有重要意義。筆者采用空間自相關(guān)分析和趨勢(shì)分析方法，以吉林西部為例，研究農(nóng)牧交錯(cuò)帶典型地區(qū)地表植被空間分布特征，以期為人類合理保護(hù)自然提供科學(xué)依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

我國農(nóng)牧交錯(cuò)帶是聯(lián)系牧區(qū)與農(nóng)區(qū)的紐帶，是東部的生態(tài)屏障和畜產(chǎn)品的供應(yīng)基地，也是西部的育肥帶、飼草供應(yīng)基地和畜產(chǎn)品的中轉(zhuǎn)市場(chǎng)。該研究區(qū)域位于農(nóng)牧交錯(cuò)帶的吉林西部，其以南是干旱的科爾泌沙地，以北是大興安嶺林區(qū)，以西是呼倫貝爾草原，區(qū)位間差異很大。近年來全球氣候變化明顯，沙漠化現(xiàn)象也越來越嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境極其脆弱[5]。2數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源遙感數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院所支持的“國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)”(datamirror.csdb.cn)中的基于MODIS傳感器且經(jīng)處理得到的NDVI數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)是每隔16d獲取一幅影像，且經(jīng)過圖像預(yù)處理(包括大氣校正，輻射校正、幾何校正等)的NDVI數(shù)據(jù)。利用ENVI軟件對(duì)研究區(qū)進(jìn)行規(guī)則裁剪，得到研究年份內(nèi)同一地區(qū)(吉林西部)的ROI(感興趣區(qū))，選取2000～2010年每年5～9月的數(shù)據(jù)代替該年的數(shù)據(jù)，因?yàn)榇硕螘r(shí)間植物生長旺季，植被覆蓋度高，數(shù)據(jù)更具代表性。

2.2研究方法

2.2.1NDVI。植被的光譜特征在無植被或者少植被的地區(qū)反差最小，中等植被區(qū)反差是紅色和近紅外波段的變化結(jié)果，而高植被區(qū)僅有近紅外波段的反差有貢獻(xiàn)，紅色波段趨于飽和，不再變化。因此，將紅光波段和近紅外波段通過波段組合得到植被指數(shù)，在一定程度上反映植被的演化[6]。

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(1)

式中，NIR是近紅外波段的值，R為紅外波段的值。NDVI的取值范圍為[-1，1]。

2.2.2年植被生長信息提取。采取每個(gè)月2幅影像的NDVI平均值來消除云霧等其他因素的影響，同時(shí)增加了對(duì)大氣、懸浮顆粒物、太陽高度角等的校正[7]。MODIS每16d的NDVI表征的是植被在每月的生長狀況，為了得到能夠代表該月植被生長情況的數(shù)據(jù)，對(duì)每月的數(shù)據(jù)計(jì)算平均值，以此定量表達(dá)該年植被長勢(shì)。

2.2.3趨勢(shì)分析。一元線性回歸分析可以模擬每個(gè)柵格的變化趨勢(shì)，很多學(xué)者采用該方法來模擬植被的綠度變化率(GreennessRateofChange，GRC)[8]。該研究采用此方法來模擬(2000～2010年)吉林西部研究區(qū)的NDVI變化趨勢(shì)，計(jì)算公式：

(2)式中，slope為2000～2010年吉林西部NDVI的線性回歸斜率，變量i為年序號(hào)，NDVIi表示第i年的NDVI值。如果slope>0，則表明NDVI在該時(shí)期植被變化趨勢(shì)在改善，反之則變差。2.2.4相關(guān)性分析。NDVI變化的相關(guān)程度和性質(zhì)，可以通過計(jì)算研究時(shí)段內(nèi)2個(gè)變量的相關(guān)系數(shù)r來確定。計(jì)算公式：

(3)

式中，r為相關(guān)系數(shù)，i為年序號(hào)，X為空間距離，Y為2 000～2010年的NDVI值，r為正數(shù)說明是正相關(guān)，r為負(fù)數(shù)說明是負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)越接近1，表明2個(gè)變量的相關(guān)性越強(qiáng)，反之則相關(guān)性越弱。

3　結(jié)果與分析

3.1NDVI時(shí)序變化特征

3.1.1NDVI年內(nèi)月際間變化。用ENVI遙感軟件提取2000～2010年吉林西部地區(qū)植物生長旺季(5～9月)的植被指數(shù)值，然后求出生長季各月(5～9月)多年的NDVI平均值，得到研究區(qū)2000～2010年5～9月NDVI的時(shí)間序列。

從圖1可以看出，吉林西部典型農(nóng)牧交錯(cuò)帶的植被在生長季中的各個(gè)月份(5～9月)月均植被指數(shù)變化明顯。5月的月均NDVI數(shù)值最小，僅為0.136 8，從5月開始，NDVI快速增加，5～7月的增加速度最為明顯，8月達(dá)到一年中的最大值(為0.313 5)，8月后NDVI開始緩慢降低。

圖1　2000～2010年吉林西部地區(qū)生長季月均NDVI變化趨勢(shì)Fig.1　Monthly NDVI change trend in growth season from 2000 to 2010 in western Jilin Province

3.1.2NDVI年際間變化。提取2000～2010年吉林西部典型地區(qū)農(nóng)牧交錯(cuò)帶植被在生長季中即5～9月的植被指數(shù)，分別求出每一年的歸一化差值植被指數(shù)的平均值，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。由圖2可知，雖然NDVI值在個(gè)別時(shí)間段有所下降，但總體上2000～2010年吉林西部研究區(qū)域的NDVI呈顯著的上升趨勢(shì)，植被覆蓋狀況得到相應(yīng)改善。

圖2　2000～2010年年均NDVI的變化趨勢(shì)Fig.2　Change trend of annual average NDVI from 2000 to 2010

3.2NDVI空間變化特征

3.2.1植被指數(shù)的空間變化趨勢(shì)。根據(jù)2000～2010年研究區(qū)的植被指數(shù)數(shù)值，得到多年變化斜率(此處用slope來表示)，然后用ArcGIS軟件繪制研究區(qū)2000～2010年NDVI變化趨勢(shì)空間分布(圖3)。由圖3可知，研究區(qū)slope≤0區(qū)域(即深色區(qū)域，顏色越深區(qū)域表示slope的斜率數(shù)值越小)表示NDVI逐年下降，說明植被覆蓋度逐漸減小，此地區(qū)的生態(tài)環(huán)境很脆弱，因此應(yīng)予以高度重視，亟待改善這些地區(qū)的狀況。且slope值小于0的區(qū)域多出現(xiàn)在吉林西部農(nóng)牧交錯(cuò)帶研究區(qū)內(nèi)，以科爾泌為中心向周圍分布；在內(nèi)蒙古草原的東側(cè)也有較大面積slope小于0的區(qū)域；吉林西部的鹽堿地中也有小于0的區(qū)域，且分布較集中。

圖3　2000～2010年吉林西部植被指數(shù)變化趨勢(shì)空間分布Fig.3　Spatial distribution of vegetation index change trend in western Jilin Province from 2000 to 2010

圖4　西部地區(qū)地表植被數(shù)值的相關(guān)系數(shù)Fig.4　Correlation coefficient of aboveground vegetation in western Jilin Province

3.2.2植被的空間分布格局。根據(jù)已有的NDVI數(shù)據(jù)，從4個(gè)方向(南—北、東北—西南、東—西、西北—東南)分別提取研究年份(2000～2001年)每一方向上的ROI(感興趣區(qū))，根據(jù)顯著性相關(guān)公式計(jì)算出NDVI值與方向分布的相關(guān)系數(shù)，在地學(xué)統(tǒng)計(jì)分析軟件的支持下，對(duì)2000～2010年研究區(qū)NDVI值的空間分布格局進(jìn)行空間自相關(guān)分析，研究植被的分布狀況和整體局部特征(圖4)。從圖4可以看出，整體上吉林西部典型農(nóng)牧交錯(cuò)帶植被指數(shù)的空間相關(guān)系數(shù)在0.1左右，說明吉林西部地區(qū)的植被分布在空間格局上是顯性的；而研究區(qū)的植被指數(shù)在南—北、東北—西南、東—西和西北—東南4個(gè)不同方向的相關(guān)系數(shù)r有較大差異，說明吉林西部NDVI在不同方向上表現(xiàn)出明顯的各向異性的特點(diǎn)。研究區(qū)的地表植被在西北—東南方向的空間相關(guān)系數(shù)最小，表明在此方向上的相關(guān)性最差。

4　結(jié)論

從時(shí)間序列角度看，2000～2010年研究區(qū)的NDVI呈上升趨勢(shì)，說明研究區(qū)內(nèi)的植被覆蓋條件在改善，生態(tài)環(huán)境得到提升，這與政府政策和人類的努力息息相關(guān)。從空間格局角度看，研究區(qū)的空間相關(guān)系數(shù)較小，說明植被相關(guān)程度低，地表植被的聚集趨勢(shì)弱，植被的分布破碎化，且各個(gè)方向的

相關(guān)系數(shù)r不同，說明植被分布在各個(gè)方向表現(xiàn)各向異性的特點(diǎn)?？梢愿鶕?jù)該研究結(jié)果有意識(shí)地改善該地區(qū)的植被覆蓋情況，為人類合理保護(hù)自然提供科學(xué)依據(jù)，使自然朝著更加合理的方向演變，實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧相處。

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TheTemporalandSpatialDynamicCharacteristicsofTypicalAreaintheFarming-pastoralEcotoneBasedonNDVI—ACaseofWesternJilinProvince

YANGBai-yi1,PILong-feng1,LICheng-cheng2

(1.GeomaticsCollege，ShandongUniversityofScienceandTechnology，Qingdao,Shandong266590; 2.LandResourcesBureauofJimoCity,Qingdao,Shandong266200)

[Objective]Todiscussthetemporalandspatialdynamiccharacteristicsoftypicalareainthefarming-pastoralecotonebasedonNDVI. [Method]BasedontheMODISNDVIdatasetsfrom2000to2010,thespatialdistributionofNDVIfortheabove-groundvegetationintypicalareaofthefarming-pastoralecotoneinwesternJilinProvincewasstudiedbyspatialautocorrelationanalysisandtrendanalysismethods. [Result]NDVIforthevegetationinthewesternJilinProvinceperformedasignificantlyrisingtrendinthegrowingseasonduring2000-2010.spatialdistributionofabovegroundvegetationinresearchregionshowedapositivecorrelation,buttherewasafragmenteddistributioninsomespecialareas,indicatingthegeneralintegrityofvegetationdistribution. [Conclusion]Thisresearchprovidesscientificbasisfortherationalprotectionofnature.

WesternJilinProvince;Typicalareaofthefarming-pastoralecotone;Normalizeddifferencevegetationindex(NDVI);Temporalandspatialdynamiccharacteristics

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41172108)；山東省“泰山學(xué)者”建設(shè)工程專項(xiàng)。

楊佰義(1989- )，男，山東膠州人，碩士研究生，研究方向：“3S”技術(shù)集成與應(yīng)用。

2016-05-19

S181

A

0517-6611(2016)18-062-03