基于NDVI的黃淮海平原2001-2010年植被覆蓋變化分析

鄭維龍，劉 珺

(太原理工大學 礦業工程學院，太原 030024)

植被是連結土壤、大氣和水分等自然要素的紐帶，能夠在很大程度上代表一個地區的生態環境總體狀況，并在全球變化研究中起著“指示器”的作用[1-2]。構建長時序的植被覆蓋監測，對于了解一個區域的植被生長和生態環境變化，具有重要的意義。遙感監測技術因其監測范圍廣、受約束條件小等特點，在植被變化監測中得到廣泛的應用。歸一化植被指數(normalized difference vegetation index，NDVI)，由于其對植被監測具有較高的靈敏度，被認為是監測植被生長狀況的最佳指示因子[3]，廣泛地應用于植被覆蓋變化監測、生物生產量評估、生態環境變化監測等研究。

多年來，國內外許多學者利用NDVI數據對不同地區植被覆蓋變化及其驅動力進行了大量研究。不少學者從NDVI的變化速率和變化特征，探討了海拔、氣象、人類活動等因素對NDVI的影響，得出了不同研究區域植被覆蓋的變化特征及其對驅動力的響應關系[4-7]。土地利用轉變和植被蓋度變化也是影響植被覆蓋變化的客觀因素,但少有學者將這兩者考慮到植被覆蓋變化監測中。因此在植被覆蓋變化監測中，需要結合土地利用變化和植被蓋度變化進行分析。

黃淮海平原處于干旱半干旱地區，是我國第二大平原，該區域城市化發展迅速、生態環境脆弱、植被覆蓋變化復雜。本研究利用NDVI數據集，著重從降水、土地利用以及植被蓋度等方面剖析黃淮海平原2001-2010年的植被覆蓋變化，以便為該區域的植被變化、生態研究以及水土保持提供科學的依據。

1 研究區域簡介

黃淮海平原(114°～120°E，32°～40°N，圖1)又稱作華北平原，位于燕山以南，淮河以北，太行山以東，瀕臨渤海和黃海，行政區域橫跨五省二市，面積約31萬km2，是我國第二大平原，也是重要的農業工業生產基地。該地區氣溫屬溫帶大陸性氣候，年降水量在500～700 mm之間，年際降水差異較大且區域性降水分布不均勻。西北部的山地高原以及中部的魯中丘陵植被生長茂密，植被類型以針葉林、闊葉林、草叢、草甸為主；其余70%區域地勢平坦，以小麥、玉米、棉花等多熟制栽培植被為主[8]。

圖1 研究區位置及植被類型分布圖Fig.1 Location and vegetation cover type of the study area

2 數據源與預處理

本研究選用美國國家航天局(NASA)的MODIS遙感數據，包括覆蓋黃淮海平原4個軌道(h26v04，h26v05，h27v04，h27v05)的2001-2010年的MOD09A1地表反射率產品、2001年與2010年兩年的MCD12Q1土地覆蓋數據產品和MOD44B植被蓋度產品。在ENVI軟件中將數據進行拼接、投影轉換等預處理。參照IGBO土地分類方案，考慮到研究區域未利用地較少，將黃淮海區域的MCD12Q1土地覆蓋產品分為林地、草地、耕地、水體和建設用地等5類，得到黃淮海平原2001年和2010年土地利用圖(圖2)和不同地類占比(表1)。按照植被蓋度的百分比劃分[9]，將研究區域的植被蓋度分為6類，得到黃淮海平原2001年與2010年植被蓋度空間分布圖(圖3)與植被蓋度占比(表2)。在ENVI軟件中通過波段運算并利用最大值合成法[10]得到黃淮海平原每年的年均NDVI時間序列影像數據集。利用中國氣象科學數據共享服務網(http://data.cma.cn)提供的包含黃淮海平原及周邊氣象站的2001-2010年期間每年的年降水總量，借助Arcgis軟件中克里金插值法將氣象站點的降水量進行空間插值，結合黃淮海平原行政矢量圖將其裁剪，使降水的空間分辨率、投影與研究區域的NDVI一致。研究區域的1∶100萬植被類型數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn).

3 研究方法

3.1 矩陣轉移方法

土地利用轉移矩陣是描述不同地類之間相互轉換的一種方式[11]，目前可以通過這種方法來監測不同時期植被蓋度的相互轉換關系[12]。

圖2 黃淮海平原2001年與2010年土地利用分類圖Fig.2 Landuse of Huang-Huai-Hai plain in 2001 and 2010

圖3 黃淮海平原2001年與2010年植被蓋度空間分布Fig.3 Spatial distribution patterns of vegetation continuous fields of Huang-Huai-Hai plain in 2001 and 2010

年份林地草地耕地水體建設用地20017.707.9068.143.8012.4620108.837.1065.834.3413.90

表2 2001年和2010年黃淮海平原植被蓋度占比Table 2 Percentage of vegetation continuous fields in Huang-Huai-Hai plain in 2001 and 2010 %

3.2 相關系數法

借助于皮爾遜相關系數[13]定量地研究黃淮海地區NDVI與降水因子之間的關系。兩者之間的相關系數如下式所示：

(1)

式中：xi為每年的年降水總量；R為相關系數；β為10 a降水總量的平均值；yi為每年的年均NDVI；γ為10 a的年總NDVI均值；i=1～10，n=10為樣本數。相關系數的絕對值越接近于1，說明二者的相關性越高；如果R>0，表明二者正相關，反之則負相關。

3.3 差值法

為了定量地比較同一區域不同時期的植被實際變化狀況，用兩景影像做差，差值用δ來表示。δ>0表示植被增加，δ<0表示植被減少；即，δ絕對值越大，說明研究年份內植被動蕩越嚴重。

3.4 趨勢影響法

以像元為基本單位，建立降水與歸一化植被指數之間的線性回歸模型，得出降水對植被的影響趨勢分布[6]。具體公式如下：

(2)

式中：η代表每個像元的NDVI受降水影響的趨勢；n=10為樣本數；xi為每年的年降水總量，β為10 a降水總量的平均值；yi為每年的年均NDVI，γ為10 a的年總NDVI均值；i=1～10.

每個像元的η值都不一樣，不同的η構成了研究區域的整景影像。η>0，表明受降水影響NDVI呈增長趨勢；η<0，表明受降水影響NDVI呈減少趨勢。η的正負只表明降水對植被生長的影響趨勢，其值的大小與變化程度無關。

4 結果與分析

4.1 植被覆蓋變化分析

通過土地利用轉移矩陣得到黃淮海平原2010年新增地類分布圖(圖4)。參照相關分類標準[12]將植被蓋度變化分為略微降低、明顯降低、明顯增加、略微增加、不變等5類(圖5).

圖4 黃淮海平原2010年新增地類分布Fig.4 Distribution of newly added landuse of the Huang-Huai-Hai plain in 2010

圖5 黃淮海平原2001年與2010年植被蓋度變化分布Fig.5 Distribution of vegetation continuous fields changes in Huang-Huai-Hai plain in 2001 and 2010

對圖2和表1進行分析后得出：與2001年相比，2010年黃淮海平原耕地和草地的總面積在減少，而林地和建設用地以及水體總面積在增加；在空間分布上，新增水體的區域主要分布在安徽省北部以及山東省南部，新增林地和草地的區域主要集中在北京市轄區、黃淮海平原與山西高原交匯處的丘陵山區地帶，新增建設用地主要體現在城市周邊及地理位置優越的地方，新增耕地的區域主要在黃淮海平原的西北部。這些變化與劉永強等[14]的研究相一致。

對表2和圖5的分析表明：黃淮海平原北部和南部的植被蓋度呈顯整體增長趨勢，中部呈下降趨勢。與2001年相比，2010年植被蓋度10%～20%的區域占比呈上升趨勢；植被蓋度小于10%的區域占比呈下降趨勢；植被蓋度20%～30%的區域占比增長比較明顯，增加了3.44%，說明林地草地的擴張、生物生產量的提高促進了這些區域植被蓋度的增長。

4.2 植被與降水的相關性分析

為了研究植被受降水的影響程度，以相關系數R作為指標，將黃淮海平原年均NDVI與年總降水量做了相關性分析(圖6)。其中，R≥0.70的區域主要集中在黃淮海平原北部及其與山西高原及燕山山脈的交匯處、魯中南地區、膠州半島以及黃淮海平原南部的區域。對不同植被類型與降水量的關系(圖1和圖6)進行分析后發現，林地、草地的NDVI與降水量呈現顯著正相關。其中，草甸與降水的相關系數最高，為0.86，其他植被與降水的相關性由高到低依次為草叢、灌叢、針葉林、闊葉林，相關系數分別為0.84，0.82，0.76，0.72.其他地類則表現出不相關或負相關，這說明這些區域的植被的生長更多依賴于人類的影響。黃淮海平原耕地面積所占比重較大，農業植被生長所需的水分更多還是來自人工灌溉[13]。

圖6 黃淮海平原NDVI與降水量的相關性分布Fig.6 Distribution of corelation between rainfall and NDVI in Huang-Huai-Hai plain

4.3 差值分析

為了真實地對比這兩年植被的實際變化狀況，通過計算得到2001年和2010年研究區的NDVI差值δ分布圖(圖7)。考慮到不同植被覆蓋類型變化，將差值變化分為明顯改善、 一般改善、幾乎不變、一般退化和嚴重退化等5類，通過計算得到5種不同變化的占比(表3).

圖7 黃淮海平原2010年與2001年NDVI差值分布Fig.7 Difference distribution of NDVI in 2001 and 2010 of Huang-Huai-Hai plain

變化程度差值δ分布占比/%嚴重退化δ≤-0.20.28一般退化-0.2≤δ<-0.19.18幾乎不變-0.1≤δ<0.158.74一般改善0.1≤δ<0.231.55明顯改善0.2≤δ0.25

由圖7和表3可以看出：植被呈嚴重退化的區域主要集中在山東省微山湖、江蘇省宿遷市以及天津市轄區。結合圖2可以看到，水體面積的擴張是導致這些區域植被嚴重退化的主要原因。呈一般退化狀態的區域主要集中在河北省中部、山東省北部、黃河流域、北京市和天津市。其中，山東省北部和黃河流域主要是由優質林地草地轉向了耕地，而其他區域植被退化主要是由耕地轉向了建設用地[14]，從而導致這些區域植被的退化。

植被覆蓋呈現改善的區域主要體現在：河北平原北部及其與山西高原的交匯處，北京市轄區。由于各種因素[15]，耕地逐步被林地和草地取代[14]，導致植被的增長[16]。植被覆蓋明顯改善的區域在河南省的駐馬店市，生物生產量和植被蓋度的提高帶來了這樣的結果。植被覆蓋呈不變區域主要集中在黃淮海平原的耕地上，側面說明農業用地的植被蓋度變化幅度是最小的。

4.4 降水對NDVI趨勢分析

通過分析降水對NDVI的影響趨勢(圖8)可以看到，η>0的區域主要集中在黃淮海北部、魯中地區以及河南省和安徽省的南部。受降水驅動的影響，在太行山生態功能保護區和京津水源涵養功能保護區的植被呈增長趨勢；這與實際的變化是相吻合的[15]，說明降水對自然植被的影響是比較明顯的。這些區域受人類活動影響較小，降水是自然植被生長的主要驅動力。η<0的地方主要集中在河北平原區域、河南省北部、安徽省北部和山東省西部，這些地方降水偏少且地類多以耕地為主，說明人工灌溉是這些區域植被生長的主要驅動力。

圖8 降水對黃淮海平原NDVI的影響趨勢Fig.8 Influence of rainfall on NDVI of Huang-Huai-Hai plain

5 結論

基于MODIS-NDVI數據，通過相關系數法、差值法及趨勢分析法，結合降水、土地利用變化及植被蓋度變化等因素對黃淮海平原的植被覆蓋變化及其驅動力進行了研究分析，得出如下結論：

1) 黃淮海平原的林地和草地與降水量的相關性較高，且受降水的驅動力影響植被呈增長趨勢。

2) 與2001年相比，2010年黃淮海平原的植被蓋度整體呈上升趨勢，林地的增加和生物生產量的提升是產生這種變化的主要因素。

3) 黃淮海平NDVI差值變化監測中，農業用地的變化最小。

4) 與2001年相比，2010年黃淮海平原的植被覆蓋發生了不同程度的變化，林地、水域和建設用地的總面積在增加，草地和耕地的總面積在減少。土地利用類型轉變和植被蓋度的變化是引起植被覆蓋變化的主要因素。

：

[1] SUN H Y,WANG C Y,NIU Z,et al.Analysis of the vegetation cover change and the relationship between NDVI and environmental factors by using NOAA time series data[J].Journal of Remote Sensing,1998,2(3):204-210.

[2] 信忠保,許炯心,鄭偉.氣候變化和人類活動對黃土高原植被覆蓋變化的影響[J].中國科學D輯:地球科學,2007,37(11):1504-1514.

XIN Z B,XU J X,ZHENG W.Response of vegetation cover change to climate change and human activities in Loess Plateau[J].Science in China Series D:Earth Sciences,2007,37(11):1504-1514.

[3] SUN Z H ,LIU Z C,LEI Y P,et al.The variations of NDVI and the relation with climate inhilly and gully region of Northern Yanan[J].Acta Ecologica Sinica,2010,30(2):533-540.

[4] 宋怡,馬明國.基于Spot Vegetation數據的中國西北植被覆蓋變化分析[J].中國沙漠,2007,27(1):89-93.

SONG Y,MA M G.Study on vegetation cover change in northwest China based on Spot Vegetation data[J].Journal of Desert Research,2007,27(1):89-93.

[5] LIU X,REN Z,LIN Z,et al.The spatial-temporal changes of vegetation coverage in the Three-River headwater region in recent 12 years[J].Acta Geographica Sinica,2013,68(7):897-908.

[6] LAMCHIN M,PARK T,LEE J Y,et al.Monitoring of vegetation dynamics in the Mongolia using MODIS NDVI and their relationship to rainfall by natural zone[J].Journal of the Indian Society of Remote Sensing,2015,43(2):325-337.

[7] WU X F,LI G X,PAN X P,et al.Response of vegetation cover to temperature and precipitation in the source region of the Yellow River[J].Resources Science,2015,37(3)：512-521.

[8] XU H,JIA J H,LIU L Y,et al.Drought monitoring in Huang-Huai-Hai plain using the multi-drought indices[J].Remote Sensing Technology and Application,2015,30(1):25-32.

[9] HASEN M C,DE R S,TOWNSHEND J G,et al.The MODIS 500meter global vegetation continuous fields products[C]∥Processings of Second International Workship on the Multitemp 2003:Analysis of Multi-temporal Remote Sensing Images,2004:295-301.

[10] SUN Y L,GUO P.Spatiotemporal variation of vegetation coverage index in north China during the period from 1982 to 2006[J].Arid Zone Research,2012,29(2):187-193.

[11] TIAN F X,XUE X,LIAO J,et al.Land use change in the watershed of the Ningxia-Inner Mongolia reaches of the Yellow River during 1990-2010[J].Journal of Desert Research,2014,34(4):1167-1176.

[12] YANG L,ZHANG M,LUO M L,et al.Landscape pattern change of vegetation coverage in hilly area of central Sichuan,southwest China based on MODIS NDVI[J].Chinese Journal of Ecology,2013,32(1):171-177.

[13] 杜靈通，田慶久.寧夏植被覆蓋動態變化及與氣候因子的關系[J].中國沙漠,2012,32(5):1479-1485.

DU L T,TIAN Q J.Vegetation coverage variations in Ningxia during 1999-2009 and its relationships with climatic factors[J].Journal of Desert Research,2012,32(5):1479-1485.

[14] 劉永強，龍花樓.黃淮海平原農區土地利用轉型及其動力機制[J].地理學報,2012,32(5):1479-1485.

LIU Y Q,LONG H L .Land use transitions and their dynamic mechanism:The case of the Huang-Huai-Hai plain[J].Journal of Geographical Sciences,2016,26(5):515-530.

[15] SHI S,FENG J Z,Zhou Y Y,et al.Dynamic change of the aboveground biomass and net primary productivity in the areas of Beijing and Tianjin sand source control project[J].Journal of Basic Science & Engineering,2010,18(6):886-894.

[16] Yan E P,LIN H,DANG Y F,et al.The spatiotemporal changes of vegetation cover in Beijing-Tianjin sandstorm source control region during 2000-2012[J].Acta Ecologica Sinica,2014，34(17):5007-5020.