基于NDVI的渭河流域時空演變分析

傅志軍 黃蓉 周毓棟 任源鑫

摘要：基于渭河流域2010—2015年MODIS NDVI時序數據集，采用GRC趨勢分析法、植被覆蓋度估算，分析2010—2015年渭河流域NDVI的變化趨勢，并對2010和2015年植被覆蓋度的時空格局進行分析。結果表明，2010—2015年，渭河流域NDVI均值呈緩慢增加趨勢，僅增加了2.7%。渭河流域植被覆蓋度總體呈現由西北向東南逐漸增加的趨勢，高覆蓋區仍集中分布在渭河谷地及延安南部。2010—2015年中高覆蓋和高覆蓋區面積分別增加3.2%、9.3%，中低覆蓋和中覆蓋區面積分別減少6.7%、5.9%。輕微改善區主要分布在天水地區，輕度退化區主要分布在秦嶺北麓以及延安南部，明顯退化區分布在六盤山南麓以及關中地區。

關鍵詞：渭河流域;NDVI;植被覆蓋度;變化趨勢

中圖分類號：TP79;Q948.156? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）06-0054-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.06.013? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： Based on the 2010—2015 MODIS NDVI time series data sets of Wei River basin， the change trend of NDVI in Wei River basin from 2010 to 2015 as well as the spatial and temporal pattern of vegetation coverage in 2010 and 2015 by GRC trend analysis method and vegetation coverage estimation were analyzed. Results showed that the value of NDVI increased slowly in the Wei River basin during 2010—2015 with a growth rate of 2.7%. The vegetation coverage increased gradually from northwest to southeast， and the high coverage areas were still concentrated in Wei River valley and the south of Yan'an. From 2010 to 2015， the area of high-middle coverage and the high coverage increased by 3.2% and 9.3%， respectively; The area of middle and low-middle coverage was reduced by 6.7% and 5.9%， respectively. The minor improvement areas were mainly distributed in the Tianshui area， and the minor degradation areas were mainly distributed in the northern of Qinling Mountains and the southern of Yan'an， and the obvious degradation areas were distributed in the southern foot of Liupan Mountain and Guanzhong region.

Key words： Wei River basin; NDVI; vegetation coverage; variation trend

植被是連接大氣、水體、土壤的自然紐帶，在調節大氣、保持水土和維護生態系統穩定等方面具有十分重要的作用[1]。某一地區的植被生長狀況可以通過計算植被覆蓋度得到，兩者之間具有很好的相關性。植被覆蓋度指單位面積內植被的垂直投影面積所占百分比，它不僅是衡量生態環境狀況的重要指標，也是許多土壤侵蝕模型中所需的重要參數[2]。

近年來，隨著遙感技術的發展，利用相應光譜波段進行分析，建立植被指數模型，反演地表植被覆蓋狀況的遙感量測法被推廣應用[3]。遙感量測法具有適合于較大區域植被實時監測，滿足多時相變化分析等優勢。目前，基于遙感量測多用來分析區域植被覆蓋度的整體變化趨勢，對于區域內小范圍變化趨勢不能很好地反映。研究證明，歸一化植被指數（Normalized difference vegetation Index，NDVI）是監測地區和全球植被及生態環境的有效指標，是反演植被覆蓋狀況的最佳指示因子[4]。

本研究以空間分辨率為250 m、時間分辨率為16 d的MODIS為數據源，通過數據預處理獲得2010—2015年渭河流域年均NDVI時間序列，采用最大值合成、GRC趨勢分析，植被覆蓋度估算及分析渭河流域NDVI的變化趨勢，并對2010和2015年植被覆蓋度的空間分布進行分析，旨在探明該流域植被演變規律以及為改善該流域內的生態環境提供科學合理的建議。

1? 數據與方法

1.1? 研究區概況

渭河流域位于33.42°-37.5°N，103.5°-110.5°E，涉及陜西、甘肅、寧夏三省（自治區），流域面積13.48萬km2，其中甘肅占44.1%、寧夏占6.1%、陜西占49.8%（圖1）。流域地勢西北高東南低，南北兩側山地呈階梯狀向渭河干流傾斜[5]，流域北部為黃土高原，南部為秦嶺山區。流域處于干旱地區和濕潤地區的過渡地帶，多年平均降水量572 mm，北岸400～700 mm，南岸800～900 mm。渭河流域處于南北方的地形、氣候過渡區，是連通西北、西南的咽喉要地，其生態環境對該區的社會經濟發展尤為重要，因此研究渭河流域植被覆蓋的變化趨勢對制定合理的土地利用和保護渭河流域生態建設的方案具有重要意義。

1.2? 數據來源與處理

采用的NDVI數據來源于MODIS植被指數產品數據MOD13Q1，空間分辨率為250 m，時間分辨率為16 d，時間范圍是2010年1月至2015年12月。使用ArcGIS軟件將下載的NDVI數據進行格式轉換，并用ERDAS軟件進行投影轉換，把原有格式轉換為Geotiff格式，把原有投影轉換成WGS-84坐標下的投影。將16 d的NDVI數據運用最大值合成，去除云、大氣等產生的影響，并利用渭河流域圖裁剪2010—2015年逐月NDVI柵格數據集[6]，最后為了避免某些年份氣候異常對植被生長狀態的影響，利用均值法計算獲得每年NDVI均值。此外還有渭河流域DEM數據，來源于國際科學數據服務平臺（http：//datamirror.csdb.cn/）。

1.3? 研究方法

1.3.1? NDVI的變化趨勢計算? 每一柵格像元位置的多年NDVI會隨時間變化呈現出一定的變化趨勢，綠度變換率GRC（Greenness rate of change）是用來描述NDVI這種變化趨勢的一個指標。其主要是在柵格像元的基礎上，通過最小二乘法，構建像元時序NDVI的線性回歸方程，分析各像元位置變化趨勢[7]。

式中，n為時間，以年為單位，本研究為6年;i為年份，指從起始年后的第i年，i∈（0，n];di是第i年經合成后的年NDVI。GRC>0，表明NDVI在i年間有增加趨勢;若GRC<0，則為減少趨勢;GRC絕對值越大，表明植被覆蓋變化情況越顯著。

1.3.2? 植被覆蓋度計算? 植被覆蓋度（Vegetation coverage，VC）是指植被冠層的垂直投影面積與土壤總面積的百分比[8]。對流域內地表情況未知或無法獲取植被覆蓋度時，通常對研究區的NDVI分別作置信度檢驗，取累計頻率5%和95%的NDVI分別作為區域的NDVI極小值（NDVImin）和NDVI極大值（NDVImax）。依據公式（2）估算植被覆蓋度[9]，其中NDVI代表每一柵格屬性值。

2? 結果與分析

2.1? NDVI年際變化

研究區NDVI統計結果見表1。2010—2015年渭河流域NDVI均值呈波動增加趨勢，2015年NDVI較2010年增加2.7%;2011—2012年增加0.047 8，增加率為7.8%;2013—2014年減少0.029 2，減少率為4.43%。2012年流域NDVI是6年來最高值（0.661 3），之后NDVI不斷減少，2015年達0.637 6。各年的標準差均較小，說明NDVI變化都較為平緩、幅度較小。

2.2? NDVI的變化趨勢分析

通過對渭河流域2010—2015年NDVI數據進行變化趨勢分析，得到基于像元的GRC分析結果，經相關系數顯著性檢驗后進行分級，劃分為明顯退化、輕度退化、穩定不變、輕微改善和明顯改善5級[10]。

各級的GRC取值范圍與相應分級結果在該流域的分布面積及百分比見表2。從統計結果可以看出，渭河流域整體的NDVI變化相對緩慢，約有1/3的區域基本穩定不變，NDVI改善趨勢區面積小于退化區。

使用ArcGIS軟件得到GRC變化趨勢空間格局如圖2所示。從空間上來看，流域內植被變化不均，存在空間差異性。2010—2015年，輕微改善區主要分布在天水地區，平涼部分地區也得到輕微改善。輕度退化區主要分布在秦嶺北麓以及延安南部;明顯退化區主要分布在六盤山南麓、白于山南麓以及關中地區，一方面是因為該區位于黃土高原丘陵溝壑區，土質疏松，水土流失使得植被不易存活[11];另一方面由于關中地區是流域內城市、人口集中區，城市的發展導致綠地不斷減少。

2.3? 植被覆蓋度分析

利用公式（2）估算出2010和2015年渭河流域植被覆蓋度，并分為低覆蓋[0，30%）、中低覆蓋[30%，45%）、中覆蓋[45%，60%）、中高覆蓋[60%，75%）、高覆蓋[75%，100%]5級[12]，結果如圖3所示。各級植被覆蓋度占流域面積的百分比見圖4。

渭河流域植被覆蓋度總體呈現出由西北向東南逐漸增加的趨勢，高覆蓋區仍集中分布在渭河谷地及延安南部地區。2010年，渭河上游天水地區的植被覆蓋度較低，而到2015年，這些區域的植被覆蓋有明顯的提高，說明生態環境和區域退耕還林工程成效明顯。在西安市城區，植被覆蓋度也有大幅提升。與2010年相比，2015年涇河上游慶陽地區低覆蓋和中低覆蓋區面積明顯減少，延安地區中高覆蓋區面積明顯增加，關中地區低覆蓋區面積也明顯減少，可見流域內植被覆蓋狀況明顯改善。

研究區總面積是13.43萬km2，經統計，2010年低覆蓋度的面積是1.343萬km2，占總面積的6.5%，中低覆蓋度、中覆蓋度、中高覆蓋度、高覆蓋度的面積占流域總面積的百分比分別為18.2%、25.1%、21.0%、29.3%。2015年低覆蓋度、中低覆蓋度、中覆蓋度、中高覆蓋度、高覆蓋度的面積占總面積的百分比分別為6.5%、11.5%、19.2%、24.2%、38.6%。2010—2015年中高覆蓋和高覆蓋區面積分別增加了3.2%、9.3%，中低覆蓋和中覆蓋區面積分別減少了6.7%、5.9%，而低覆蓋區面積基本沒有變化，植被覆蓋狀況整體明顯改善。

3? 小結與討論

根據渭河流域2010—2015年的NDVI數據，采用GRC趨勢分析法、植被覆蓋度估算，研究近6年渭河流域NDVI的變化趨勢及2010和2015年植被覆蓋度的時空格局。

2010—2015年渭河流域NDVI均值呈緩慢增加趨勢，2015年NDVI相比于2010年增加了2.7%。

渭河流域整體的NDVI變化相對緩慢，約有1/3的區域基本保持不變，NDVI改善區面積小于退化區。2010—2015年，輕微改善區主要分布在天水地區，平涼部分地區也得到輕微改善。輕度退化區主要分布在秦嶺北麓以及延安南部;明顯退化區主要分布在六盤山南麓、白于山南麓以及關中地區。

2010—2015年中高覆蓋和高覆蓋區面積分別增加了3.2%、9.3%，中低覆蓋和中覆蓋區面積分別減少了6.7%、5.9%。渭河流域植被覆蓋度總體呈現由西北向東南逐漸增加的趨勢，高覆蓋區仍集中分布在渭河谷地及延安南部。2010年，渭河上游天水地區的植被覆蓋度較低，而到2015年，這些區域的植被覆蓋有明顯的提高，說明生態環境和區域退耕還林工程成效明顯。在西安市城區，植被覆蓋度也有大幅提升。可見流域內植被覆蓋狀況有明顯改善。

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