基于MODIS的中國天山中部北麓植被動態變化

古尼齊木·阿不迪熱西提，阿里木江·卡斯木, 2,3 *，買爾孜亞·吾買爾，高鵬文

(1. 新疆師范大學地理科學與旅游學院, 新疆 烏魯木齊 830054; 2.新疆師范大學絲綢之路經濟帶城市發展研究中心，新疆 烏魯木齊 830054; 3. 新疆干旱區湖泊環境與資源自治區重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830054)

【研究意義】植被狀況是決定生態環境質量、影響水資源的循環和開發利用、驅動氣候系統變化的重要因子，在區域乃至全球環境穩定與物質良性循環中扮演著重要的角色[1]。遙感技術是作為一種高效、快捷的新的技術手段，為研究區域或全球性植被覆蓋及其動態變化提供了現勢可能性[2]。歸一化植被指數NDVI(normalized difference vegetation index)能夠反映植被覆蓋度、葉面積指數和生物量等，已經被廣泛運用于植被動態監測以及植被對環境變化的影響研究[3]。目前用于植被變化動態監測的研究區和時間范圍的不同，監測的數據空間分辨率和時間序列也不同，甚至不同數據研究同一區域，其研究結果也會存在較大的差異[4-6]。如低分辨率的GIMMMS NDVI[7-9]、SPOT NDVI[10-12]多應用于洲際、國家和區域、省域尺度上植被變化及氣候響應研究，這兩類NDVI描述全球、半球及洲際尺度上具有優勢，但區域、省域尺度上存在精度不足的問題。中高分辨率的MODIS NDVI[13-15]、Landsat NDVI[16-17]在區域、省域尺度上具有較強的優勢，但Landsat NDVI由于時間連續性較差，在植被變化監測方面應用較少，多應用于高分辨率NDVI數據計算結果精度評價。利用多種遙感數據研究植被覆蓋的時空變化特征，進而了解不同區域范圍的生態環境的變化情況，對于土地利用規劃、災害預警、環境監測等方面具有重要的意義。【前人研究進展】國內外學者通過利用遙感數據時間序列研究區域及全球的植被變化的特點已取得了一定的成果。王茜等[18]利用了GIMMS NDVI數據研究發現國內NDVI的年際變化特點顯著；湯曾偉等[19]利用MOD13Q1數據和CASA模型計算內蒙古錫林郭勒盟地區2006-2015年間的植被凈初級生產力并分析NPP時空變化趨勢；楊晗等[20]研究了2001-2016年內蒙古草地覆蓋度時空格局及其對水熱因子的響應；李曉英等[21]利用GRACE重力衛星數據反演的長江流域陸地水儲量變化(TWSA)以及MODIS遙感數據生成的歸一化植被指數(NDVI)，從趨勢性、相關性及時空變化特征3方面分析了長江流域陸地水儲量變化以及植被覆蓋變化；朱雅麗等[22]利用霍城林場利用Landsat TM/OLI遙感影像分析了1999-2016年的植被覆蓋度；丁少文等[23]運用2001-2016年MODIS地面反射率產品(MOD09Q1)計算的NDVI與植被近紅外反射率指數(NIRv) 通過線性回歸分析方法研究近16年來蒙山植被覆蓋時空動態變化。【本研究切入點】研究區天山中部北麓的MODIS NDVI數據的時間序列充足，地域空間范圍廣、南北部海拔高差大、植被覆蓋程度不一，且歷年土地利用變化受人為活動影響顯著，這對研究天山北麓區域的植被覆蓋動態變化和定量評價具有作用。【擬解決的關鍵問題】通過選用2000-2017年3-11月的MODIS13QI反演NDVI數據，探究區內的年度、季度的植被動態變化，為天山中部北麓的植被和生態環境保護提供一定的理論依據和數據支撐。

1 研究區及研究方法

1.1 研究區概況

中國天山中部北麓(圖1)位于博羅科努山淺山地帶，準噶爾盆地和古爾班通古特沙漠南緣，是準噶爾盆地及其周圍地區為早春短命植物的主要分布區。天山中部北麓丘陵地帶位于東經84°67′～88°18′北緯43°36′～46°19′，受地形因素影響，大西洋和北冰洋方向的冷濕氣流，隨著西風環流進入新疆，從西、北兩個方向影響天山北麓的氣候。天山中部北麓地形復雜多樣，海拔高度250～4250 m。區內河流水系南部區域大多呈南北向分布，中部平地區域則呈東西向分布，北部區域河流分布較少。根據海拔以及地理分異規律，可將研究區進行分區，包括海拔較高的中高山帶、海拔較低的前山帶、人類賴以生存和生活的人工綠洲區、自然植被稀疏的北部沙漠區以及未利用地過渡帶。

1.2 數據來源及預處理

本文選用NASA數據共享平臺提供的Terra/MODIS(moderate resolution imaging spectroradiometer)產品，空間分辨率250 m、16 d合成的MOD13QI產品來獲取的植被指數(NDVI)，研究區覆蓋了2個Tile(h24v04、h23v04)。(數據來源：http://ladsweb.nascom.nasa.gov)選用研究區2000-2017年3-11月MODIS數據，利用MRT(Modis Rerojection Tool)對MODIS NDVI影響進行解碼、重投影、拼接、格式轉換等。將最大值合成法和最小值合成法獲取結果平均后作為本文數據。

1.3 研究方法

首先，基于像元對2000-2017年生長季累計NDVI數據計算其多年平均值，公式如式(1)所示，得到研究區多年平均NDVIg的空間分布。

圖1 研究區示意圖Fig.1 Diagram of the study area

(1)

式中：n是時間段的年數(n=18)；NDVIgi為第i年的生長季累計NDVI。

采用一元線性回歸獲取逐像元植被NDVI與時間x的線性回歸斜率作為覆蓋度變化速率，一元線性回歸公式如公式(2)～(4)所示。

(2)

式(2)中：β為NDVI變化趨勢線斜率：x為第i為年份；NDVIi為第i年值被NDVI。

(3)

(4)

式中：xi表示研究時段內第i年份；α為截距；R為NDVIg變化率；x1和xn分別為研究時段的起始和終止年份。上述公式已被廣泛的用于NDVI的時間序列分析，較好的穩定性。

1.4 差值分析法

植被差值是利用2000和2017年天山中部北麓2期NDVI數據，通過差值計算而得到，即：

ΔNDVI=NDVI2017-NDVI2000

(5)

其中：ΔNDVI為植被差值指數，NDVI2000和NDVI2017分為2000和2017年天山中部北麓NDVI圖上的像元值，ΔNDVI的取值范圍[-8,8]。有關研究值表明：大于0.1是改善、-0.1和0.1之間是穩定、小于-0.1是退化。

2 結果與分析

2.1 年度時空分布

利用2000-2017年研究區的MODIS13QI數據獲取NDVI(歸一化植被指數)，按研究區氣候特征選取3-11月的數據進行計算年份，利用平均法計算2000-2004、2004-2008、2008-2012與2012-2017年NDVI的時空分布圖(圖2)。

研究區總體的植被覆蓋表現為：南部為植被高覆蓋區域，中部和西部為中覆蓋區域，北部屬于低覆蓋區域，空間上呈現由北部-中部-南部增加的趨勢。造成這一現象的原因為北部屬于沙漠邊緣區，整體上植被覆蓋較低；中部包括天山北坡經濟帶的大部分城市，城市經濟帶的可持續發展依賴于良好的生態環境保護，因此國家對西部地區的修復環境提供了良好的政策條件和可持續的資金支持，這使得天山中部北麓植被生態狀況明顯優于北部，且在2000-2017年間植被覆蓋度不斷增加；而南部區域的高植被覆蓋度則依靠地理條件優勢，大西洋上升氣流將帶有水氣的西風吹送過天山，天山東段和山內地區是天山北麓山前區域的主要降水位置，迎風的西坡、西北坡、北坡和東北坡成為主要的降水區域，從而導致這些區域植被覆蓋較高。

圖2 天山中部北麓植被覆蓋年度時空分布Fig.2 Annual spatial and temporal distribution of vegetation cover in the northern foothills of central Tianshan mountain

依據天山中部北麓植被特點及植被覆蓋度的統計特征，以及參考相關的研究，將研究區植被覆蓋劃分6個等級。其中大于0.2的區域表示植被覆蓋較好的區域；小于0.2表示較低植被覆蓋區域，0.2～0.4表示為中植被覆蓋區域，0.4以上表示高植被覆蓋區域[24]。統計結果顯示：從整體上看，4個時期的植被覆蓋程度表現為逐年增加的趨勢，但不同等級具有自身的特點。低植被覆蓋區是研究區主要的植被空間覆蓋分布，其在2000-2004年間面積占比高達68.37 %，其他時期的面積占比也在整體的一半以上；其次為中植被覆蓋區，該等級在整體時段的比較穩定；高植被覆蓋區是區內植被空間分布最少的等級，但從面積占比來看其整體上變化明顯，4個時期呈現逐漸增加的趨勢特點。

2.2 季度時空分布

采用2000-2017年天山中部北麓地區春季(3-5月)、夏季(6-8月)、秋季(9-11月)的NDVI平均值表征植被生長時空分布。結果表明植被生長狀況在時空上呈現周期性差異。天山中部北麓2000-2017年NDVI均值春、夏、秋季時空分布圖如圖3所示。

植被生長經歷休眠期-萌芽期-生長期-生長旺盛期-生長緩慢期-睡眠期。春季的萌芽期受到氣溫和降水量的影響，而研究區南部3、4月降水較多；研究區西段和北部，4或5月降雨較多；研究區腹地和東部，夏季降雨多，因此結果表現為植被3-5月慢慢增加，6-8月生長旺盛，為研究區植被最高覆蓋期，9-11月生長緩慢，植被覆蓋慢慢下降，進入睡眠期。

以研究區季度植被覆蓋度小于0.2為低覆蓋、0.2～0.4為中覆蓋、大于0.4為高覆蓋。春季是植被相對休眠期和萌芽期，從時間的變化分析，植被低覆蓋比較廣泛，面積占比依此為2000-2004、2008-2012、2004-2008、2012-2017年，85.68 %、84.48 %、83.78 %、78.49 %，表明低覆蓋呈現遞減趨勢。中覆蓋區域面積占比依此為:2012-2017、2008-2012、2004-2008、2000-2004年，表明中覆蓋呈現遞增趨勢。高覆蓋區域面積占比依此為:2012-2017、2004-2008、2000-2004、2008-2012年，表明高植被覆蓋呈現周期變化，2012-2017年植被覆蓋最。中高覆蓋區域春季時間變化為2012-2017>2004-2008>2008-2012>2000-2004年，21.51 %、16.22 %、15.52 %、14.32 %。

夏季是植物生長盛旺期，從時間的變化分析，植被低覆蓋面積占比依此為2000-2004、 2004-2008、2008-2012、2012-2017年，表明低覆蓋呈現遞減趨勢。中覆蓋區域面積占比依此為：2004-2008、2008-2012、2012-2017、2004-2008年，表明中覆蓋呈現周期變化。高覆蓋區域面積占比依此為:2012-2017、2008-2012、2004-2008、2000-2004年，表明高植被覆蓋呈現周期變化。中高覆蓋區域時間變化為:2012-2017>2008-2012>2004-2008>2000-2004年，53.97 %、50.65 %、45.28 %、44.51 %。

圖3 天山中部北麓年度時空分布Fig.3 Annual spatial and temporal distribution of the northern foothills of central Tianshan

秋季是越來越降溫，降水量減少，植被落葉緩慢進入睡眠期。從時間的變化分析，植被低覆蓋面積占比依此為：2000-2004、2008-2012、2012-2017、2004-2008年，表明高植被覆蓋呈現周期變化。中覆蓋區域面積占比依此為2012-2017、2008-2012、2004-2008、2000-2004年，表明中覆蓋呈現遞增趨勢。高覆蓋區域面積占比依此為2004-2008、2012-2017、2008-2012、2004-2008年，表明高植被覆蓋呈現周期變化。中高覆蓋區域時間變化為: 2012-2017>2008-2012>2004-2008>2000-2004年，26.65 %、23.49 %、22.17 %、16.29 %。

天山中部北麓從3-11月各月的植被基本呈正態分布趨勢，由于天山中部北麓的植被覆蓋度受氣溫、降水量、地貌、地形、蒸散量、照日量等自然因素的影響，并最主要的是人類活動，天山中部北麓包括烏魯木齊、昌吉、石河子、奎屯等發展較快的城市，城市的擴展對植被覆蓋的影響大，從2000-2017年的年際變化來進行分析城市的擴展和科學技術的發展并很重視城市的生態環境，春、夏、秋季總體年份中高覆蓋區域時間變化為：2012-2017年>2008-2012年>2004-2008年>2000-2004年，表明中覆蓋呈現遞增趨勢。研究時間段內春季、夏季、秋季的植被生長空間變化強烈程度為：夏季>秋季>春季。

圖4 天山中部北麓差值動態變化分布Fig.4 Dynamic change distribution of the northern foot of the central Tianshan mountain

2.3 差值分析

為了揭示天山中部北麓地植被覆蓋度動態變化特點，利用差值算法。根據前人提供的植被不同時相的NDVI做差，利用2000-2017年的NDVI值進行計算隔年的差值算法得到研究期間內年際和季節的變化狀況圖(圖4)。

采用差值法定量化不同時期之間的植被覆蓋變化，將差值運算后的結果即植被覆蓋度變化程度為7個等級[25]，分別為明顯退化(<-0.4)、中度退化(-0.4～-0.2)、輕度退化(-0.2～-0.1)、相對穩定(-0.1-0.1)、輕度改善(0.1～0.2)、中度改善(0.2～0.4)和明顯改善(>0.4)。由于圖4可知，植物生長呈區域性分布，植被改善主要分布于研究區的中部區域，尤其是城市擴散區域，相對穩定的區域比較廣泛，基本上在城市周圍區和沙漠邊緣區域，退化部分的面積有點小，基本上城市交叉的區域和克拉瑪依市少部分區域。

利用研究區植被差值變化分級圖，統計天山中部北麓植被18年植被差值不同變化程度所占百分比面積(表1)，由于人類活動，城市發展干預，研究區2000-2017年的退化、穩定和改善程度較復雜。年度平均NDVI差值小于-0.1的退化面積較少，占整個研究區0.27 %，-0.1～0.1是穩定區，占整個研究區84.46 %，大于0.1明顯改善區域占整個研究區的15.27 %。

表1 天山中部北麓差值變化結果統計

圖5 天山中部北麓變化趨勢Fig.5 Change trend of the northern piedmont of central Tianshan

春季平均NDVI差值小于-0.1的退化面積占整個研究區的0.91 %，-0.1～0.1的穩定區域94.92 %，大于0.1改善區域為4.17 %。夏季平均NDVI差值小于-0.1退化區域占整個研究區的1.42 %，-0.1～0.1的穩定區域為74.27 %，大于0.1的改善區域為24.31 %。秋季平均NDVI差值小于-0.1的退化區占整個研究區的0.23 %，-0.1～0.1的穩定區域為84.08 %，小于0.1的改善區為15.69 %。

差值小于-0.1的退化面積呈現為:夏季>春季 >秋季，18年以來年平均植被減少面積占比為0.27 %；-0.1～0.1的穩定區呈現為：春季>秋季>夏季、年度穩定區為84.46 %;大于0.1改善呈現為:夏季>秋季>春季、年度改善區為15.27 %，18年以來年度和季度表統計改善區域大于退化區域，呈現環境越來越改善的趨勢。

2.4 變化趨勢

為了定量評價植被覆蓋時空變化情況，變化率R至關重要，研究區植被變化定性描述，定義了R值及其對應的植被變化程度(年度與季度)，并統計了各值植被變化程度的面積百分比(表2)。

由天山中部北麓變化NDVI變化趨勢的年際與春、夏、秋3季的NDVI變化趨勢分布圖得到了2000-2017年變化趨勢空間分布狀況。以研究區NDVI空間分布圖中小于0表示為減少，結果表明減少的區域較少，年度和3季NDVI都南部一些區域，西部和西部少部分區域，克拉瑪依東部等少部分區域呈現于明顯減少。北部沙漠邊緣區和城市帶的周圍區域呈現無顯者變化，城市群區域則有顯著增加趨勢。

依據天山中部北麓植被變化趨勢及的結果統計特征，將研究區植被覆蓋劃6個等級。呈18年以來明顯減少趨勢春季最大，占整個研究區的4.27 %，其他依次為年度2.47 %、秋季2.44 %、夏季1.89 %。呈無顯者的變化趨勢值為0～25，在春天最大，占整個研究區的89.38 %，依次為夏季85.02 %、年度64.39 %、秋季53.19 %。大于45是明顯增加趨勢，明顯增加趨勢出現在夏季，夏季是植被生長旺盛期，18年以來年度變化趨勢也很明顯，占整個研究區29.13 %，依次為夏季2.14 %、秋季0.38 %、春季0.17 %。根據空間分布和結果統計，大部分區域無顯者變化，城市偏遠區域減少趨勢，增加最明顯的是夏季和年度的變化趨勢，因此研究區植被覆蓋度2000-2017年呈現于增加趨勢。季度減少強到弱呈現為：春季>秋季>夏季、年度為2.47 %；無顯者的變化呈現為：春天>夏天>秋季、年度為64.39 %；明顯增加趨勢為:夏季>秋季>春季、年度為29.13 %。

表2 天山中部北麓各級植被變化趨勢結果統計

3 結論與討論

本文基于2000-2017年MODIS NDVI數據，以像元基本計算單元，首先分析了天山中部北麓生長季累計NDVI的年度時空變化特征，劃分4個時期，從空間和時間上分析，并統計面積百分比，其次季度NDVI劃分4個時期，分析了從季度時空分布特征，然后利用差值算法揭示了研究區植被覆蓋度變化程度，最后定量評價植被覆蓋時空變化情況，研究區植被變化定性描述。

(1) 2000-2017年，天山中部北麓植被NDVI年度時空分布特征整體上呈現于增加趨勢。選取3-11月的數據進行計算年份，2000-2004、2004-2008、2008-2012與2012-2017年的NDVI平均法制作了4期時空分布呈現為：西坡、西北坡、北坡和東北坡植被覆蓋較高，北部植被覆蓋較低。2000-2017年植被覆蓋呈現于不斷的增加趨勢：2012-2017年>2008-2012年>2004-2008年>2000-2004年，43.36 %、38.98 %、35.10 %、22.63 %。

(2) 天山中部北麓春季(3-5月)、夏季(6-8月)、秋季(9-11月)18年NDVI的平均值表征植被生長時空分布具有不同的季節植被生長狀況具有很大的周期性差異，不同季節植被分布特征呈現強到弱為：夏季>秋季>春季。季度時間變化中高覆蓋區的變化，春季時間變化呈現強到弱為：2012-2017年>2004-2008年>2008-2012年>2000-2004年，21.51 %、16.22 %、15.52 %、14.32 %。夏季中高覆蓋明顯增加時間變化強到弱為: 2012-2017年>2008-2012年>2004-2008年>2000-2004年，53.97 %、50.65 %、45.28 %、44.51 %。秋季中高覆蓋區域時間變化呈現強到弱為：2012-2017年>2008-2012年>2004-2008年>2000-2004年,26.65 %、23.49 %、22.17 %、16.29 %。

(3) 為了揭示天山中部北麓地植被覆蓋度動態變化特點，利用差值算法。植被覆蓋度變化程度為7個等級，分別為明顯退化(<-0.4)、中度退化(-0.4～-0.2)、輕度退化(-0.2～-0.1)、相對穩定(-0.1-0.1)、輕度改善(0.1～0.2)、中度改善(0.2～0.4)和明顯改善(>0.4)，小于0.1的改善區為15.69 %。差值小于-0.1退化呈現強到弱為:夏季>春季 >秋季、年度退化區為0.27 %;-0.1～0.1的穩定區為：春季>秋季>夏季、年度穩定區為84.46 %;大于0.1改善區為:夏季>秋季>春季、年度改善區為15.27 %。

(4) 定量評價植被覆蓋時空變化情況，變化率R至關重要，研究區植被變化定性描述，定義了R值及其對應的植被變化程度，季度減少強到弱呈現為：春季>秋季>夏季、年度為2.47 %；無顯者的變化呈現為：春天>夏天>秋季、年度為64.39 %；明顯增加趨勢為:夏季>秋季>春季，年度為29.13 %。