遼河干流區(qū)域不同年代NDVI時(shí)空分布變化特征研究

尚真宇

(遼寧省河庫管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

流域植被覆蓋度是區(qū)域河流生態(tài)環(huán)境狀況的重要評價(jià)指標(biāo)[1]。流域植被生長與河流生態(tài)環(huán)境變化之間的影響從20世紀(jì)90年代開始就受到國內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究[2- 7]。隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，NDVI數(shù)據(jù)逐步被推廣和適用，例如SPOT-NDVI[8]、NOAA-AVHRR-NDVI[9]以及MODIS-NDVI[10]數(shù)據(jù)。這其中NOAA-AVHRR-NDVI在國內(nèi)應(yīng)用較多[11- 13]。遼河是遼寧地區(qū)第一大河流，區(qū)域水資源分布十分不平衡，遼河地形地貌空間分布特征的差異性，使得其植被覆蓋度有所不同，遼河流域作為國家重要的生態(tài)保護(hù)和修復(fù)重點(diǎn)區(qū)域，其生態(tài)環(huán)境治理和保護(hù)已被列為遼寧省政府重點(diǎn)工作任務(wù)[14]。而分析其不同年代際植被覆蓋度NDVI的變化對于區(qū)域生態(tài)環(huán)境修復(fù)和治理保護(hù)具有重要的參考價(jià)值。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)由于具有時(shí)間連續(xù)性佳、空間覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，為分析區(qū)域生態(tài)植被覆蓋度的變化提供了有效的支撐[15]。不同年代的遙感影像數(shù)據(jù)，可以充分反映區(qū)域植被覆蓋度的變化。為此本文結(jié)合遙感影響數(shù)據(jù)，對遼河干流3個(gè)年代際(1990年代、2000年代和2010年代)NDVI的時(shí)空變化趨勢進(jìn)行分析，從而為遼河流域綜合治理與生態(tài)修復(fù)提供重要的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

遼河是遼寧省境內(nèi)第一大河，位于東北地區(qū)的東南部，其地理位置分別為(116°30′E～125°47′E，38°43′N～45°N)，流域橫跨4個(gè)省份，分別為遼寧、吉林、內(nèi)蒙古以及河北。遼河流域總的集水面積為22.896×104km2，河流總的長度為1394km。流域發(fā)源地為河北海拔高度為1729m的光頭山，向東北流經(jīng)內(nèi)蒙而后途徑吉林省雙遼境內(nèi)，在遼寧鐵嶺地區(qū)的福德店站與東遼河進(jìn)行匯集后形成整個(gè)遼河流域。

2 研究方法及資料處理

NVDI表示為歸一化的植被指數(shù)的英文簡稱，其對綠色植被敏感性較高，經(jīng)常用于分析全球植被覆蓋度的時(shí)空變化特征，是區(qū)域植被覆蓋度指數(shù)較為理想的分析指標(biāo)，其主要定義為：

NDVI=(ρNIR-ρVIS)/(ρNIR+ρVIS)

(1)

式中，ρNIR—遙感數(shù)據(jù)紅外波段反射率；ρVIS—遙感數(shù)據(jù)可見光段反射率。在NVDI計(jì)算基礎(chǔ)上，對植被的葉面積指數(shù)LAI進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方程分別為：

(2)

表1 植被歸一化指數(shù)數(shù)據(jù)集參數(shù)表

(3)

式中，F(xiàn)RAR—植被在光合作用下的輻射率有效值；SR—植被簡單指數(shù)；Fcl—叢林植被的有效覆蓋率；SRmax、SRmin—?dú)w一化植被指數(shù)NVDI樣本數(shù)據(jù)系列的5%和98%的植被簡單指數(shù)SR值；FPARmax、FPARmin—光合作用下的有效輻射率的最大和最小值；LAImax—植被生長充分條件下的葉面積指數(shù)最大值。本文結(jié)合遼河干流區(qū)域空間分辨率為8km的NOAA-AVHRR-NDVI月時(shí)間序列(1990年1月—2019年12月)數(shù)據(jù)進(jìn)行植被相關(guān)參數(shù)的提取，采用遙感模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，數(shù)據(jù)處理參數(shù)見表1。

3 遼河干流NDVI時(shí)空分布分析

3.1 各年代際NDVI時(shí)間序列變化

基于遼河干流區(qū)域空間分辨率為8km的NOAA-AVHRR-NDVI月時(shí)間序列(1990年1月—2019年12月)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理分析的基礎(chǔ)上，對各年份不同季節(jié)的NDVI距平進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1所示。

從遼河干流NDVI年距平分析結(jié)果可看出，遼河干流生長季節(jié)的NDVI呈現(xiàn)遞增變化，年遞增幅度為0.054/10a，干流生態(tài)環(huán)境總體持續(xù)改善，植被覆蓋度增加的變化趨勢有所遞增，但增幅較為平緩。NDVI年平均值和年份之間的相關(guān)度為0.58。遼河干流植被NDVI變化的總體結(jié)論與東北地區(qū)近30年以來植被活動能力持續(xù)增強(qiáng)的相關(guān)結(jié)論具有一致性。從年代NDVI距平分析結(jié)果可看出，遼河干流年平均NDVI從1990年代出現(xiàn)一定峰值變化，其他年份年平均NDVI呈現(xiàn)一定的遞減幅度變化，但遞減幅度較小，年平均增率為-0.002/10a，而2000年以來，其年平均NDVI呈現(xiàn)一定的遞增變化，年平均增率為0.029/10a。從圖中可看出，夏季屬于遼河干流植被主要生長期，因此其距平變化最為明顯，其次為秋季，冬季由于植被進(jìn)入冬眠期，其植被NDVI距平變化總體較為平穩(wěn)。

3.2 各年代際春季NDVI空間變化

對遼河干流春季3個(gè)年代際(1990年代、2000年代和2010年代)NDVI的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，并統(tǒng)計(jì)分析不同年代際NDVI空間變化度，分析結(jié)果見圖2—3。

從圖2中可看出，春季遼河干流各月NDVI空間變化較為明顯，各年代際NDVI最高值主要出現(xiàn)在撫順、鐵嶺以及本溪一帶，這些區(qū)域主要為溫帶落葉闊葉林為主的植被類型，整個(gè)干流區(qū)域生態(tài)植被NDVI空間分布的差異性較大，但各年代春季NDVI空間變化總體較為一致，總體呈現(xiàn)西北較高東南較低的空間變化趨勢，這和遼河干流水熱條件從西北向東南逐漸改善具有一致性。1990—2000年代遼河干流植被NDVI顯著遞減的區(qū)域占總流域范圍的30.25%，與2000—2010年代相比減少18.34%，植被覆蓋度較低的區(qū)域呈現(xiàn)明顯減少的變化趨勢。植被覆蓋度較大的區(qū)域占流域總面積的20.35%，與1990—2000年代相比增加15.12%，植被覆蓋度增加的區(qū)域主要分布在鐵嶺昌圖、沈陽康平一帶。春季不同年代際，遼河干流的植被NDVI持續(xù)向好變化。

圖1 遼河干流1990—2019年NDVI距平變化分析結(jié)果

圖2 不同年代遼河干流春季各月NDVI空間分布特征

3.3 各年代際夏季NDVI空間變化

對遼河干流夏季3個(gè)年代際(1990年代、2000年代和2010年代)NDVI的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，并統(tǒng)計(jì)分析不同年代際NDVI空間變化度，分析結(jié)果見圖4和圖5。

夏季為植被主要生長期，從分析結(jié)果可看出，

圖3 年代際之間遼河干流春季各月NDVI空間變化

圖4 不同年代遼河干流夏季各月NDVI空間分布特征

圖5 年代際之間遼河干流夏季各月NDVI空間變化

各年代夏季NDVI顯著增加的區(qū)域占總區(qū)域的比例為54.25%，NDVI顯著減少的區(qū)域占總流域的比例為8.45%，均分布在遼河干流的西北方向。NDVI增加的區(qū)域和減少的區(qū)域在空間上存在一定的交叉分布，從各年代際NDVI空間變化度分析可看出，在夏季1990—2000年代遼河干流植被NDVI顯著遞減的區(qū)域占總流域范圍的41.25%，與2000—2010年代相比減少24.35%，植被覆蓋度較低的區(qū)域呈現(xiàn)明顯減少的變化趨勢。夏季遼河干流植被NDVI增加的變化趨勢較為明顯，是干流生態(tài)植被主要的恢復(fù)時(shí)期，夏季NDVI線性遞增變化比例為0.054/10a。

3.4 各年代際秋季NDVI空間變化

對遼河干流秋季3個(gè)年代際(1990年代、2000年代和2010年代)NDVI的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，并統(tǒng)計(jì)分析不同年代際NDVI空間變化度，分析結(jié)果如圖6—7所示。

從秋季遼河干流各月NDVI空間變化可看出，NDVI顯著增加的區(qū)域占總區(qū)域的比例為45.25%，NDVI顯著減少的區(qū)域占總流域的比例為7.65%，遼河干流秋季NDVI減少的區(qū)域主要分布在西北部區(qū)域，秋季各月NDVI空間變化特征和夏季變化特征較為一致，干流植被變化總體延續(xù)前其植被較好的生長變化趨勢，秋季NDVI線性遞增變化比例為0.047/10a。

在秋季1990—2000年代遼河干流植被NDVI顯著遞減的區(qū)域占總流域范圍的20.25%，與2000～2010年代相比減少12.39%。

3.5 各年代際冬季NDVI空間變化

對遼河干流冬季3個(gè)年代際(1990年代、2000年代和2010年代)NDVI的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，并統(tǒng)計(jì)分析不同年代際NDVI空間變化度，分析結(jié)果如圖8—9。

從圖中可看出，NDVI顯著增加的區(qū)域占總區(qū)域的比例為26.98%，NDVI顯著減少的區(qū)域占總流域的比例為5.63%，遼河干流冬季NDVI減少的區(qū)域主要分布在中南部區(qū)域。遼河干流冬季NDVI增加的區(qū)域占總流域比例的75.23%，從各年代際之間的對比結(jié)果可看出，冬季遼河干流植被NDVI呈弱變化趨勢，但總體也呈現(xiàn)遞增變化，冬季NDVI線性遞增變化比例為0.014/10a。在冬季1990—2000年代遼河干流植被NDVI顯著遞減的區(qū)域占總流域范圍的50.35%，與2000—2010年代相比減少8.45%。

圖6 不同年代遼河干流秋季各月NDVI空間分布特征

圖7 年代際之間遼河干流秋季各月NDVI空間變化

圖8 不同年代遼河干流冬季各月NDVI空間分布特征

圖9 年代際之間遼河干流冬季各月NDVI空間變化

4 分析結(jié)論

(1)遼河干流2000—2010年代NDVI平均變化率相比于1990—2000年代植被覆蓋顯著減少的區(qū)域遞減比例達(dá)到24.35%，主要分布在流域的西北部區(qū)域，與干流生態(tài)環(huán)境日益改善具有一致性。

(2)干流不同年代際NDVI空間變化差異的主要原因在于遼河干流水熱條件從西北向東南逐步改善所致，中南部分區(qū)域NDVI呈現(xiàn)退化狀態(tài)，其他區(qū)域波動呈現(xiàn)遞增變化。

(3)遼河干流秋季延續(xù)了夏季良好的生長態(tài)勢，春季和冬季穩(wěn)中有增變化，對干流年際NDVI增長起到促進(jìn)作用。

(4)本文未對區(qū)域NDVI變化的成因尤其是氣候因子進(jìn)行分析，以后研究中還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其和氣候因子之間的相關(guān)性。