基于Landsat數據的橫山區植被指數變化研究

楊亮彥

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710075；2.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710021；3.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安 710021；4.陜西省土地整治工程技術研究中心，陜西 西安 710075)

1 引言

植被是陸地生態系統中進行能量交換、水循環和碳循環的重要媒介，在地球保持能量平衡和調節氣候變化中發揮著重要作用[1，2]。植被也是區域生態系統穩定性的指示器，具有防風固沙、減弱水土流失的作用，是生態建設工程的重要工具[3，4]。且干旱區植被對氣候變化和水熱條件極為敏感，因此探究區域植被變化過程，在生態環境改善以及生物資源利用方面具有重要的指導意義[5～7]。

黃土高原是我國生態環境最脆弱區之一，20世紀因自然因素和人類活動的共同影響，黃土高原水土流失、土地沙化等問題日益突出[8]。近些年，國家實施防風固沙、退耕還林還草工程等重大生態建設工程，黃土高原生態環境得到有效恢復[9～11]。榆林市橫山區作為黃土高原生態退耕的典型區，其位于黃土高原的中南部，北部屬于毛烏素沙地風沙灘邊緣區，南部為黃土高原溝壑區，在生態工程的影響下，橫山區植被覆蓋度發生巨大變化，但橫山區生態環境依然脆弱，探明橫山區植被動態變化規律對指導橫山區社會經濟與生態環境協調發展具有重要意義。因此，本研究以榆林市橫山區為研究區，以Landsat系列衛星影像為數據基礎，利用植被指數遙感反演方法，獲取橫山區1993年和2019年同時期的植被指數，并分析橫山區1993～2019年植被指數的時空動態變化，為區域的生態環境保護提供科學借鑒。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

Landsat系列衛星是NASA的陸地衛星計劃，從1972年發射第一顆衛星，相繼發射了8顆衛星。其憑借影像質量高、光譜信息豐富、更新周期短及免費獲取等優勢，在植物、土壤、生物等領域應用廣泛。Landsat系列衛星重返周期為16 d，衛星高度為705 km，幅寬為185 km×185 km[12]。本文選取榆林市橫山區作為研究區，覆蓋研究區的Landsat影像數據的條代號為(127，034)，在地理空間數據云中，根據遙感影像的條代號進行篩選，由于受云等因素的影響，無法獲取不同年份同一日期的影像，所以本文選取并下載了覆蓋整個研究區的2019年8月29日、1993年8月24日兩期數據。并通過輻射定標、大氣校正等預處理減弱大氣對影像的影響。

2.2 研究方法

2.2.1 歸一化植被指數

歸一化植被指數的獲取方法為近紅外波段的反射值與紅光波段的反射值之差比上兩者之和。

NDVI=(BNIR-BR)/(BNIR-BR)

(1)

式(1)中：BNIR為遙感近紅外波段；BR為遙感紅外波段。

2.2.2 差值法

差值法是用來分析研究區不同時間段之間的指標動態變化。本研究采用差值法研究近27a橫山區植被指數的變化趨勢。

NDVI差值=NDVIi-NDVIj

(2)

式(2)中：NDVIi、NDVIj表示第i年和第j年的NDVI值；NDVI差值表示第i年與第j年的差值。

3 結果與分析

圖1為橫山縣1993年和2019年NDVI空間分布圖。統計各年份不同NDVI區間的比例見表1。由圖表可知，1993和2019年橫山區NDVI均值分別為0.38和0.44。其中1993年NDVI小于0.2的區域分布在研究區的北部和西部，占研究區的15.48%，0.2～0.4和0.4～0.6的區域較多，遍布整個研究區，分別占研究區的40.31%和35.77%，而大于0.6的區域主要分布在河道附近，呈線狀分布，占研究區的8.25%；與1993年相比，橫山區2019年NDVI空間分布有明顯變化，小于0.2的區域明顯減少，呈點狀分布在研究區的北部，0.2～0.4的區域占比降低，0.4～0.6的區域的比例明顯增多，占研究區的54.08%，大于0.6的區域也有所增加。以上數據說明，橫山區植被覆蓋得到明顯的改善，特別是研究區的北部和西部，經過多年的生態工程的實施，風沙草灘區的植被覆蓋有了明顯的提升。

圖1 1993和2019年榆林市橫山區NDVI空間分布

表1 榆林市橫山區1993和2019年不同NDVI區間的比例 %

為了進一步探明橫山區植被改善或退化的區域，本研究將2019年與1993年的數據進行差值處理，獲取兩期NDVI差值數據，統計結果見表2。NDVI差值小于0的區域占比33.42%，主要為-0.1～0.0，大于0的區域占研究區的66.58%，主要分布在0.0～0.1和0.1～0.2。以上數據表明，研究區內植被指數改善的區域占比較大。

4 結論

基于1993年和2019年Landsat系列數據，利用定

表2 橫山區不同NDVI差值占比

量遙感反演方法獲取研究區2期植被指數，分析橫山區1993-2019年植被指數的時空分布及動態變化規律，得到如下結論：榆林市橫山區NDVI值空間分布呈現北部和西部較低，南部和東部較高。研究區1993和2019年NDVI均值分別為0.38和0.44。其中小于0.2的區域明顯減少，0.2～0.4的區域占比降低，0.4～0.6的區域的比例明顯增多，大于0.6的區域也有所增加。橫山區2019年和1993年的NDVI差值小于0的區域占比33.42%，主要在-0.1～0.0區間，大于0的區域占研究區的66.58%，主要分布在0.0～0.1和0.1～0.2區間。1993～2019年間，橫山區植被覆蓋得到明顯的改善，但植被覆蓋退化的區域占比依然較重，需進一步探明植被退化的原因，為橫山區生態環境恢復提供支持。