2013~2019安徽省NDVI時空變化特征分析

顧昕 楊潔 高良敏

摘 要：為了探究植被NDVI變化特征及其對溫度和降雨變化的響應，以安徽省為例，基于2013～2019年安徽省長時序MODIS-NDVI數(shù)據(jù)，分析了近7年安徽省NDVI的時空變化特征及其演變規(guī)律，同時結(jié)合不同降水和溫度下NDVI變化特征進行了相關(guān)性分析。結(jié)果表明：安徽省7年間NDVI值在0.57至0.64之間，其與平均氣溫和年降雨呈正相關(guān)關(guān)系，且NDVI值與年降雨呈顯著正相關(guān)的面積比例要大于與平均氣溫呈顯著相關(guān)性的面積比例，空間分布存在明顯差異。安徽省7年間NDVI值總體呈現(xiàn)增長趨勢（R2=0.617 8），增長速率為0.003 87，夏季NDVI均值最高，植被覆蓋度越來越優(yōu)。皖西和皖南山區(qū)NDVI值較高，而江淮丘陵區(qū)NDVI值較低，主要與該地區(qū)人類活動頻繁，植被破壞嚴重有關(guān)。

關(guān)鍵詞：NDVI;時空變化;趨勢分析;相關(guān)性分析

Abstract：In order to explore the change characteristics of NDVI and its response to the changes of temperature and rainfall， Anhui Province was taken as an example. This paper， based on the long-time-series MODIS-NDVI data of Anhui Province from 2013 to 2019， analyzes the temporal and spatial characteristics of NDVI and its evolutionary law in Anhui Province in the past 7 years， with the correlation analysis of the characteristics of NDVI changes under different precipitation and temperature. The results showed that the NDVI value of Anhui Province in the past 7 years was between 0.57 and 0.64， correlated with the average temperature and annual rainfall， and the proportion of the area with a significant positive correlation between the NDVI value and the annual rainfall was greater than that of the significant correlation with the average temperature. There were obvious differences in area ratio and spatial distribution. The NDVI value of Anhui Province showed an overall increasing trend （R2=0.617 8）in the past 7 years， the growth rate was 0.003 87， the average NDVI value in summer the highest， and the vegetation coverage getting better and better. The NDVI value was higher in the mountainous areas of western and southern Anhui， while the NDVI value of the Jianghuai hilly area lower， which was mainly related to the frequent human activities and serious vegetation destruction in this area.

Key words：NDVI; trend analysis; temporal and spatial variation; correlation analysis

植被是常見且重要的地球表面土地覆蓋形式之一，對能量平衡、氣候變化、水文變化以及生物化學循環(huán)有著重要影響，而且還能夠維護生態(tài)平衡、促進地區(qū)可持續(xù)發(fā)展[1]。植被是一種有著明顯的年際變化特點和季節(jié)變化特點的敏感性指標，由氣候因素和人為因素共同作用對環(huán)境產(chǎn)生影響[2]。隨著遙感觀測技術(shù)的逐步發(fā)展，首先利用衛(wèi)星遙感技術(shù)得到植被指數(shù)產(chǎn)品，進而進行植被監(jiān)測及地表覆蓋情況變化分析的這類研究愈來愈多，植被指數(shù)早已廣泛應用于生態(tài)環(huán)境研究等領域[3]。到目前為止已經(jīng)使用過的植被指數(shù)達到幾十種，其中包括：

比值植被指數(shù)（Ratio Vegetation Index，RVI）、歸一化植被指數(shù)（Normalized Differential Vegetation Index，NDVI）、改進植被指數(shù)（Agriculture Vegetation Index，AVI）等，在這幾十種植被指數(shù)中，NDVI的應用最為廣泛[4]。NDVI基于綠光中植物葉綠素的強烈吸收，并且植被狀態(tài)是由紅外波段（Ifrared，IR）和近紅外波段（Near Ifrared，NIR）反射率的歸一化組合來表示。NDVI的取值范圍是-1到1，NDVI的值越大，植被覆蓋度就越好[5]。NDVI是陸地表面植被生長狀況的指示因子，對分析研究農(nóng)作物生長、生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測以及覆蓋情況變化有著重要作用[6]。

近年來，國內(nèi)外研究人員對不同地區(qū)的植被動態(tài)變化趨勢進行了大量研究。文獻[7] 等基于AVHRR、GIMMS（1982～2006a）和MODIS NDVI（2000～2010a）的數(shù)據(jù)，研究了1982～2010a蒙古平原的NDVI和氣候因子的相關(guān)性。研究結(jié)果顯示，1990a以前，NDVI值與氣溫和降水量有關(guān)，隨著它們值的增加而增大;但1990a以后，NDVI值隨著氣溫和降水量的增加而減小。文獻[8]利用2000～2014a MODIS-NDVI遙感數(shù)據(jù)及氣候數(shù)據(jù)，研究了黃河源區(qū)植被NDVI時空變化特點。研究表明，2000～2014a黃河源區(qū)植被NDVI在時間變化上表現(xiàn)為緩慢增大，空間變化上則呈現(xiàn)出由東南向西北逐漸減小的趨勢。

安徽省由于所在位置敏感，地形地貌復雜，生態(tài)系統(tǒng)多樣[9]。隨著改革開放的不斷深入，安徽省的社會經(jīng)濟不斷發(fā)展，同時植被特征也發(fā)生相應變化，人類社會和生態(tài)環(huán)境相互作用的影響也越來越明顯[10]。本研究基于2013～2019a安徽省長時序MODIS-NDVI數(shù)據(jù)，研究近7年安徽省NDVI的時空變化特征及其演變規(guī)律，同時結(jié)合降水資料對NDVI與降水的相關(guān)性進行探討，以期為安徽省的生態(tài)環(huán)境保護、生態(tài)文明建設及經(jīng)濟可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

安徽位于我國華東地區(qū)，介于東經(jīng)114°54′～119°37′，北緯29°41′～34°38′之間，東連江蘇，西接河南、湖北，東南接浙江，南鄰江西，北靠山東，總面積14.01萬平方千米。安徽省地處暖溫帶與亞熱帶過度地區(qū)，且地貌復雜分為淮河平原區(qū)、淮北平原區(qū)、江淮丘陵區(qū)、沿江平原區(qū)、皖南丘陵區(qū)和皖西丘陵區(qū)這五大地貌區(qū)。2019a末，安徽省生產(chǎn)總值3.7萬億元，比上年增長7.5%，經(jīng)濟發(fā)展迅速（見圖1）。

1.2 數(shù)據(jù)準備

本文遙感數(shù)據(jù)來自于美國國家宇航局（NASA）公布的Terra-MOD13Q1 16D 數(shù)據(jù)集（2013～2019a）， 空間分辨率為250m， 數(shù)據(jù)集包含 483張遙感影像。 利用NASA研發(fā)的MRT工具對2013～2019aMODIS-NDVI影像數(shù)據(jù)進行空間投影變換，投影方式為UTM投影，坐標系為GCS-WGS-84坐標系，將HDF格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為TIFF格式。利用ArcGIS軟件上使用在該地理坐標系統(tǒng)的安徽省矢量圖層對其進行裁剪并在ENVI軟件中消除影像異常值，最終得到該區(qū)NDVI數(shù)據(jù)。在研究近7a安徽省NDVI變化特征及演變規(guī)律中，將年均NDVI和季均NDVI作為研究指標，分析植被各個階段的時空變化特征。

數(shù)字高程模型（Digital elevation model，DEM）數(shù)據(jù)在地理空間云平臺下載，空間分辨率為30m，在ArcGIS軟件中經(jīng)過裁剪、投影轉(zhuǎn)換、重分類等處理，改變其原有的空間分辨率。

1.3 研究方法

1）最大合成法 植被的最好長勢可以通過植被指數(shù)的最大值進行反映，由于該文影像數(shù)據(jù)過大，最大化可以輕松實施，且精度較高，故本文提取了年最大化NDVI[11]。利用軟件工具，對每年影像采用最大值合成法進行處理，最后獲取年最大NDVI數(shù)據(jù)，提取該年植被長勢最好時期的植被覆蓋信息，共提取了安徽省2013～2019a 7年的NDVI最大值。

2）均值法 月數(shù)據(jù)由各旬數(shù)據(jù)通過最大值法合成，再根據(jù)月數(shù)據(jù)均值法得到安徽省2013～2019年年均NDVI值，從而消除了不同區(qū)域季節(jié)變化對NDVI值變化的影響。季均NDVI值計算與年均NDVI值的計算方法一致，計算公式如所示[13]

3）一元線性回歸趨勢分析法 本研究采用基于最小二乘的一元線性回歸趨勢分析方法，模擬每個柵格點NDVI的變化趨勢，以每個柵格點NDVI時間變化特征反映其空間變化規(guī)律， 計算公式如式（3）所示[14-15]

4）偏相關(guān)分析

2 結(jié)果與分析

2.1 NDVI時間變化特征

運用Arcgis軟件的柵格計算器，由最大合成法算出月NDVI值，分別求取多年年均和季均NDVI值，繪制得到安徽省2013～2019a年均 NDVI及各季NDVI變化趨勢圖（見圖2）。

由圖2和表1可知，安徽省NDVI隨時間的增加呈上升趨勢，年均、春均、夏均和夏均變化率分別為年0.003 87、0.003 30、0.002 71和0.003 79，表明這7年來安徽省NDVI得到明顯改善。年均NDVI值最低為0.57（2016a），最高值為0.64（2019a）。每個季節(jié)的NDVI值都表現(xiàn)為波動增加的趨勢，其中夏季NDVI值明顯高于春秋兩季，且夏季NDVI隨年份變化波動較大，年季NDVI變化波動最小。

2.2 NDVI空間變化特征

1）NDVI空間分布特征 基于像元尺度得到2013～2019a安徽省年均及季均NDVI值，得出安徽省年均及各季NDVI空間分布圖（見圖3）。

從圖3可知，安徽省NDVI空間分布呈現(xiàn)出顯著的區(qū)域性差異。淮北平原地區(qū)（阜陽市、亳州市、淮北市、宿州市、蚌埠市和淮南市）NDVI值在0.4～0.6之間，城市附近的NDVI值處于0.2～0.3之間。淮北平原地區(qū)主要為暖溫帶半濕潤氣候，地帶性土壤為棕壤，由于該區(qū)是中國最古老的農(nóng)業(yè)墾植區(qū)之一，農(nóng)耕歷史悠久，人類活動頻繁，絕大部分自然植被已很難見到，大部分地區(qū)都已成為農(nóng)田或莊園[17]。該區(qū)農(nóng)業(yè)以旱生作物為主，沿淮發(fā)展水稻生產(chǎn)，所以NDVI值處于中間水平。位于江淮臺地丘陵區(qū)的六安市北部、滁州市、合肥市等地NDVI值為0.2～0.5，該地區(qū)由于城市化嚴重，人類活動頻繁，對NDVI值影響較大，所以NDVI值較小。位于大別山區(qū)和皖南山區(qū)的六安市南部、安慶市北部、池州市、宣城市及黃山市主要地貌類型為山地，人類活動相對較小，植被類型較豐富[18]，NDVI值較高為0.7～0.9。位于沿江平原區(qū)的安慶市南部、銅陵市、蕪湖市和馬鞍山市其西部地帶性植被類型為常綠闊葉林，但由于城市化的發(fā)展導致目前成片分布的常綠闊葉林已不多見，NDVI值為0.3～0.6。

根據(jù)各季NDVI的空間分布來看，安徽省春、夏和秋季NDVI空間分布呈現(xiàn)顯著差異，表明安徽省NDVI空間分布具有明顯的季節(jié)性差異。春季安徽省NDVI值處于0.4～0.8，夏季NDVI值處于0.5～0.9，秋季NDVI值處于0.3～0.8。淮河以北春季的NDVI值顯著的高于淮河以南的糧食產(chǎn)區(qū)，淮河以北多種植秋小麥、水稻、花生、大豆、棉花類作物，其中以秋小麥和水稻為主要的糧食作物，春季正處于秋小麥的生長旺盛期，而淮河以南地區(qū)則以早稻為主，春季早稻剛剛播種，所以春季NDVI圖中淮河以北地區(qū)的值大于淮河以南地區(qū)。淮河以北的秋小麥于每年6月左右進行夏收，夏收過后水量豐富的地區(qū)會種植中晚稻，水量缺乏的地區(qū)種植其他經(jīng)濟作物，而淮河以南的早稻則進入了生長旺盛成熟期，所以夏季NDVI值淮河以南又會高于淮河以北。

安徽大別山區(qū)和皖南山區(qū)的NDVI值隨著季節(jié)的變化也有明顯的改變，由于維度的不同，春季皖南山區(qū)的NDVI大于大別山區(qū)，而夏季大別山區(qū)NDVI則略大于南部的山區(qū)，到了秋季大別山區(qū)的NDVI值又會小于南部地區(qū)，這符合緯度差異造成的溫度氣候差異所帶來的樹木生長周期的差異性。

2）NDVI變化趨勢水平分布特征 安徽省于2003a響應國家退耕還林政策，現(xiàn)對第二個十年階段2013～2019a年均和季均NDVI數(shù)據(jù)，根據(jù)一元線性回歸趨勢法得出安徽省NDVI變化趨勢，再運用自然分類法將結(jié)果分為顯著減少、中度減少、輕度減少、基本不變、輕度增加、中度增加和顯著增加7個等級，分級標準表如表2所示。同時借助ArcGIS軟件進行空間數(shù)據(jù)處理，得到年均和各季NDVI變化趨勢空間分布圖，并根據(jù)重分類統(tǒng)計得到安徽省2013～2019a年均及各季NDVI變化面積比例統(tǒng)計表。

依照安徽省NDVI變化趨勢斜率值，本文把安徽省NDVI變化情況分成7個等級，分別為顯著減少、中度減少、輕度減少、基本不變、輕度增加、中度增加和顯著增加，分級標準表如表2所示。根據(jù)圖4的年際尺度來看，安徽省植被中度增加和輕微增加的區(qū)域面積共為57 180km2，占總面積的40.77%，主要位于安徽省淮河平原區(qū)北部、安徽省皖西丘陵山地區(qū)以及安徽省皖南丘陵山地區(qū)部分區(qū)域;而在淮河平原區(qū)東北部、江淮丘陵區(qū)東北部以及皖南山地丘陵區(qū)的局部區(qū)域植被覆蓋顯著增加，宿州市、合肥市、池州市、黃山市和宣城市尤為突出，表明國家推行的退耕還林政策效果顯著且合肥市對城市綠化建設在不斷推動;植被覆蓋中度退化和輕微退化區(qū)域面積共33 844km2，占總面積的25.12%，大部分位于安徽省沿江平原區(qū)長江兩側(cè)以及東北部、安徽省淮河平原區(qū)西南部以及各城市中心區(qū)域;而在淮北平原西部和江淮丘陵中部的阜陽市、淮南市和滁州市，植被覆蓋發(fā)生顯著減少，區(qū)域面積為19 046km2，僅占總面積的13.58%，表明這三個城市對本市城市化建設不斷推動，人類活動頻繁，在NDVI的變化起負作用。由于城市有沿江、環(huán)湖發(fā)展的特點，因此位于長江以及巢湖等區(qū)域周邊植被覆蓋狀況退化較為顯著。

根據(jù)圖4季節(jié)尺度可得，夏季安徽省植被覆蓋度大面積增加，植被覆蓋面積僅在皖西丘陵山區(qū)以及皖南丘陵山區(qū)南部出現(xiàn)中度或嚴重退化，而在江淮丘陵區(qū)的滁州市西部以及淮河平原區(qū)的東南部的少量地區(qū)出現(xiàn)中度減少。夏季植被覆蓋度出現(xiàn)中度增加及顯著增加區(qū)域面積基本覆蓋了除去皖南、皖西丘陵山區(qū)的整個安徽省境內(nèi)。

春季安徽省植被覆蓋變化趨勢呈現(xiàn)南部穩(wěn)定、北部退化的現(xiàn)象。春季植被覆蓋基乎不變區(qū)域主要分布在淮河平原區(qū)北部以及皖西、皖南丘陵山區(qū)。春季植被覆蓋中度減少和顯著減少區(qū)域主要位于淮河平原區(qū)南部、江淮丘陵區(qū)以及蕪湖市和合肥南部部分地區(qū)。春季植被覆蓋輕度、中度增加以及顯著增加區(qū)域主要分布在淮河平原區(qū)的亳州市、淮北市和蚌埠市南部的大部分地區(qū)以及江淮丘陵區(qū)的西部和南部。

秋季安徽省植被覆蓋度在皖西、皖南丘陵山區(qū)以及江淮丘陵區(qū)較春季均有所上升。覆蓋面積基本保持不變的區(qū)域有皖南丘陵山區(qū)北部、皖西丘陵山區(qū)北部、沿江平原區(qū)西南部以及合肥市周圍，此外，可以看到合肥市周圍的植被覆蓋率四季變化波動不大，原因在于合肥市對于植被覆蓋的控制管理水平較高。在淮河平原區(qū)北部以及沿江平原區(qū)的沿江兩側(cè)區(qū)域植被覆蓋程度發(fā)生輕微或顯著下降。

2.3 安徽省植被覆蓋程度變化及影響因素

在植被生長的過程中，水和熱量無疑是必需的兩種元素，因此運用ArcGIS軟件將溫度和降水作為影響因子與安徽省NDVI做相關(guān)性分析，并利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)對其進行逐像元相關(guān)分析和偏相關(guān)分析并利用t檢驗將其相關(guān)性分為極顯著相關(guān)、顯著相關(guān)、不顯著相關(guān)、不顯著負相關(guān)、顯著負相關(guān)和極顯著負相關(guān)6個等級，結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5所示，NDVI與氣溫因子的偏相關(guān)系數(shù)分布在-0.962～0.985范圍內(nèi)分布，空間上正相關(guān)像元占54.95%，通過0.01和0.05顯著性水平檢驗的比例分別為0.26%和2.20%，基本分布在皖西丘陵、沿江平原和皖南丘陵的六安市、安慶市、銅陵市、蕪湖市和宣城市。NDVI與降雨偏相關(guān)系數(shù)分布在-0.992～0.995，空間上正相關(guān)像元占52.88%，通過0.01和0.05顯著性水平檢驗的比例分別為0.15%和1.33%，基本分布在淮北平原和江淮丘陵的蚌埠市、宿州市和滁州市，皖南丘陵的黃山市也有少部分分布。總體上NDVI受溫度的影響大于受降雨的影響。

3 結(jié)論

（1）從時間上分析，2013～2019a安徽省NDVI總體呈現(xiàn)增長趨勢（R2=0.617 8），增長速率為0.003 87且夏季NDVI均值最高。

（2）從空間上分析，2013～2019a安徽省NDVI空間分布具有顯著差異性，皖西和皖南山區(qū)NDVI值較高，該地區(qū)主要為山區(qū)植被茂盛人類活動較少，而江淮丘陵區(qū)NDVI值較低，主要與該地區(qū)城市化較嚴重，人類活動頻繁，植被破壞嚴重有關(guān)。淮北平原春季NDVI比秋季高，該地區(qū)為安徽省主要的農(nóng)作物種植區(qū)域，農(nóng)作物的生長周期影響較大。得益于區(qū)域政府對于生態(tài)環(huán)境保護工作的重視以及退耕還林等生態(tài)環(huán)境保護政策的有效實施，安徽省境內(nèi)淮北平原的北部、皖西山區(qū)和皖南山區(qū)NDVI區(qū)域面積顯著增加，增加比例達53.72%。

（3）植被NDVI與氣候因子的響應上，通過偏相關(guān)系數(shù)得到NDVI與平均氣溫和年降雨呈正相關(guān)關(guān)系，但是大部分地區(qū)相關(guān)性不顯著，年降雨與NDVI顯著正相關(guān)的面積比例要大于氣溫的面積比例。

（4）安徽省NDVI的變化是由人類活動、地形地貌和氣候變化共同作用的結(jié)果。NDVI增加的主要因素得益于政府退耕還林和生態(tài)環(huán)境保護政策的不斷推進。因此，在安徽省未來發(fā)展的過程中，合理的土地利用，有規(guī)劃的城市發(fā)展以及公民植被保護意識是需要關(guān)注的重點內(nèi)容。

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（責任編輯：李 麗，范 君）