黑河下游额济纳旗植被动态遥感监测解析＊

2011-12-03杨晓华

草原与草业 2011年3期

杨晓华，韩芳

（内蒙古生态与农业气象中心，内蒙古呼和浩特 010051）

20世纪60年代以来遥感手段被应用在大范围的植被监测中，其中归一化植被指数（NDVI）是目前最常用的表征植被活动的指标〔1〕。植被指数是描述植被数量、质量、植被长势和生物量等指标的指示参数，是地面植被与相应遥感影像的桥梁，特别是NASA（美国国家航天局）提供的MODIS NDVI植被指数产品，由于数据质量高、获取便捷，因而在全球植被遥感研究领域得到了广泛的应用，已经成为大尺度植被遥感研究的主要基础数据〔2〕。

黑河流域是我国西北干旱地区最大的内陆河流域之一，位居黑河下游的内蒙古自治区额济纳旗，地处内蒙古自治区最西部，南与甘肃省为邻，北部与蒙古国接壤，东部为巴丹吉林沙漠，属干旱、极干旱荒漠区，总土地面积11.46万km2，黑河是境内唯一的河流〔3〕。额济纳天然林草植被既是阻挡风沙侵袭、保护生态的屏障，也是当地人民繁衍生息、国防科研和边防建设的重要依托，及时掌握植被的变化趋势关系到广大牧民的生计甚至影响到国家的相关政策。

以往针对植被长时间序列时空变化特征的研究，主要基于已有20余年数据积累的NOAA植被指数产品展开〔4－6〕，但 NOAA NDVI植被指数产品在空间、光谱分辨率上劣于MODIS NDVI植被指数产品〔2，7〕。本文利用2001～2010年 MODIS数据研究额济纳植被指数的变化情况，对于因地制宜地采取有效措施保护和拯救额济纳绿洲，发挥其绿色屏障的强大生态功能具有重要现实意义。

1 资料与研究方法

利用2001～2010年8月的EOS／MODIS卫星遥感监测资料，制作额济纳旗各年之间的归一化植被指数图和植被指数差值变化分布图，并计算和统计出每年的NDVI平均值，植被指数差值的变化区间、面积值等数据，对额济纳旗植被指数的变化状况和地表植被长势进行监测分析。

1.1 植被生物量、覆盖度信息的提取

年度NDVI是反映植被生物量和覆盖度状况的最直接体现〔8〕，每年8月植被覆盖度达到最大值。在生物量上，本文采用每年8月NDVl的平均值来代表当年植被的生物量状况。在植被覆盖度上，本文将每年8月NDVI数据分为（0，0.09）、（0.1，0.19）、（0.2，0.29）、（0.3，0.39）、（0.4，0.49）、（0.5，0.59）6个等级，分别代表不同覆盖程度的植被，并提取每个等级的面积，通过不同等级面积的变化，反映10年来额济纳旗植被覆盖度的变化趋势。在差值分析上，用每年的NDVI与2001～2010年10年的NDVI平均值进行比较，差值＜－0.04，NDVI下降；差值－0.03～0.03之间，NDVI基本不变；差值＞0.04，NDVI增长。

1.2 计算方法

利用公式（1）计算10年NDVI平均值在时间维上的线性拟合趋势，通过该趋势反映研究区域内植被状况的变化。如果斜率大于零说明植被状况趋于正向趋势发展，反之，斜率小于零则说明植被状况趋于恶化〔9〕。

利用公式（2）和公式（3）分别计算2001～2010年10年间年度NDVI的标准差和变异系数，以此来反映10年来研究区域内不同NDVI类型的植被绝对变异量和相对波动程度〔10〕。波动值大说明植被群落不稳定（植被状况趋于恢复或退化），波动值小说明植被群落状态稳定。

式中：a—斜率；Y—研究年份；S—标准差；xi—第i年的年NDVI；CV—变异系数。

2 结果与分析

2.1 NDVI的年际变化

图l给出了额济纳旗2001～2010年，年NDVl变化曲线及趋势线。从年平均值来看，2001年平均值最小，为0.07，之后，2001～2007年平均值缓慢上升，2008年、2009年，平均值有所下降，但2010年最好，NDVI为0.1。10年平均NDVI为0.08。从线性趋势看，2001～2010年NDVI总体上处于上升趋势。平均每年的NDVI增加0.0018。这可能与黑河下游分水，对额济纳绿洲植被的恢复起到很好的作用有关〔11〕。

图1 额济纳旗NDVI年变化曲线和线性趋势

2.2 NDVI面积变化

从10年来各等级NDVI的平均面积（表1）来看，额济纳旗植被总体较差，有近85.97%的植被处于较差水平（NDVI介于（0，0.09）），12.94%的植被处于中等水平（NDVI介于（0.1，0.19）），1.09%的植被处于较好水平（NDVI介于（0.2，0.59）），其中 NDVI介于（0.5，0.59）区间值，仅出现在2004～2008年。植被较好水平区域主要分布在额济纳绿洲，其它地区植被较差。

通过变异系数可以看出，2001～2010年额济纳旗不同等级植被年度NDVI介于（0.4，0.49）之间的面积波动最强，介于（0.1，0.19）和（0.5，0.59）之间的面积波动次之，介于（0，0.09）之间的面积被动最弱。说明额济纳旗高植被覆盖度的植被群落不稳定（植被状况趋于恢复或退化），而植被覆盖度低的植物群落相对稳定。

从各等级面积的年度线性拟合斜率来看，NDVI在（0，0.09）区间内的低覆盖度草原面积呈减少趋势，其它区间的面积呈增加趋势，总的来说，高覆盖度植被面积在增加，低覆盖度植被面积在减少，研究区域内植被覆盖度在朝恢复的方向发展。

表1 2001～2010年8月额济纳旗不同等级NDVI面积变化（Km2）

2.3 植被指数对比分析

利用每年的植被指数与近10年的植被指数平均值进行差值分析（表2），可以看出，2001年植被指数增长区域的面积最小，植被指数下降区域的面积最大，植被长势相比最差：2010年增长区域的面积最大，植被长势较好。通过线性拟合斜率分析，2001～2010年植被指数下降区域的面积呈减少趋势，植被指数增加的面积呈上升趋势，额济纳绿洲植被指数增长明显。总体来看，额济纳旗约98.15%的植被长势基本保持不变，约0.38%的植被长势下降，约1.47%的植被长势向好的方向发展，再一次说明额济纳旗低覆盖度植被面积减少，高覆盖度植被面积增加，植被的稳定性增强，植被状况明显好转。

表2 额济纳旗2001～2010年植被指数差值变化分析

3 结论与讨论

2001～2010年间，额济纳旗的植被尽管有波动起伏，但总体趋于好转。在植被生产力上，年度NDVI平均值趋于增加。在植被覆盖度上，NDVI值介于（0，0.09）之间的面积趋于减少，其它高值区植被面积趋于增加。在空间面积比例上，1.47%的面积植被状况趋于好转，0.38%的面积植被状况趋于恶化。说明近10年来额济纳旗植被长势呈上升趋势，可见黑河分水对下游的额济纳绿洲及其周边植被的恢复成效是显著的。这与刘咏梅〔12〕、都瓦拉〔13〕提出的黑河分水使下游的生态环境退化问题得到了缓解，使生态环境得到改善的观点基本相同。可见利用每年MODIS NDVI数据，可以很好地分析植被长势状况及植被的发展趋势。

总的来说，本文利用MODIS NDVI数据阐述了额济纳旗10年来植被的动态变化趋势，为近期草原保护治理措施的评价，以及黑河分水对下游生态环境的影响，提供了基础科学数据。但也存在一定的不足之处，在数据分析方面，选择每年8月的遥感数据进行最大值合成，合成的数据产品代表当年的植被生长状况，虽然能够说明植被的变化情况，但受当年气候及1年生植物的影响，植被长势数据会存在偏差，因此会对研究结果产生一定程度的影响。

〔1〕乌兰吐雅，刘爱军，高娃 .内蒙古天然草原植被20年动态遥感监测〔J〕.草业科学，2009，26（9）：40－42.

〔2〕田庆久，闵祥军 .植被指数研究进展〔J〕.地球科学进展，1998，13（4）：327－333.

〔3〕陈江南，李会安，钟思励，等 .黑河下游额济纳旗天然林草植被保护途径探讨〔J〕，水土保持学报，2004，8，（2）：45－48.

〔4〕毛飞，孙涵，张艳红，等 .近20年藏北草地地表参数动态变化研究〔J〕.农业工程学报，2008，24（4）：166－172.

〔5〕张宏斌 .基于多源遥感数据的草原植被状况变化及其驱动力研究〔D〕.北京：中国农业科学院，2007.

〔6〕王晨轶，李秀芬，纪仰慧 .黑龙江省植被长势遥感监测解析〔J〕.中国农业气象，2009，30（4）：582－584.

〔7〕严建武，李春娥，袁雷，等.EOS－MODIS数据在草地资源监测中的应用进展综述〔J〕.草业科学，2008，25（4）：1－9.

〔8〕徐斌，杨秀春，陶伟国，等 .中国草原产草量遥感监测〔J〕.生态学报，2007，27（2）：405－413.

〔9〕阎福礼，李震，邵芸，等 .基于NOAA.AVHRR数据的西部植被覆盖变化监测〔J〕.兰州大学学报（自然科学版），2003，39（2）：18－23.

〔10〕张宏斌，唐华俊，杨桂霞，等.2000～2008年内蒙古草原MODIS NDVI时空特征变化〔J〕.农业工程学报，2009，25（9）：168－175.

〔11〕金晓媚，胡光成，李文梅 .中国西北地区额济纳绿洲植被盖度与黑河流量的滞后效应研究〔J〕.地学前缘，2008，15（4）：198－203.

〔12〕刘咏梅，赵忠福，王丽华 .额济纳河水资源变化对其流域天然植被的影响〔J〕.内蒙古气象，2008，（6）：14－15－23.