基于MODIS/NDVI时序数列的长沙市植被覆盖动态变化

罗 勇，闫文德

（1.广东省林业调查规划院，广东 广州 510520；2.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

基于MODIS/NDVI时序数列的长沙市植被覆盖动态变化

罗 勇1，闫文德2

（1.广东省林业调查规划院，广东 广州 510520；2.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

NDVI是识别植被的一个重要参数，与植被盖度有明显的相关性。NDVI时序变化曲线反映了植被随时间的推移而发生的生长和变化状况。本研究利用2000～2009年长沙市MODIS数据，采用均值变化法分析了长沙市连续10 a NDVI的时空演变。结果显示：这10 a间，植被在生长季（4～10月）总体长势较好，年均NDVI都在0.9以上；从时间角度来看，NDVI呈现缓慢增加趋势，但期间出现2个峰值和1个最低值，分别为2002年、2006年和2003年；从空间角度来看，东部NDVI最高，西部其次，中部最低，植被覆盖以中、高植被覆盖区为主，随时间变化，NDVI在空间上表现出波动变化；NDVI年代际变化率表明，长沙市NDVI值在2000～2009年连续10 a时间里，既有增加，也有减少。2003、2007和2009年年代际变化率为负值，其余年份为正值。

植被覆盖动态变化；MODIS；NDVI；时序；长沙市

陆地生态系统是人们赖以生存和持续发展的生命支持系统。人口增长、工业化和城市化的推进，化石燃料的燃烧，森林砍伐，草原退化以及过度放牧等人类活动，造成大气中“温室气体”浓度迅速增加。由此引起的全球气候和环境问题，已引起世界各国科学家和相关政府的高度关注[1]。作为陆地生态系统主体的植被生态系统在调节区域气候、涵养水源、保持水土和维持区域生物多样性等方面具有重要的作用，同时植被生态系统也是表征地方、区域乃至全球尺度生态系统状况、环境压力和景观变化的指示器[2]。而植被覆盖的稀疏和退化是导致区域生态环境恶化的根源，其变化将对地理环境产生巨大影响。因此，对植被覆盖进行动态变化研究具有重要意义[3]。

信息技术和计算机技术的发展，为多尺度、大范围、高时效的植被监测提供了科学和技术支撑。运用遥感图像反映地表植被覆盖信息时常用的植被指数包括：归一化植被指数NDVI、改进植被指数AVI、高级归一化植被指数ANVI等[4-5]。其中，由于NDVI进行植被监测具有灵敏度较高，能够消除地形和群落结构的阴影和辐射干扰等优势[6-7]，其数值大小与植被覆盖高低具有很高的正相关，能够相当精确地反映植被绿度、光合作用强度，植被代谢强度、长势、繁茂程度及其季节和年际变化[8]。因此，在全球等大尺度的植被动态监测、植被分类、作物长势检测和物候监测等方面得到了广泛应用[9-10]。孙红雨等[11]通过NOAA/AVHRR 数据生成NDVI指数，并与地理数据数字影像结合对植被综合分类以及景观生态质量进行深入研究；张镱锂等[12]对三江源地区NDVI变化总态势进行了分析。

长沙市位于中国中南部的长江以南地区，属亚热带季风气候，在全球变暖背景下，水热状况的变化必然导致这一地区陆地生态系统的变化。同时，陆地生态系统的演变也必然会通过地面与大气之间的能量平衡、水汽交换和生物地球化学循环等相互作用对气候变化产生影响[13]。因此，本研究以RS与GIS为技术支撑，采用连续10 a (2000～2009年)的长沙市MODIS数据，通过分析植被覆盖的时空动态变化，以期了解该区域植被覆盖的动态变化，进而认识该区域生态系统变化，为该区域合理制定土地利用方案和促进经济和谐稳定发展提供帮助。

1 研究区概况

长沙市为湖南省省会，位于湖南省东北部湘江下游, 跨湘江两岸, 呈南北狭长分布, 是湖南省政治、经济、交通文化中心。其中市区辖芙蓉、天心、岳麓、开福、望城、雨花六区，总面积1 450 km2，总人口171 146 万人。属于典型的亚热带季风湿润气候，气候温和湿润，季节变化明显，年平均气温17.2 ℃，年平均降雨量1 360 mm，地貌类型包括低山、丘陵、岗地、冲积平原等多种类型[14-15]。研究区域地理位置见图1。

2 研究方法

2.1 数据来源及处理

MODIS数据来源于美国LPDAAC(Land Process Distribution Active Archive Center)，空间分辨率为250 m×250 m，时间分辨率为16 d。本研究研究时限为2000～2009年的每年4月～10月，共140景。通过长沙市矢量图，在Envi中进行图像截取、影像镶嵌，坐标和投影转换等处理，最后利用Matlab软件计算出每景的NDVI值。为进一步消除云、大气、太阳高度角等的部分干扰，本研究采用最大合成法(MVC)获取每月的NDVI。为避免某些极端月份NDVI数值的影响，年NDVI值采用均值法获得。最后利用Arcgis进行栅格重分类，成图。

图1 研究区地理位置Fig. 1 Location of study area

2.2 数据计算

式(1)中：NDVI为归一化植被指数，NIB为近红外波段(0.725～1.10 µm)，VS为可见光波段(0.58～0.68 µm)。

3 结果与分析

3.1 长沙市年均NDVI随时间变化趋势

表1和图2给出了2000年～2009年长沙市NDVI年均值及其变化趋势。从中可以看出，研究区植被覆盖呈现不断的波动变化。2000～2009年NDVI值都在0.9以上，变化范围在0.983 4～0.998 9之间，变化幅度不是很大，但期间出现2个峰值和1个最低值，即2002年、2006年和2003年。2000～2002年NDVI值呈现逐渐增加的趋势，但增长速度逐渐减缓，2003年NDVI值出现下降，并降低到这10 a间的最低，2003年后，NDVI值逐年增加，2006年以后呈现波动下降的趋势。虽然这10 a间，长沙市年均NDVI值呈现波动变化，但从趋势线可以看出，2000～2009年间，长沙市年均NDVI值呈现缓慢增加的趋势。

3.2 长沙市年均NDVI空间变化趋势

由于NDVI与植被覆盖有较好的正相关，因此基于不同时期N 的动态变化，可有效实现对研究区植被覆盖度的动态监测。基于目前NDVI植被覆盖分区的研究方法，将研究区植被覆盖分为弱植被覆盖区(NDVI在0～0.13之间)、稀疏植被覆盖区(NDVI在0.13～0.3之间)、低植被覆盖区(NDVI值在0.3～0.45之间)、中植被覆盖区(NDVI值在0.45～0.6之间)、高植被覆盖区(NDVI值在0.6～0.75之间)和密集植被覆盖区(NDVI值在0.75～1之间)等区域[3]。

表1 长沙市年均NDVI值Table 1 Mean annual NDVI in Changsha

图2 长沙市年均NDVI变化曲线Fig. 2 Variation of mean annual NDVI in Changsha

图3 2000～2009年长沙市植被覆盖状况分布Fig.3 Distribution of vegetation covers in Changsha (2000～2009)

从图3可看出，研究区东部植被覆盖度最好，西部其次，中部相对较差。具体而言，2000～2002年，研究区东部绿色面积逐渐增大，橙色、黄色区域面积逐渐减少，说明这一时间段，研究区东部高植被和密集植被覆盖呈现上升的趋势，西部绿色区域面积虽有增加，但与东部相比，增加不明显，以中植被和高植被覆盖为主，中部植被覆盖状况基本保持不变，以弱植被和稀疏植被覆盖为主；2003年东部绿色面积减小，中西部黄色区域面积增大，尤其是中西部增加明显，说明2003年研究区植被覆盖较差，主要为低植被和高植被覆盖区；2004～2009年，研究区东、西部植被覆盖虽存在波动变化，但仍以中植被和高植被覆盖为主。此外，低植被覆盖区在东部呈现出波动增加的趋势，中部NDVI在0.3以下，且面积也呈现波动增加的趋势。

3.3 NDVI年代际变率分析

从NDVI年代际变化率角度来看，长沙市NDVI值在2000～2009年连续10 a时间里，既有增加，也有减少(图4)。2003年、2007年和2009年为年代际变化率为负值，其中2003年年代际变化率最大，达到-1.576%，主要反映在弱植被覆盖区和稀疏植被覆盖区面积的增大。值得一提的是，2008年年代际变率为0.060%，而2009年年代际变率转变为-0.665%，尤其对于中西部而言，植被覆盖从低、中植被覆盖区转变为低植被覆盖区和稀疏植被覆盖区。说明2008～2009年间，研究区植被覆盖度有明显下降趋势。

图4 2000～2009年长沙市NDVI年代际变化率Fig.4 Decade percent changes of NDVI in Changsha (2000～2009)

4 结论与讨论

基于长沙市2000～2009年MODIS数据，对长沙市NDVI进行了研究。从时间变化来看，长沙市2000～2009年年均NDVI值呈现波动变化，并呈小幅上升趋势，年均NDVI均在0.9以上，变化范围在0.983 4～0.998 9之间。这主要是因为，研究时限为每年的4～10月，在亚热带地区，此时间段为植物的生长季。值得注意的是，2003年NDVI出现极小值，这可能是因为，2003年长沙市出现了严重的旱情，且气温特别高，持续时间特别长[16]。如此严重的旱情，对植物生长造成了重大影响，由此导致2003年长沙市NDVI值较其他年份低。2003年后，NDVI呈现上升趋势，2006年后开始呈现下降的趋势，2007年NDVI出现了较小幅度的下降。这可能是因为2007年长沙市持续高温少雨，出现了50 a一遇的旱情[17]，但在有关部门和组织的努力下，使得旱情有所缓解。值得一提是，尤其是2008～2009年间，NDVI下降趋势明显。这可能是因为2008年中国南方收到雪灾的影响，低温冻害给植被生长创造了极为不利的自然条件，由此造成2008～2009年长沙市NDVI急剧下降。

从空间变化来看，NDVI值较高的为长沙市东部，其次为西部，最低位中部。这可能是因为长沙市东部和西部以山地和丘陵为主，森林等植被覆盖率较高；中部湘江从中穿过，城市建设沿湘江两侧向东西向发展。因此，中部土地利用类型主要为城市建设用地，在城市化快速推进的当今，中部植被覆盖率要明显低于受城市化影响较小的东、西部。从时序角度看空间变化，可以发现，东、西部NDVI呈现波动变化，而中部则相对稳定，这主要是因为东、西部植被覆盖率较高，其覆盖率受到自然和人为活动双重因素的影响，尤其是自然因素中的气温和降水，其变率的变化对NDVI的影响较大，而中部则以建成区为主，其植被覆盖率相对比较稳定。

从NDVI年代际变化率角度来看，长沙市NDVI既有增加，也有减少。2003年年代际变化率最大，达到-1.576%，主要是因为持续的高温干旱，导致弱植被覆盖区和稀疏植被覆盖区面积的增大。2008年年代际变率为0.060%，而2009年年代际变率转变为-0.665%。这可能是由于罕见的雨雪天气[18]，不仅造成植被物理性变化，也给植被生理及生长创造了极为恶劣的外部条件，导致植被覆盖度呈现明显下降趋势。

本研究仅探讨了长沙市不同时序NDVI的时空变化，并没有深入分析造成这种变化的内在原因，因为NDVI的变化受到多种因素的影响和制约，如气温、降水、人类活动等，如能将不同时序的NDVI、气温、降水、土地利用、 植被类型图等进行叠置分析和相关分析，将能更为准确的综合分析NDVI变化及其影响因素。

[1] 华 维,范广州,李洪权,等. 西南地区近21年来NDVI变化特征分析[J]. 成都信息工程学院学报,2008,33(1):91-97.

[2] 孙红雨,王常耀,牛 铮,等. 中国地表植被覆盖变化及其与气候因子的关系—基于NOAA时间序列数据集[J].遥感学报,1998, 2(3):204-210.

[3] 杨 啸.基于时序NDVI的湖北省植被覆盖动态变化监测分析[J]. 长江流域资源与环境,2013,22(2):226-231.

[4] 陈述彭. 遥感大辞典[M]. 北京:科学出版社,1990:382-383.

[5] 王正兴,刘 闯,等. 植被指数研究进展: 从AVHRR-NDVI到MODIS-EVI[J]. 生态学报,2003,23(5):980-987.

[6] 王海梅,李政海,韩国栋,等.锡林郭勒地区植被覆盖的空间分布及年代规律分析[J].生态环境学报,2009,18(4):1472-1477.

[7] 李 震,阎福礼,范湘涛.中国西北地区NDVI变化及其与温度和降水的关系[J]. 遥感学报,2005,9(3):308-313.

[8] 宋富强, 邢开熊, 刘 阳,等. 基于MODIS/NDVI的陕北地区植被动态监测与评价[J]. 生态学报,2011,31(2):0354-0363.

[9] Xiao X M, Boles S, Liu J Y, et al. Characterization of forest types in Northeastern China, using multi-temporal SPOT- 4 vegetation sensor data[J]. Remote Sensing of Environment, 2002, 82: 335-348.

[10] Defries R S, Townshed J G R. NDVI derived land cover classif i cation at a g lobe scale[J]. International Journal of Remote Sensing, 1994, 5:3567-3586.

[11] 孙红雨,王长耀. 中国地表植被覆盖变化及其与气候因子关系[J]. 遥感学报, 1998,2(3): 204-209.

[12] 张镱锂,丁明军,张 玮,等. 三江源地区植被指数下降趋势的空间特征及其地理背景[J].地理研究, 2007,26(3):500-506.

[13] 曹明奎, 李克让. 陆地生态系统与气候相互作用的研究进展[J]. 地球科学进展,2000,15(4):446-451.

[14] Xiao X M, Boles S, Liu J Y, el al. Characterization of forest types in Northeastern China, using multi-temporal SPOT- 4 vegetation sensor data[J]. Remote Sensing of Environment, 2002, 82: 335-348.

[15] Defries R S, Townshed J G R. NDVI derived land cover classif i cation at a g lobe scale[J]. International Journal of Remote Sensing, 1994, 5: 3567-3586.

[16] 赵仲辉,罗 茜,黄志宏,等.长沙城市森林对气温的调节效应[J].中南林业科技大学学报,2011,31(5):31-36.

[15] 肖 英,任 希.不同森林覆盖下长沙土壤氮的垂直变化及氮储量[J].中南林业科技大学学报,2013,33(6):104-107.

[16] 王孝忠.2003年大旱回顾[DB]. 中国水利：www.chinawater.com.cn/grzl/wxz/6/201307/t20130723_284286.htm, (2013/7/23).

[17] 新浪网.7月以来长沙出现50年一遇特大干旱(组图)[DB/N].http://news.sina.com.cn/c/2007-08-07/115512342131s.shtml,(2007/8/7).

[18] 梁益同, 夏智宏, 柳晶辉,等. 基于RS和GIS的2008年长江中下游雪灾监测-以湖北省为例[J].长江流域资源与环境,2009, 18(9):881-884.

Dynamic changes of vegetation cover in Changsha city based on MODIS/NDVI

LUO Yong1, YAN Wen-de2
(1. Guangdong Forestry Survey and Planning Institute, Guangzhou 510520, Guangdong, China;2. Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

∶ The change of vegetal index can reveal the evolvement of environment. Long-term quantitative analysis of vegetal distribution and change can illustrate the reasons of environment change. Based on the continuous MODIS data with the spatial resolution of 250 m × 250 m and temporal resolution of 16 d from 2000 to 2009, by means of some image software such as ENVI 4.8 and Arcgis 9.3,the variations of NDVIin Changsha were analyzed. The results show that the plantations were growth well between the months April and October and the annual mean NDVIwere all above 0.9, the NDVIshowed a slow increase trend which varied with years; from the space perspective, the highest NDVIwas in the east and next is west, the middle part was the lowest and they showed a fl uctuation change with years. The vegetation cover mainly was in medium and high; the annual gradient indicates that the NDVIin Changsha city between 2000 and 2009 both increased except in 2003, 2007 and 2009.

∶ dynamic change of vegetation cover；MODIS; NDVI; time series; Changsha city

S731.2

A

1673-923X(2014)06-0019-05

2013-10-31

国家林业公益性行业科研子专项（201104005）；教育部新世纪优秀人才支持计划（NCET-10-0151）；广东省林业厅项目（2012KFCX019-01）

罗 勇（1976-），男，河南信阳人，博士，高级工程师，主要从事森林生态、土壤污染等方面的研究

[本文编校：文凤鸣]