基于MODIS数据的广西植被覆盖度动态监测

李鸿儒卢 远

（1.广西师范学院地理科学与规划学院，广西 南宁 530001；2.北部湾环境演变与资源利用省部共建教育部重点实验室，广西 南宁 530001）

基于MODIS数据的广西植被覆盖度动态监测

李鸿儒1，2卢 远1，2

（1.广西师范学院地理科学与规划学院，广西 南宁 530001；2.北部湾环境演变与资源利用省部共建教育部重点实验室，广西 南宁 530001）

以MODIS—NDVI长时间序列数据为基础，利用像元二分模型对广西区内2001-2013年的植被覆盖度进行了估算，并采用转移矩阵的方法，分析了年份间覆盖度高低变化的方向。结果表明：13年间植被覆盖度呈波动式变化，在空间上的分布规律为东西部大于中部，越往中部植被覆盖度越低；区内植被覆盖度处于较高覆被，且总体呈增长趋势；13年间植被覆盖度变化大多处于稳定状态；2001～2007年和2007～2013年，各等级植被覆盖度以较低覆盖度向高一等级覆盖度转移为主，且正向转移大于负向转移。

植被覆盖度；MODIS；像元二分模型；动态监测；广西

植被是生态系统存在的基础，不论在生物化学循环还是在水循环中，都扮演着重要角色[1]，是地球系统中的活跃成员，陆地生态系统的任何变化必然在植被类型、数量或质量方面有所响应[2]。植被覆盖度（vegetation cover 简称VC）是指植被（包括叶、茎、枝）在地面的垂直投影面积占统计区面积的百分比，是反映地表植被覆盖状况的一个重要指标，是研究区域或全球性水文、气象、生态等方面的基础数据[3]。因此定量评估区域植被覆盖变化，分析地表植被覆盖状态，对于揭示地表植被变化趋势，对分析与评价区域土地资源管理和生态环境保护决策具有重要的现实意义[4]。

随着遥感技术的发展，植被覆盖度测量由原来传统的地面测量发展到现在的遥感估算，为大范围植被覆盖度监测提供可能，目前已成为地表植被覆盖变化监测的主要技术手段[5-14]。在当前常用的遥感数据中，MODIS数据由于具有空间分辨率适中、光谱覆盖范围广、重访周期短、数据质量高、数据获取方便的特点，而被广泛用于植被覆盖度的信息提取上。为此，本文以 MODIS数据为基础，通过对广西区内近13年来地表植被覆盖的动态监测，分析其植被盖度的时空变化规律，以期为生态环境评价及管理提供科学依据。

1 研究区概况

广西区地处祖国南疆，位于东经104°26'～112°04'，北纬20°54'～26°24'之间，整个地势自西北向东南倾斜，山岭连绵，山体庞大，岭谷相间，四周多被山地、高原环绕，呈盆地状，有“广西盆地”之称。北回归线横贯全区中部，属中亚热带季风气候区。南部地区则偏向热带季风气候，全区各地极端最高气温为33.7～42.5℃，极端最低气温为-8.4～2.9℃，年平均气温在16.5～23.1℃之间。广西是全国降水量最丰富地区之一。各地年降水量均在1070毫米以上，大部分地区为1500～2000毫米。

2 数据与方法

2.1数据来源与预处理

本研究采用 2001～2013年的 MOD13Q1数据产品（http://ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html），时间分辨率为 16d，空间分辨率为 250m，研究区域位于 h27v06及h28v06两区，该数据已经过去云、辐射校正和大气校正等预处理。利用ENVI5.1对NDVI影像进行重投影，将Sinusoidal投影转换为 UTM-49N-WGS-84坐标，之后将影像进行拼接、裁剪，获取研究区的NDVI数据。通过反复比较选择每年289～321天（9～10月）合成的最大NDVI值，此时植被生长比较茂盛，可以反映一年内植被覆盖的最佳状况，多年的均值则能反映植被生物量的平均状况。

2.2植被覆盖度估算

归一化植被指数（NDVI）与植被覆盖度有显著正相关关系[15-16]，可以采用像元二分模型法将NDVI 改算为植被覆盖度。它假定通过遥感传感器所观测到的信息可以表达为由绿色植被部分所贡献的信息和由无植被覆盖（裸土）部分所贡献的信息两部分组成。从而得到植被覆盖度估算公式为：

式中：FVC为所求的植被覆盖度，NDVI为所求像元的归一化植被指数；NDVIsoil为全裸土或无植被覆盖像元的NDVI值，NDVIveg则代表完全植被所覆盖的像元的NDVI值。也可得：

式中：NDVImax和NDVImin分别为研究区域内NDVI最小值和最大值。但NDVImax和NDVImin的取值，不直接采用区域中NDVI的最大值与最小值，而是MODIS图像中给定置信度区间内的最大值与最小值。本文对去了异常值的NDVI进行分析统计，取一定的置信度获取最大和最小值，在这里以NDVI值对应像元数量增加或减少到5位数为置信区间。

3 结果分析

3.1广西2001～2013年植被覆盖度的总体特征

通过对广西 13a生长季间月平均覆盖度的分析表明（图1）。研究区植被覆盖度整体较高，中覆盖度以上面积占到总面积的78.2%。13a平均植被覆盖度为58.51%，总体呈明显的波动起伏变化过程，其中植被覆盖度的最高值出现在2008，为60.74%，最低值出现在2002年，为56.44%，2012年和2013年则逐渐接近平均值。

图1　2001～2013年广西植被覆盖度平均值变化

图2　2001～2013年广西平均植被分布图

对计算得到的研究区13年9～10月的植被覆盖度均值，参考相关文献[17-18]采用等间距重分类为5级，即0～0.2极低覆盖度，0.2～0.4低覆盖度，0.4～0.6中覆盖度，0.6～0.8中高覆盖度，0.8～1高覆盖度，从图2可以看出，植被覆盖度在空间上的分布规律为东西部大于中部，越往中部植被覆盖度越低。从行政区来看，植被最大值出现在防城港南部，来宾东部，贺州西部以及梧州北部，其次为桂林、柳州的北部和河池、百色的大部分地区。最差则出现在来宾、北海、贵港中部。其中南宁、贵港和来宾所占的面积最大。

3.2多年植被覆盖度动态变化分析

3.2.1植被盖度面积变化

为了分析植被覆盖度的年际变化，每 6年计算一次广西区内的植被覆盖度，并计算了13年的平均植被盖度（表1）。极低植被盖度由2001年的10.22%减少到2013年的9.89%，且都大于极低覆盖度13年的均值8.26%，低覆盖度和中覆盖度出现先增后减的现象，中高覆盖度和高覆盖度则先减后增。从计算的结果可看出在三个时间段内广西区内植被覆盖度主要为中、中高、和高覆盖度，其中中高覆盖度的面积所占比例最大，分别为31.33%、29.98%和34.92%。整体来看，2001～2013年极低、低盖度的面积有所下降，中、中高盖度有所上升，高覆盖度则由25.93%减少到22.72，中覆盖度以上在三个时间段分别为78.05%、75.24%和79.44%，说明广西区内植被盖度总体呈上升趋势。

表1　广西2001、2007、2013和13年平均植被覆盖度不同等级面积统计（%）

3.2.2植被盖度空间变化

在2001年时，百色、河池、崇左、来宾和贺州5市尚未成立地级市，为了更直观的观测2001年到2013年植被盖度的变化，在此以统一以上述5市成立地级市后的行政边界为准。

从图3可看出，2001到2007年，极低和低覆盖在原来的基础上不同程度的增加并向外扩散，其中西北、东南方向出现植被退化，河池、钦州、贵港和玉林低、中植被覆盖度的面积增加。西部的百色、崇左部分地区和南部的北海中、中高植被覆盖度的面积扩大，植被盖度好转。

2013年较2001年和2007年，中部极低覆被盖度明显发生好转，大多向低、中和中高盖度转换，全区中植被盖度增加，特别是西、西北地区的河池、百色、崇左 3市，在原来的基础上均匀扩散开，从三个时间段来看，南部的钦州市13年的时间内植被盖度好转。

图3　广西2001、2007、2013年植被覆盖度变化监测结果

3.2.3植被盖度的强度变化

为了进一步分析植被盖度的变化情况，运用地图代数的算法，将2007年和2001年、2013年和2007以及2013年和2001的植被覆盖度进行差值运算（表2），参考相关研究[19-20]进行强度分级：<-30为剧烈减少、-30～-10为减少、-10～-5为轻微减少、-5～5为稳定、5～10为轻微增加、10～30为增加、>30为剧烈增加。结果表明三个时间段植被覆盖度变化以稳定为主，2001年到2007年的变化以减少次之，为23.60%，2007年到2013年以增加次之，为24.94%。从2001年到2013年的统计信息可看出，各等级植被覆盖变化的程度差别不大。

表2　植被盖度变化强度对照（%）

3.3不同等级植被覆盖动态分析

转移矩阵可以定量化识别出各土地利用类型在不同监测时间点间的未变化部分、转移部分及其去向、新增部分及其来源，是一种常用的土地利用地物类型变化分析方法[21]。为了进一步研究两个时段内植被盖度的变化情况，计算得到2001～2007、2007～2013年的植被盖度转移矩阵（表2和表3）。通过对表2的分析可知：在2001～2007年时间段内，各等级植被覆盖度以较低覆盖度向高一等级覆盖度转移为主，极低、低、中、中高分别有 3524.42、86068.89、12857.89、和11618.18km2转变为低、中、中高、高植被覆盖度。低向中覆盖度转移率最大，为36.36%。整体来看正向转移的面积为41949.13km2，占总面积的 27.48%，负向转移的面积为29602.73km2，占总面积的19.39%。

通过对表3的分析可知：在2007～2013年时间段内，各等级植被覆盖度以较低覆盖度向高一等级转移的趋势并未发生太大改变，极低、低、中、中高分别有4544.05、10001.14、14902.82、13582.32km2转变为低、中、中高、高植被覆盖度，低向中覆盖度转移率较2001～2007上升，为39.11%。整体来看正向转移的面积为 51369.08km2，占总面积的 30.68%。负向转移的面积为34666.26km2，占总面积的20.29%。

表3　2001～2007年广西植被覆盖度转移矩阵

表4　2007～2013年广西植被覆盖度转移矩阵

4 结论

本文利用2001～2013年的MODIS-NDVI数据估算了广西区内的植被覆盖度，分析了年最大植被覆盖度的时空变化特征，主要得出以下结论：

（1）研究区植被覆盖度整体较高，以中、中高、高覆盖为主，中覆盖度以上在三个时间段分别为78.05%、75.24%和79.44%，13a平均植被覆盖度为58.51%，植被覆盖度在空间上的分布规律为东西部大于中部，越往中部植被覆盖度越低。

（2）在2001～2007和2007～2013年两个时间段内，各等级植被覆盖度以较低覆盖度向高一等级覆盖度转移为主，植被较多发生正向转移，说明植被和生态环境向好的方法发展，但局部退化的问题也不容忽视。

（3）为了进一步分析植被盖度的变化情况，运用地图代数的算法，将2007年和2001年、2013年和2007以及2013年和2001的植被覆盖度进行差值运算，得到的结果显示3个时间段的植被覆盖度变化大多处于稳定状态。

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Dynamic Monitoring of fractional vegetation cover change in Guangxi based on MODIS data

Fractional vegetation cover (FVC) is a critical indicator for vegetation and the eco-environment. It is frequently as a basic input for hydrology, meteorology and water-soil protection studies at regional or global scales.Continuous 16-days composites of Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS)-Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) images of 250 m spatial resolution were acquired for this study. Fractional vegetation cover of the Guangxi province was estimated using a dimidiate pixel method with its spatial-temporal changes in Guangxi from 2001 to 2013，and its change direction was analyzed by using transfer matrix．The results show that the change trend of vegetation was fluctuant,increased from west and east to center;the vegetation coverage in overall Guangxi was at a higher level in past 13 years. and tendency was increasing ;In terms of vegetation fraction intensity ,the vegetation fraction has been much stable for the past; From 1991 to 1999 and 2005 to 2010,the coverage transferring gradually from lower level to higher level ,and positive transformer was greater than the negative.

Fractional vegetation cover; MODIS; two sub-pixel model; dynamic monitoring;Guangxi

X83

A

1008-1151(2015)04-0038-04

2015-03-12

李鸿儒（1991-），女（壮族），广西师范学院地理科学与规划学院硕士研究生，研究方向为环境资源。