基于ERDAS与GIS的滁州市植被NDVI时空变化特征研究
2016-06-23黄海洧谷家川
黄海洧，赵 来，谷家川，许 辉
(滁州学院地理信息与旅游学院，安徽滁州 239000)
基于ERDAS与GIS的滁州市植被NDVI时空变化特征研究
黄海洧，赵 来，谷家川*，许 辉
(滁州学院地理信息与旅游学院，安徽滁州 239000)
摘要[目的]研究滁州市归一化植被指数(NDVI)时空分布规律，为今后有针对性地改善滁州市的植被资源乃至生态系统提供理论依据。[方法]运用ERDAS和GIS技术，选取2001～2010年滁州市MODIS影像数据，得到2001～2010年滁州市的NDVI，并分析了NDVI时空变化的特征。[结果]从时间上看，2001～2010年滁州市植被NDVI平均值整体呈上升趋势，其中2001年植被NDVI平均值为0.468 1，2010年达0.681 3，年均增加率5.06%；从空间上看，滁州市植被NDVI的空间分布格局产生了较大变化，呈现东部和东北部增加，北部和西南部减少的趋势，中部和南部较为稳定。[结论]2001～2010年滁州市植被NDVI总体呈上升趋势，且植被起伏较大，区分较明显。
关键词滁州市；植被覆盖度；NDVI；时空变化
植被是陆地生态系统的主体及存在的基础，在保持水土、降低温室气体浓度、调节全球碳平衡和维持气候稳定等方面有着不可替代的作用[1]。归一化植被指数(NDVI)又称标准化植被指数，是植物生长状态以及植被空间分布密度的最佳指示因子，与植被分布密度呈线性相关。在植被覆盖变化研究中，NDVI能很好地反映植被覆盖、生物量及生态系统参数的变化[2]。NDVI对土壤背景的变化较为敏感，与绿叶的叶面积系数(LAI)有很好的正相关性，可直接表征某地区的植被覆盖状况[3-6]，现已被广泛应用于植被覆盖变化研究中。目前，国内外对遥感影像在植被覆盖度研究中的应用已有大量报道。Rouse等[7]提出用于监测植被生长状态的NDVI，该指数常被应用于区域和全球的植被状态研究。Duncan等[8]研究了墨西哥荒漠地区灌木林覆盖率NDVI的关系，得到了较好的关系模型；甘甫平等[9]根据植被在685 nm的最大吸收深度划分植被污染程度；陈云浩等[10]通过对1983～1992年我国陆地植被NDVI演变特征的矢量分析，从一个相对较广的区域分析了我国陆地整体植被演化的过程。国内很多省市对植被覆盖度进行了估算，但是对滁州市的研究较少。鉴于此，笔者以2001～2010年滁州市的Modis遥感影像数据为基础，利用ERDAS软件的Moderler构建了植被覆盖度转换模型，分析了滁州市植被NDVI的时空分布特征，以期为滁州市生态环境建设提供参考。
1材料与方法
1.1研究区概况滁州市位于117°09′～119°13′ E，31°51′～33°13′ N，滨临长江，东与江苏省南京市、扬州市、淮安市接壤，西与安徽省合肥市、淮南市毗邻，南与马鞍山市相连，北与蚌埠市交界，面积约13 398 km2。
滁州市地处长江中下游平原及江淮之间丘陵地带，为北亚热带湿润季风气候，四季分明，温暖湿润，春季冷暖交替，夏季炎热多雨，秋季晴朗气爽，冬季寒冷少雨。全市年平均气温15.4 ℃，年平均降水量1 035.5 mm。梅雨期长23 d。滁州市域跨长江、淮河两大流域，全市地貌大致可分为岗地区、丘陵区和平原区三大类型，平原较少，主要分布在沿河、湖的狭窄地带，其余均为丘陵与岗地，全市最高峰为南谯区境内的北将军岭，海拔399.2 m。
1.2数据预处理根据下载到的MOD3Q1特性，利用Modis Reprojection Tool(MRT)对格式与投影进行转换，使用ERDAS软件对数据进行拼接，再使用滁州市行政区划图对其进行裁剪，得到滁州市的植被覆盖指数，然后在ERDAS中进行运算，通过ERDAS的功能定义→条件选项→EITHER条件语句对所有小于零的值赋零值。最后运用Arcgis软件的空间统计功能制图，得到2001～2010年滁州市植被NDVI值。
1.3取正值模型基于MRT软件实现Modis遥感数据的投影和格式的转换，再利用ERDAS软件植被NDVI指数建立模型，获得滁州市植被NDVI数据。然后基于ESRI公司ArcGIS空间分析模块，实现对滁州市植被NDVI数据时空变化特征的分析。
使用ERDAS遥感软件，对遥感影像各波段的值进行处理，即对植被指数提取正值进行特殊处理，在ERDASImagine的Modeler的波段运算中采用以下语句：EITHER
1.4数据来源采用2001～2010年的MODIS数据，数据来源于国际数据科学服务平台(http：//datamirror.csdb.cn/)。辅助资料为滁州市行政区划图，由滁州市国土资源管理部门提供。
2结果与分析
2.1植被NDVI最大值时间变化特征从图1可见，2001～2010年滁州市各县区植被NDVI最大值总体呈上升趋势，由2001年的0.921 8增加到2010年的0.999 4，增长率达8.42%。植被NDVI历史最大值分别出现在2007、2010年，均为0.999 4，最小值出现在2003年，为0.910 9。由此可见，2001～2010年滁州市各区县植被NDVI最大值变化幅度不大。从地区来看，各区县有差别，其中增幅最大的为来安县，年增长率达2.78%，增幅最小的为明光市，为0.80%。10年间各区县的变化趋势相似，2007～2009年均有所下降，最高值出现在2004年，2009年出现最低值。
图1 2001～2010年滁州市各区县NDVI最大值变化情况Fig.1 The change of NDVI maximum value in each county in Chuzhou City during 2001-2010
2.2植被NDVI平均值时间变化特征从图2可见，2001～2010年滁州市植被NDVI平均值总体呈上升趋势。2001年植被NDVI平均值为0.468 1，2010年达0.681 3，增长率为45.55%。滁州市植被NDVI平均值的最高值出现在2010年，为0.681 3，最小值出现在2009年，为0.370 3，最大值是最小值的1.8倍。从地区来看，2001～2005年各县区的变化趋势大致相同，均为缓慢增长，2006年之后天长市的植被NDVI平均值变化曲线与其他区县有明显不同，其他区县在2009年均出现了最低值，而天长市在2008～2009年呈现上升趋势，各区县在2010年均达到峰值。
图2 2001～2010年滁州市各区县NDVI平均值变化情况Fig.2 The change of NDVI mean in each county in Chuzhou City during 2001-2010
2.3植被NDVI总值时间变化特征从图3可见，滁州市植被NDVI总值总体呈上升趋势，由2001年的100 345.900 0增长到2010年的146 745.800 0。2010年各区县的NDVI总值较2001年均有所提升，其中定远县提升的最多，由2001年的21 251.100 0增加到2010年的32 862.100 0，增长率为35.33%。这说明定远县在植被保护的相关政策及对相关的政策性投资力度比较大，且取得了一定成效。排在定远县之后的植被NDVI总值增长较多的分别是天长市、来安县、明光市，分别增长了8 450.300 0、6 761.400 0、4 930.500 0。由此可知，2001～2010年滁州市的植被覆盖状况较好。
图3 2001～2010年滁州市各区县NDVI总值变化情况Fig.3 The change of NDVI total value in each county in Chuzhou City during 2001-2010
2.4植被NDVI空间变化特征从图4可见，2001～2010年滁州市植被NDVI的空间分布格局发生了一定变化，滁州市中南部地区植被覆盖度的变化较为平稳，且维持在全市中上游水平，然而西北部部分地区植被覆盖出现下滑情况。从行政区划来看，这部分区域集中在凤阳县西北部和明光市北部。天长市的植被覆盖程度在2001～2010年间呈不断改善趋势，2010年部分原先植被覆盖程度较低的区域有显著改善。相对于其他区县，2010年来安县的植被覆盖达到了一个相对较高的程度，出现了部分植被覆盖程度很高的区域。滁州市区的植被NDVI指数较其他地区较为突出，这可能是由于区域面积相对较大，经济发展水平相对较高，因此，2001～2010年植被NDVI总值变化不大甚至低于市内大部分区县。结合2001～2010年各个区县及滁州市植被NDVI空间分布情况可知，滁州市整体的NDVI植被覆盖空间分布呈东部和东北部增加，北部和西南部减少的趋势，中部和南部较为稳定。
图4 2001、2004、2007、2010年滁州市植被NDVI特征Fig.4 NDVI features in Chuzhou City in 2001，2004，2007 and 2010
3结论与讨论
笔者运用ERDAS和GIS技术，利用2001～2010年滁州市MODIS影像数据，得到滁州市归一化植被指数(NDVI)，并对其时间序列和空间序列进行了分析，得出以下结论：
(1)从时间上看，2001～2010年滁州市植被NDVI最大值总体呈增加趋势，滁州市植被NDVI总值呈反复上升下降的过程，但总体呈上升趋势。其中，NDVI总值从2001年的100 345.900 0增长到2010年的146 745.800 0，增长率为46.24%。
(2)从空间上看，前期中部植被覆盖值域比外围高，但分布不均匀。明光市中部出现了1条植被覆盖相对较低的区域，且这片区域在2001～2010年变化不大。在后期天长市和来安县的植被覆盖呈不断回升的团块状，且出现了部分植被覆盖水平较高地块。滁州市区的植被覆盖起伏较大，2001～2010年呈正负相间，区分比较明显。
(3)植被NDVI指数分析是一个长期、连续的过程，短期数据采集可能受外界环境的影响较大，有一定的偶然性，从而产生一定误差。经济发展也是植被NDVI值的影响因素，城市发展必然会伴随着一系列变化，包括土地利用方式及植被保护意识，因此需要整合其他研究方法，建立科学的分析模型，使结果更客观、更科学。
参考文献
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Study on Spatial and Temporal Variation Characteristics of NDVI in Chuzhou City Based on ERDAS and GIS
HUANG Hai-wei, ZHAO Lai, GU Jia-chuan*et al
(College of Geographical Information and Tourism, Chuzhou University, Chuzhou, Anhui 239000)
Abstract[Objective] The aim was to study the temporal and spatial distribution law of vegetation NDVI in Chuzhou City, and provide theoretical basis for improving vegetation and ecosystem in Chuzhou City. [Method] Using ERDAS and GIS technology, choosing MODIS data in Chuzhou City during 2001-2010, NDVI was obtained, the temporal and spatial variation characteristics were analyzed. [Result] Seeing from time, the overall trend of NDVI mean was upward, NDVI in 2001 was 0.468 1 and in 2010 was 0.681 3, annual average increase rate was 5.06%; From the aspect of space, NDVI spatial pattern of Chuzhou achieved a major change. The spatial distribution reflected an increase in east and northeast, but a decline in north and southwest, remained stable in center and south. [Conclusion] The overall trend of NDVI in Chuzhou City during 2001-2010 is upward, vegetation fluctuation is larger, and the distinction is obvious.
Key wordsChuzhou City; Vegetation coverage; NDVI; Temporal and spatial variation
基金项目滁州学院大学生创新创业训练计划资助项目(2015CXXL040)；安徽省省级大学生创新创业训练计划项目(201510377036)；国家自然科学基金项目(41271545)；校级一般教学研究项目(2015jyy015)。
作者简介黄海洧(1995- )，男，安徽亳州人，本科生，专业：GIS应用。*通讯作者，助教，硕士，从事气候环境变化与GIS应用研究。
收稿日期2016-03-18
中图分类号S 127；TP 79；Q 948.11
文献标识码A
文章编号0517-6611(2016)11-070-03
