基于NDVI的农牧交错带典型地区时空动态特征研究——以吉林西部为例

杨佰义，皮龙风，李程程

(1.山东科技大学测绘科学与工程学院，山东青岛 266590；2.即墨市国土资源局，山东青岛 266200)



基于NDVI的农牧交错带典型地区时空动态特征研究

——以吉林西部为例

杨佰义1，皮龙风1，李程程2

(1.山东科技大学测绘科学与工程学院，山东青岛 266590；2.即墨市国土资源局，山东青岛 266200)

[目的]探讨农牧交错带典型地区的时空动态特征。[方法]基于MODIS归一化植被指数数据集(2000～2010年)，采用空间自相关分析和趋势分析方法，以吉林西部为例，研究农牧交错带典型地区地表植被空间分布特征。[结果]2000～2010年，吉林西部地表植被在生长季呈明显上升趋势；研究区地表植被的空间分布表现出正相关，但在局部地区地表植被分布有破碎倾向，空间分布的整体性一般。[结论]该研究为人类合理保护自然提供科学依据。

吉林西部；典型农牧交错带；NDVI；时空动态特征

植被作为自然环境最敏感的要素，其变化在环境和全球变化研究中起着重要的指示性作用[1-2]。地表归一化植被差值植被指数(NDVI)对植被的生物物理特征十分敏感，许多学者在全球和区域尺度下研究植被变化对气候要素的响应特征[3]。植被具有涵养水源、保持水土的作用，有助于生物地球化学的良性循环，基于统计学方法研究长时间序列植被指数相关数据，可以准确地反映植被生长变化以及时空分布规律[4]，对人类进一步合理开发、综合利用资源、保护环境等具有重要意义。笔者采用空间自相关分析和趋势分析方法，以吉林西部为例，研究农牧交错带典型地区地表植被空间分布特征，以期为人类合理保护自然提供科学依据。

1　研究区概况

我国农牧交错带是联系牧区与农区的纽带，是东部的生态屏障和畜产品的供应基地，也是西部的育肥带、饲草供应基地和畜产品的中转市场。该研究区域位于农牧交错带的吉林西部，其以南是干旱的科尔泌沙地，以北是大兴安岭林区，以西是呼伦贝尔草原，区位间差异很大。近年来全球气候变化明显，沙漠化现象也越来越严重，生态环境极其脆弱[5]。2数据来源与研究方法

2.1数据来源遥感数据来自中国科学院所支持的“国际科学数据服务平台”(datamirror.csdb.cn)中的基于MODIS传感器且经处理得到的NDVI数据集。该数据集的数据是每隔16d获取一幅影像，且经过图像预处理(包括大气校正，辐射校正、几何校正等)的NDVI数据。利用ENVI软件对研究区进行规则裁剪，得到研究年份内同一地区(吉林西部)的ROI(感兴趣区)，选取2000～2010年每年5～9月的数据代替该年的数据，因为此段时间植物生长旺季，植被覆盖度高，数据更具代表性。

2.2研究方法

2.2.1NDVI。植被的光谱特征在无植被或者少植被的地区反差最小，中等植被区反差是红色和近红外波段的变化结果，而高植被区仅有近红外波段的反差有贡献，红色波段趋于饱和，不再变化。因此，将红光波段和近红外波段通过波段组合得到植被指数，在一定程度上反映植被的演化[6]。

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(1)

式中，NIR是近红外波段的值，R为红外波段的值。NDVI的取值范围为[-1，1]。

2.2.2年植被生长信息提取。采取每个月2幅影像的NDVI平均值来消除云雾等其他因素的影响，同时增加了对大气、悬浮颗粒物、太阳高度角等的校正[7]。MODIS每16d的NDVI表征的是植被在每月的生长状况，为了得到能够代表该月植被生长情况的数据，对每月的数据计算平均值，以此定量表达该年植被长势。

2.2.3趋势分析。一元线性回归分析可以模拟每个栅格的变化趋势，很多学者采用该方法来模拟植被的绿度变化率(GreennessRateofChange，GRC)[8]。该研究采用此方法来模拟(2000～2010年)吉林西部研究区的NDVI变化趋势，计算公式：

(2)式中，slope为2000～2010年吉林西部NDVI的线性回归斜率，变量i为年序号，NDVIi表示第i年的NDVI值。如果slope>0，则表明NDVI在该时期植被变化趋势在改善，反之则变差。2.2.4相关性分析。NDVI变化的相关程度和性质，可以通过计算研究时段内2个变量的相关系数r来确定。计算公式：

(3)

式中，r为相关系数，i为年序号，X为空间距离，Y为2 000～2010年的NDVI值，r为正数说明是正相关，r为负数说明是负相关，相关系数越接近1，表明2个变量的相关性越强，反之则相关性越弱。

3　结果与分析

3.1NDVI时序变化特征

3.1.1NDVI年内月际间变化。用ENVI遥感软件提取2000～2010年吉林西部地区植物生长旺季(5～9月)的植被指数值，然后求出生长季各月(5～9月)多年的NDVI平均值，得到研究区2000～2010年5～9月NDVI的时间序列。

从图1可以看出，吉林西部典型农牧交错带的植被在生长季中的各个月份(5～9月)月均植被指数变化明显。5月的月均NDVI数值最小，仅为0.136 8，从5月开始，NDVI快速增加，5～7月的增加速度最为明显，8月达到一年中的最大值(为0.313 5)，8月后NDVI开始缓慢降低。

图1　2000～2010年吉林西部地区生长季月均NDVI变化趋势Fig.1　Monthly NDVI change trend in growth season from 2000 to 2010 in western Jilin Province

3.1.2NDVI年际间变化。提取2000～2010年吉林西部典型地区农牧交错带植被在生长季中即5～9月的植被指数，分别求出每一年的归一化差值植被指数的平均值，并进行统计分析。由图2可知，虽然NDVI值在个别时间段有所下降，但总体上2000～2010年吉林西部研究区域的NDVI呈显著的上升趋势，植被覆盖状况得到相应改善。

图2　2000～2010年年均NDVI的变化趋势Fig.2　Change trend of annual average NDVI from 2000 to 2010

3.2NDVI空间变化特征

3.2.1植被指数的空间变化趋势。根据2000～2010年研究区的植被指数数值，得到多年变化斜率(此处用slope来表示)，然后用ArcGIS软件绘制研究区2000～2010年NDVI变化趋势空间分布(图3)。由图3可知，研究区slope≤0区域(即深色区域，颜色越深区域表示slope的斜率数值越小)表示NDVI逐年下降，说明植被覆盖度逐渐减小，此地区的生态环境很脆弱，因此应予以高度重视，亟待改善这些地区的状况。且slope值小于0的区域多出现在吉林西部农牧交错带研究区内，以科尔泌为中心向周围分布；在内蒙古草原的东侧也有较大面积slope小于0的区域；吉林西部的盐碱地中也有小于0的区域，且分布较集中。

图3　2000～2010年吉林西部植被指数变化趋势空间分布Fig.3　Spatial distribution of vegetation index change trend in western Jilin Province from 2000 to 2010

图4　西部地区地表植被数值的相关系数Fig.4　Correlation coefficient of aboveground vegetation in western Jilin Province

3.2.2植被的空间分布格局。根据已有的NDVI数据，从4个方向(南—北、东北—西南、东—西、西北—东南)分别提取研究年份(2000～2001年)每一方向上的ROI(感兴趣区)，根据显著性相关公式计算出NDVI值与方向分布的相关系数，在地学统计分析软件的支持下，对2000～2010年研究区NDVI值的空间分布格局进行空间自相关分析，研究植被的分布状况和整体局部特征(图4)。从图4可以看出，整体上吉林西部典型农牧交错带植被指数的空间相关系数在0.1左右，说明吉林西部地区的植被分布在空间格局上是显性的；而研究区的植被指数在南—北、东北—西南、东—西和西北—东南4个不同方向的相关系数r有较大差异，说明吉林西部NDVI在不同方向上表现出明显的各向异性的特点。研究区的地表植被在西北—东南方向的空间相关系数最小，表明在此方向上的相关性最差。

4　结论

从时间序列角度看，2000～2010年研究区的NDVI呈上升趋势，说明研究区内的植被覆盖条件在改善，生态环境得到提升，这与政府政策和人类的努力息息相关。从空间格局角度看，研究区的空间相关系数较小，说明植被相关程度低，地表植被的聚集趋势弱，植被的分布破碎化，且各个方向的

相关系数r不同，说明植被分布在各个方向表现各向异性的特点。可以根据该研究结果有意识地改善该地区的植被覆盖情况，为人类合理保护自然提供科学依据，使自然朝着更加合理的方向演变，实现人与自然的和谐相处。

[1] 吴征镒，王献溥，朱彦丞，等.中国植被[M].北京：科学出版社，1980.

[2]FANGJ，PIAOS.Increasingterrestrialvegetation，activityinChina，1982-1999[J].ScienceinChinaseriesClifesciences，2004，47(3)：229-241.

[3]ICHIIK，KAWABATAA，YAMAGUCHIY.GlobalcorrelationanalysisofNDVIandclimaticvariablesandNDVItrends：1982-1990 [J].Internationaljournalofremotesensing，2002，23(18)：3873-3878.

[4] 宋怡，马明国.基于SPOTVEGETATION数据的中国西北植被覆盖变化分析[J].中国沙漠，2007，27(1)：79-93.

[5] 杨淑杰，李晓东，王兰芸，等.吉林西部地表植被归一化植被指数的时空分布特征[J].东北林业大学学报，2010，38(11)：80-81.

[6] 罗亚，徐建华，岳文泽.基于遥感影像的植被指数研究方法述评[J].生态科学，2005，23(1)：75-79.

[7] 王军邦，陶健，李贵才，等.内蒙古中部MODIS植被动态监测分析[J].地球信息科学学报，2010，12(6)：835-842.

[8]STOWD，DAESCHNERS，HOPEA，etal.Variabilityoftheseasonallyintegratednormalizeddifferencevegetationindexacrossthenorthslopeofalaskainthe1990s[J].Internationaljournalofremotesensing，2003，24(5)：1111-1117.

TheTemporalandSpatialDynamicCharacteristicsofTypicalAreaintheFarming-pastoralEcotoneBasedonNDVI—ACaseofWesternJilinProvince

YANGBai-yi1,PILong-feng1,LICheng-cheng2

(1.GeomaticsCollege，ShandongUniversityofScienceandTechnology，Qingdao,Shandong266590; 2.LandResourcesBureauofJimoCity,Qingdao,Shandong266200)

[Objective]Todiscussthetemporalandspatialdynamiccharacteristicsoftypicalareainthefarming-pastoralecotonebasedonNDVI. [Method]BasedontheMODISNDVIdatasetsfrom2000to2010,thespatialdistributionofNDVIfortheabove-groundvegetationintypicalareaofthefarming-pastoralecotoneinwesternJilinProvincewasstudiedbyspatialautocorrelationanalysisandtrendanalysismethods. [Result]NDVIforthevegetationinthewesternJilinProvinceperformedasignificantlyrisingtrendinthegrowingseasonduring2000-2010.spatialdistributionofabovegroundvegetationinresearchregionshowedapositivecorrelation,buttherewasafragmenteddistributioninsomespecialareas,indicatingthegeneralintegrityofvegetationdistribution. [Conclusion]Thisresearchprovidesscientificbasisfortherationalprotectionofnature.

WesternJilinProvince;Typicalareaofthefarming-pastoralecotone;Normalizeddifferencevegetationindex(NDVI);Temporalandspatialdynamiccharacteristics

国家自然科学基金面上项目(41172108)；山东省“泰山学者”建设工程专项。

杨佰义(1989- )，男，山东胶州人，硕士研究生，研究方向：“3S”技术集成与应用。

2016-05-19

S181

A

0517-6611(2016)18-062-03