基于SPOT—VGT的陕西黄河湿地保护区植被覆盖研究

韩晨

摘要：为了研究陕西黄河湿地省级自然保护区内植被覆盖的动态变化，使用2004—2013年的SPOT-VGT时序数据，采用针对NDVI的最大化合成法、均值统计法和差值法，分析了保护区内植被覆盖的时空分布及其动态变化。结果显示，空间分布上，保护区内植被覆盖较好，特别是南部、西部最好；时间变化上，10年间保护区内的NDVI年均值在波动的基础上呈缓慢增长，其植被覆盖逐年好转；变化特征上，保护区内植被覆盖在北部和中部显著增加，南部情况微有变化，某些局部有退化趋势。

关键词：NDVI；植被覆盖；湿地；时空变化

中图分类号：Q948 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）04-0859-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.04.011

Study on Vegetation Cover of the Shaanxi Yellow River

Wetland Reserve Based on SPOT-VGT Data

HAN Chen

（Key Laboratory for Eco-environment of Multi-River Wetlands in Shaanxi Province/College of Chemistry and Life Sciences，

Weinan Normal University， Weinan 714099， Shaanxi， China）

Abstract： In order to study the dynamic changes of vegetation cover in the Shaanxi Provincial Yellow River Wetland Nature Reserve， the SPOT-VGT data from 2004 to 2013 were used， the maximum synthetic method， average method and differential method according to NDVI were applied， the spatio-temporal distribution and dynamics of vegetation cover in protected areas were analyzed. Results showed that the spatial distribution of vegetation covered in protected areas was good， and the best was in the South and West. On time variation， the NDVI value of the 10-year period growed slowly， although volatile， but it improved year by year. On the variation characteristics， there was a significant increase in vegetation cover in northern and central regions， the southern region remained stable， but some local area showed a tendency of degeneration.

Key words：NDVI；vegetation coverage；wetland；temporal and spatial change

湿地植物是湿地生态系统的基本组分，也是其存在的基础，是连接土壤、水体和生物等要素的重要纽带[1，2]。陕西黄河湿地省级自然保护区设立的目标就是要保护陕西省东部最大的河流湿地，这对研究保护区内黄河湿地的植被覆盖变化具有现实意义。随着遥感对地观测技术的发展，利用各种遥感技术进行植被监测及其变化的研究日益增多[2]。NDVI（Normalized Difference Vegetation Index，归一化植被指数）作为一个重要的遥感参数和数据源，由于能够敏感地反映出地表植被生长状况和生态系统参数的变化，常用于地表植被覆盖的定量研究[3]。本研究使用SPOT-VGT数据对保护区内黄河湿地植被进行监测和分析，可以客观动态地反映本区域湿地植被覆盖的时空变化情况。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

陕西黄河湿地省级自然保护区（以下简称保护区）位于陕西省渭南市东部，北起禹门口，南至黄河、渭河和洛河交汇地带的风陵渡铁路桥，东以黄河“治导控制线”中心线为界与山西相连，西界北段沿黄河老崖，南段沿黄河第二道大堤，总面积57 348 hm2，其中核心区面积22 611 hm2，缓冲区面积22 306 hm2，试验区面积12 431 hm2[4]。该自然保护区的建立，将陕西省最大的黄河湿地、三河交汇区湿地（黄河、渭河、洛河的交汇区）及其沿岸的湖泊、水库纳入保护范围。这对于保护丹顶鹤等珍稀禽鸟类，调蓄渭南黄河干流洪水，调节区域气候，改善生态环境，促进地区经济社会可持续发展，具有十分重要的作用和意义[4]。

1.2 数据来源

本研究所采用的SPOT-VGT NDVI数据，来源于寒区旱区科学数据中心的中国地区长时间序列SPOT_Vegetation植被指数数据集，以及比利时弗莱芒技术研究所提供的东南亚地区数据集。在选用的NDVI数据中，时间跨度为2004 — 2013年的逐旬S10产品，其时间分辨率为10 d，空间分辨率为1 km。

陕西黄河湿地省级自然保护区数据，来源于文献[4]。相关的行政边界、河流、城镇等数据，来源于地球系统科学数据共享网提供的黄河流域1∶100万基础地理数据库，以及寒区旱区科学数据中心提供的陕西省2000年1∶10万土地利用数据集。

2 研究方法

2.1 数据处理流程

本研究使用VITO网站提供的VGT Extract软件，对SPOT VGT数据进行预处理。首先，使用VGT Extract软件将8位量化的DN值转化为真实的NDVI值。然后使用ENVI软件进行数据的波段计算、投影转换、研究区裁剪和数据计算。最后使用ArcGIS软件进行地图绘制和分析。

2.2 研究方法

2.2.1 最大值合成法 虽然获得的SPOT-VGT NDVI S10数据已经是经过10 d最大化合成的产品，但数据中仍然存在大量的噪声，为了避免某些极端天气的影响，还需去噪处理，以使数据更为贴近实际地反映植被覆盖状况[2，3]。本方法以像元为中心，按像元位置根据时间前后差异，将多期数据的NDVI值进行比较，并选取最大值作为最终值的操作，但是此方法的缺点是以牺牲部分时间分辨率来换取较为真实的NDVI值。本研究将当月3个旬的NDVI数据进行最大化合成，生成当月的月最大化NDVI数据。同样的方法，将每年12个月的月最大NDVI数据合成为一个年最大化NDVI数据。月最大化NDVI数据反映了当月植被覆盖的空间分布情况，年最大化NDVI数据体现了当年植被覆盖的空间分布情况。

2.2.2 均值统计法 均值统计法能较好地反映研究区内当期NDVI的整体分布情况[5]。在统计研究区域的NDVI值时，可采用均值统计法进行计算，即统计区域内所有格网的NDVI平均值[6]。

此方法以区域为中心，计算研究区域内当期所有像元值的均值，通过分析均值数据来把握区域整体的变化规律。本研究计算了自2004年以来NDVI的逐月统计数据，它反映逐月变化以及相应的年内变化规律；然后计算了10年来的逐年统计数据，以反映年际间的变化规律。

2.2.3 差值法 差值法常用于量化两个年份NDVI值的变化情况，即用后一时期的所有格网的NDVI值减去前一时期的所有格网的NDVI值[6]。本研究使用2013年最大化NDVI数据减去2004年最大化NDVI数据，从而分析这10年来的植被覆盖变化情况。

3 植被覆蓋变化分析

3.1 总体NDVI分布特征

为了研究本区域10年来NDVI的总体分布情况，绘制了NDVI均值空间分布图（图1）。根据相关文献，将NDVI分级定义为：NDVI值小于0.1的区域为非植被区；0.1～0.3为植被覆盖贫乏区；0.3～0.6为较贫乏区；0.6～0.8为较好区；大于0.8为优良区[7，8]。

由图1可知，陕西黄河湿地省级自然保护区内，植被覆盖较好区和优良区（有的文献统称为高植被覆盖[9]）所占比例达62.7%，其中植被覆盖优良区所占比例为1.1%，且集中分布于保护区南部。植被覆盖贫乏区和非植被区（或称为低植被覆盖）所占比例为2.9%，集中分布在保护区北部禹门口附近，且保护区内无非植被区。而植被覆盖较贫乏区（或称为中等植被覆盖）比例为33.3%，主要分布于保护区从北到南靠东部黄河一侧。总体来看，保护区内植被覆盖较好，南部好于北部，西部好于东部。

3.2 年际变化特征

将保护区的月最大化NDVI数据和年最大化NDVI数据分别进行区域内的平均值统计计算，其结果是对应时段的区域平均值。从而绘制成陕西黄河湿地省级自然保护区2004 — 2013年NDVI均值变化图（图2）[5，9，10]。图2中波浪状的黑色细线为将120期月最大化NDVI数据进行均值统计后的月NDVI数据，带方点折线为将10期年最大化NDVI数据进行均值统计后的年NDVI数据。图中左侧坐标反映月NDVI的变化情况，右侧坐标反映年NDVI变化情况。

从图2可以看出，在年NDVI数据中，除2011年其值偏低外，大多年份的NDVI值在小幅波动的基础上保持稳定，并呈现微升趋势。其初始值为2004年的0.626 297，最小值为2011年的0.556 513，最大值为2013年的0.652 454，均值为6.200 973；10年间NDVI值的变化幅度为0.095 941；2013年比2004年只增加了0.026 157。在月NDVI数据中，其值呈现出波浪起伏的状态，波形规律而稳定，反映了每年植被覆盖的周期变化情况。总之，保护区植被覆盖状况虽有波动，但逐年好转。

3.3 年内变化特征

为了分析年内NDVI值的变化情况，而避免逐年按月绘制的10个线条的杂乱，本研究将2004—2013年的月NDVI数据，绘制成一个综合了10年数据的各月NDVI均值图（图3）[3，8-10]。

结合图2、图3可以看出，曲线上每年都有一个波峰和波谷，分别代表植被覆盖最好和最差的两个时期。其波峰大体分布在每年7～9月，波谷大体分布在1～2月，3～6月为植被生长期，10～12月为植被衰退期。每年的波峰高度不同，反映当年植被覆盖程度也不同，其最大值为2010年8月的0.646 105，最低值为2006年1月的0.084 757。总体而言，年内各月NDVI值随着季节变化而变化，NDVI的峰值、低谷值，植被的生长期、衰退期明显而又规律。

3.4 差值变化特征

使用差值法对2013年与2004年的年最大化NDVI数据进行差值运算，分析NDVI在研究期始末的变化情况（图4）。根据NDVI差值的变化幅度将植被覆盖状况分为4种类型：NDVI≤-0.08，植被覆盖严重退化；-0.080.08，明显增加[9]。

由图4可知，2004 — 2013年植被覆盖明显增加（即变好）的区域占26.4%，基本不变的区域占34.5%，轻微减少的区域占28.5%，严重退化的区域占10.6%。其中，植被覆盖明显增加和基本不变的区域共占60.9%。总之，保护区的植被覆盖情况总体是好转的。特别是合阳县与韩城市两市县相应区域的植被覆盖明显增加；但是大荔县三河交汇区域内的植被覆盖情况微有变化，其局部退化明显，特别是大荔县步昌镇和韦林镇，以及韩城市禹门口附近的植被覆盖严重退化。另外，黄河河道范围内也有部分区域的植被覆盖退化明显。

4 结论

本研究利用SPOT-VGT数据分析了陕西黄河湿地省级自然保护区内植被覆盖的时空变化特征，能较为准确地反映本区域植被覆盖状况。总体来看，保护区内植被覆盖较好，南部好于北部，西部好于东部。植被覆盖状况虽然有季节尺度和年尺度波动，长期来看仍然是逐年好转的。尤其值得注意的是，保护区南部大荔县境内的植被覆盖微有变化，但局部区域有退化的趋势。

参考文献：

[1] 崔天翔，宫兆宁，赵文吉，等.不同端元模型下湿地植被覆盖度的提取方法——以北京市野鸭湖湿地自然保护区为例[J].生态学报，2013，33（4）：1160-1171.

[2] 张 丽，何晓旭，魏 鸣.基于NDVI的淮河流域植被覆盖度动态变化[J].长江流域资源与环境，2012，21（Z1）：51-56.

[3] 殷守敬，陈晓玲，吴传庆，等.基于时序NDVI的江西省植被覆盖时空变化分析[J].华中师范大学学报（自然科学版），2013，47（1）：129-135.

[4] 陕西省环境保护厅.陕西省自然保护区图集[M].西安：西安地图出版社，2011.

[5] 贺 振，贺俊平.基于SPOT-VGT的黄河流域植被覆盖时空演变[J].生态环境学报，2012，21（10）：1655-1659.

[6] 马明国，董立新，王雪梅.过去21a中国西北植被覆盖动态监测与模拟[J].冰川冻土，2003，25（2）：232-236.

[7] 王晓利，姜德娟，马大喜.基于MODIS NDVI时间序列的植被覆盖空间自相关分析——以山东半岛与辽东半岛区域比较研究[J].干旱区资源与环境，2013，27（10）：139-144.

[8] 戴聲佩，张 勃，王海军，等.基于SPOT NDVI的祁连山草地植被覆盖时空变化趋势分析[J].地理科学进展，2010，29（9）：1075-1080.

[9] 崔晓临，赵 娟，白红英，等.基于MODIS NDVI的陕西省植被覆盖变化分析[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2013， 41（5）：87-93.

[10] 王 情，刘雪华，吕宝磊.基于SPOT-VGT数据的流域植被覆盖动态变化及空间格局特征——以淮河流域为例[J].地理科学进展，2013，32（2）：270-277.