基于MODIS数据的湖南省2001—2013年植被覆盖指数时空变化研究

王 震 ，闫文德 ，刘曙光 ，3，梁小翠

（1.中南林业科技大学，湖南 长沙 4100042；南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙 410004；3. 美国地质勘探局 地球资源观测与科学研究中心，南达科他州 苏福尔斯 SD57198）

基于MODIS数据的湖南省2001—2013年植被覆盖指数时空变化研究

王 震1，2，闫文德1，2，刘曙光1，2，3，梁小翠1，2

（1.中南林业科技大学，湖南 长沙 4100042；南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙 410004；3. 美国地质勘探局 地球资源观测与科学研究中心，南达科他州 苏福尔斯 SD57198）

以湖南省为研究区域，基于MODIS数据分析了长时间序列（2001—2013）该区域的植被指数变化特征，结果表明：(1)湖南省年均NDVI大部分在0.41～0.42之间，2005年年均NDVI最低为0.40。(2)湖南省植被指数增长趋势以改善为主占54.02%。(3)区域内大部分地区植被指数偏差小，说明该区域内植被指数离散度小。(4)预测未来湖南省NDVI以0～0.50的反持续性增长为主占94.4%。

植被指数，湖南省，线性回归，时间序列

随着全球气候的快速变化以及遥感技术的普遍应用，利用遥感技术对地球环境的监控已经有了相当多的研究，基于MODIS-NDVI的植被指数变化的研究对自然资源，国家决策对土地利用变化和解决当前全球气候等都具有非常大的研究和利用价值[1-2]。

NDVI是反映植被对光合有效辐射（Photosynthetically Active Radiation，PAR）吸收能力的一个间接指标，被广泛用于生物量、叶面积指数（Leaf Area Index，LAI）和植被生产力格局的估算等[2]，国内外对于NDVI的研究也有了较多的研究。目前，Pouliot等利用AVHRR 和Landsat数据研究了加拿大近20年来的植被变化，结果表明了植被指数与气候的关系。研究年际植被变化与各驱动因子的关系，如碳循环，水文，植被动态变化也已经取得了相当的成就[3]。国内利用归一化植被指数计算了1982～1999年中国植被活动的变化，表明18年来中国植被平均NDVI一直处于上升的趋势，植被对全球温度变化的相应存在明显的区域差异[4-5]。由于 MODIS数据的开放和提供了一系列不间断空间时间上的地面观测数据，为生态研究提供了一个非常强大的评估陆地生态系统的数据库[6]，MODIS数据的研究监测范围也越来越广，用MODIS数据来研究植被指数，生态环境监测，旱情监测等，同时用来分析NDVI与气候的关系,用来分析提取NPP和地面温度反演研究等[7]。这种对植被提取的方法均采用了高光谱识别植被技术，可以利用多种技术对植被指数进行识别，其中LOG （N(R)）变换效果最好[8-12]。研究方法大多是基于时间空间上的趋势分析和特征变化研究，然而对局部地区的分析研究不足并且存在研究的必要性。本研究采用一元线性回归趋势分析，方差分析，Hurst指数分析等方法基于MODIS数据对湖南省做了长时间序列的空间特征分析。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

湖南省位于（24°38′～ 30°08′N，108°47′～114°15′E）长江中游地区，全省占地面积约为21.18万km2，地形大多数以丘陵、山地为主，全省东、南、西三面环绕山地，逐渐向中部和东北部倾斜的向东北开口的马蹄形；湖南省地处亚热带的东亚季风区，所以亚热带季风湿润气候为主，湖南省冬季受寒风影像干燥少雨，夏季受南面暖流影像高温多雨；植被类型以亚热带常绿阔叶林和温带阔叶林为主。

1.2 数据来源与处理

NDVI数据来源于美国地质局（NASA）的MODIS植被指数产品数据MOD13Q1，分辨率为1 km的16天合成产品；时间刻度为：2001年1月—2013年12月。数据预处理：首先利用MRT（Modis Projection Tools）软件进行转投影和数据格式的变换，把HDF格式的数据转成Geotiff格式，并剔除其他波段，投影坐标设为WGS84坐标；然后用MVC最大化合成法合成2001～2013年逐月的NDVI数据，剔除大气、云、太阳高度角对数据产生的影像[13-14]；最后利用ENVI求年内平均NDVI数据[15]，消除极端气候的影响；最后基于湖南省矢量化边界裁剪出湖南省时间序列年NDVI数据集，由于植被指数通常在0～1之间，则利用ENVI把数据集值剔除和缩小在大于零小于1的范围。土地利用数据来源于“中国1∶100 000土地利用数据”。

1.3 研究方法

1.3.1 一元线性回归趋势分析

通过一元线性回归方程（A Linear Regression Equation）可以计算出每个栅格的变化特征，根据变化特征可以反演出该栅格的植被生长趋势，用该方法可以模拟出区域化的NDVI空间演变[10]；研究表明，一元线性回归方程可以消除植被异常值得影响，真实反映出该区域的植被变化趋势，本文以Slope的大小来表示湖南省13年来NDVI的变化趋势。

式中，Slope为NDVI像元趋势的斜率；NDVIk该像元第k年的NDVI值；n为NDVI时间跨度13；Slope大于0时，表明时间序列下，NDVI值上升，该地区植被有改善的趋势，Slope值越大，改善的趋势越快，相反，Slope小于0时，则为退化的趋势；趋势线的显著性用相关系数R来检验，公式如下：

基于arcgis12.0中的Natural Breaks分类，将Slope 分为3个等级：改善Slope＞ 0.001， 不变-0.001＜Slope＜0.001 ，退化Slope＜ -0.001

1.3.2 标准差分析

标准差用来比较数据偏离平均值得偏离度，能够反映此数据的离散情况；值越大，偏离平均值越远，对应的NDVI年际变化越大。

基于arcgis12.0中的Natural Breaks分类方法，将Stdev分为五类：偏差高（Stdev＞ 0.066 7），偏差较高（0.0416 ＜Stdev≤ 0.066 7），偏差中（0.029 4 ＜Stdev≤0.041 6），偏差较低（0.021 3＜Stdev≤ 0.029 4）偏差低（Stdev≤ 0.021 3）

1.3.3 Hurst指数分析

基于重标极差（R/S）分析基础的Hurst指数是英国水文学家H.E.Hurst提出来的，可以用来判断时间序列数据是随机游走还是有偏随机游走型数据的指标[16-20]。本研究采用R/S的分析方法，其中NDVIk表示第k年的NDVI值，为第i个差分序列的值，m为：

在双对数坐标系中，用最小二乘法可以得出H的值，Hurst值的大小在分为三类：1 ＞H＞ 0.5表示时间序列具有持续性，这里具有持续改善的状态，H= 0.5表示时间序列是随机序列随机游走，0 ＜H＜ 0.5表示时间序列具有反持续性，分形布朗运动，这时的时间序列的未来趋势趋向于返回历史点[11]。

2 结果与分析

2.1 NDVI的空间分布特征

利用湖南省2001—2013年的平均植被指数数据，计算出13年来的总平均NDVI值的空间分布图（见图1）。从图中可以看出，西部和西北部地区，NDVI指数相对集中，南部和东部少数地区NDVI指数较高，中部和北部地区NDVI指数较低。对13年的NDVI平均值进行统计分析表明：其中低植被区（NDVI≤0.40）占湖南省的1.49%，较低植被区（0.40＜NDVI≤0.58）占22.95%，较高植被区（0.58＜NDVI≤0.68）占36.20%，高植被区（0.68＜NDVI）占39.36%；由此看出湖南省NDVI指数以高植被指数为主。

2.2 NDVI的时间变化特征

对研究区域统计年均NDVI总平均值，可以得出湖南省时间序列总体变化特征趋势图（见图2）；从图中可以看出，湖南省NDVI年平均值大部分在0.41～0.42之间，波动最大的区域介于2003—2006年，2005年总年均NDVI值最低为0.403，2013年总年均NDVI值最高为0.422，总体在2005年开始，NDVI增长趋势开始回升较。

图1 湖南省13年年均总NDVI平均值空间分布Fig.1 The total of annual average spatial NDVI in HuNan province for 13y

图2 湖南省时间序列总体变化特征趋势Fig.2 Time series general change of Hunan province

2.3 NDVI植被指数的趋势分析

运用一元线性回归方程和显著性检验，可以有效的反映出湖南省2001—2013年NDVI的空间变化特征（见图3）。由图可以看出，湖南省地区NDVI植被指数的变化趋势：趋势大于0的区域占湖南省的54.02%，趋势为0的区域占湖南省的22.37%，趋势小于0的区域占湖南省的23.61%，所以湖南省13年来主要以改善的趋势上升，其中退化的区域主要集中在南部和东部地区。由显著性检测可知，大部分地区NDVI变化趋势通过了显著性分析，综上所述，湖南省近13年来NDVI植被指数有上升的趋势，部分地区趋势不变，部分地区有退化的迹象。

2.4 NDVI的标准差分析

利用Arcgis12.0地图代数计算出湖南省2001—2013年的NDVI植被指数的覆盖变化偏离特征图（见图4）。由图可知湖南省标准差值在0.001 8～0.208 6之间，总体波动性较低；其中低波动区域占31.53%，较低波动区域占40.73%，中波动区域占22.79%，较高和高波动区域相对较少分别占4.31%和0.64%，较高波动区域主要集中在北部河流一带和南部地区，西部地区植被波动起伏与植被趋势改善区域基本吻合。

图3 湖南省时间序列NDVI变化趋势和显著性分析Fig.3 Trend and signi fi cance test of NDVI time series in Hunan province

图 4 湖南省时间序列NDVI方差分析Fig. 4 Standard deviation of NDVI changes in Hunan province

2.5 Hurst指数分析

利用2001—2013年湖南省NDVI植被指数数据，计算得出Hurst指数空间特征分布图（见图5）。由图可知Hurst指数在0.135 4～0.696 9之间，其中Hurst指数大于0小于0.50的区域占94.5%，大于0.50的区域仅占5.5%，说明区域内具有很强的反持续性，说明湖南省未来植被生长趋势将以改善然后回归原来状态，或者退化回归原来状态的趋势生长；将Hurst指数图基于Arcgis12.0的（自然间断点分级）Jenks分类分为5类，其中，Hurst指数小于0.25的区域占2.96%（弱反持续性），大于0.25小于0.375的区域占46.54%（中反持续性），大于0.375小于0.5的区域占45.0%（强反持续性），小于0.625大于0.5的区域占5.44%（弱持续性），大于0.625的区域占0.06%（强持续性）。

图5 Hurst指数空间特征分布Fig.5 The spatial map of Hurst index in HuNan province

2.6 Hurst指数与趋势性综合分析

将Hurst指数和NDVI趋势空间分布图进行叠加分析，得到2001—2013年NDVI变化的趋势持续性分析空间分布图（见图6）和分布表（见表1），共分为12类：

从图表中可以看出，湖南省NDVI变化以改善与中反持续性和改善与弱反持续性为主，分别占总面积的26.26%和23.48%。主要分布在西部，中部和北部地区；其中，以退化与弱反持续性和不变与中反持续性，不变与弱反持续性，退化与中反持续性为主分别占：11.27%，10.33%，10.26%和9.95%；而改善与正持续性仅占2.45%，且分布不集中，以中部居多。

图6 NDVI变化的趋势持续性分析空间分布Fig.6 Spatial change of NDVI based on the trend and Hurst index

表1 基于趋势性(Trend)与持续性(Hurst)的叠加效应结果统计Table 1 Statistical results of NDVI based on the trend and Hurst index

3 结 论

（1）湖南省2001—2013年的平均植被覆盖指数相对集中在南部地区和东部地区，以高植被区为主。

（2）从总体趋势性分析和NDVI平均值空间分布图可以看出，湖南省2001—2013年来NDVI呈上升趋势增长，其中西部和西北部地区NDVI值较大，分布面积相对较广，同时改善趋势也较快，东北部地区显著性最为明显。

（3）NDVI偏差分析上来看，偏差较大的区域主要集中在西北部和西北偏中部地区和东部少数地区，相应区域的年均NDVI值也较大，土地利用类型大部分以林地草地耕地为主。

（4）Hurst指数分析可以看出，湖南省NDVI总体呈反持续性增长，所以未来变化趋势不明显，一直改善和一直退化的区域较少。

（5）湖南省植被覆盖变化以改善与中反持续性和改善与弱反持续性为主，主要分布在西部，中部和北部地区，改善与正持续的区域最少。

4 讨 论

本研究以MODIS-NDVI数据为基础，利用一元线性回归分析，方差分析，Hurst指数分析分析了湖南省2001—2013年来植被覆盖的空间分布特征，该研究能够反映出湖南省13年来的NDVI空间变化特征，以及能够模拟出植被未来趋势的变化特征，以及了解生态环境的变化，从而有利于掌握全球变化对植被气候的响应。本研究局限于对区域的时间空间变化的特征研究，没有对时间空间序列的植被覆盖变化与其他因子做相关性分析，下一步可以对植被指数覆盖变化针对气候因子等做相关性研究，研究NDVI与气候因子的响应关系。也可以利用气候数据，森林火灾，人文政策做相应研究，并且国内外已经有许多类似的研究已经取得了相当大的成就，此类研究也有利于在大尺度上对植被的监测和为国家相关调控政策提供可靠依据。

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Spatiotemporal change of vegetation cover in Hunan province during 2001—2013

WANG Zhen1,2, YAN Wen-de1,2, LIU Shu-guang1,2,3, LIANG Xiao-cui1,2
(1.Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 2.National Engineering Lab for Applied Technology of Forestry & Ecology in South China, Changsha 410004, Hunan, China; 3. U.S. Geological Survey (USGS), Earth Resources Observation and Science (EROS) Center, Sioux Falls, SD 57198, USA)

Abstruct: Hunan province as the study area, this study based on MODIS data analysis of the long time series (2001～2013), vegetation index variation characteristics of the region, the results showed that: (1)Most annual NDVI of Hunan province between 0.41～0.42,average annual NDVI minimum of 0.40 in 2005. (2)The vegetation index growth trend of Hunan province is given priority to with improved 54.02%. (3) Regional vegetation index in many parts of the deviation is small, discrete degree of vegetation index shows that the area is small. (4) To predict the future NDVI in Hunan province is given priority to with 0～0.50 the sustained growth of 94.4%.

vegetation index; Hunan province; linear regression; time series

S771.8

A

1673-923X(2016)11-0041-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.11.008

2016-03-10

国家林业公益性行业科研专项（201404316）；湖南省自然科学创新研究群体基金（[2013]7）；国家林业局软科学研究项目（2013-R09）；湖南省高校创新平台开放基金项目（12K070）；湖南省教育厅项目（15C1431）；中南林业科技大学青年科学研究基金重点项目（QJ2013005A）；城市森林生态湖南省重点实验室项目

王 震，硕士研究生 通讯作者：闫文德，教授，博士；E-mail：csfuywd@hotmail.com

王 震，闫文德，刘曙光，等.基于MODIS数据的湖南省2001—2013年植被覆盖指数时空变化研究[J].中南林业科技大学学报，2016, 36(11): 41-46.

[本文编校：吴 毅]