基于MODIS数据的宁波市植被覆盖时空变化研究

张 涛，佟光臣，任 琼，林 杰

（1.宁波市水利水电规划设计研究院，浙江 宁波 315192；2.浙江省宁海县水利局，浙江 宁海 315600；3.江西省林业科学院，江西 南昌 330032；4.南京林业大学林学院，江苏 南京 210037）

基于MODIS数据的宁波市植被覆盖时空变化研究

张 涛1，佟光臣2，任 琼3，林 杰4

（1.宁波市水利水电规划设计研究院，浙江 宁波 315192；2.浙江省宁海县水利局，浙江 宁海 315600；3.江西省林业科学院，江西 南昌 330032；4.南京林业大学林学院，江苏 南京 210037）

基于MODIS - NDVI数据，利用像元二分模型定量估算了宁波市 2001 — 2015年3期植被覆盖度，并定量分析了近15 a来宁波市植被覆盖时空变化特征。结果表明：①宁波市平均植被覆盖度从2001年的68.4%一直下降到2015年的63.0%，整体呈下降趋势。②2001 — 2015年研究区内5等级植被覆盖占绝对优势，3期面积占比均在40%以上；1、2等级植被覆盖面积呈逐渐增大趋势，4、5等级恰好相反，而3等级则先增大后减小；整个研究区植被变化等级具有变化等级越高变化面积越小的特点。③1、2等级植被覆盖重心向东北方向分别移动了5 583.6 m和2 416.0 m， 3、5等级重心分别向西南方向移动了3 390.6 m和1 158.0 m，4等级重心向东南方向移动了12 891.5 m，其中移动距离5等级最近，4等级最远，反映出宁波市东北部植被覆盖退化较为明显，西南方向植被覆盖有轻微改善现象，而东南方向部分较高植被覆盖改善明显。

植被覆盖度；MODIS - NDVI；宁波市

植被作为大气、土壤和水的天然纽带，是生态系统的重要组成部分，植被在水土保持、气候调节、维持生态系统的稳定性等方面扮演着重要角色[1-2]。植被覆盖度（FVC），是指绿色植被垂直投影面积占统计区总面积的百分比，是地表植被状况的重要参数[3-5]。

中分辨率成像光谱仪(MODIS) 的 NDVI 产品，虽然自2000年才开始投入使用，但具有较高的空间和时间分辨率等优点，逐渐成为植被动态研究的一种重要数据源[6-7]，并不断被世界各国学者广泛使用[8-11]。宁波市地处经济发达的长江三角洲的南翼，是国务院批复的长江三角洲地区区域规划中“五大都市圈”的“宁波都市圈”，努力打造全球一流的现代化综合枢纽港、国际航运服务基地和国际贸易物流中心，形成长江经济带龙头龙眼和“一带一路”战略支点。本文基于MODIS - NDVI遥感数据，利用像元二分模型定量估算宁波市 2001 — 2015年的植被覆盖度，并定量分析了近15 a来宁波市植被覆盖时空变化特征，为宁波市城市规划和生态环境建设提供科学依据。

1 研究区概况与数据

1.1 研究区概况

宁波，简称甬，浙江省第二大城市，地处东南沿海，长江三角洲南翼，下辖6个区、2个县、3个县级市，全市陆域总面积9 714.65 km2，地势由西南向东北缓慢倾斜，地貌分为山地、丘陵、台地、谷（盆）地和平原。

宁波市属亚热带湿润季风气候区，多年平均气温16.7 ℃，多年平均降水深1 517.1 mm；区内土壤有滨海盐土、潮土和水稻土，在丘陵低山区主要有红壤和黄壤[12]，土地利用以林地、耕地和城镇建设用地为主；植被属中亚热带常绿阔叶林北部亚地带，浙闽山丘甜储、木荷林区。

1.2 数据来源及预处理

本研究使用的MODIS NDVI数据来源于美国NASA的MOD13Q1植被指数产品，选取年份为2001、2008、2015年，每年时间跨度为1 — 12月。宁波市所在位置跨越2个分幅影像（h28v5和h28v6），共需144景数据，空间分辨率为250 m，时间分辨率为16 d，数据格式为HDF - EOS。使用MODIS Reprojection Tool(MRT)将原始影像Sinusoidal投影转为WGS84/Albers Equal Area Conic、HDF格式转为Geotiff格式，同时批量拼接影像，重采样分辨率保持不变。采用最大值合成法（MVC）进行2001 — 2015年的合成，可以有效去除由大气、云层、太阳高度角等带来的影响[13]，然后采用均值法合成逐年平均的NDVI数据，可以降低或消除特殊年份气候异常造成的NDVI值年际波动影响，增加研究的可靠性[14-15]。最后，利用行政区边界数据进行裁剪，得到了研究区范围的最终数据。

2 研究方法

2.1 植被覆盖度计算及植被覆盖度等级划分

归一化植被指数(NDVI)是植被生长状态及植被覆盖度的最佳指示因子[16]。本文利用像元二分模型估算研究区的植被覆盖度，计算公式如下：

式中：NDVImax为完全由植被所覆盖像元的NDVI值，NDVImin为裸土或无植被覆盖区域的NDVI值，均为无量纲，范围为[- 1，1]。

计算植被覆盖度时，通常根据图像大小、图像清晰度等情况，以置信度截取NDVI 的上下限阈值分别近似代表NDVImax和NDVImin，可以在一定程度上消除遥感影像噪声所带来的误差［17］。本研究通过分析15个时期的NDVI 数据，考虑空间和时间的差异，最终采用5% 和95%的累计百分比为置信区间计算NDVI的 最大值与最小值。

根据水利部制定的SL 757 — 2014《南方红壤丘陵区水土流失综合治理标准》，将植被覆盖度划分为5个等级：1级（0.00 ～ 0.30）、2级（0.30 ～ 0.45）、3级（0.45 ～0.60）、4级（0.60 ～ 0.75）、5级（0.75 ～ 1.00），分别为低植被覆盖、较低植被覆盖、中度植被覆盖、较高植被覆盖和高植被覆盖，以上操作在ARCGIS9.3中完成。

2.2 植被覆盖重心演变模型

根据平面重心模型，计算各植被覆盖等级所有斑块面积的重心位置，通过分析每个时期重心移动来反映出各等级植被覆盖在平面位置上的变化，有助于了解植被覆盖的动态格局［18-19］。该植被覆盖重心模型为：

式中：Xk、Yk分别代表某年某一等级植被覆盖分布重心的经纬度（°）； Aki表示某年第k类等级植被覆盖斑块i的面积（km2）；Xki、Yki分别表示第k类等级植被覆盖斑块 i分布重心的经纬度（°）。

3 结果与分析

3.1 植被覆盖度计算结果分析

利用像元二分模型计算出宁波市3期植被覆盖度（见图1）。从图1中可以看出宁波市的整体植被覆盖状况较好，3期平均植被覆盖度均在60.0%以上；从时间变化上看，宁波市平均植被覆盖度由2001年的68.4%下降到2008年的64.3%，再继续下降到2015年的63.0%，表现出持续缓慢降低的趋势。从空间分布上看，植被覆盖度的空间格局呈现出西南高、东北低和山区高、沿海及平原低的分布格局。此外本文对宁波各县（市）、区的植被覆盖度状况也进行了统计，结果见图2。从图2中可以看出，3个时期内植被覆盖状况最高的为奉化市和宁海县，其平均植被覆盖度均在74.0%以上；植被覆盖状况均最低的为海曙区和江东区，2001 — 2015年2地平均覆盖度均在29.0%以下。

3.2 植被覆盖度等级计算结果分析

通过ArcGIS软件对上述植被覆盖度结果按照前文分类标准进行分类，对应得到3期植被覆盖等级图（见图3），对3期植被覆盖等级图分别进行各级面积统计得到图4。从图4中可以看出，2001 — 2015年研究区内5等级植被覆盖面积比例始终最大，占绝对优势，均在40.0%以上；2等级植被覆盖面积比例始终最小，均在12.0%以下。从时间变化上看，1、2等级植被覆盖面积逐渐程增大趋势，4、5等级恰好与之相反，而3等级则先增大后减小，整体仍呈增大趋势。经进一步分析，研究区内高等级植被正逐渐转化成低等级植被，与研究区迅速发展的城市化进程密不可分，其对区域生态环境的影响有待进一步评估。

图1 2001 — 2015年宁波市植被覆盖度图

图2 宁波各县（市）、区的植被覆盖度状况图

图3 2001 — 2015年宁波市植被覆盖等级图

图4 宁波市各年份植被覆盖等级结构图

3.3 植被覆盖等级变化分析

对上述3期植被覆盖等级相邻2期分别进行栅格相减运算，得到不同阶段植被覆盖等级变化（见图5、图6）。从空间分布上看，2001 — 2008年植被覆盖等级下降趋势明显，主要分布在宁波市中部及东北部、南部滨海新区；2008 — 2015年植被覆盖等级上升与下降并存，其中下降区域主要分布在宁波市中心城区以及奉化、宁海、象山城区和南部滨海新区，上升区域主要分布在慈溪市和余姚市。对2期植被覆盖等级变化图分别进行各级面积统计得到图7。由图7可知，研究区2个时段无变化等级的面积比例分别占到了70.83%和77.79%，由此可见研究区植被景观整体上保持了很大的稳定性；其次为下降一个等级的，其面积比例依次为20.72%和13.23%，这也是占据研究区内植被下降等级面积最大的一级，在数量上远远大于上升一个等级的面积比例（3.87%和7.40%）。研究区内上升4个等级的面积均为0.00 km2，下降4个等级的2个阶段面积分别为1.96 km2和0.98 km2，仅占总面积的0.02%和0.01%。综上可以看出，整个植被变化等级呈现变化等级越高变化面积比例越小的趋势，即“中间大两头小”。

图5 2001 — 2008年宁波市植被覆盖等级变化图

图6 2008 — 2015年宁波市植被覆盖等级变化图

图7 宁波市不同阶段不同植被覆盖等级变化图

图8 2001 — 2015年各等级植被覆盖类型重心转移图

3.4 不同植被覆盖度等级的重心分布及变化

根据公式（2）和（3）计算得到宁波市2001 — 2015年植被覆盖度重心变化图（见图8），由图8可得，从重心空间分布上看，整体上较高等级的4、5两个等级重心大多数分布在奉化市境内，且5等级在其它等级的西南方向，反映了宁波市主要植被覆盖较好区的分布方位；1、2、3等级重心均分布在鄞州区境内，且1等级重心在其它等级的最东面，反映了宁波城市建设向东偏重，2、3等级相互靠近，均在1等级重心的东北方向。从重心时间变化上看，1、2等级重心最终向东北方向分别移动了5 583.6，2 416.0 m，宁波东北部主要为平原和海滩，城市和港区经济建设发展迅速，植被覆盖退化较为明显；3、5等级重心最终分别向西南方向移动了3 390.6，1 158.0 m，5等级移动距离为最近，说明了西南方向植被覆盖有改善现象，但不够明显；4等级重心向东南方向移动了12 891.5 m，移动距离最远，反映出东南方向较高植被覆盖改善明显。

4 结 论

基于MODIS - NDVI数据，利用像元二分模型定量估算了宁波市 2001 — 2015（2001、2008、2015年）3期植被覆盖度，并定量分析了近15 a来宁波市植被覆盖时空变化特征，主要结论有：

（1）在植被覆盖度上，从时间变化来看，宁波市平均植被覆盖度从2001年的68.4%一直下降到2015年的63.0%，表现出持续缓慢降低的趋势；从空间分布来看，呈现出西南高、东北低和山区高、沿海及平原低的分布格局；从各县（市）、区的分布来看，最高的为奉化市和宁海县，其3期平均值被覆盖度均在74.0%以上，最低的为海曙区和江东区，其3期平均植被覆盖盖度均在20.0%以下。

（2）在植被覆盖等级上，2001 — 2015年研究区内5等级植被覆盖面积比例始终最大，占绝对优势，3期均在40.0 %以上；1、2等级植被覆盖面积逐渐呈增大趋势，4、5等级恰好相反，而3等级则先增大后减小，整体仍呈增大趋势，经进一步分析，研究区内部分高等级植被正逐渐转化成低等级植被。整个研究区植被变化等级呈现变化等级越高变化面积比例越小的趋势，无变化等级最大，变化1等级次之，变化4等级最小，即“中间大两头小”。

（3）在不同植被覆盖度等级的重心移动上，1、2等级重心向东北方向分别移动了5 583.6，2 416.0 m，3、5等级重心分别向西南方向移动了3 390.6，1 158.0 m，4等级重心向东南方向移动了12 891.5 m，其中5等级移动距离最近，4等级移动距离为最远，反映出宁波市东北部植被覆盖退化较为明显，西南方向植被覆盖有改善现象，但不够明显，而东南方向部分较高植被覆盖改善明显。

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（责任编辑 黄 超）

Dynamic Monitoring of the Fractional Vegetation Cover in Ningbo City Based on MODIS — NDVI Data

ZHANG Tao1，TONG Guang - chen2，Ren Qiong3，LIN Jie4
(1.Ningbo Hydraulic Waterpower Planning and Designing Research Institution，Ningbo 315192，Zhejiang，China；2. Ninghai Water Conservancy Bureau，Ninghai 315600，Zhejiang，China；3.Jiangxi Academy of Forestry，Nanchang 330032，Jiangxi，China；4. College of Forest，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，Jiangsu，China)

Based on MODIS - NDVI data，this paper used the dimidiate pixel model to quantitatively estimate vegetation coverage of Ningbo city during three periods from 2001 to 2015 and made a quantitative analysis on the temporal and spatial variations of vegetation cover in Ningbo city in recent 15 years. Results showed that：① The average vegetation coverage of Ningbo City has been declining from 68.4% in 2001 to 63.0% in 2015 with an overall a downward trend. ② In the study area, Grade 5 vegetation dominated from 2001 to 2015 with an area ratio of above 40.0 % in three periods；the coverage ranges of Grade 1 and 2 vegetation were gradually increasing，while the Grade 4 and 5 were just the opposite，and the Grade 3 was fi rst increased and then decreased；the whole study area of vegetation change level showed a trend of higher grade and lower area.③The centroid of Grade 1 and 2 vegetation cover respectively moved 5 583.6 m and 2 416.0 m to the northeast； the centroid of Grade 3 and 5 respectively moved 3 390.6 m and 1 158.0 m to the southwest；the centroid of Grade 4 moved 12 891.5 m to the southeast. The moving distance of Grade 5 vegetation was the shortest and that of Grade 4 was the longest， re fl ecting the degradation of the vegetation cover in Northeast of Ningbo City was more obvious. The vegetation coverage in southwest had slightly improved，while the higher vegetation coverage in southeast improved signi fi cantly. The research results provided a scienti fi c basis for the urban planning and ecological environment construction for Ningbo city.

fractional vegetation cover；MODIS - NDVI；Ningbo City

TP79

：A

：1008 - 701X(2017)01 - 0005 - 05

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.01.002

2016-10-28

张 涛(1985 - )，男，工程师，硕士，主要从事生产建设项目水土保持方案编制与监测。E - mail：191866076@qq.com

林 杰(1976 - )，女，副教授，博士，主要从事土壤侵蚀遥感监测研究。E - mail：jielin@njfu.edu.cn