基于MODIS-NDVI贵州省2005—2014年植被时空变化特征分析

田鹏举，徐丹丹，丁立国,陈 娟

(1.贵州省气候中心，贵州 贵阳 550002；2.贵州省气象学会，贵州 贵阳 550002)

基于MODIS-NDVI贵州省2005—2014年植被时空变化特征分析

田鹏举1，徐丹丹2，丁立国1,陈 娟1

(1.贵州省气候中心，贵州 贵阳 550002；2.贵州省气象学会，贵州 贵阳 550002)

该文利用贵州省2005—2014年MODIS-NDVI数据，运用最大合成法、加权平均法、线性趋势法等方法和GIS中的Spatial Analyst Tools等技术方法，生成贵州省月、季、年NDVI时间序列数据，对贵州省植被的时空变化特征进行了研究分析。研究结果表明：①贵州省NDVI月变化呈单峰型结构，2月最低，8月最高；②植被年内变化有很强的季节性，夏季的NDVI季均值最高，春季次之，冬季最低。春季植被不仅上升幅度最大，而且上升速率最高；③2005—2014年贵州省植被NDVI整体呈正增长趋势，其线性增加率为0.006 3/a,植被增加的区域面积为72 019 km2，占全省面积的40.89%，减少的区域为6 806 km2，占全省面积的3.86%。

MODIS；植被；遥感；NDVI

1 引言

植被是陆地生态系统的重要组成部分，是连接土壤、大气和水分的纽带，是生态平衡的支柱，它具有调节气候、防风、防沙、降低风速、消除污染、净化环境、保护物种、防止洪水泛滥等重大作用。植被指数 VI(Vegetation Index)是对地表植被活动的简单、有效的度量[1]，它是反映植被在可见光、近红外波段反射与土壤背景之间差异的指标，将两个(或多个)光谱观测通道组合可得到不同植被指数，各个植被指数在一定条件下能用来定量说明植被的生长状况，并在一定程度上可以反映植被演化信息。归一化植被指数NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)是多种植被指数中应用最广泛的，被公认为是研究全球变化非常理想的植被指数，NDVI定义为近红外波段反射率和红外波段反射率之差与两者之和的比值，其变化趋势在一定程度上代表着地表植被覆盖变化、生物量及生态系统参数的变化，为多年植被覆盖变化监测提供数据保证，成为全球诸多植被变化研究的首选数据源并得到广泛应用[2]。MODIS遥感数据区域宏观性好、时空分辨率高等特点，为大范围实时监测植被变化提供了很好的卫星数据。国内外在利用NDVI研究植被覆盖变化方面做了很多研究，取得了很多成果：从国外研究成果可以看出[3-8]，近几十年来，北半球大部分地区植被覆盖度都明显增大，且植被提前回绿、生长季延长的现象也很明显；相对于国外学者，国内学者的研究主要集中小区域的变化研究[9-20]，郑有飞等[21]研究了1982—2003年近22 a来贵州植被覆盖变化及其与主要气候因子的关系,结果表明贵州这22 a来植被覆盖线性倾向率呈升高趋势,温度和降水也有不同程度的升高;李威[22]分析了2001—2010年贵州植被覆盖变化，研究表明贵州植被覆盖总体上以改善为主。贵州省委、省政府提出牢牢守住发展与生态“两条底线”，近几年贵州生态环境变化如何值得继续深入研究，本文将采用2005—2014年的逐日MODIS-NDVI，运用GIS和RS技术方法，分析研究这10 a年贵州省植被的时空变化特征。

2 研究区域及分区概况

2.1 研究区域概况

贵州省位于中国西南的东南部，介于103°36′～109°35′E，24°37′～29°13′N之间，东毗湖南省、南邻广西自治区、西连云南省、北接四川省和重庆市。全省东西长约595 km，南北相距约509 km，总面积为176 167 km2，占全国国土面积的1.8%。属亚热带季风气候，东半部在全年湿润的东南季风区内，西半部处于无明显的干湿季之分的东南季风向干湿明显的西南季风区的过渡地带。气候复杂而多样，虽然大部分地区气候温和湿润，但在山地、河谷的气候垂直变化却特别明显。地势西高东低，自中部向北、东、南三面倾斜，平均海拔1 100 m左右。地貌以山地和丘陵为主，占全省面积92.5%。降水丰富，河网密度较大。河流多发源于西部和中部山地，顺势向北、东、南三面分流。以苗岭为分水岭，苗岭以北为长江流域；苗岭以南为珠江流域。

2.2 分区概况

按照贵州省的DEM的分布特征，结合地貌特点，将研究区域分为东部山地丘陵区、中部丘原山原山地区以及西部高原山地区等3个片区[23](图1):

图1 研究区域分区图Fig.1 The study area zoning map

①贵州东部山地、丘陵区位于梵净山、佛顶山、凯里、三都以东，与广西、湖南两省(区)交界。地跨铜仁市、黔东南自治州和黔南自治州。

②中部丘原、山原、山地区位于贵州中部，丘原泛指高原丘陵地貌为主的地区,山原指山脉和高原的分布交错在一起的地区。此区域约分布在黔西、织金、六枝、普安、盘州市以东，梵净山、凯里、三都以西，地跨4个市、3个自治州、2个省辖市，纵贯贵州南北的广大地区，面积为116 219.36 km2，占全省土地面积的66%，是贵州高原的主体部分。

③西部高原山地区位于贵州西部，约黔西—织金—普安一线以西。西、北分别与云南、四川为邻，面积27 244.21 km2。占全省土地面积的15.5%。在行政分区上属毕节市和六盘水市。

3 数据来源及处理

3.1 数据来源

来源一：贵州省气候中心遥感接收系统接收的EOS/MODIS资料；来源二：部分资料来源于国家卫星气象中心风云卫星遥感数据网的EOS/MODIS。

3.2 数据处理

首先计算生成2005—2014年每日的NDVI数据，再运用最大值合成法(MVC，Maximum Value Composite)生成每旬的NDVI时间序列数据，再采用加权平均法生成月、季、年NDVI时间序列数据集。运用线性趋势法对近10 a的植被指数变化进行处理分析。

线性趋势法：对于年NDVI时间序列数据，每个像元都相应有10 a的NDVI时间序列数值,这些NDVI数值的线性趋势系数揭示了该像元(区域)植被覆盖在10 a的时空序列中的演变趋势。如果斜率>0则说明该像元(区域)植被状况趋于正向趋势发展,即植被覆盖近10 a为增加的趋势； 反之斜率<0则说明该像元(区域)植被覆盖状况趋于退化。

第二，不是所有的学生都能成为大师并进入艺术史。而且能否进入艺术史之类的问题，也绝非靠绘画而诗意栖居的很多学生辈画家的远大理想。面对修炼成佛这样的主题，他们或许只想成为修行意义上的香客而非佛本身。如同我们不能要求所有的香客都成佛一样，我们也不能奢望所有的学生都进入艺术史。当绝大多数学生都因为主客观原因而不能进入艺术史时，我们应该给予他们充分的尊敬，同时主动调低自己的学术评论指数，瞩目并祝福他们以艺术的名义而享有的和谐生活。

公式(1)中:slop为每个像元对应的线性拟合斜率,xi为第i年的年NDVI的平均值,ti为年份(研究年份为2005—2014年),n为总年数,本次研究为10。

4 结果分析

4.1 贵州省植被空间分布特征

对2005—2014年的10a植被资料进行平均计算，得到贵州省植被空间分布数据(图2)，贵州省NDVI年平均值为0.46，其中小于等于0.40的地区面积为11 118km2，占全省国土面积的6.3%，主要分布在毕节市威宁县、黔西县中西部、大方县南部、金沙县中部偏东地区；六盘水市钟山区；遵义仁怀市北部、遵义县中部、习水县西南部；铜仁市的沿河县、德江县、思南县、松桃县北部、碧江区中部以北一线、玉屏县；黔东南州凯里市中部；贵阳市、清镇市南部；安顺市平坝县东北部、西秀区西北部、镇宁县北部部分地区、关岭县西部；黔西南州的晴隆县东北部、兴仁县北部、贞丰县北部等地。植被指数大于等于0.51的地区有22 411km2，占全省国土面积的12.7%，主要分布在黔东南州的黎平县、从江县、榕江县、剑河县、雷山县、丹寨县、台江县，黔南州的三都县、荔波县、龙里县北部、贵定县南部、罗甸县；黔西南州的望谟县、册亨县、兴义市；梵净山保护区。植被指数在0.41～0.50的地区面积有142 638km2，占全省国土面积的81.0%。

图2 贵州省植被NDVI分布图Fig.2 The distribution diagram of NDVI in GuiZho

从空间分区上看，全省的植被覆盖总体分布不均匀，呈现东部大于西部，南部好于北部的分布特点。东部的年均植被指数值为0.48，是3个分区中最高的区域，中部地区的年均植被指数值为0.46，西部高原山地区的年均植被指数值(0.45)最低。NDVI植被分布的不均匀与全省的森林分布不均匀相关性很大，其中黔东南州的森林覆盖率(2014年为64.01%)在9个市州中最高，其NDVI平均值为0.484，在9个市州最高，NDVI>0.50的区域主要分布在黔东南自治州；贵阳市的森林覆盖率(45.00%)最低，其NDVI平均值为0.441，亦为9个市州最低。

4.2 贵州省年内植被月变化特征

对各月的NDVI数据求平均，得到各月的平均NDVI值，其变化趋势如图3，总体变化呈单峰形态，从2—8月份，贵州植被生长越来越茂盛，NDVI数值逐步上升，到8月达到最顶峰；从8月份—次年2月份，NDVI值逐步降低，在2月达到最低。月NDVI最高值出现在8月份，为0.60，NDVI最低值出现在2月份，为0.30。

图3 贵州省NDVI月均值变化图Fig.3 The monthly variation of NDVI in GuiZhou

将2005—2014年10a的四季NDVI时间序列数据进行平均，得到贵州省春、夏、秋、冬NDVI变化图(图 4)，从季节变化来看，贵州省植被季节变化明显，冬季的植被处于最低时期，春季开始明显上升，夏季植被覆盖达到最顶峰，秋季开始慢慢回落。

图4 贵州省四季NDVI变化图Fig.4 The seasonal variation of NDVI in GuiZhou

4.4 贵州省年际年NDVI变化特征

在各年12个月月均NDVI值的基础上，计算各年全省的NDVI平均值，由此得到2005—2014年10a间NDVI年际变化图(图5)。其中年均NDVI值最低的是2005年的0.41，2009年和2013年的年均NDVI值0.49为最高。由线性回归方程的斜率可知，贵州省的植被覆盖呈震荡上升趋势，NDVI值每年上升的幅度为0.006 3。

图5 2005—2014年贵州省年均NDVI值变化图Fig.5 The annual variation of NDVI during 2005—2014 in GuiZhou

图6 基于线性趋势法的贵州2005—2014年植被变化Fig.6 The change of vegetation during 2005—2014 in GuiZhou base on linear trend method

对于NDVI影像图的每个像元, 都相应有10年的NDVI时间序列数值,根据公式(1)计算出每个像元的NDVI数值的线性趋势系数slop，根据专家打分法,将变化趋势分为明显增加、稍有增加、基本不变、轻微减少、严重退化这5个等级，得到揭示了贵州植被覆盖近10年的变化趋势图(图6)。由图6可知2005年至2014年贵州省大部分地区的植被覆盖是增加的趋势，但部分地区有所退化。

由表1可知:严重退化的区域面积仅为2km2，基本可以忽略不计。植被覆盖轻微减少的区域面积为6 804km2，占全省国土面积的3.86%，分布较为零散，主要分布在铜仁市碧江区城区、江口县城区、印江县中部、沿河县乌江边；黔东南的凯里城区、黄平县中部；黔西南州的兴义市城区周围、安龙县中部、普安县东部部分地区；盘州市西部、水城县西部；毕节的赫章北部部分地区、毕节市城区、金沙县北部地区；遵义市遵义县南部、仁怀市西部大部地区、习水县西南部边缘；贵阳市大部等地。

植被覆盖基本不变的区域面积为97 342km2，占全省国土面积的55.26%，基本不变的区域分布在铜仁市的松桃、江口、思南、印江、石阡、碧江区、万山区；黔东南州大部地区；黔南州的瓮安、独山西南部、贵定西南部、龙里、平塘、惠水大部、长顺南部、罗甸；黔西南州的望谟、册亨、安龙大部、兴义大部、兴仁、普安；六盘水市的水城、盘州市大部、六枝特区大部；毕节的赫章、大方、毕节市、金沙大部、纳雍南部；遵义的道真、余庆、凤岗北部、桐梓南部、习水大部、赤水市大部；安顺市的紫云、西秀区、普定南部；贵阳市开阳东北部。

植被覆盖稍有增加的区域面积为72 010km2，占全省国土面积的40.88%，植被覆盖稍有增加的区域主要部分在铜仁市的松桃东北部边缘、碧江区西南部、沿河大部、德江中部以北地区、石阡西北部；黔东南州的凯里市、镇远南部、施秉东南角、榕江西南角、黎平中部、雷山西北部、丹寨西北部、从江西南部；黔南州的三都、独山东北部、都匀市、福泉、贵定北部、长顺北部；毕节的威宁、大方中部、金沙东南角、纳雍西北部、织金大部、黔西大部；遵义的道真、务川、正安大部、绥阳大部、凤岗南部、桐梓北部、遵义中部、赤水市大部；安顺市的平坝、普定东北角；贵阳市的息烽大部、开阳西部。

植被覆盖明显增加的区域面积为9km2，占全省国土面积的0.01%。总体上贵州省2005—2014年植被覆盖以基本不变和稍有增加为主，总体变化趋势处于上升过程中。

由表2可知东部山地丘陵区NDVI变化没有明显增加和严重退化的区域。轻微减少的区域面积有673km2，占分区面积的2.2%;基本不变的区域面积有21 073km2，占分区面积的67.9%;稍有增加的区域面积有9 268km2，占分区面积的29.9%。

中部丘原山原山地区NDVI变化明显增加的区域面积有9km2，严重退化的区域面积为1km2，可以忽略不计；轻微减少的区域面积有4272km2，占分区面积的3.7%;基本不变的区域面积有58 996km2，占分区面积的51.4%;稍有增加的区域面积有52 362km2，占分区面积的45.0%。

西部高原山地区NDVI变化没有明显增加和严重退化的区域;NDVI轻微减少的区域面积有1 856km2，占分区面积的6.5%;基本不变的区域面积有16 338km2，占分区面积的57.3%;稍有增加的区域面积有10 345km2，占分区面积的36.3%。

贵州省东部山地丘陵区的植被基础最好，2005—2014年大部地区植被覆盖较为稳定，三分之一的区域植被覆盖有所增加；中部丘原山原山地区植被覆盖有一半的区域基本不变，45%的地区NDVI值增加，是3个分区中增加比例和增加绝对面积最多的；西部高原山地区的植被增加比例处于中游水平。贵州省各个区域的植被这10a总体处于上升的趋势中，全省生态文明建设取得很好的成果，生态环境得到进一步的提升。

5 小结

①贵州省NDVI月变化呈单峰型结构，2月处于低谷，从2—8月NDVI逐月稳步上升达到最高峰，9月—次年2月NDVI逐月下降至低谷。北部地区的植被各月波动幅度较大，南部地区植被变化幅度相对较小，黔东南州大部地区、黔南州南部地区，黔西南州的望谟县、册亨县以及铜仁市梵净山保护区等地的植被覆盖度全年都保持在相对较高的水平。

植被年内变化也有很强的季节性，全省夏季的NDVI季均值最高，春季次之，冬季最低。春季的植被不仅上升幅度最大，而且也是上升速率最高的季节。

②2005—2014年贵州省植被覆盖呈正增长趋势，其线性增加率为0.006 3/a,植被增加的区域面积为72 019km2，占全省面积的40.89%，减少的区域为6 806km2，占全省面积的3.86%,同时局部区域有减少趋势。这反映出近10a来贵州大部分地区植被活动在增强的同时，少部分区域出现植被退化或者恶化的现象。

③贵州省各个区域的植被近10a总体处于上升的趋势中，但存在明显的区域差异：东部山地丘陵区的植被基础最好，近10a大部地区植被覆盖较为稳定，只有29.9%的区域植被有所增加，67.9%的区域保持不变；中部丘原山原山地区增加的面积比例占分区的45%，51.4%的区域保持不变；西部高原山地区的植被增加区域比例为36.3%，57.3%的区域保持不变。

④2005—2014年贵州植被覆盖的总体上升首先得益于政府提倡的保护生态、退耕还林的政策；其次农村建房减少了对木材的使用、部分农村电成为主要的生活能源、农村青壮年外出打工等都减少了人类活动对植被的影响。植被退化的区域主要分布在近几年城镇化发展较快的区域，但总体比例很低。

[1]张树誉.基于MODIS时序植被指数的陕西植被季相变化分析[J].中国农业气象2007,28(1):88-92.

[2] 曾彪.柴达木盆地德令哈地区MODIS-NDVI时空变化及其与气候的关系[J].兰州大学学报(自然科学版)，2014,50(1)：80-88.

[3]DeeringDW.Rangelandreflectancecharacteristicsmeasuredbyaircraftandspacecraftsensors.Ph.D.dissertation,TexasA&MUniversity,338pp.

[4]ZhouLM，TuckerCJ，KaufinannRK,etal.VariationsinnorthernvegetationactivityInferredfromsatellitedataofvegetationindexduring1981to1999[J].JournalofGcoPhysiealResearth,106,20069-20083.

[5]KawabataA,IchiiK,YamaguchiY.GlobalMonitoringoftheinterannualchangesinvegetationactivitiesusingNDVIanditsrelationshipstotemperatureandPrecipitation[J].InternationalJournalofRemoteSensing,2001,22: 1377-1382.

[6]ShabanovV,ZhouL,KilyazikhinY.AnalysisofinterannualchangesinnorthernVegetationactivityobservedinAVHRRdataduring1981to1994 [J].IEEETransactionOnGcoscieneeandRemoteSensing,40:115-130.

[7]ShabanovN,ZhouL,KnyazikhinY,etal.AnalysisofInterannualChangesinNorthernVegetationActivityObservedinAVHRRDataFrom1981to1994[J].IEEETransactionsOnGeoscienceAndRemoteSensing,2002,40(1):115-130.

[8]Bogaert,J,ZhouL，TuckerC，etal.EvidenceforapersistentandextensiveGreeningtrendinEurasiainferredfromsatellitevegetationindexdata[J].JournalofGeophysicalReseareh,2002,107(10):1-13.

[9] 莫宏伟,任志远.陕西关中地区植被指数变化多尺度分析[J].干旱区研究,2012,29(1):59-63.

[10] 何彬方，冯研，吴文玉,等.安徽省近十年植被指数时空变化特征[J].生态学杂志，2010,29(10):1912- 1918.

[11] 孙艳玲，郭鹏.1982—2006 年华北植被指数时空变化特征[J].干旱区研究，2012，29(2)

[12] 戴声佩，张勃，王海军,等.1999—2007年祁连山区植被指数时空变化[J].干旱区研究,2010，27(4):585-591.

[13] 安佑志，刘朝顺，施润和,等.基于MODIS时序数据的长江三角洲地区植被覆盖时空变化分析[J].生态环境学报,2012,21(12):1923-1927.

[14] 王宏志,陈 诚,徐建军.湖北省植被覆盖植被类型指数时空分布特征研究[J].国土与自然资源研究，2007(4):49-50.

[15] 杨白洁,曹明明.近6年来人类活动对陕西省土地利用变化的影响分析[J].西北大学学报(自然科学版),2007,37(2):317-321.

[16] 刘倩楠，岳彩荣，欧阳志云,等.基于MODIS-NDVI时序数据的重庆市植被变化研究[J].测绘与空间地理信息，2012，35(3):99-102.

[17] 李惠敏,刘洪斌,武 伟.近 10年重庆市归一化植被指数变化分析[J].地理科学，2010，30(1):119-123.

[18] 孙红雨,王常耀,牛铮,等.中国植被覆盖变化及其与气候因子关系—基于NOAA时间序列数据[J].遥感学报,1998,2(3):204-210.

[19] 马明国,王建,王雪梅.基于遥感的植被年际变化及其与气候关系研究进展[J].遥感学报,2006,10(3):421-430.

[20] 李双双,延军平,万佳.近10年陕甘宁黄土高原区植被覆盖时空变化特征[J].地理学报,2012,67(7):960-970.

[21] 郑有飞，牛鲁燕，吴荣军,等.1982—2003年贵州省植被覆盖变化及其对气候变化的响应[J].生态学杂志，2009，28(9)：1773-1778.

[22] 李威,李月臣,唐谊娟,等.基于MODIS-NDVI的贵州省2001—2010年植被覆盖变化分析及分异特征[J].重庆师范大学学报，2015，32(4)：146-151.

[23] 王朝文,张玉环,等.贵州省农业地貌区划[M].贵阳：贵州人民出版社,1989,12:171-172.

Analysis of spatial-temporal variation characteristic of vegetation in Guizhou during 2005—2014 period based on MODIS-NDVI

TIAN Pengju1, XU Dandan2, DING Liguo1, CHEN Juan1

(1.The Climate Center of Guizhou Province, Guiyang 550002,Guizhou; 2.Guizhou Provincial Meteorological Society, Guiyang 550002,Guizhou)

Making use of MODIS /NDVI data during the period of 2005-2014, the methods of Maximum Value Composite, weighted average method, linear trend method and GIStechniques, such as Spatial Analyst Tools were used to generate the monthly, quarterly and annual NDVI time series data of Guizhou. The spatial-temporal variation characteristics of Guizhou vegetation were analyzed. The following conclusions were obtained: 1. The monthly variations of Guizhou vegetation appeared as single peak, the lowest value of which appeared in February and highest value appeared in August. 2. The annual vegetation change with the season obviously, the highest season average NDVI is in Summer, Spring’s NDVI is the second, Winter’s NDVI is the lowest. The highest ascensional range and rate of NDVI variation all appear in Spring. 3.From 2005 to 2014, Guizhou’s vegetation changes characterized as positive growth trend, the linear slope is 0.0063/a, but few areas appear the reduce trend .The area of NDVI increased region are 72019km2, is the 40.89% of the provincialland area, the decreased region are 6806 km2, is the 3.86% of the Guizhou。

MODIS; vegetation; remote sensor; NDVI

1003-6598(2017)02-0014-06

2017-02-10

田鹏举(1980—)，男，工程师，主要从事遥感应用处理工作，E-mail:729106280@qq.com。

贵州省气象局青年基金黔气科合QN[2015]07号。

P407

A