基于MODIS数据的湖南省NDVI时空变化研究(2005～2015年)

郭庆斌, 赵建苹

(湖南师范大学 资源与环境科学学院,湖南 长沙 410081)

基于MODIS数据的湖南省NDVI时空变化研究(2005～2015年)

郭庆斌, 赵建苹*

(湖南师范大学 资源与环境科学学院,湖南 长沙 410081)

以湖南省为研究区域,2005～2015年获取的Modis NDVI数据对该区植被变化情况进行动态监测,结合线性趋势化分析该区植被时空变化情况.分别针对年际和季节性植被变化对湖南省植被的变化情况进行探讨.图5，表1，参8.

MODIS NDVI;湖南省;趋势分析;时空变化

植被是地表植物群落的总称,对于地表植被的覆盖状况具有很强的指示作用[1].在植被覆盖的研究中,NDVI 针对地表植被变化比较敏感,能很好地反映植被覆盖、生物量等参数的变化 ,且针对大尺度、长时间序列具有很好的监测效果[2].文献[3]利用SPOT VGT-NDVI数据对祁连山草地植被进行NDVI的时空变化研究;文献[4]利用MODIS NDVI数据辅以趋势分析、Hurst指数、偏相关等方法针对三江源植被覆盖进行分析,均取得了比较好的效果.该文基于2005～2015年的MODIS-NDVI遥感数据获取了湖南省地表植被的时空变化数据,结合湖南省的实际情况,分析湖南省植被覆盖度时空分布规律,实现对湖南省植被覆盖度的时空变化动态监测,推动湖南地区的生态发展.

1 材料与方法

1.1 区域概况

湖南省位于东经108°47′～114°,北纬16′24°38′～30°7′之间,气候为亚热带季风气候,降水季节分配不均,年际变化明显.占地约211 994平方千米,北部为洞庭湖平原,中部地形以丘陵为主,三面环山,地势大致自西南向东北逐渐降低,形成向东北开口的马蹄形[5],如图1所示.不同地形交错分布必然对植被生长产生一定影响.因此,需要针对该区植被分布进行基于时间序列的动态监测,对于评估该区域植被生长状况并制定合理对策是十分必要的.

图1 湖南省位置图Fig.1 The location of HuNan province

1.2 数据来源

该文利用的NDVI数据来源于NASA网站提供的2005～2015年间隔为16 d的MOD13Q1数据,它是利用Sinusoidal投影方式的三级网格陆地植被数据产品,拥有250 m的空间分辨率的高时相、大尺度数据,能够反映大尺度范围内的植被覆盖变化情况,已经经过大气校正和几何校正.MOD13Q1的NDVI产品提供的是像元灰度值即DN值,数据范围-3 000-10 000,需要将它转化成NDVI值[6]:

NDVI=DN*0.0001

(1)

利用MODISNDVI数据,得到2005～2015年10a间的湖南省植被覆盖情况,对该区植被进行动态监测.

1.3 研究方法

利用湖南省矢量边界裁剪研究区影像图,研究过程中由于选择的是16d的观测数据,采用NDVI最大值合成算法合成月NDVI值,最大值合成法可以反映该时段植被长势最好时的生长状况.取一个月中上、下两个半月中同一地区相同行列号的最大像素值作为该月NDVI值被指数值.一般对于陆地表面来说,雨、雪、云雾等在可见光比近红外波段具有较高的反射性,所以NDVI为负值;岩石、裸土的NDVI值一般为0;有植被覆盖的地方一般大于0,为消除云层等影响,将小于0部分剔除[7].利用线性趋势线逐像元分析时间序列数据随时间的变化[8],如下式：

(2)

式中:ci为代表最大合成法合成的某一年最大NDVI值；n为代表研究年份；K为正斜率,表明植被覆盖增加,反之则表示降低.

2 结果与分析

2.1 时间序列变化

通过分析NDVI年平均值得到如图2所示:年均NDVI呈现缓慢增长趋势,增长速率为0.001,NDVI值在0.41～0.45范围内呈现阶段性增长,2008～2010年间呈现下降低谷,到2010年以后呈现有规律的阶梯型增长趋势,说明植被生长状况正在进一步改善.

为了进一步分析NDVI年均变化中出现的不规律变化,尤其是2008～2010年的出现的下降低谷情况,进一步针对2005～2015年间NDVI季节性变化作进一步讨论.如图3所示,春、冬季NDVI值在0.3～0.4之间波动,在2008～2010年间呈较明显下降趋势,与湖南省2008～2010年间出现的NDVI年均值低谷范围基本一致,NDVI偏低,随后年份NDVI开始呈缓慢增长趋势,2005～2015年春、冬季NDVI值的拟合方程分别为y=0.001x-2.747、y=0.004x-8.359,说明植被呈微弱趋势改善.夏秋季节NDVI值基本维持在0.5附近,波动较小,说明植被生长比较稳定.

图2 2005～2015年湖南省NDVI年最大值变化Fig.2 The annual maximum of NDVI in HuNan province from 2005 to 2015

图3 2005～2015年湖南省NDVI季节性变化 Fig.3 Seasonal variations of NDVI in HuNan province from 2005 to 2015

2.2 空间序列变化

为了更加直观地体现湖南省植被覆盖度的年际变化特征,利用2005～2015年最大植被覆盖图进一步针对十年间NDVI变化情况进行趋势化分析以体现湖南省植被生长的区域性差异.2005～2015 年总体植被覆盖度上呈现上升趋势,区域间存在不同程度的差异性,见图4.在空间分布上,年际最大植被变化率呈微弱增长趋势,均值为0.004 8.其中,中部和西部地区植被覆变化率幅度相对较大一些,部分地区比如长株潭地区、洞庭湖东部地区出现一定程度的下降趋势,与该区城经济建设和人为干预有关.同时南部衡邵盆地地区也出现了一定程度的下降趋势,该区域相对干旱有较大关系.通过分析该区域植被的变动情况,如表1所示,发现41.77%的范围植被覆盖度增加,40.48%的范围没有明显变化,说明2005～2015年间该区域植被整体呈逐步改善趋势.

表1 湖南省2005～2015年不同等级的植被变化比例(单位:%)

以每年3、6、9、12月合成当月NDVI最大值,作为春、夏、秋、冬四季的典型代表.根据趋势线分析每个季节的显著性变化，见图5.

图4 2005～2015年湖南省NDVI年际变化趋势 Fig.4 The annual change trend of NDVI in HuNan province from 2005 to 2015

图5 2005～2015年湖南省NDVI季节性时空变化趋势(A-D)Fig.5 The Seasonal change trend of NDVI in HuNan province from 2005 to 2015 (A-D)

图5A可知岳阳与长沙交界地区、张家界西北部地区、邵阳南部地区植被呈明显增长趋势,最高可达0.13/10 a.中部衡邵盆地北部以及洞庭湖以南地区植被变化率较低,最低可达-0.08/10 a.整体变化率为0.001/10 a,呈微弱上升趋势.发现23.42%的区域植被状况恶化,大部分区域保持稳定或改善趋势.图5B显示西南部地区以及洞庭湖东部地区植被变化率呈负增长状态,最低达-0.11/10 a,29.41%的区域出现负增长.图5C中29.63%的区域出现植被恶化情况,主要集中在洞庭湖东部以及长株潭地区植被出现较大范围的负增长趋势,超过一半的区域维持在稳定水平.较其他季节而言,图5D中植被改善地区主要集中在南部、东部地区,可能受温度等因素的影响,仅7.38%的区域呈现植被负增长状况.中部大部分地区保持不变,整体呈 0.004/10 a的速率增长.针对季节的变化情况而言,冬季植被改善水平较好.

3 结论与讨论

利用2005～2015年MODIS NDVI数据,采用趋势分析法对湖南省植被指数进行时空动态监测,通过年际变化与季节性变化分别进行分析,得到以下结论:

(1)湖南省NDVI年际变化较稳定,基本维持在0.41～0.45之间,呈现阶段性增长趋势;

(2)通过单独对比湖南省不同季节NDVI值时间序列变化情况,其中夏秋季节NDVI值基本维持在0.5左右,变化幅度较小,春冬季节在2008～2010年间有明显的降低趋势,可能受2008年大范围冰灾影响显著,整体呈改善状况;

(3)空间分布上,41.77%的范围植被覆盖度增加,平均变化率为0.004 8.西部优于东部,东部如长株潭部分地区以及洞庭湖东部地区植被出现微弱恶化趋势,需重点加强改善;

(4)季节分布上,不同季节植被变化趋势范围不稳定,在冬季表现比较明显,仅7.38%的区域植被呈现减少趋势,可能受气候等因子影响.洞庭湖东部地区以及长株潭地区植被有下降趋势,夏秋季表现突出且有范围扩大的趋势,需要尽早采取措施,改善植被生长环境.

作者只是针对NDVI的时空分布情况进行分析,没有考虑到其他因素如降水量、地形、温度等因素的影响.可利用NDVI季节性变化与气候因子作进一步的分析.另外,人为因素也占据一定影响,需要进一步讨论.

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Biography：Guo Qing-bin,male,born in 1991,master,rural and urban planning.

Temporal and Spatial Variation of NDVI in Hunan Province Based on MODIS Data from 2005 to 2015

GUO Qing-bin, ZHAO Jian-ping

(College of Resources and Environmental Science,Hunan Normal University,Changsha 410081,China)

The Modis NDVI data obtained from 2005 to 2015 were analyzed to dynamically monitor the temporal and spatial changes of vegetation based on the linear tendency.The changes of vegetation in Hunan Province were discussed respectively from the annual and seasonal vegetation changes.5figs.,1tab.,8refs.

MODIS NDVI;Hunan province;trend analysis;temporal and spatial variation

2017-02-11

郭庆斌(1991- ),男,山东滨州人,硕士,研究方向:城乡规划. *通讯作者，E-mail:fuping_292324@sina.com

10.3969/j.issn.2095-7300.2017.02-020

S771.8

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