河南省近10年植被覆盖变化特征研究

2019-11-05吴姗薇郭大勇

科技视界 2019年28期

吴姗薇　郭大勇

【摘要】本文利用遥感数据，通过一元线性回归分析法，对河南省2006-2015年归一化植被指数（normalized difference vegetation index，NDVI）的时空变化及变化规律进行分析，探讨了近十年河南省植被覆盖的变化情况。结果表明：通过退耕还林还草政策的实施，促进了河南省植被覆盖度的增加，2006-2015年NDVI整体上呈现上升趋势，且冬季上升趋势最为明显;由于河南省东西部地形差异较大，NDVI在空间分布上在整体上呈现出西部、东部较高，中部较低的分布特征，且夏秋季节西部山区NDVI值较高，冬春两季东部平原地区较高。

【关键词】河南省;植被覆盖;NDVI;时空变化

中图分类号： X17 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）28-0008-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.28.003

【Abstract】In this paper，a linear regression analysis method and remote sensing data were used to analyze the change in vegetation cover in Henan Province from 2006 to 2015.The change of vegetation cover in recent 10 years was discussed.The results showed that the area of improved vegetation tended to be much large than the area of degradation from 2006 to 2015.On the whole，NDVI presented an upward trend，and the upward trend was most obvious in winter;the spatial distribution of NDVI in Henan Province had high value in the west and east，and low value in the middle，due to the large topographic difference between east and west;the NDVI value is higher in the western mountains in summer and autumn， and higher in the eastern plains in winter and spring.

【Key words】Henan Province;Vegetation coverage;NDVI;Spatio-temporal variations

随着全球经济的持续增长，人类活动的不断加强，使陆地生态系统受到了越来越多的干扰[1]。因此获取土壤表面植被生长状态和植被变化情况对于分析区域生态环境的变化以及对自然生态系统的保护有着重要的现实意义[2]。归一化植被指数（normalized difference vegetation index，NDVI）是基于植物所表現出来的光谱特征，在一定程度上代表地表植被覆盖度变化，由于其计算的简便性和检测的灵敏性等，成了土地覆盖中用来显示土壤表面植被生长状态以及植被变化情况的一个重要参数[3-5]。王雪等[6]、罗文玮等[7]、Tucker等[8]、TIAN等[9]通过中分辨率成像光谱仪（moderate-resolution imaging spectroradiometer，MODIS）传感器作为数据源，提取NDVI数据，运用相关性分析，主成分变换、小波分析等处理得到地区的植被覆盖情况，对该地区的生态环境进行检测，为生态环境治理提供依据。奚砚涛等[10]、杜子璇等[11]、华维等[12]、罗敏等[13]、刘世梁等[14]利用MODIS NDVI数据以及气象数据分析了不同地区植被覆盖变化的主要驱动因子。

本文主要研究河南省近年来植被覆盖的时间、空间变化特征，为河南省生态环境变化变化、评估以及生态治理工作提供了一些可行的建议，对现阶段河南省生态环境的监测与评价也提供了一定的帮助。

1 数据与方法

1.1 研究区域概况

河南省位于我国中东部地区，境内除了高原，五种基本地貌类型均有分布，总体地势西高东低，北部平坦南部则相对盆地较多。丘陵在豫西的北部，东部，豫南山地的北部边缘集中分布，中部和东部是因为水流冲积形成的平原。全省平均降水量800mm-1200mm，年降水分布不均，夏季降水量占全年降水量的50%左右。全省年均气温为14.5℃，气温波动幅度较小。

1.2 数据来源及处理

本研究所用的NDVI数据为MODIS中国区域NDVI植被指数产品（https：//neo.sci.gsfc.nasa.gov），产品的空间和时间分辨率为1km和16d，数据时间范围为2006-2015年。数据经过了几何校正、辐射校正、大气校正等预处理[15]，并采用最大合成法（maximun value composite，MVC）获取2006-2015年逐月的NDVI数据，有效去除云、大气和太阳高度角等产生的影响[16]，利用均值法获取逐年平均NDVI值，可以有效地消除极端年份对植物生长的影响。

1.3 研究方法

1.3.1 均值法

年均NDVI，各季节平均NDVI是对2006-2015年间每年12个月，不同季节的NDVI进行平均，通过这些数据来反映河南省植被覆盖的变化特征。公式为[17]：

公式1的计算结果表示平均NDVI;j代表相应的年份;i代表所求平均值的月份;K表示求平均值月份之和，取值分别为12和3。

1.3.2 一元线性回归分析

一元线性回归分析得到的趋势线可以预测变量的变化趋势。其计算公式[18]为：

公式2中i：年份序号;n：研究时间段的长度;slope：一元线性回归分析得到的趋势线的斜率，也就是NDVI的变化趋势。slope>0时，表明n年间植被增长呈现增长趋势，slope<0则表明n年间植被增长为减少趋势。

2 结果与分析

2.1 植被覆盖度的年、季节变化特征

对河南省2006-2015年植被NDVI数据进行了预处理，得到河南省近10年年均NDVI在时间上和空间上的年际变化特征（图1）。从图1看出河南省近10年年际NDVI数值在0.48-0.52之间波动，总体表现为上升趋势（P<0.1），年增加率为0.3%/a。其中2007，2015年都达到了这10年的峰值，为0.52，植被覆盖最好。植被覆盖较差表现在2006年，NDVI值仅为0.48。部分研究认为随着河南省环境保护政策的实施，对植被具有一定的恢复和保护作用[19]，因此2007年后河南省植被覆盖度呈现显著上升趋势，在2015年达到最高值，说明政策实施效果较好。

2006-2015年河南省各季节NDVI总体上呈现增长趋势（图2）。春季NDVI变化范围在0.51-0.57之间，平均为0.54，2015年出现最大值0.57，2006出现最小值0.51，增长率为0.04%/a;夏季NDVI是四季中NDVI最高的季节，其变化范围为0.64-0.68，平均为0.66，2006年出现最小值0.64，2009年出现最大值0.68，夏季NDVI增长速率低于春季，为0.05%/a;秋季NDVI变化范围在0.37-0.49之间，平均为0.43，2011年出现最大值0.49，2009出现最小值0.37，增长率与春季相同;冬季是四季中NDVI变化最为稳定的时期，变化范围在0.30-0.41之间，平均为0.37，2007年出现最大值0.41，2008出现最小值0.30，这主要是由于2008年河南省大部分地区出现大到暴雪，全省积雪面积覆盖较高，植被覆盖最差。四季NDVI的变化趋势系数均通过了P<0.1的显著性水平检验。由此可见，河南省2006-2015年四个季节的植被覆盖NDVI均呈现不同程度的增长。

2.2 植被覆盖度的时空变化特征

从植被覆盖度空间变化特征来看（图3），2006-2015年河南省整体植被覆盖程度较好，其中西部大部分地区以及西南部少部分地区植被覆盖最好，占河南省总面积的15.35%，主要分布在三门峡、洛阳、南阳以及信阳北部，NDVI值达到0.58-0.69;但北部以及中西部覆盖程度就最差，占河南省总面积的11.19%，主要分布在平顶山、郑州、焦作以及南阳局部地区，NDVI仅为0.22-0.42;其中60.63%的区域植被覆盖状况良好，主要分布在周口、漯河和驻马店等北部地区，NDVI值为0.48-0.58。这与余玉洋[20]的研究结果相近。这主要是由于西部地区为山地丘陵区，其主要植被覆盖类型为森林和草地，并且通过退耕还林还草的生态工程的实施，加快森林、湿地、流域、农田、城市五大生态系统建设等国家政策的实施也会使植被覆盖状况变化，具有较高的NDVI;中西部地区河流，水库，湖泊分布较多，因此植被覆盖较差;东部和南部地区气候土壤适宜，农作物种植面积广泛，因此NDVI值也较好。

河南省2006-2015年各季节NDVI空间分布如图4所示，可以看出季均NDVI值和年均NDVI值得空间分布范围大致相同，都是西部、东部、东南部较高，中部和北部较低的特征。18个地级市中心由于城市化进程加快NDVI值都比较低，其中郑州最为明显。春季全省植被覆盖变化较均匀，植被NDVI集中在0.58-0.64和0.51-0.57，分别占总像元数的39.8%和45.3%，植被NDVI低值区主要集中在新乡，安阳、郑州以及信阳等地，因为此时农作物都处于刚刚种植期，NDVI值还较低，NDVI较高值集中在伏牛山、大别山等区域。夏季的植被指数是最高的，这反映了夏季植被覆盖程度较好，NDVI值大于0.64的区域占86.3%。除此之外，夏季NDVI在空间分布上差异并不明显，高值区主要集中在西部地区，这是因为西部是大面积山区，分布着阔叶林、灌丛等植被类型，山区植被保护较完善，呈现出较高的NDVI值，总体来讲，夏季高值分布范围较广。秋季全省东西部植被覆盖差异较大，西部的三门峡，洛阳以及南阳的部分地区NDVI值较高，但是中东部的开封、许昌、漯河以及周口等地区植被覆盖情况较差，这主要是由于东部地区处于豫东平原，秋季大面積的农作物进入收割季节，因此植被指数较低。冬季NDVI值相对于其他三个季节较低，小于0.4的区域占65.3%，东西部差异也较为明显。总体来看四个季节的NDVI值由高到低依次是夏季>春季>秋季>冬季。

3 结论

随着生态环境政策的实施，政府通过大力提倡农林生态建设，扩大退耕还林，完善天然林保护制度，实施生态保护和修复，加快森林、湿地、流域、农田、城市5大生态系统建设，促进生态环境良性循环，使植被状况得到很好的恢复[21]。本文基于GIMMS NDVI数据，利用多种计算方法对河南省2006-2015年植被覆盖变化进行了详尽分析，为河南省现阶段生态环境的监测与评价提供了一定的帮助，对植被生态环境的保护也有一定的意义。具体结论如下：

1）近10年来，河南省的植被覆盖显示出明显的上升趋势，年均NDVI在0.48-0.52之间浮动，年均NDVI增长率为0.3%/a。植被覆盖较好的区域主要集中在河南省的南部和中东部。而北部和中部地区在植被覆盖较差。

2）从季节植被NDVI变化情况来看，河南省2006-2015年四个季节的植被NDVI呈现为不同程度的增长。显著性最高的是冬季，增长速率为0.72%/a，其次为夏季0.05%/a，最后为春季和秋季，为0.04%/a，整体覆盖情况夏季>春季>秋季>冬季。从空间分布来看，河南省东西部植被覆盖差异明显，夏秋季节，NDVI高值区主要集中在西部山区，而冬春两季NDVI高值区则主要集中在东部平原地区。

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