基于长时间序列遥感数据的浑河上游流域植被变化监测与分析

徐汉超

（沈阳市勘察测绘研究院有限公司，辽宁沈阳 110004）

植被是生长于地球表层的各种植物类型的总称，是地球表层内重要的再生资源。植被作为陆地生态系统的重要组成部分，是连接土壤、大气、水分的自然纽带，在全球能量传输和物质循环中起着“指示器”的作用,是气候和人文因素对环境影响的敏感指标[1]。在流域范围内，地表植被具有降低雨滴动能、削弱洪峰、延缓径流、增强水土抗蚀能力、减少水土流失等重要功能[2]。因此，监测流域内的植被变化情况，对流域的水源涵养及防洪安全具有重要意义。

遥感技术具有广域覆盖、重复观测等特点，在植被变化监测中应用广泛。浑河是辽宁省内重要的河流，是沈阳、抚顺等重点城市的母亲河。但目前对浑河流域植被的遥感监测研究较少，对流域范围内的生态治理决策支持不足。因此，以浑河上游流域为例，基于时间序列的Moderateresolution Imaging Spectroradiometer （MODIS）遥感数据监测近20年流域范围植被变化情况，为流域生态治理提供决策支持。

一、流域概况

浑河全长415千米，发源于抚顺市东部，自东向西，依次流经清原、新宾、抚顺市区、沈阳市区、辽中、灯塔、辽阳县、台安、海城等县市境内。抚顺市清原满族自治县湾甸子镇滚马岭是浑河的发源地。浑河为不对称水系，年径流量50亿~70亿立方米，东侧支流密集，坡陡谷深，水量丰富；西侧支流很少，水量不大。

浑河流域面积2.5万平方千米，其中上游流域面积约7300平方千米。浑河上游河岸带植被可划分为香蒲草丛、球子蕨草丛、灯心草草丛、柳属灌丛、珍珠梅灌丛、核桃楸阔叶混交林、家榆阔叶混交林、长白落叶松林和油松林共9个群落类型。总体来看，植被群落物种组成复杂，表现出高地森林与河流之间过渡带的典型特征，草本层多为一些耐干扰种和耐水湿种，越远离河岸，高地群落中的物种比例越高，并出现由河岸种向山地种逐渐过渡的趋势[3]。

二、数据与方法

1.遥感数据源

MODIS是美国宇航局研制的大型空间遥感仪器，用来了解全球气候的变化情况及人类活动对气候的影响。该传感器可获取36个相互配准的光谱波段捕捉数据，覆盖从可见光到红外波段。

遥感图像上的植被信息主要是通过绿色植物叶子和植被冠层的光谱特性及其差异、变化反映。但是对于复杂的植被遥感，仅用个别波段或多个单波段数据分析对比来提取植被信息是有明显局限性，因而往往选用多光谱数据经分析运算，产生某些对植被长势、生物量等具有一定指示意义的数值，即所谓的植被指数[4]。在植被指数中，通常选用对绿色植物强吸收的可见光红波段和对绿色植物高反射和高透射的近红外波段[5]。其中，归一化差值植被指数（NDVI）可以部分消除地形变化、大气衰减等的影响，与LAI、植被覆盖度等参数相关性较好，是较为常用的植被指数[6]。基于该传感器的红光（red）波段和近红外（NIR）波段，可以计算NDVI：

式中ρNIR和ρred分别为近红外和红色波段的反射率。

本文选用的是MOD13Q1 NDVI陆地数据产品，空间分辨率为250米，时间分辨率为16天，时间跨度为2000年 至2019年 的 每 年5-9月。MOD13Q1产品的数据级别为L3，已经过去云、大气校正等预处理操作。后续需要使用ENVI的二次开发软件MCTK进行投影转换，将其从原来的投影转换到Geographic Lat/Lon投影中，最后依据研究区矢量图进行研究区域的裁剪。

2.数据处理方法

（1）NDVI年度数据合成

以年度为时间单位，探测20年植被变化情况。因此，需要首先合成年度数据。较为常用的合成方法是最大值法（MVC），即将某一时间段内NDVI数据的最大值作为代表值，可以进一步消除大气、太阳高度角等因素的影响。本研究年度NDVI数据取每年5月至9月生长季NDVI数据中的最大值。

（2）变化趋势回归分析

对于MODISNDVI数据，每个像元都有对应的若干年的NDVI值。逐像元进行线性拟合，所得斜率显示了该像元在若干年内的植被变化情况。线性回归分析可以分析每个像元的NDVI变化趋势，Stow等[7]就用该方法来模拟植被的绿度变化率。本文也使用该方法来模拟研究区20年间植被的变化趋势，计算公式如下：

式中，slope为植被在m年内的变化斜率；j为年份；m为植被变化监测的总年数，本文为20年；NDVIj为第j年的年度NDVI。若变化斜率大于0，说明NDVI随时间逐渐增大，反之则逐渐减小。根据slope的大小，将植被变化情况分为7类[8]：斜率小于-0.0090为严重退化，-0.0090 ~ -0.0045为中度退化，-0.0045 ~ -0.0010之间为轻微退化，-0.0010 ~0.0010之间为基本不变，0.0010 ~0.0045之间为轻微改善，0.0045 ~0.0090之间为中度改善，大于 0.0090为明显改善。

三、结果与分析

1.基于MODIS数据的植被变化结果

浑河上游流域植被变化的遥感监测结果如图1所示。统计结果显示，2000年至2019年间，该区域植被变化整体上呈改善趋势。具体来说，轻微改善的植被面积为5036.12平方千米，占比最大，达68.66%；中度改善的面积为174.21平方千米，占比2.38%；轻微退化的面积为297.54平方千米，占比4.05%；基本不变的面积为1664.63平方千米，占比22.70%；中度退化的面积为70.25平方千米，占比0.96%；严重退化的面积为50.94平方千米，占比0.69%；明显改善的面积为40.71平方千米，占比0.56%。

图1 2000-2019年浑河上游流域植被变化探测结果

近年来，浑河源头生态功能区通过实施天然林保护工程、退耕还林工程、落实河长责任制、推进生态建设等措施，使该区域生态环境得到了明显改善，成为植被整体改善的基本条件[9]。调查也显示，近年来辽宁省森林健康度等级稳中有升，生态公益林逐渐向正向演替方向发展，保护效果已取得阶段性成效[10]。因此，植被变化改善得益于上述生态保护措施。

2.基于Landsat数据的验证与分析

通过与Landsat数据对比，发现植被明显退化的区域多位于城区附近（图2a，b，c）。本世纪初开始，东北地区主要城市群的城市化过程总体处于发展状态，部分小城镇逐步发展为新城市[11]。城市化和城市扩张会对周边植被产生负面影响，可以引起植被一定程度的退化[12]。

图2 利用Landsat数据（右侧）验证MODIS数据（左侧）监测结果

此外，也存在小部分植被明显改善的区域，也应引起注意并推广相关经验。通过Landsat数据对比发现，典型的植被明显改善的区域位于抚顺市西南部的矿区生态复垦区域（图2d）。对废弃的煤矿区矸石山和排土场等区域进行大范围的生态复垦，造林树种包括锦新杨、家榆、刺槐、火炬树、山杏、紫穗槐、锦鸡儿、沙棘等，极大地改善了植被覆盖条件，为植被改善奠定了坚实基础[13]。

四、结论

基于MODIS时间序列遥感数据，利用变化趋势回归分析方法探测了浑河上游流域植被变化情况。结果表明，20年来该区域内植被整体呈现改善态势；轻微改善面积最大，占比达68.66%。分析了植被改善和退化的原因，区域的天然林保护、退耕还林、生态复垦等生态保护措施是植被改善的根本原因，但城市化等导致植被退化的因素也应引起注意。