新疆布尔津县五年间归一化植被指数时空演变

胡馨月，孙 倩，古丽古丽·灭迪力哈孜

（新疆农业大学林学与风景园林学院，乌鲁木齐 830052）

0 引言

植被是连接自然界水、大气、土壤内部循环的重要途径和桥梁，它也是影响全球环境及其气候变化的标志，更是陆地自然生态系统的重要因素。归一化植被指数可以反映区域植被的生长和其营养资源信息的重要表征性参数，它还可以用来衡量研究区域植被的覆盖度和其生长情况的有效程度度量参数和重要表征性指数，广泛应用于植被的生长和其他植被涵盖度进行检测[1]。有学者结合新疆地区1982—2013年NDVI数据，发现新疆植被覆盖空间分布南北差异明显，西北优于东南[2]。在区域和小尺度上，学者研究了不同尺度上对不同地理单元的NDVI植被时空变化和气候因子[3-9]。归一化植被指数是目前最广泛应用的植被指数，也是监测植被覆盖状况和其生长的最佳植被指数[10]。很多学者对NDVI数据做出长期研究，得出了植被覆盖度变化和影响因子的相关性。近年来，通过NDVI做了大量的科学研究，并且取得了诸多科学研究成果，在全球区域等宏观和大尺度的范围内，对于土地利用覆盖、植被的动态变化、植被的分类、作物生长势、气候的影响以及监测等诸多领域进行了研究，NDVI已经具有非常良好的实际适用性[11-13]。

NDVI是最常见且对土壤背景变化很敏感的植被指数，增强了对植被的响应，它可以消除仪器定标、地形、太阳角，云阴影和大气条件等对半径变化的影响，是当前40多种植被指数中应用最广的指标之一[14-15]。鉴于此，本研究利用MODIS数据产品，通过数据预处理获布尔津县2010—2014年逐月的MODIS-NDVI数据，研究布尔津县归一化植被指数时空演变，分布特征，趋势分析。本研究结论将定量的呈现布尔津县植被覆盖的时空演变规律，能够为生态环境的区域保护提供一些科学参考。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区域概况

布尔津县(86°25′—88°06′E，47°22′—49°11′N)属于新疆阿勒泰地区，位于阿尔泰山西南麓，与三国接壤是中国重要的边境县。布尔津县呈葫芦形，南北长200 km，东西宽49～82 km，总面积10345 km2，国界线长218 km。布尔津县属大陆性北温带寒凉气候，夏季干燥炎热，冬季寒冷，降水量小，蒸发量大，昼夜温差大，光照充足[16]。

1.2 数据来源与处理

遥感数据来源于地理空间数据云所提供的空间分辨率为1 km的中国2010—2014年5年MODIS-NDVI逐月产品和研究区矢量边界。数据进行大气校正、辐射校正，几何校正，选取布尔津县范围，对月度植被指数空间分布数据进行掩膜提取，得到2010—2014年NDVI数据，并得到了60幅影像图。利用ArcGIS软件，以研究区影像图将生成的原始DN数据集转换为标准的逐旬NDVI值，原始NDVI值为扩展NDVI值，采用取值0～10000范围，DN值和实际值NDVI为DN=NDVI*10000，利用公式得到NDVI实际值。

1.3 研究方法

（1）归一化植被指数NDVI

归一化植被指数NDVI是根据通过测量植被强烈反射与植被吸收在近红外和红光电磁波段的吸附率之间的值作为数据，通过对电磁辐射的特征值进行数字化分析而得到的归一化植被覆盖率的表征指数，计算如公式(1)。

式中：NIR为700～1000 nm近红外波段的波谱特征；RED为650 nm红光波段的波谱特征。

（2）趋势分析方法

通过一元线性回归趋势分析模拟出各个栅格的变动趋势，可以反映出研究区植被NDVI空间变化特征[17]，计算如公式(2)。

式中：θslope为NDVI的变化趋势；n为研究区的年数；θslope＞0时，表示NDVI在研究期间内的变化趋势增加；θslope＜0时，表示NDVI在研究期间内的变化趋势减小。

2 结果分析

2.1 NDVI的时序变化

布尔津县属温带干旱气候区，3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、对NDVI数据均值化处理后得到2010—2014年年均各季节NDVI数据集，取均值后制作的NDVI时序变化曲线，如图1～2。

图1 2010-2014年布尔津县三季NDVI趋势变化图

图2 2010-2014年布尔津县四季NDVI指数动态特征图

由图1所示，布尔津县2010—2014年的NDVI平均值在春夏秋三季整体呈现下降的趋势，2010—2014年的春季的NDVI值波动幅度较小，夏季的NDVI值呈下降趋势，秋季的NDVI值波动较小。其中2010—2014年的夏季NDVI值都达到最大值，每一年春季NDVI都为最小值。

由图2所示，NDVI在夏季值最高，2010年最高达到0.53。冬季NDVI值最低，2010年最低值0.01。春秋两季NDVI值波动幅度缓慢，除2010年春季NDVI值为0.12明显偏低外，其他年份春季NDVI值均在0.2左右。2010—2014年四季NDVI值波动幅度较平缓。便于理解和分析，人为将生长周期分为不同的阶段：春季是植被生长为绿色的时期，且NDVI值呈现平缓增加的现象，NDVI值减少的原因是春季该地区降水量减少，春季植被覆盖度不高过渡放牧所致；夏季是植被活力及作物生长最旺盛的时期，NDVI值较为平稳；秋季植被新陈代谢减慢，植被的覆盖率开始下降，NDVI值总体呈下降趋势；冬季NDVI值没有明显的浮动，趋近于0，大部分植被在冬季不能存活。

2.2 NDVI的空间分布特征

本研究使用ArcGIS 10.5对2010—2014年布尔津县遥感NDVI数据进行数据提取，为了可以更加直观的反映布尔津县5年的NDVI空间分布特征，以5年所监测的各月NDVI数据为基础，分析布尔津植被在空间上分布规律（见图3）。冬季NDVI数值相对来说比较稳定，变化波动非常微弱，相对而言，春夏秋更加具有研究价值，所以筛选了时空分布上具有明显特征性的春夏秋三个季节进行不同年度同季节的对比。

图3 2010—2014年布尔津县NDVI空间分布图

NDVI值越大，说明植被变化情况剧烈，NDVI值越小，说明植被变化呈下降趋势。植被指数较高区域主要分布地区中部，植被指数较低区域主要分布在西南部，随着时间的变化推移，NDVI空间布局上发生了变化，春季分布由北向南逐渐增加，夏季分布没有明显变化，秋季分布由北向南先逐年减少。

2010—2014年的春季、夏季、秋季NDVI空间分布数值，2010年春夏秋对比图中，夏季的NDVI值达到最高，为0.94；秋季总体上来看，它的数值与夏季非常接近，最高值为0.92。从图3可以看出在夏季NDVI高值的区域面积明显要大于秋季NDVI数值高的面积。2011年春夏秋对比图中，夏季NDVI最高值为0.97；秋季的数值与春季相接近，最高值为0.77，可以看出夏季NDVI高值的区域面积分布最广，春季NDVI高数值分布区域面积高于秋季NDVI数值高值的区域面积。2012年三季分布图中，夏季NDVI最高值为0.94；春季NDVI值总体上来说与夏季接近，最高值为0.74，从图中可以看出夏季NDVI高值分布区域面积最大，春季高值分布区域要大于秋季NDVI高值分布区域面积。2013年的分布图中，夏季NDVI最高值为0.93，秋季的NDVI总体上来说与夏季接近，最高值为0.89，夏季NDVI高值分布区域面积大于秋季NDVI高值分布区域面积。2014年分布图中，夏季NDVI最高值为0.93，秋季NDVI高值总体上与夏季NDVI高值接近，秋季NDVI低阈值分布范围最广。

以不同年份同季节中，可以看出在春季2011年和2012年的NDVI高值分布区域较少，其余年份趋于相近，逐年布尔津县中部植被分布增加，大部分地区都呈现出植被分布较少，西南地区边缘植被分布较少。夏季在2010—2014年中NDVI空间分布变化较小，北部植被分布有所增加。秋季在2011年植被分布最广，2014年植被分布最少，其余年份植被分布趋于相近，北部植被分布逐渐减少。

2.3 NDVI变化趋势

变化趋势SLOPE的计算，能更好的表征出随着时间变化，长时间序列归一化植被指数的动态变化情况。植被NDVI变化趋势呈现出夏季高于秋季，秋季高于春季，冬季较稳定的特征，数据如图4所示。

图4 2010—2014年布尔津县四季NDVI变化趋势图

5年间，春季NDVI值最小为-1.06，为负值，表示布尔津县植被NDVI呈现出了逐渐减小的趋势，由南向北NDVI呈现出逐步增加的分布特征，到北部边缘逐渐减少。夏季NDVI值最小为0.01，NDVI值逐渐增加，植被分布广泛，其夏季NDVI平均变化趋势较小，但呈现逐渐增加的变化趋势。夏季冰川融化且雨水充足，地表径流丰富，人为的种植植物较多，NDVI值越高。

秋季NDVI值最小为0，为正值，呈现出植被指数呈现出了逐步增加的趋势。秋季平均降水量降低，农作物进入收获期，耐旱适盐的植被可以在秋季继续生长和存活。冬季NDVI值最小为-0.01，北部NDVI值降低趋势显著，其植被变化趋势减小。冬季11—12月，大部分耐寒耐旱植被仍保持生长，土壤的温度与含水率对植物的生长有较明显的影响。这一阶段土壤气候温度及相对湿度都比较低，在土壤条件的影响下部分植被缓慢地衰败甚至死亡，植被指数下降。

3 讨论

2010—2014年布尔津县四季NDVI的变化中，冬季NDVI均值最低，夏季均值最高，造成这一结果的原因是由于冬季温度较低、降水量较少，部分植被进入落叶期，植被处于生长季末期；而夏季降水量充沛，温度较高，植被光合作用活跃，处于生长季最旺盛时期。本研究通过分析2010—2014年三季NDVI时序变化，发现NDVI呈现随着时间的变化，NDVI的平均值也增加，特别是夏季和秋季NDVI增长较为明显。

NDVI空间分布表明，研究区在夏季NDVI平均值达到了最高值，主要分布西南部和东北部逐步减少，可能是由于夏季温度较高，水分蒸发速度快，而植物需水量大，不能快速供给植物生长所必需的水分，从而导致部分植物受到干旱胁迫，从而导致植被变化不均。春秋季NDVI均值较低，甚至出现负值，主要分布北部方向植被减少，可能是由于春季气温逐渐升高使水汽增多，出现多云天气。秋季NDVI值与春季NDVI值相接近，秋季植被分布相对没有明显变化。

新疆是温带大陆性气候，在全球气候变化背景下，新疆NDVI时空变化引起了众多学者的密切关注。相关研究表明[18-20]，近30年来新疆NDVI呈明显增加趋势，尤其是在夏秋两季增加趋势最为明显。本研究结果表明，布尔津县2010—2014年NDVI也表现出与整个新疆相同的变化规律，布尔津县2010—2014年NDVI变化趋势具有更明显的规律性，即总体NDVI数值变化越大，呈现的增加趋势更为显著，NDVI数值变化越小，增加趋势不明显。NDVI变化趋势较小，代表该区域内的植被分布较稳定，植被生长状况良好，表明该区域的植被内部环境较稳定不易受到外界气候或环境的影响。变化趋势显著增加则表示该地区的植被呈下降趋势，植被的覆盖度降低[21-23]。NDVI下降的主要原因有，城市化进程加快，旅游业发展，工业生产加速以及大规模的城市建设等人为活动引起植被减少[24-26]。

本研究分析了布尔津县5年的归一化植被指数时序变化研究和空间分布特征，但还存在一定局限性，由于研究利用分布率问题可能无法显示特殊区域的变化特征，在今后的分析中将通过更高分布率数据对特殊区域进行分析，在变化因素的分析中应考虑人类活动对植被覆盖度造成的影响。

4 结论

通过对布尔津县2010—2014年基于时间序列的MODIS-NDVI数据处理，从时间和空间角度，采用季节变化和变化趋势分析的方法，对NDVI数据进行定量分析，得出以下结论：

（1）2010—2014年布尔津县NDVI从时序变化角度而言，NDVI存在明显的季节性差异，夏季NDVI值相对较高，均在0.05～0.6之间波动。春季和秋季年际的NDVI值波动幅度较小，均分别在0.12～0.21和0.29～0.34之间波动。不同季节NDVI年际变化的总体大小排序为：夏季＞秋季＞春季＞冬季。

（2）夏季NDVI分布的变化趋势不明显，夏季植被最为茂盛，空间分布无明显变化，其中2011年植被生长态势最佳；春季NDVI数值先减少后增加，空间分布上中部和西南部植被分布有所增加，北部植物相对减少，秋季NDVI数值呈现了先降低后增加的变化趋势，但变化趋势相对较小，说明秋季植被生长态势变化不剧烈，尤其在研究区东北方向，植物分布相对减少。

（3）布尔津县四季5年间的NDVI变化趋势，春季NDVI呈现了逐步降低的变化趋势，夏季和秋季NDVI变化趋势均呈现出了增加趋势，冬季NDVI变化趋势微弱。