2012—2018 年忻州市生长季NDVI 时空变化及影响因素分析

郑维龙

（山西工程职业学院，山西太原 030001）

0 引言

植被是连接土壤、大气和水分等自然要素的纽带，具有明显的时空变化特征，是一个区域生态变化的阴晴表。通过构建长时序的植被覆盖变化监测，对于了解一个区域的植被生长状况和生态环境变化，具有重要意义[1]。遥感监测技术因其监测范围广、受约束条件小等特点，在植被变化监测中得到广泛应用。归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI），由于其对植被监测具有较高的灵敏度，被认为是监测植被生长状况的最佳指示因子，广泛应用于植被覆盖变化监测、生物生产量评估、生态环境变化监测等研究领域[2-3]。忻州市作为山西省北部生态安全保护屏障、“太忻一体化”发展战略的重要组成部分，研究该区域植被覆盖时空变化具有重要战略意义。以忻州市为研究区域，利用NDVI 和气象因子之间的关系重构2012—2018 年忻州市生长季植被覆盖时空分布格局，探明忻州市植被覆盖时空变化规律，为推进山西省“两山四河一流域”生态修复治理、建设“太忻一体化经济区”提供参考依据。

1 数据源与预处理

1.1 研究区

忻州市位于山西省中北部，地理环境复杂，属于温带大陆性气候，冬无严寒，夏无酷暑，四季分明。

1.2 数据源与预处理

本次研究选用美国国家航天局(NASA)提供的MODIS 中分辨率遥感数据MOD09A1 地表反射率产品，其空间分辨率为500 m，时间分辨率为8 d。实验中，选取覆盖忻州市1 个轨道（h26v05）的2012—2018 生长季（5—9 月）MOD09A1 数据集，在MRT 软件中将数据进行投影转换、掩膜等一系列预处理。在ArcGIS 软件中通过波段运算并利用最大值合成法[4]得到每个月的月最大NDVI 时间序列影像数据集。利用中国气象科学数据共享服务网（http://data.cma.cn/）提供的包含忻州地区及周边气象站的5—9月的温度与降水数据，考虑到忻州市的高海拔特征，采用克里金插值法[3]将气象站点的降水、温度进行空间插值，使其空间分辨率与研究区域的NDVI一致。

2 研究方法

2.1 相关系数法

自然界中许多变量之间存在着一定的联系，它们之间既不是确定的函数关系，也不是完全没有关系，皮尔逊相关系数法可以定量研究两个变量之间的关系[5]。借助于皮尔逊相关系数法可以探测忻州市NDVI与降水（或温度）之间的相关系数，从而可以确定它们之间的相关性，具体计算式如式（1）所示：

式中：Rxy为二者的相关系数；xi为每月的降水总量（或月均温），xˉ为研究期内降水总量（或温度）的平均值；yi为每月的月最大NDVI，yˉ为研究期内NDVI的平均值；i为研究期，本次选取i=1～7；n为研究年份，本次选取n=7。若相关系数Rxy的绝对值越接近于1，说明二者的相关性越高；如果Rxy＞0，表明二者呈正相关，反之则呈负相关。

2.2 趋势分析法

为了监测忻州市长时间序列的植被覆盖变化特征，对忻州市2012—2018 年生长季与时间进行回归分析，得到一元线性回归方程。通过计算回归方程斜率k，进而得出在研究期同一像元的NDVIMAX变化趋势。当k＜0时，表示植被在研究期内呈退化趋势，k＞0表示呈改善趋势[5]，具体计算式如式（2）所示：

式中：i为研究期，本次选取i=1～7；n为研究年份，本次研究中n=7；NDVIMAX为年生长季最大NDVI。

3 结果与分析

3.1 植被与降水的相关性

通过式（1）得到，生长季NDVI与降水（温度）的皮尔逊相关系数分布图如图1（a）所示。

图1 忻州市植被趋势图

为了研究植被受降水（温度）的影响程度，以相关系数R（-1≤R≤1）作为指标，将R按照相关标准［5］分为：高度正相关（R≥0.8）、中度正相关（0.5≤R＜0.8）、低度正相关（0.3≤R＜0.5）、不相关（-0.3≤R≤0.3）和负相关（-1≤R≤-0.3）等5 类，如图2 所示。

图2 忻州市植被趋势分类图

在空间分布上,呈高度正相关的区域主要集中在河曲县北部、保德县东部、繁峙县东部及原平市西北部；呈中度正相关的区域主要分布在偏关县及原平市东部；呈低度正相关的区域主要分布在五台县东部及忻府区东部；其余区域表现为不相关或者负相关。

在不同地类中，呈高度正相关区域的植被覆盖主要以草地为主，其相关系数R为0.9；呈中度正相关区域的植被覆盖类型以林地和耕地为主，其中林地的相关系数R为0.76，耕地的相关系数R为0.68；呈不相关或者负相关的区域是非植被覆盖地类，它们主要分布在忻州市各个县城的中心区域及汾河和滹沱河流域，主要是建设用地和水体。忻州市不同植被覆盖类型对降水的相关性R由高到低依次是：草地、林地、耕地。说明在生长季忻州地区林地和草地受降水的影响较大。耕地对降水的敏感性偏低，侧面说明在忻州市人工灌溉对栽培植被的生长贡献较高。降水是忻州地区林地和草地生长的主导因素，而人工灌溉是耕地生长的主导因素。

3.2 植被与温度的相关性

从图1(b)和图2(b)上可以看到：在空间分布上，植被与温度呈高度正相关性的区域主要分布在忻州市的繁峙县、五台县、静乐县东部及原平市南部；呈中度正相关的区域主要分布在除河曲县西部以外的大部分区域；呈低度正相关的区域主要分布在保德县中西部及原平市东部。呈不相关或负相关的区域主要集中在忻府区中部。

通过对不同植被覆盖类型分析发现：呈高度正相关的植被类型是林地，其相关系数R为0.85；呈中度正相关的植被类型是耕地，其相关系数R为0.73；呈低度正相关的区域主要植被是草地，其相关系数R为0.37；呈不相关和负相关的区域主要是建设用地和水体。通过植被与温度的相关性可以看到，在忻州市植被覆盖与温度的相关系数由高到低依次为：林地、耕地和草地。

在通常情况下，随着海拔的升高，温度会下降。忻州市植被与温度呈高度正相关的区域主要是海拔在2000 m 以上的宁武县、五台山县；呈中度正相关性的区域集中在1000~2000 m 之间的原平市、代县等区域；呈低度正相关的区域主要是海拔在1000 m以下的忻府区、定襄县。

3.3 趋势变化

通过对忻州市2012—2018年间生长季最大NDVI做一元线性回归，可以看到忻州地区7 年间植被覆盖的变化趋势如图1（c）所示。参照相关标准[5]将斜率k分为明显增加（k＞0.009 0）、中度增加（0.004 5＜k≤0.009 0）、略微增加（0.001 0＜k≤0.004 5）、基本不变（-0.001 0＜k≤0.001 0）、略微降低（-0.004 5＜k≤-0.001 0）、中度降低（-0.009 0＜k≤-0.004 5）、明显降低（k≤-0.009 0）等7类，如图2（c）所示。

通过图2（c）可以看到:植被覆盖变化趋势呈明显增加的区域主要集中在忻州市偏关县、河曲县、保德县、原平市东部；呈中度增加的区域零星分布在忻州地区的各个县市；略微增加的区域主要分布在静乐县中南部、宁武县中部；基本不变的区域分布在神池县中部、五台县东南部；略微降低的区域零星分布在静乐县西南部、岢岚县北中部等区域；呈中度降低和明显降低的区域主要集中在忻府区中部、保德县北部等区域。

通过对不同植被类型NDVI 一元变化趋势做进一步分析发现:忻州市在2012—2018年间，植被覆盖整体呈改善趋势，但部分地理位置优越的区域呈现少量退化趋势。

忻州市所有植被覆盖类型中，耕地的NDVI变化趋势最稳定，这说明人类活动对栽培植被稳定性影响较大。NDVI呈退化的区域主要零星分布在忻州市城市化发展地理位置优越的区域。对同期土地利用类型影像分析后发现，土地利用类型变化是导致这一现象的主要原因。受地形发展和经济政策等因素的影响，忻定盆地部分区域植被退化尤为明显，建筑用地扩展、草地退化是忻州市植被退化的主要因素。在研究期内，海拔较高的区域及人类活动干扰较少的区域植被覆盖呈增长趋势；在经济发展较快的区域植被呈退化趋势，其主要原因是城市化的发展，促进土地利用类型的变化，从而导致了植被覆盖的退化。

4 结语

使用MODIS-NDVI 数据集，对忻州市2012—2018年生长季植被覆盖变化进行分析，得出以下结论：

1）忻州市植被覆盖类型与降水相关性从高到低依次为：草地、林地、耕地；忻州西部植被与降水表现出较高的相关性；人工灌溉对耕地的贡献较高。

2）忻州市植被覆盖与温度的相关系数由高到低依次为：林地、耕地、草地。在空间分布上，宁武县、五台县、繁峙县的植被与温度的相关系数较高，其余部分为中度正相关。

3）在过去的7年间忻州市植被覆盖整体呈增长趋势，只是各个市县中心的植被覆盖略有退化，城市化发展建设是导致植被退化的主要因素。