利用Modis-NDVI 時序數據分析滇中地區綠色覆被的變化特征

趙文君ZHAO Wen-jun；謝飛帆XIE Fei-fan

（①云南師范大學，昆明 650000；②云南省水文水資源局，昆明 650000）

（①Yunnan Normal University，Kunming 650000，China；②Bureau of Hydrology and Water Resources in Yunnan Province，Kunming 650000，China）

1 研究區概況

滇中地區位于我國“兩縱三橫”城市化戰略格局中包昆通道縱軸的南端，目前是我國主體功能區規劃的重點開發地區。滇中地區位于云南省中部，介于100°00′27.11″～103°4′20.41″E，22°9′55.19″～27°00′24.71″N 之間，地處紅河、南盤江、金沙江、瀾滄江四大水系的分水嶺地區，地形屬于高原，地形小波狀起伏，平均海拔為2000m，多為起伏和緩的低山和丘陵，發育著類型多樣的巖溶地形。其西北地區處于橫斷山脈的邊緣，相對高差大，地勢險峻。而東南地區的地勢較為緩和，有著非常開闊的河谷，海拔一般在800m～1000m 之間。整個區域的總面積為17.4 萬km2，占整個云南省面積的45.29%，主要包括昆明、曲靖、玉溪、楚雄、麗江、大理、紅河七個市、地區的49 個縣。其主要的綠色覆被有林地、草地、灌叢和農田四大類別。

2 數據資料與研究方法

2.1 數據資料及其預處理 本文選用了美國的對地觀測計劃ESO 的ERRA 衛星攜帶的MODIS 傳感器的軌道數據，綜合考慮了影像獲取的難度、影響的質量、所面臨的工作量以及研究目標等因素。在2009～2013年每天接收的資料中，選取分辨率為250m 的1B 級數據作為其基礎性研究資料（表1），共計為1261 個時期的影像。在處理數據時，研究人員選用ENVI 軟件進行影像批處理。同時，以第四代交互式計算機編程語言IDL 為基礎，開發出了影像批預處理程序，主要在ENVI 軟件平臺上運行。該程序采用了Delaunay 三角網坐標轉換法以及雙線性插值法，對獲取到的影像進行了幾何校正，并在校正過程中采用后向映射算法有效地消除了“雙眼皮”現象，最終校正完成后的坐標系統為UTM 投影，WGS84 坐標系統。研究人員在此基礎上采用了輻射定標和去云處理的方式裁剪出了滇中研究區的影像。

表1 滇中地區綠色覆被分析的Modis 1B 影像資料

此外，為了研究不同植被類型NDVI 時間序列數據季相及年際間的變化特征問題，在Modis MOD12（Modis 土地利用/覆被數據，分辨率為500m）數據、云南省1：25 萬地形圖、云南省1：50 萬植被蓋度圖等資料的輔助下，對2005年Modis MOD02（Modis 經過輻射定標后的數據，分辨率為250m）數據進行了決策樹分類。參照國際上IGBP的土地覆被分類系統，分出林地、灌叢、草地、農田、居民地、水體等六類地物類別。

2.2 NDVI年際變化特征的協同性分析 植被NDVI值在時間尺度上的變化反映了植被年內生長的NDVI 變化過程,不同植被類型的NDVI 時間曲線具有不同的變化特征，通過對不同植被類型的NDVI 時間曲線的分析可以了解該植被的年內生長狀況。本文采用NDVI 特征值的分析方法計算滇中地區NDVI 值的年際變化特征。選取相關系數r 分析NDVI 曲線年際間的相關性，指示植被變化年際間的協同性。相關系數r 的計算公式：

式（1）中，rxy為第x年和第y年每一象元NDVI 值的相關系數；xi、yi分別為x、y年中每個象元第i月的NDVI值；分別為xi、yi的年內平均值；n 為一年n 期NDVI 影像。在給定置信水平α=0.05，自由度f=10 的條件下，通過查相關系數檢驗表得到其臨界值為0.5760，即相關系數x、y 具有正相關關系的條件是rxy＞0.5760，滿足該條件的x、y年際間NDVI 協同性較好，反之協同性差。

3 結果分析

3.1 不同植被類型的NDVI年內變化特征

圖1 不同植被類型NDVI年內變化曲線

圖1 為草地、灌叢、農田、森林四種不同植被類型的月平均NDVI 值。在2009～2013年中，年內NDVI 時間序列圖。由圖可知4 種植被類型的NDVI 時間變化曲線總體形狀每年基本相似，隨著季節的變換，NDVI 曲線具有波動性特征。對所有植被而言，NDVI 在12月最低，5月次低。每年的1～8月是NDVI 的上升階段，8、9月達到最大值，隨后NDVI 開始急劇下降，到12月份最低（除2009年以外）。造成以上變化的原因可能可能與落葉植被葉綠素含量有關。但是單一不同植被類型NDVI 值之間表現出明顯的差異性。圖1d 中森林植被NDVI 值的波動頻率明顯高于其他三種植被類型的NDVI 波動曲線，基本在0.4 左右波動。四種植被類型NDVI年內季節性變化幅度差別較大，農田NDVI季節性變化幅度最大，其次是灌叢、草地，森林植被最小。

3.2 不同植被類型的NDVI年際變化特征

圖2 為對滇 中地區2009～2010、2010～2011、2011～2012、2012～2013年四個時間段的NDVI 曲線年際協同性計算結果。綠色部分代表95%置信度下的NDVI 曲線年際間協同性比較差的區域，灰色代表協同性較好。從圖2a 看出2009～2010年滇中地區NDVI 值在麗江、大理、楚雄等地以綠色調為主，NDVI 值變化比較顯著，曲靖、昆明、玉溪、紅河地區以灰色調為主，NDVI 曲線協同性比較好，變化不太明顯；圖2b 中2010～2011年NDVI 變化顯著的區域主要分布在楚雄、大理、麗江等地區，昆明、曲靖、紅河、玉溪相對而言，變化比較弱；圖2c 中2011～2012年NDVI 變化顯著的區域主要表現在麗江、楚雄、玉溪、昆明四個地區，其他地區相對變化較弱。圖2d 中，2012～2013年NDVI 變化除曲靖地區的東北部以外，其他地區NDVI年際變化非常明顯。

4 結論

4.1 本文利用空間分辨率為250m 的Modis 1B 級數據的近紅外、可見光波段（對應第一、第二波段）計算了2009～2013年滇中地區逐日NDVI 值。計算結果表明，Modis NDVI 值能夠真實的指示滇中地區植被生長、發育的變化狀況。NDVI MVC 合成法在一定程度上能夠消除云霧等對于計算植被指數的影響，提高了NDVI 值計算的精度。

4.2 滇中地區Modis 植被指數隨季節呈現規律性的波動變化，振幅變化平均最小值為0.4，出現在冬季（1、2、12月份），平均最大值為0.7，出現在秋季（9、10、11月份），這與綠色植被生長周期內，葉綠色含量的變化情況基本一致。

4.3 協同性計算結果表明，2009～2010年NDVI 值變化不太明顯，變化區域主要分布在大理麗江等滇中西北部地區；2010～2011年楚雄、大理、麗江地區NDVI 變化顯著，昆明、曲靖、紅河、玉溪相對而言，變化比較弱；2011～2012年NDVI 的區域主要表現在麗江、楚雄、玉溪、昆明四個地區變化比較顯著，其他地區相對較弱；2012～2013年NDVI 變化除曲靖地區的東北部以外，其他地區NDVI年際變化非常明顯。

圖2 四個時間組合NDVI 曲線相關性計算結果

4.4 不同植被類型NDVI 變化值分析得出，2009～2013年NDVI 值除草地、森林在2010～2011、2011～2012年之間減少了-0.000551、-0.081289 之外，其他均呈持續上升趨勢，森林NDVI 值在2012～2013年年際增幅最大，增加了0.109515。表明近五年之中滇中地區植被狀況良好。

[1]鄧朝平,郭鈮,王介民,馬金輝.近20年來西北地區植被變化特征分析[J].冰川凍土,2006,28(5):686-692.

[2]李霞,李曉斌兵,陳云浩,鶯歌.中國北方草原植被對氣象因子的時滯響應[J].植物生態學報,2007,31(6):1054-1062.

[3]霞虹,武建軍,范錦龍.陰山北麓地區近20年來植被生長狀況及其年際變化研究[J].北京師范大學學報(自然科學版),2007,43(6):678-683.