北方農牧交錯帶2000～2013年NDVI時空變化特征

單文龍 何立恒 駱思瑩

摘要：北方農牧交錯帶生態環境脆弱，系列生態工程的主要目標就是恢復退化植被，提高植被覆蓋度。本文以MO-DIS為數據源，選取歸一化植被指數（NDVI）構建北方農牧交錯帶2000-2013年NDVI數據集，分析ⅣDVI的時空變化。結果表明：北方農牧交錯帶NDVI呈小幅波動上升，由2000年的0.28升至2013年的0.33，年增長率為0.38%。NDVI增加幅度存在明顯空間差異，增長速度最快的是中部分區，西部分區的ⅣDVI值較低，但2014年來一直以平緩速度穩步增長，NDVI逐年提升。東北分區和東部分區的NDVI值較高，但增長較緩，東部分區的NDVI無顯著變化，東北分區的NDVI值常年穩定在0.32左右。NDVI值在0.30以上的區域明顯擴大，空間差異正逐步縮小。該研究成果為北方農牧交錯帶的生態環境建設和資源開發提供科學依據。

關鍵詞：NDVI；植被指數；時空變化；北方農牧交錯帶

中圖分類號：S181；Q948.15+3

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X（2015）04-0033-05植被是土地覆蓋最主要的類型，是覆蓋地表的植物群落的總稱，植被與氣候、地形、土壤等自然環境密切相關，屬陸地生態系統的主體。植被在地球的物質循環和能量轉化中起著巨大的作用，具有改善區域氣候、保水固土、凈化空氣、減輕污染等作用。因此，植被覆蓋變化在很大程度上反映區域環境狀況，研究和掌握區域植被覆蓋變化特征，能為減緩退化和恢復生態環境提供科學依據和決策服務。

估算和監測植被覆蓋的重要手段是遙感技術，遙感具有成本低、覆蓋范圍廣、周期短、波段寬和時間系列長短選擇靈活等優點，植被指數常用來計算植被覆蓋度的估值。歸一化植被指數（Nor-malized Difference Vegetation Index，NDVI）又稱標準化植被指數，因其具有檢測植被靈敏度較高、范圍寬、能消除群落結構和地形的陰影、可去除輻射干擾、會削弱太陽高度角和大氣所帶來的噪音等優點，多被用來估算和監測植被覆蓋變化。估算和監測植被覆蓋的遙感數據有NOAA/AVHRR、Landsat、SPOT、MODIS、MISS等。MODIS具有時空分辨率高、全球免費、覆蓋和光譜范圍廣、數據質量高、數據接收簡單等特點，故被選作本文數據源。

北方農牧交錯帶作為我國最大面積、最長空間跨度、最具典型特征的農牧交錯帶，是科學界研究的焦點地區之一，主要集中在土地覆被變化和氣候變遷與植被覆蓋度的相關分析、區縣的植被覆蓋度變化、界線演變等，單純研究北方農牧交錯帶ⅣDVI的較少。作為我國“西部大開發”生態和繹濟建設的重點地區，揭示近年來ⅣDVI的時空變化特征，對全面了解北方農牧交錯帶的自然環境條件有重要的現實意義。1 研究區概況

北方農牧交錯帶北起大興安嶺西麓，沿長城經冀北、晉北，內蒙古中南向西南延展，直至陜北、甘東北和寧南的交接地帶，行政區劃涉及9個省106個旗（縣市）（圖1），具有復雜、邊緣、融和、脆弱等典型生態交錯帶的基本特征。氣候處于東部季風區與西北干旱區之間的過渡地帶；生產經營模式屬于從農耕區向草原牧區的農牧過渡地帶；景觀表現為農林牧交錯分布的復合式景觀格局；自然條件上，東南是濕潤、半濕潤地區，降水400～450mm，地勢相對平坦，海拔較低，環境條件優越，而以西以北則分布著我國主要的沙漠、高原和山地，地形復雜，風沙干旱發生頻繁，氣候多變、土地瘠薄，植被稀少，降水量為300-400mm，生態環境較為脆弱。

根據地形地貌、氣候分布特征，將北方農牧交錯帶劃分為包括內蒙古高原部分地區的東北分區，涵蓋冀北壩上草原部分地區的東部分區，包括陜、晉黃土高原北部地區的中部分區，包含青、寧、甘部分地區的西部分區（如圖1所示）。

2 數據處理

下載（https： //lpdaac. usgs. gov/data—access/data_ pool） 2000～2013年每年23期（2000年20期）共319期MODIS數據，數據處理包括拼接、文件格式轉換、投影改正、影像裁剪等。根據MO-DIS數據中國分區代碼，北方農牧交錯帶主要分布在h25v04-05、h26v04-05、h27v04-05。將下載的格式為*.hdf等面積偽圓柱投影的原始數據投影轉換為蘭伯特投影，坐標系轉化為WGS84坐標，并將文件另存為TIF格式。為實現圖像幾何糾正，利用最鄰近像元內插算法和衛星數據附帶的經緯度坐標信息，將數據糾正到250m分辨率的通用橫軸墨卡托（UTM）投影地圖坐標系中。根據矢量地圖，通過ROI不規則裁剪上述處理后的各期遙感數據，得到遙感影像圖。

分別用最大值合成法和平均值法提取NDVI（公式1），最大合成法提取的NDVI差異較小，區分度不夠，不足以反映研究區植被覆蓋的時空變化特征。用平均值法提取ⅣDVI值，統計出年、季節、月和四個分區的NDVI均值，對比發現各期平均值的時空差異明顯，被選用于研究植被指數時空變化的基礎數據。

NDVI=（DN_NIR-DN_R）/（DN_NIR+ DN_R）。 （1）式中：DN_DIR為近紅外波段的灰度值；DNR為紅波段的灰度值。

3 結果與分析

3.1

NDVI的時間變化特征

3.1.1 NDVI月變化特征

選取2000～2013年NDVI月平均值，研究ND-VI年內變化（如圖2所示）。曲線呈起伏明顯的先升后降的單峰型變化，NDVI值1月份最低，為0.15，7月～8月份達0.53的最高值。1月～3月的標準差較小，變化平緩，增長趨勢不明顯。4月～6月急劇上升，9月開始快速下降，植被進入枯黃期和休眠期，6月、7月和9月的較大標準差說明植被在此時段內各年的差異變化。從11月到來年的2月，NDVI均保持較低值，也是全年的最低值。

3.1.2

NDVI季節變化特征

依陽歷3月～5月、6月～8月、9月～11月、12月～來年2月為春、夏、秋、冬四季，將ⅣDVI按季節進行均值統計（見表1）。夏季NDVI的平均值遠高于其他季節，對年均ⅣDVI的提高貢獻最大，最大最小值的波動范圍和較大的標準差同時說明夏季處于植被快速生長期。其次是NDVI處于下降的秋季，均值為0.30，再次是波動范圍在0.22～0.26之間的春季，但NDVI處于上升階段。冬季的ND VI最低，波動范圍、均值和標準差均小。

空間上，隨著季節變化，ⅣDVI由北向南逐步增大。生態環境相對脆弱區的NDVI隨季節明顯發生變化，而植被覆蓋較好地區的NDVI隨季節起伏變化相對較小。冬季NDVI值較小，特別是陜、晉黃土高原區，相對較大的是河北壩上平原地區；春季的植被覆蓋有明顯提高，0.00～0.20的區域范圍明顯縮小，0.20～0.40的范圍持續擴大，而且冀北地區的NDVI明顯升高；夏季的ND VI值達最高，僅寧、青、甘北部部分地區ⅣDVI值稍低，在0.40以下；秋季的NDVI逐漸回落。

3.1.3 NDVI年際變化特征

年均NDVI值在波動中呈線性增加趨勢（圖3），由2000年的0.28上升至2013年的0.33，年增長率為0.38%。年最大NDVI在2013年達0.63的最高值，最低值0. 49出現在2000年。2000～2002年、2009～2013年處于明顯上升期，2002～2007年的NDVI比較平穩，2007～2009經歷先升后降的波動過程。

分別以年均和年最大NDVI值為因變量y，以年份為自變量x進行定量分析。從曲線方程可看出，年最大NDVI增加趨勢更為顯著，波動起伏也大。

3.1.4 分區NDVI年際變化特征

年均NDVI從高到低的是東部分區、東北分區、中部分區和西部分區（見表2）。中部分區與西部分區的波動起伏較大，增長趨勢更為顯著，反映出研究時段內該地區整體植被增長較明顯。而冀北地區與內蒙古高原地區雖然NDVI整體水平較高，但增長較為緩慢。

中部分區和西部分區較大的標準差說明該區域的ND VI增加速度高于東部分區和東北分區，內蒙古高原所在的東北分區的增長速度最慢。陜、晉黃土高原區受人類活動影響較為強烈，當人類活動受到限制時，其植被覆蓋在自然狀態下出現恢復，歸功于防護林建設、退耕還林等生態環境保護政策，陜、晉黃土高原區的NDVI顯示出較高的增加速度。

3.2

DN VI的空間變化特征

依據各分區2000～2013年的ND VI值，根據變化趨勢線特征分別選擇2001、2004、2008和2013年作為典型年，制作ⅣDVI的空間分布圖（如圖4所示）。結果表明，植被覆蓋具有明顯的地域特征，ND VI從大到小依次是東北分區、東部地區、中部地區和西部地區。

東北分區屬于內蒙古高原東北部，位于大興安嶺北段西麓。地勢東高西低，海拔在600～800m之間，水資源較豐富，植被以羊草和針茅為主。該地區NDVI值相對較高，主要集中在0.30～0.40之間，植被覆蓋相對較好。

東部分區位于河北北部壩上草原地區，東南高、西北低，典型的干旱型草原，植被以旱禾草居多。該地區NDVI值多分布在0.20～0.40之間，多年保持平穩狀態，與相關研究成果吻合。

中部分區主要包括陜北和山西黃土高原區，平均海拔800～1300m，氣溫和降水的空間分布差異較大，下墊面復雜，水土流失嚴重。植被覆蓋逐年得到改善，2000年的ND VI值集中在0.20左右，2004年顯著增長至0.30左右，此后，ND VI值逐年上升，至2013年，絕大多數范圍內的NDVI值穩定在0.35左右，跟相關研究成果一致。由此可見，該地區水土保持、退耕還林工程初見成效，植被得到恢復，生態環境得到改善。

西部地區包含寧夏、甘肅、青海部分地區，氣候干燥，年較差、日較差大，降水量少，多大風天氣。該地區的ND VI普遍較低，除南部邊緣地區ND VI值高于0.30外，其余地區均低于0.20。人類對該地區的影響遠不如東部季風區那么廣泛和深刻，水是植被生長的決定性因素。

4 結論

基于北方農牧交錯帶2000～2013年MODIS/ND VI數據，進行波段運算，提取研究區2014年的ⅣDVI值，對ⅣDVI值進行時空變化分析，得出以下結論：

（1）NDVI隨時間呈波動上升，植被覆蓋狀況得到改善。年均ND VI的年增長率為0.38%，NDVI年內變化呈現出很強的季節性，夏季的ND VI值最高，逐年增加最為顯著，對植被覆蓋狀況的改善貢獻最大。

（2） ND VI增加幅度存在明顯的空間差異。增長速度最快的地區為中部分區，絕大多數范圍內的ND VI值穩定在0.35左右。西部分區的ND VI值相對較低，但2014年來一直以平緩速度穩步增長。東北分區和東部分區的NDVI值較高，植被覆蓋情況相對較好，但ND VI無顯著增大趨勢。ⅣDVI值在0.30以上的區域明顯擴大，空間差異逐步縮小。

本文僅探討了北方農牧交錯帶ND VI的時空變化，沒對ⅣDVI進行分級統計和分析各級的變化，沒有對影響NDVI時空變換的各種環境因素進行深入討論與分析，使用的MODIS/ND VI數據，分辨率較大，無法對植被類型做細致的區分研究，有待在今后的研究中繼續探討。