基于MODIS的山東省植被覆蓋時空變化及其原因分析

于泉洲，梁春玲，劉煜杰，姜浩，孫雷剛

1. 聊城大學環境與規劃學院，山東 聊城 252059；2. 商丘師范學院環境與規劃學院，河南 商丘 476000；3. 中國環境科學研究院生態文明研究中心，北京 100012；4. 廣東省地理空間信息技術與應用公共實驗室，廣州地理研究所，廣東 廣州 510070；5. 河北省科學院地理科學研究所，河北 石家莊 050011

基于MODIS的山東省植被覆蓋時空變化及其原因分析

于泉洲1，梁春玲2，劉煜杰3，姜浩4，孫雷剛5

1. 聊城大學環境與規劃學院，山東 聊城 252059；2. 商丘師范學院環境與規劃學院，河南 商丘 476000；3. 中國環境科學研究院生態文明研究中心，北京 100012；4. 廣東省地理空間信息技術與應用公共實驗室，廣州地理研究所，廣東 廣州 510070；5. 河北省科學院地理科學研究所，河北 石家莊 050011

衛星遙感獲取的歸一化植被指數（NDVI）可以指示地表綠度和植被覆蓋特征，被廣泛應用于大尺度地表植被活動的監測和評估。基于2000─2014年的328景MODIS/NDVI時間序列數據，采用基于柵格像元的趨勢分析和穩定性分析方法，深入分析了2000年以來山東省不同區域植被覆蓋和綠度變化特征。結果表明，（1）近15年山東省植被年平均NDVI和春季NDVI都呈現顯著增加趨勢（P<0.01），NDVI的增加趨勢與降水量的年際變化關系顯著（P<0.05）；由于城市化進程加劇，生長季綠色植被面積顯著減少，平均每年減少243 km2。（2）NDVI變化趨勢具有明顯的空間差異，魯西農業區植被與黃河三角洲以及南四湖的濕地植被變化趨勢相反，農田植被綠度有增加趨勢，濕地植被綠度下降明顯。這一趨勢差異與不同植被類型對于降水年際變化的響應差異有關。（3）由于不同植被類型對于自然和人為活動干擾的適應能力不同，不同地區的植被覆蓋在時間序列上表現出不同的穩定性。植被穩定性的排序為：農田植被>森林灌木植被>濕地植被。說明濕地植被對于環境變化的響應最敏感，而人為管理的農田植被的抗干擾能力最強。本研究對于了解山東省植被覆蓋變化格局特征和評估不同生態系統的氣候變化響應具有積極作用。

植被；時空變化；NDVI；MODIS；降水量；山東省

YU Quanzhou, LIANG Chunling, LIU Yujie, JIANG Hao, SUN Leigang. Analysis of Vegetation Spatio-temporal Variation and Driving Factors in Shandong Province Based on MODIS [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(11): 1799-1807.

植被是陸地生態系統的主體，聯系著土壤、大氣和水分等要素，同時受人為活動的影響，具有明顯的時間變化特征和空間異質性。植被不僅影響地表能量平衡，而且在改善生態環境、減緩大氣CO2濃度增加和維持全球氣候穩定方面也具有重要作用（Fang et al.，2001）。植被在全球變化研究中具有“指示器”的作用，在全球氣候變化加劇和人類活動日益頻繁的背景下，研究植被的時空變化特征具有重要的現實意義（郭鈮，2003）。

當前，對于陸地生態系統植被的時空變化研究多借助于遙感數據源提供的植被指數產品，常用的遙感數據源有 NOAA AVHRR、SPOT-4Vegetation以及MODIS等（Tucker et al.，2005）。歸一化植被指數（NDVI）是基于植被葉綠素在690 nm處的強吸收，通過紅光和近紅外波段反射率的組合實現對植被狀態的定量表達（Tucker，1979）。增強型植被指數（EVI）在表征森林等高生物量的植被活動方面具有一定優勢（HUETE et al.，2002），但NDVI對于植被覆蓋度較低的植被變化很敏感（Franklin et al.，2011），而且選取NDVI也便于與長時間序列的遙感數據相比較，因此常被用于研究植被變化。

近年來，眾多研究借助遙感獲取的NDVI數據，針對不同區域、不同時空尺度，對植被時空變化特征進行了較深入的研究（Myneni et al.，1997；Piao et al.，2006；穆少杰等，2012；林輝等，2007；何彬方等，2010）。山東省受溫帶季風氣候影響，植被類型多樣，具有豐富的陸地生態系統類型；同時山東省是農業大省，農田植被類型占比大。21世紀以來，隨著經濟快速發展和區域氣候變化的影響，山東省植被特征發生了一定的變化，對生態環境和經濟社會發展的影響也逐步凸顯。已有學者對山東省植被的時空變化開展了一定研究（鈔振華等，2012），但植被變化特征在時空上的差異分析還不夠深入。因此，本研究利用2000─2014年的MODIS 16天 NDVI產品，基于像元的時序分析方法，研究山東省植被的時空變化特征，并探討其變化的可能機制，以期豐富學界關于山東省植被對于氣候變化和人為活動響應特征的認識，同時該研究對協調區域經濟發展和生態環境保護也具有一定的參考意義。

1 數據與方法

1.1研究區概況

山東省位于中國東部沿海，黃河下游，處于北緯 34°22′～38°27′，東經 114°47′～122°43′之間。全省總面積約1.57×105km2，占中國國土總面積的1.6%，總人口約9579.3萬人，居全國第二。2014年GDP為5.94萬億元，列全國第三，是我國經濟發展最迅速的地區之一。山東省屬于暖溫帶季風氣候，雨熱同季。全年平均氣溫 11～14 ℃，年平均降水量550～590 mm，降水存在從東南沿海向西北內陸逐漸減少趨勢。區域地帶性植被主要為落葉闊葉林和溫帶針葉林，但農作物種植面積比重大，是我國重要的糧食主產區。植被分布特征具有明顯的空間差異，魯中南山地丘陵區和東部膠東半島丘陵區主要分布著溫帶針闊葉森林、灌叢和草地，而黃河三角洲、萊州灣南岸及南四湖東平湖等地區以濕地植被分布為主，其他大部分地區主要分布有一年兩熟或兩年三熟的旱作作物。

1.2數據來源及預處理

采用美國NASA提供的覆蓋山東省的2000年第 49天至 2014年第 145天的 16天合成的MOD13A1 NDVI數據產品328景。數據空間分辨率分別為500 m，數據格式為EOS–HDF，數據投影格式為正弦曲線投影（Sinusoidal）。此NDVI數據分別進行了大氣校正和雙向反射去除水、云、氣溶膠以及陰影對圖像質量的影響，該數據可以直接應用于研究植被覆蓋情況。利用ENVI+IDL編程環境將數據轉為ENVI標準格式和WGS84地理坐標系下的地理經緯度投影。然后利用山東省邊界矢量數據對圖像進行統一裁剪。

利用 MODIS三級土地覆被類型數據（MCD12Q1）分析近期的山東省土地覆被和植被覆蓋狀況。該數據是按照國際地圈生物圈計劃（IGBP）提供的分類方案，采用監督決策樹分類方法得到的2009年的山東省500 m分辨率的土地覆被分類數據。另外，選取山東省23個地面氣象站點2000年以來逐年均溫和降水量數據，統計平均得到山東省逐年的氣溫、降水數據。根據山東省統計年鑒得到2000年以來山東省建城區面積數據。綜合以上數據，分析植被時空變化的驅動因素。

1.3研究方法

1.3.1 NDVI閾值設定

根據方精云等（2003）的研究，采用NDVI=0.1作為常年植被區的閾值，選取NDVI大于0.1的像元作為植被進行統計。根據之前的相關研究（于泉洲等，2014a）457，統計NDVI大于0.42的柵格來計算綠色植被面積。

1.3.2 趨勢分析

趨勢線分析可以模擬每個柵格單元的變化趨勢，一元線性回歸分析被廣泛應用于基于柵格的變化趨勢分析，進而模擬植被的綠度變化速率。本研究中，植被綠度的變化率被定義為研究期內 16天歸一化植被指數（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）年際變化的一次線性回歸方程的斜率，計算公式為：

式中，變量i為16天合成影像按時間排列的序號，i取值為1,2,…,328；n為樣本數，n=328；NDVIi為第i景影像的NDVI值；ti為第i景影像對應的時間（ti=YEARi+DOYi/365，其中YEARi和DOYi分別為第i景影像所在年和年積日），slope是2000─2014年NDVI的線性回歸斜率，若slope>0，則說明該時期內NDVI呈上升趨勢，植被覆蓋有所改善，反之NDVI下降。

1.3.3 穩定性分析

年際NDVI的波動是植被受到干擾后在生產力和植被覆蓋度上的年際波動的重要體現，是植被群落健康狀況的重要標志（侯美亭等，2013）。波動值大說明植被群落受到干擾強度大，不穩定（植被狀況趨于恢復或退化）；波動值小說明植被群落狀態穩定。本文利用公式（2）和（3）計算2000─2014年NDVI的變異系數，以此來反映研究區域內不同像元上15年來的植被相對波動程度。

式中：Cv為變異系數，S為標準差，NDVI為多年NDVI平均值。

2 結果與分析

2.1山東省土地利用狀況和植被NDVI空間格局

圖1為基于MODIS數據的山東省主要土地利用類型空間分布圖。從圖中看出，山東省植被類型主要以農用地為主，廣布于全省各地，尤其在魯西北黃泛平原和膠萊平原分布最廣。森林、灌叢和草地等植被類型主要分布于魯中山地和半島丘陵區，以及黃河三角洲、萊州灣南岸沿岸和南四湖周邊地區。永久濕地面積較少，主要分布在黃河三角洲和南四湖地區。其他土地利用類型散布全省。

圖1 2009年山東省土地覆被狀況Fig. 1 Land cover of Shandong province in 2009

山東省植被NDVI格局主要受土地利用類型分布的影響。近15年來平均NDVI較高的區域集中在魯西北、魯西南等農業區，多年平均NDVI一般在0.5以上。魯中山地和半島丘陵等林草覆蓋地區的多年NDVI均值適中。多年NDVI均值的低值區域集中在黃河三角洲及萊州灣南岸濱海濕地以及魯西南的東平湖和南四湖等湖泊濕地區域。同時城鎮和建城區的多年NDVI均值亦很低，且散布于全省。湖泊濕地和城鎮的多年NDVI均值一般低于0.1，甚至為負（如圖2）。

圖2 2000以來山東省植被NDVI多年均值空間格局Fig. 2 Spatial pattern of average NDVI of vegetation in Shandong province since 2000

2.2植被覆蓋時間變化特征

2.2.1 植被季節變化特征

將多年的每 16天的數據對應取平均，得到山東省植被覆蓋的季節變化曲線。圖 3a顯示山東省綠色植被面積呈現雙峰的變化特征。在全年第 129天達到第一個峰值，面積達到9.42×104km2，隨后在第161天下降至6.07×104km2，而后迅速增長，在第225天達到最大值14.75×104km2，然后在全年第257天以后開始迅速下降。多年平均的植被NDVI季節變化曲線也呈現雙峰特征。NDVI峰值與綠色植被面積峰值呈現一致的變化趨勢（圖3b）。

圖3 多年平均的綠色植被面積和植被NDVI的季節變化曲線Fig. 3 Seasonal variation of annual average vegetation area and NDVI

這種年內的雙峰變化特征主要受農業耕作活動的影響。山東是我國主要的農業區，熱量資源可以滿足糧食作物一年兩熟，大部分農田采用冬小麥和夏玉米交替種植的方式（梁守真等，2012）。山東各地冬小麥一般在5月底至6月上旬（約每年第150天到第160天）收割，隨后播種夏玉米，夏玉米一般在9月底至10月初（約每年第270天左右）收獲（董旭光等，2015），收獲期導致 NDVI和植被面積陡然下降。

2.2.2 植被年際變化趨勢

將山東省每16天的NDVI數據按季節和年份取平均值并對其進行趨勢分析。四季時間段起止點的確定參考董旭光等（2014）對山東省研究的結果，該文獻利用5日滑動平均氣溫穩定大于或小于10℃和 22 ℃的日期作為某季節開始的時間點。春季為DOY：86—145，夏季為DOY：146—248，秋季為DOY：249—309，冬季為DOY：310—次年85。對于2000年MODIS在冬季缺少的數據利用2001年的替補。

2000年以來，在不同季節和全年尺度全省植被NDVI均呈現波動增加的趨勢，但不同季節增加趨勢的顯著性有所差異。在研究期內，春季和年均NDVI具有極顯著的增加趨勢（P<0.01）。其中，春季NDVI增速約為0.041/10a，年均NDVI增速約為0.024/10a（圖4）。秋季NDVI增加趨勢接近顯著水平（P=0.056），其他季節植被NDVI增加趨勢不明顯。

將生長季中期（DOY=225）的山東省綠色植被面積進行統計，發現 2000年以來山東省綠色植被面積存在顯著的波動下降趨勢，植被面積平均每年下降約243 km2（r=0.674，P<0.01）（圖5）。其年際波動可能是由于氣候要素的年際波動引起的，而綠色植被面積呈現持續下降趨勢可能與 2000年以來山東省快速發展的城市化建設有關。

2.3植被覆蓋時空變化特征

2.3.1 植被變化趨勢的空間格局

山東省植被NDVI變化趨勢存在明顯的空間差異。在魯西北、魯西南等農業主產區NDVI時序擬合趨勢線斜率為正，植被蓋度呈現明顯的增加趨勢；在南四湖濕地、黃河三角洲及萊州灣南岸沿海濕地等區域，植被NDVI呈現明顯下降趨勢；全省區域零星分布著一些NDVI下降的區域，這些主要是由于城鎮化造成的，尤其是淄博、濟寧、日照和臨沂4個城市的周邊NDVI下降明顯（圖6和圖7）；而在魯中山地和半島丘陵地區植被NDVI變化趨勢不明顯，說明該區森林、灌叢和草地等植被狀態相對較穩定。

2.3.2 植被穩定性的空間格局

多年平均NDVI的變異系數（Cv）反映了植被的穩定性，Cv越大則植被穩定性越差。由于常年積水的湖泊和沿海濕地的平均NDVI常為負，導致這些地區的NDVI變異系數小于零。南四湖由于大部分區域有濕生和水生植被覆蓋，因此其Cv多為正值。

植被最穩定的區域集中于年降水量較多的魯東南農業區，其植被穩定性最高，Cv一般在 0～0.4之間；而魯西北、魯西南的農業區植被穩定性有所下降，Cv在0.4～0.6之間，這可能與該區降水量偏少，抗旱能力弱有關。魯中山地區域的植被穩定性適中，Cv在0.6～0.8之間。植被最不穩定的區域主要集中于南四湖濕地、黃河三角洲以及萊州灣南岸濱海濕地區，變異系數一般大于 0.8，尤其南四湖濕地的NDVI變異系數超過了3（圖8），表明濕地植被受環境變化的影響大，這與相關研究的結論也是一致的（于泉洲等，2014a464；Ottinger et al.，2013）。總之，農田植被由于受人為管理的影響，植被狀態最穩定；自然植被中的森林、灌叢和草地等多生于山地環境，對氣候變化的適應能力相對較強，具有中等的穩定性；濕地環境最容易受氣候變化影響，造成濕地植被對環境脅迫最敏感，植被狀態最不穩定。這體現了人工管理的生態系統與自然生態系統對于環境變化響應的差異。

圖4 2000年來山東省植被不同季節及全年NDVI變化趨勢Fig. 4 Different seasons and annual vegetation NDVI change of in Shandong province since 2000

圖5 2000年來山東省生長季綠色植被面積變化趨勢Fig. 5 Vegetation area change trend in growing season since 2000

2.4植被覆蓋變化的原因分析

2.4.1 植被綠度變化的原因

降水的年際變化是導致植被NDVI變化的主要原因，造成了農田植被和森林濕地等自然植被的不同趨勢的響應，在空間上表現為不同區域的植被覆蓋變化趨勢不同。

圖6 2000年以來山東省植被綠度時空變化Fig. 6 Spatio-temporal change pattern of vegetation greenness in Shandong province since 2000

圖7 2000年以來山東省植被綠度變化的重點區域Fig. 7 The key regions of vegetation greenness change in Shandong province since 2000

將山東省春季平均NDVI和年均NDVI與相應的春季及年均降水量和氣溫進行相關分析。結果發現春季NDVI和年均NDVI的年際變化均與相應時段的降水量具有顯著正相關關系（春季NDVI與春季降水：r=0.580，P=0.030<0.05；年均NDVI與年降水量：r=0.708，P=0.005<0.01）。NDVI與相應時段氣溫的關系不顯著。這說明在年際尺度上降水是控制山東省植被NDVI年際變化的主要因素。資料顯示，1999─2002年山東省經歷了4年連旱的災害（張勝平等，2004），造成農業損失嚴重（馬培元，2004）。2002年受旱地區主要集中在魯中山區、魯西北、魯西南沿黃河地區以及黃河故道區，導致了魯西北、魯西南地區農業減產甚至絕收（顧潤源等，2003）。2003年開始，降水連續偏多，使得植被生產力達到較高的水平（韓瑋等，2013）。圖9顯示，山東省 2000─2002年降水嚴重偏少導致全省植被NDVI的顯著偏低。2002年之后，隨著降水量恢復常年水平，植被NDVI逐漸恢復，兩者具有相對一致的變化趨勢。這一特征在空間格局上表現為近15年來山東省大部分的農業區（特別是魯西地區）植被綠度增加。

濕地植被不同于農田，其水生環境在干旱影響下可演變為更適合植被生長的濕生環境。有關湖泊濕地的研究也顯示適度的干旱有助于濕地植被的生長和NDVI的增加（于泉洲等，2014b）。干旱導致濕地植被短期內瘋長，進而導致 2000—2002年植被NDVI高過常年年均值，最終導致整個研究期內濕地植被綠度總體呈現下降的趨勢。此外，林地、灌叢和草地等自然植被類型具有一定的穩定性，變化趨勢不明顯。

圖8 2000年以來山東省植被穩定性格局Fig. 8 Stability pattern of vegetation in Shandong province since 2000

圖9 2000年以來山東省年均NDVI距平和年降水量距平變化Fig. 9 The annual variation of precipitation anomaly and NDVI anomaly in Shandong province from 2000 to 2013

圖10 近20年山東省建城區面積變化趨勢Fig. 10 Urban area change trend in Shandong province last two decades

2.4.2 綠色植被面積變化的原因

2000年以來，快速的城鎮化進程是導致山東省綠色植被面積減少的主要原因。根據 2000—2014年的山東省統計年鑒（山東省統計局等，2000─2014）及 1995─2013年山東省建城區面積數據，統計了近 20年來山東省城市建城區面積變化情況，并以此為山東省城市化的替代指標，分析了 2000年以來綠色植被面積變化與城市化之間的關系。

圖10顯示，近20年來山東省建城區面積持續增加，并且可以明顯看出在2000年以后增速加快。1995─2013年的 18年間，山東省建城區面積從1254.4 km2增加到4197.9 km2，增加了2943.5 km2。從圖11可以看出，2000年以來山東省綠色植被的減少與建城區面積的增加存在顯著負相關關系（r=0.676，P=0.008<0.01），說明快速的城鎮化進程導致了綠色植被面積減少，大量植被覆蓋用地轉變為城鎮建設用地。

圖11 2000年以來山東省建設用地與綠色植被面積關系Fig. 11 The correlation of vegetation and urban area in Shandong province since 2000

應當注意到，本研究山東省年均NDVI呈現上升趨勢，同時生長季的綠色植被面積呈現下降趨勢。前者反映出是山東省整體的植被綠度和覆蓋情況，后者則反映出山東省的綠色植被的面積大小，兩者之間并不矛盾。低植被綠度的情況下可以具有較高的植被面積，反之亦然。

3 結論

本文基于2000─2014年的MODIS/NDVI遙感數據，采用柵格像元趨勢分析方法和穩定性分析方法，以及變量相關分析等手段，對山東省近 15年植被覆蓋時空變化特征及影響因素進行分析。研究表明：

（1）2000年以來山東省植被年均NDVI呈顯著上升趨勢（P<0.05），植被綠度有所提高，這與研究區先干后濕的氣候特征有關。然而，全省綠色植被面積呈現顯著減少趨勢，年均減少243 km2。植被面積減少與建城區面積增加具有極顯著負相關關系（r=0.676，P<0.01），表明2000年以來山東省快速的城鎮化進程導致植被面積的減少。

（2）山東省植被變化趨勢具有明顯的空間差異，不同類型植被的NDVI變化趨勢不同。2000年以來，魯西北、魯西南等農業區植被蓋度和綠度呈現明顯的增加趨勢，而黃河三角洲、萊州灣南岸濕地和南四湖濕地植被蓋度和綠度呈現明顯的下降趨勢。這一差異與不同植被類型對于降水變化的響應機制不同有關。

（3）近15年來山東省不同類型植被的穩定性不同。濕地植被受環境變化的影響最大，穩定性最差；山區森林、灌叢和草地具有一定的環境適應能力，穩定性居中；而農田植被由于受人類管理的影響，對環境變化的適應性最強，穩定性最高。

致謝：感謝美國地質勘探局（United States Geological Survey, USGS）提供的MODISNDVI遙感數據！感謝中國氣象科學數據共享服務平臺提供山東省23個氣象站點的氣溫和降水年值數據！

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Analysis of Vegetation Spatio-temporal Variation and Driving Factors in Shandong Province Based on MODIS

YU Quanzhou1, LIANG Chunling2*, LIU Yujie3, JIANG Hao4, SUN Leigang5
1. School of Environment and Planning，Liaocheng University，Liaocheng252059，China; 2. Department of Environment and Programming, Shangqiu Normal University, Shangqiu 476000, China; 3. Research Center for Ecological Civilization, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China; 4. Guangdong Open Laboratory of Geospatial Information Technology and Application, Guangzhou Institute of Geography, Guangzhou 510070, China; 5. Institute of Geographical Sciences, Hebei Academy of Sciences, Shijiazhuang 050011, China

The normalized difference vegetation index (NDVI) obtained from satellite remote sensing can indicate the change characteristics of vegetation coverage and greenness. NDVI has been widely used in monitoring vegetation activity at large scale. The vegetation spatial and temporal variation characteristics in Shandong province was analyzed using the 328 tiles MODIS/NDVI images of 2000─2014 with the least square method and linear fitting of the time series at every pixel of image. The results are as followed: (1) Vegetation annual NDVI and spring NDVI in Shandong province increased significantly (P<0.01). The precipitation variation results in the increase of NDVI (P<0.05). But because of the increasing urbanization in Shandong province, the vegetation area in growing season decreased significantly with the reduction rate of 243 km2per year since 2000. (2) The change of NDVI showed obvious spatial difference. The change trends between farmland in west Shandong and wetland vegetation in Yellow River delta and Nansi Lake are opposite. The farmland vegetation has being improved and wetland vegetation has being degenerated gradually. The opposite trend was related to vegetation’s different responses to annual precipitation variation in Shandong province. (3) Due to different vegetation’s adaptabilities to different natural and human disturbance, they owned different stabilities. The stability rank of mainly vegetation types was: farmland > forest and shrub > wetland vegetation. This suggested that wetland vegetation’s response to environmental changes was the most sensitive, and farmland vegetation owned the best anti–jamming capability. This study will play an important role in understanding the changes of vegetation coverage and estimating ecosystem’s response to climate change in Shandong province.

vegetation; spatial and temporal variation; NDVI; MODIS; precipitation; Shandong province

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.11.007

Q948；X17

A

1674-5906（2015）11-1799-09

國家社會科學基金青年項目（14CJY077）；河北省科技計劃項目（14293703D）；教育部人文社會科學研究青年基金項目（12YJCZH120）

于泉洲（1983年生），男，講師，中國生態學學會會員（S281001166S），博士，主要從事生態環境遙感研究。E-mail: yuquanzhou2008@126.com *通信作者：梁春玲（1982年生），女，講師，博士，主要從事濕地生態系統服務方面的研究。E-mail: guliang1229@126.com

2015-08-16

引用格式：于泉洲, 梁春玲, 劉煜杰, 姜浩, 孫雷剛. 基于MODIS的山東省植被覆蓋時空變化及其原因分析[J]. 生態環境學報, 2015, 24(11): 1799-1807.