基于NDVI的農牧交錯帶典型地區時空動態特征研究
——以吉林西部為例

楊佰義，皮龍風，李程程

(1.山東科技大學測繪科學與工程學院，山東青島 266590；2.即墨市國土資源局，山東青島 266200)

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基于NDVI的農牧交錯帶典型地區時空動態特征研究

——以吉林西部為例

楊佰義1，皮龍風1，李程程2

(1.山東科技大學測繪科學與工程學院，山東青島 266590；2.即墨市國土資源局，山東青島 266200)

[目的]探討農牧交錯帶典型地區的時空動態特征。[方法]基于MODIS歸一化植被指數數據集(2000～2010年)，采用空間自相關分析和趨勢分析方法，以吉林西部為例，研究農牧交錯帶典型地區地表植被空間分布特征。[結果]2000～2010年，吉林西部地表植被在生長季呈明顯上升趨勢；研究區地表植被的空間分布表現出正相關，但在局部地區地表植被分布有破碎傾向，空間分布的整體性一般。[結論]該研究為人類合理保護自然提供科學依據。

吉林西部；典型農牧交錯帶；NDVI；時空動態特征

植被作為自然環境最敏感的要素，其變化在環境和全球變化研究中起著重要的指示性作用[1-2]。地表歸一化植被差值植被指數(NDVI)對植被的生物物理特征十分敏感，許多學者在全球和區域尺度下研究植被變化對氣候要素的響應特征[3]。植被具有涵養水源、保持水土的作用，有助于生物地球化學的良性循環，基于統計學方法研究長時間序列植被指數相關數據，可以準確地反映植被生長變化以及時空分布規律[4]，對人類進一步合理開發、綜合利用資源、保護環境等具有重要意義。筆者采用空間自相關分析和趨勢分析方法，以吉林西部為例，研究農牧交錯帶典型地區地表植被空間分布特征，以期為人類合理保護自然提供科學依據。

1　研究區概況

我國農牧交錯帶是聯系牧區與農區的紐帶，是東部的生態屏障和畜產品的供應基地，也是西部的育肥帶、飼草供應基地和畜產品的中轉市場。該研究區域位于農牧交錯帶的吉林西部，其以南是干旱的科爾泌沙地，以北是大興安嶺林區，以西是呼倫貝爾草原，區位間差異很大。近年來全球氣候變化明顯，沙漠化現象也越來越嚴重，生態環境極其脆弱[5]。2數據來源與研究方法

2.1數據來源遙感數據來自中國科學院所支持的“國際科學數據服務平臺”(datamirror.csdb.cn)中的基于MODIS傳感器且經處理得到的NDVI數據集。該數據集的數據是每隔16d獲取一幅影像，且經過圖像預處理(包括大氣校正，輻射校正、幾何校正等)的NDVI數據。利用ENVI軟件對研究區進行規則裁剪，得到研究年份內同一地區(吉林西部)的ROI(感興趣區)，選取2000～2010年每年5～9月的數據代替該年的數據，因為此段時間植物生長旺季，植被覆蓋度高，數據更具代表性。

2.2研究方法

2.2.1NDVI。植被的光譜特征在無植被或者少植被的地區反差最小，中等植被區反差是紅色和近紅外波段的變化結果，而高植被區僅有近紅外波段的反差有貢獻，紅色波段趨于飽和，不再變化。因此，將紅光波段和近紅外波段通過波段組合得到植被指數，在一定程度上反映植被的演化[6]。

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(1)

式中，NIR是近紅外波段的值，R為紅外波段的值。NDVI的取值范圍為[-1，1]。

2.2.2年植被生長信息提取。采取每個月2幅影像的NDVI平均值來消除云霧等其他因素的影響，同時增加了對大氣、懸浮顆粒物、太陽高度角等的校正[7]。MODIS每16d的NDVI表征的是植被在每月的生長狀況，為了得到能夠代表該月植被生長情況的數據，對每月的數據計算平均值，以此定量表達該年植被長勢。

2.2.3趨勢分析。一元線性回歸分析可以模擬每個柵格的變化趨勢，很多學者采用該方法來模擬植被的綠度變化率(GreennessRateofChange，GRC)[8]。該研究采用此方法來模擬(2000～2010年)吉林西部研究區的NDVI變化趨勢，計算公式：

(2)式中，slope為2000～2010年吉林西部NDVI的線性回歸斜率，變量i為年序號，NDVIi表示第i年的NDVI值。如果slope>0，則表明NDVI在該時期植被變化趨勢在改善，反之則變差。2.2.4相關性分析。NDVI變化的相關程度和性質，可以通過計算研究時段內2個變量的相關系數r來確定。計算公式：

(3)

式中，r為相關系數，i為年序號，X為空間距離，Y為2 000～2010年的NDVI值，r為正數說明是正相關，r為負數說明是負相關，相關系數越接近1，表明2個變量的相關性越強，反之則相關性越弱。

3　結果與分析

3.1NDVI時序變化特征

3.1.1NDVI年內月際間變化。用ENVI遙感軟件提取2000～2010年吉林西部地區植物生長旺季(5～9月)的植被指數值，然后求出生長季各月(5～9月)多年的NDVI平均值，得到研究區2000～2010年5～9月NDVI的時間序列。

從圖1可以看出，吉林西部典型農牧交錯帶的植被在生長季中的各個月份(5～9月)月均植被指數變化明顯。5月的月均NDVI數值最小，僅為0.136 8，從5月開始，NDVI快速增加，5～7月的增加速度最為明顯，8月達到一年中的最大值(為0.313 5)，8月后NDVI開始緩慢降低。

圖1　2000～2010年吉林西部地區生長季月均NDVI變化趨勢Fig.1　Monthly NDVI change trend in growth season from 2000 to 2010 in western Jilin Province

3.1.2NDVI年際間變化。提取2000～2010年吉林西部典型地區農牧交錯帶植被在生長季中即5～9月的植被指數，分別求出每一年的歸一化差值植被指數的平均值，并進行統計分析。由圖2可知，雖然NDVI值在個別時間段有所下降，但總體上2000～2010年吉林西部研究區域的NDVI呈顯著的上升趨勢，植被覆蓋狀況得到相應改善。

圖2　2000～2010年年均NDVI的變化趨勢Fig.2　Change trend of annual average NDVI from 2000 to 2010

3.2NDVI空間變化特征

3.2.1植被指數的空間變化趨勢。根據2000～2010年研究區的植被指數數值，得到多年變化斜率(此處用slope來表示)，然后用ArcGIS軟件繪制研究區2000～2010年NDVI變化趨勢空間分布(圖3)。由圖3可知，研究區slope≤0區域(即深色區域，顏色越深區域表示slope的斜率數值越小)表示NDVI逐年下降，說明植被覆蓋度逐漸減小，此地區的生態環境很脆弱，因此應予以高度重視，亟待改善這些地區的狀況。且slope值小于0的區域多出現在吉林西部農牧交錯帶研究區內，以科爾泌為中心向周圍分布；在內蒙古草原的東側也有較大面積slope小于0的區域；吉林西部的鹽堿地中也有小于0的區域，且分布較集中。

圖3　2000～2010年吉林西部植被指數變化趨勢空間分布Fig.3　Spatial distribution of vegetation index change trend in western Jilin Province from 2000 to 2010

圖4　西部地區地表植被數值的相關系數Fig.4　Correlation coefficient of aboveground vegetation in western Jilin Province

3.2.2植被的空間分布格局。根據已有的NDVI數據，從4個方向(南—北、東北—西南、東—西、西北—東南)分別提取研究年份(2000～2001年)每一方向上的ROI(感興趣區)，根據顯著性相關公式計算出NDVI值與方向分布的相關系數，在地學統計分析軟件的支持下，對2000～2010年研究區NDVI值的空間分布格局進行空間自相關分析，研究植被的分布狀況和整體局部特征(圖4)。從圖4可以看出，整體上吉林西部典型農牧交錯帶植被指數的空間相關系數在0.1左右，說明吉林西部地區的植被分布在空間格局上是顯性的；而研究區的植被指數在南—北、東北—西南、東—西和西北—東南4個不同方向的相關系數r有較大差異，說明吉林西部NDVI在不同方向上表現出明顯的各向異性的特點。研究區的地表植被在西北—東南方向的空間相關系數最小，表明在此方向上的相關性最差。

4　結論

從時間序列角度看，2000～2010年研究區的NDVI呈上升趨勢，說明研究區內的植被覆蓋條件在改善，生態環境得到提升，這與政府政策和人類的努力息息相關。從空間格局角度看，研究區的空間相關系數較小，說明植被相關程度低，地表植被的聚集趨勢弱，植被的分布破碎化，且各個方向的

相關系數r不同，說明植被分布在各個方向表現各向異性的特點。可以根據該研究結果有意識地改善該地區的植被覆蓋情況，為人類合理保護自然提供科學依據，使自然朝著更加合理的方向演變，實現人與自然的和諧相處。

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[3]ICHIIK，KAWABATAA，YAMAGUCHIY.GlobalcorrelationanalysisofNDVIandclimaticvariablesandNDVItrends：1982-1990 [J].Internationaljournalofremotesensing，2002，23(18)：3873-3878.

[4] 宋怡，馬明國.基于SPOTVEGETATION數據的中國西北植被覆蓋變化分析[J].中國沙漠，2007，27(1)：79-93.

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[6] 羅亞，徐建華，岳文澤.基于遙感影像的植被指數研究方法述評[J].生態科學，2005，23(1)：75-79.

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TheTemporalandSpatialDynamicCharacteristicsofTypicalAreaintheFarming-pastoralEcotoneBasedonNDVI—ACaseofWesternJilinProvince

YANGBai-yi1,PILong-feng1,LICheng-cheng2

(1.GeomaticsCollege，ShandongUniversityofScienceandTechnology，Qingdao,Shandong266590; 2.LandResourcesBureauofJimoCity,Qingdao,Shandong266200)

[Objective]Todiscussthetemporalandspatialdynamiccharacteristicsoftypicalareainthefarming-pastoralecotonebasedonNDVI. [Method]BasedontheMODISNDVIdatasetsfrom2000to2010,thespatialdistributionofNDVIfortheabove-groundvegetationintypicalareaofthefarming-pastoralecotoneinwesternJilinProvincewasstudiedbyspatialautocorrelationanalysisandtrendanalysismethods. [Result]NDVIforthevegetationinthewesternJilinProvinceperformedasignificantlyrisingtrendinthegrowingseasonduring2000-2010.spatialdistributionofabovegroundvegetationinresearchregionshowedapositivecorrelation,buttherewasafragmenteddistributioninsomespecialareas,indicatingthegeneralintegrityofvegetationdistribution. [Conclusion]Thisresearchprovidesscientificbasisfortherationalprotectionofnature.

WesternJilinProvince;Typicalareaofthefarming-pastoralecotone;Normalizeddifferencevegetationindex(NDVI);Temporalandspatialdynamiccharacteristics

國家自然科學基金面上項目(41172108)；山東省“泰山學者”建設工程專項。

楊佰義(1989- )，男，山東膠州人，碩士研究生，研究方向：“3S”技術集成與應用。

2016-05-19

S181

A

0517-6611(2016)18-062-03