基于SPOT—VGT的陜西黃河濕地保護區植被覆蓋研究

韓晨

摘要：為了研究陜西黃河濕地省級自然保護區內植被覆蓋的動態變化，使用2004—2013年的SPOT-VGT時序數據，采用針對NDVI的最大化合成法、均值統計法和差值法，分析了保護區內植被覆蓋的時空分布及其動態變化。結果顯示，空間分布上，保護區內植被覆蓋較好，特別是南部、西部最好；時間變化上，10年間保護區內的NDVI年均值在波動的基礎上呈緩慢增長，其植被覆蓋逐年好轉；變化特征上，保護區內植被覆蓋在北部和中部顯著增加，南部情況微有變化，某些局部有退化趨勢。

關鍵詞：NDVI；植被覆蓋；濕地；時空變化

中圖分類號：Q948 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）04-0859-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.04.011

Study on Vegetation Cover of the Shaanxi Yellow River

Wetland Reserve Based on SPOT-VGT Data

HAN Chen

（Key Laboratory for Eco-environment of Multi-River Wetlands in Shaanxi Province/College of Chemistry and Life Sciences，

Weinan Normal University， Weinan 714099， Shaanxi， China）

Abstract： In order to study the dynamic changes of vegetation cover in the Shaanxi Provincial Yellow River Wetland Nature Reserve， the SPOT-VGT data from 2004 to 2013 were used， the maximum synthetic method， average method and differential method according to NDVI were applied， the spatio-temporal distribution and dynamics of vegetation cover in protected areas were analyzed. Results showed that the spatial distribution of vegetation covered in protected areas was good， and the best was in the South and West. On time variation， the NDVI value of the 10-year period growed slowly， although volatile， but it improved year by year. On the variation characteristics， there was a significant increase in vegetation cover in northern and central regions， the southern region remained stable， but some local area showed a tendency of degeneration.

Key words：NDVI；vegetation coverage；wetland；temporal and spatial change

濕地植物是濕地生態系統的基本組分，也是其存在的基礎，是連接土壤、水體和生物等要素的重要紐帶[1，2]。陜西黃河濕地省級自然保護區設立的目標就是要保護陜西省東部最大的河流濕地，這對研究保護區內黃河濕地的植被覆蓋變化具有現實意義。隨著遙感對地觀測技術的發展，利用各種遙感技術進行植被監測及其變化的研究日益增多[2]。NDVI（Normalized Difference Vegetation Index，歸一化植被指數）作為一個重要的遙感參數和數據源，由于能夠敏感地反映出地表植被生長狀況和生態系統參數的變化，常用于地表植被覆蓋的定量研究[3]。本研究使用SPOT-VGT數據對保護區內黃河濕地植被進行監測和分析，可以客觀動態地反映本區域濕地植被覆蓋的時空變化情況。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

陜西黃河濕地省級自然保護區（以下簡稱保護區）位于陜西省渭南市東部，北起禹門口，南至黃河、渭河和洛河交匯地帶的風陵渡鐵路橋，東以黃河“治導控制線”中心線為界與山西相連，西界北段沿黃河老崖，南段沿黃河第二道大堤，總面積57 348 hm2，其中核心區面積22 611 hm2，緩沖區面積22 306 hm2，試驗區面積12 431 hm2[4]。該自然保護區的建立，將陜西省最大的黃河濕地、三河交匯區濕地（黃河、渭河、洛河的交匯區）及其沿岸的湖泊、水庫納入保護范圍。這對于保護丹頂鶴等珍稀禽鳥類，調蓄渭南黃河干流洪水，調節區域氣候，改善生態環境，促進地區經濟社會可持續發展，具有十分重要的作用和意義[4]。

1.2 數據來源

本研究所采用的SPOT-VGT NDVI數據，來源于寒區旱區科學數據中心的中國地區長時間序列SPOT_Vegetation植被指數數據集，以及比利時弗萊芒技術研究所提供的東南亞地區數據集。在選用的NDVI數據中，時間跨度為2004 — 2013年的逐旬S10產品，其時間分辨率為10 d，空間分辨率為1 km。

陜西黃河濕地省級自然保護區數據，來源于文獻[4]。相關的行政邊界、河流、城鎮等數據，來源于地球系統科學數據共享網提供的黃河流域1∶100萬基礎地理數據庫，以及寒區旱區科學數據中心提供的陜西省2000年1∶10萬土地利用數據集。

2 研究方法

2.1 數據處理流程

本研究使用VITO網站提供的VGT Extract軟件，對SPOT VGT數據進行預處理。首先，使用VGT Extract軟件將8位量化的DN值轉化為真實的NDVI值。然后使用ENVI軟件進行數據的波段計算、投影轉換、研究區裁剪和數據計算。最后使用ArcGIS軟件進行地圖繪制和分析。

2.2 研究方法

2.2.1 最大值合成法 雖然獲得的SPOT-VGT NDVI S10數據已經是經過10 d最大化合成的產品，但數據中仍然存在大量的噪聲，為了避免某些極端天氣的影響，還需去噪處理，以使數據更為貼近實際地反映植被覆蓋狀況[2，3]。本方法以像元為中心，按像元位置根據時間前后差異，將多期數據的NDVI值進行比較，并選取最大值作為最終值的操作，但是此方法的缺點是以犧牲部分時間分辨率來換取較為真實的NDVI值。本研究將當月3個旬的NDVI數據進行最大化合成，生成當月的月最大化NDVI數據。同樣的方法，將每年12個月的月最大NDVI數據合成為一個年最大化NDVI數據。月最大化NDVI數據反映了當月植被覆蓋的空間分布情況，年最大化NDVI數據體現了當年植被覆蓋的空間分布情況。

2.2.2 均值統計法 均值統計法能較好地反映研究區內當期NDVI的整體分布情況[5]。在統計研究區域的NDVI值時，可采用均值統計法進行計算，即統計區域內所有格網的NDVI平均值[6]。

此方法以區域為中心，計算研究區域內當期所有像元值的均值，通過分析均值數據來把握區域整體的變化規律。本研究計算了自2004年以來NDVI的逐月統計數據，它反映逐月變化以及相應的年內變化規律；然后計算了10年來的逐年統計數據，以反映年際間的變化規律。

2.2.3 差值法 差值法常用于量化兩個年份NDVI值的變化情況，即用后一時期的所有格網的NDVI值減去前一時期的所有格網的NDVI值[6]。本研究使用2013年最大化NDVI數據減去2004年最大化NDVI數據，從而分析這10年來的植被覆蓋變化情況。

3 植被覆蓋變化分析

3.1 總體NDVI分布特征

為了研究本區域10年來NDVI的總體分布情況，繪制了NDVI均值空間分布圖（圖1）。根據相關文獻，將NDVI分級定義為：NDVI值小于0.1的區域為非植被區；0.1～0.3為植被覆蓋貧乏區；0.3～0.6為較貧乏區；0.6～0.8為較好區；大于0.8為優良區[7，8]。

由圖1可知，陜西黃河濕地省級自然保護區內，植被覆蓋較好區和優良區（有的文獻統稱為高植被覆蓋[9]）所占比例達62.7%，其中植被覆蓋優良區所占比例為1.1%，且集中分布于保護區南部。植被覆蓋貧乏區和非植被區（或稱為低植被覆蓋）所占比例為2.9%，集中分布在保護區北部禹門口附近，且保護區內無非植被區。而植被覆蓋較貧乏區（或稱為中等植被覆蓋）比例為33.3%，主要分布于保護區從北到南靠東部黃河一側?？傮w來看，保護區內植被覆蓋較好，南部好于北部，西部好于東部。

3.2 年際變化特征

將保護區的月最大化NDVI數據和年最大化NDVI數據分別進行區域內的平均值統計計算，其結果是對應時段的區域平均值。從而繪制成陜西黃河濕地省級自然保護區2004 — 2013年NDVI均值變化圖（圖2）[5，9，10]。圖2中波浪狀的黑色細線為將120期月最大化NDVI數據進行均值統計后的月NDVI數據，帶方點折線為將10期年最大化NDVI數據進行均值統計后的年NDVI數據。圖中左側坐標反映月NDVI的變化情況，右側坐標反映年NDVI變化情況。

從圖2可以看出，在年NDVI數據中，除2011年其值偏低外，大多年份的NDVI值在小幅波動的基礎上保持穩定，并呈現微升趨勢。其初始值為2004年的0.626 297，最小值為2011年的0.556 513，最大值為2013年的0.652 454，均值為6.200 973；10年間NDVI值的變化幅度為0.095 941；2013年比2004年只增加了0.026 157。在月NDVI數據中，其值呈現出波浪起伏的狀態，波形規律而穩定，反映了每年植被覆蓋的周期變化情況?？傊?，保護區植被覆蓋狀況雖有波動，但逐年好轉。

3.3 年內變化特征

為了分析年內NDVI值的變化情況，而避免逐年按月繪制的10個線條的雜亂，本研究將2004—2013年的月NDVI數據，繪制成一個綜合了10年數據的各月NDVI均值圖（圖3）[3，8-10]。

結合圖2、圖3可以看出，曲線上每年都有一個波峰和波谷，分別代表植被覆蓋最好和最差的兩個時期。其波峰大體分布在每年7～9月，波谷大體分布在1～2月，3～6月為植被生長期，10～12月為植被衰退期。每年的波峰高度不同，反映當年植被覆蓋程度也不同，其最大值為2010年8月的0.646 105，最低值為2006年1月的0.084 757?？傮w而言，年內各月NDVI值隨著季節變化而變化，NDVI的峰值、低谷值，植被的生長期、衰退期明顯而又規律。

3.4 差值變化特征

使用差值法對2013年與2004年的年最大化NDVI數據進行差值運算，分析NDVI在研究期始末的變化情況（圖4）。根據NDVI差值的變化幅度將植被覆蓋狀況分為4種類型：NDVI≤-0.08，植被覆蓋嚴重退化；-0.080.08，明顯增加[9]。

由圖4可知，2004 — 2013年植被覆蓋明顯增加（即變好）的區域占26.4%，基本不變的區域占34.5%，輕微減少的區域占28.5%，嚴重退化的區域占10.6%。其中，植被覆蓋明顯增加和基本不變的區域共占60.9%?？傊?，保護區的植被覆蓋情況總體是好轉的。特別是合陽縣與韓城市兩市縣相應區域的植被覆蓋明顯增加；但是大荔縣三河交匯區域內的植被覆蓋情況微有變化，其局部退化明顯，特別是大荔縣步昌鎮和韋林鎮，以及韓城市禹門口附近的植被覆蓋嚴重退化。另外，黃河河道范圍內也有部分區域的植被覆蓋退化明顯。

4 結論

本研究利用SPOT-VGT數據分析了陜西黃河濕地省級自然保護區內植被覆蓋的時空變化特征，能較為準確地反映本區域植被覆蓋狀況。總體來看，保護區內植被覆蓋較好，南部好于北部，西部好于東部。植被覆蓋狀況雖然有季節尺度和年尺度波動，長期來看仍然是逐年好轉的。尤其值得注意的是，保護區南部大荔縣境內的植被覆蓋微有變化，但局部區域有退化的趨勢。

參考文獻：

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