基于MODIS/NDVI的河北省植被指數時空變化特征及影響因素分析

摘要：利用2001-2010年MODIS/NDVI數據和土地覆蓋產品數據，分析了河北省植被指數變化特征和時空分布。利用趨勢分析、偏相關分析、植被異常指數分析等方法對NDVI數據進行計算，得出河北省植被空間分布上的平均狀況和變化特征，以及不同植被類型在不同地區、不同海拔高度上的時空變化規律。結果表明，①2001-2010年河北省植被指數年際變化整體呈增加趨勢。植被指數分布有明顯的地區差異，呈現北部強于南部、西部強于東部、張家口及滄州市優于其他地區的空間格局。②各植被類型NDVI值大小表現為針闊葉混交林>闊葉林>灌叢>農田>草地>非植被，其中研究期間針葉林和濕地兩種植被類型年平均植被指數變化明顯。③2001-2010年河北省氣溫呈下降趨勢，降水量變化平穩，增長緩慢。而且植被指數與氣溫的偏相關分析系數有正有負；而與降水量的偏相關分析系數均為正值。⑤河北省不同類型的植被分布與地形尤其是高程有一定的相關性，但研究結果受河北省整體海拔高度的影響，相關性不大。

關鍵詞：河北省；MODIS/NDVI；氣溫；降水；偏相關分析

中圖分類號：P28 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）14-3605-08

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.14.017

Abstract：Using MODIS/NDVI data and land-cover data in the time series of 2001-2010 in Hebei province， the spatial distribution and dynamic change characteristics of vegetation index were analyzed. MODIS/NDVI data were calculate by tendency analysis method， anomaly vegetation index analysis， and partial correlation analysis. The average condition and change characteristics of vegetation spatial distribution can be reflected from the data analysis. Besides， the time-space dynamic characteristics of vegetation index of different vegetation types are studied in different regions and different elevation gradient and. The results indicated that（1）During the past 10 years， the annual change of the vegetation was slowly increasing in Hebei province. There are significant spatial distribution differences for vegetation index with the north and west better than the south and east， and the growth in Zhangjiakou and Cangzhou better than other areas.（2）The values of NDVI in different vegetation types are in the following sequence；broadleaf mixed forest > needle forest > shrub > farmland > grassland. The annual average trend of coniferous forest and wetlands changed significantly.（3）The results show that temperature decreased in Hebei province in the last 10 years. The precipitation change was stable in Hebei province， and increased slowly. There is positive or negative partial correlation coefficient between NDVI and temperature in the 10 years. However， there existed a positive correlation coefficient between NDVI and precipitation.（4）The results suggested that the distribution of vegetation type had a certain correlation with the terrain， especially the height. Affected by the overall elevation in Hebei province， the correlation is not obvious.

Key words： Hebei province；MODIS/NDVI；temperature；precipitation；partial correlation analysis

政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第四次評估報告顯示[1]，1906-2005年全球在過去100年間地表平均溫度上升了約0.74 ℃。而中國在過去100年中，氣溫也呈上升趨勢，約升高0.5～0.8 ℃，但降水年際變化特征突出，增減不一，地區間波動差異顯著[2，3]。植被作為生態系統的主體，既是氣候變化的承受者，也對氣候變化產生反饋作用，對全球變化研究起重要的指示作用[4，5]。在全球氣候變暖的背景下，中國的植被變化明顯增強，而植被對氣候變化的響應亦成為專家學者研究的熱點。

河北省地處華北平原，地形地貌復雜，生態系統多樣。近年來河北省經濟社會發展迅速，在氣候變化和人類活動的影響下，生態環境發生了明顯變化。本研究利用河北省2001-2010年的MODIS/NDVI數據、40個氣象站點逐日氣溫、降水資料和土地覆蓋數據，研究了河北省近10年來不同植被類型的植被指數時空變化特征及其與氣溫、降水、地形和人為因素的相關性，對研究氣候變化與生態系統相互作用機制具有重要意義，同時期望為河北省地區的可持續發展提供一定的技術支持。

1 研究區概況

河北省地處華北平原，位于北緯36°03′-42°40′，東經113°27′-119°50′，轄區總面積為18.77萬km2，簡稱冀。內環北京和天津兩市，周邊與遼寧、內蒙古、山西、山東和河南接壤。河北省地形地貌復雜多樣，西北部為平均海拔在1 300～1 700 m的壩上高原，壩上地區屬于溫帶草原，畜牧業發達；中部為平均海拔500～1 000 m的太行山、燕山山地，闊葉林分布廣泛，礦藏豐富；東南部為平均海拔50 m左右的河北平原，位于華北平原內，地勢平坦，是主要的農作物種植區。

2 數據與方法

2.1 數據來源及預處理

遙感數據采用美國國家航空航天局（NASA）提供的2001-2010年河北省地區MODIS/NDVI數據和土地覆蓋產品數據，并將數據統一地圖投影為WGS84地理坐標系，統一分辨率為1 km×1 km。氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網（http：//cdc.cma.gov.cn/）提供的2001-2010年河北省境內及周邊其他省份共計40個氣象站點的逐日數據，其中包括河北省境內20個氣象臺站數據（圖1）。計算得到各氣象站點的月降水總量、月平均氣溫以及年降水總量、年平均氣溫。地形數據來源于中國科學院數據云（http：//www.csdb.cn/）提供的90 m分辨率數字高程模型（DEM）數據，利用ENVI軟件進行數據轉換、拼接和掩膜處理，得到高程數據。統計數據包括耕地面積數據和人口數據，來源于河北省對外公布的統計年鑒數據。

2.2 研究方法

1）趨勢分析。研究所用的一元線性回歸分析方法是運用最小二乘法，逐像元預測植被指數與時間t之間的線性關系[6]。所求斜率b即代表每個柵格的年均植被指數變化趨勢，計算公式為：

式中，xi為時間代表值，如2001，……2010年分別為1，2，3……10；yi為像元i的植被指數NDVI；x為年份代表值的平均數；y為對應像元的多年平均值；n為樣本數，b為變化趨勢。當b>0時，表示植被指數增加；當b<0時，表示植被指數減少。

2）植被異常指數分析。結合相關研究，陳維英等[7]和Anyamba等[8]采用距平植被指數反映植被異常變化程度，為了避免季節性變異因素的影響，閆俊杰等[9]采用了Liu等[10]和Barbossa等[11]學者提出的標準化處理的植被異常指數，其值更能精確反映植被異常的變化。

式中，zi為第i年的植被異常指數，NDVIi為第i年的NDVI值，NDVI為年NDVI的累積平均值，δ為NDVI值的標準差。植被異常指數對地表干濕狀況較敏感，zi<0時，表示該時期氣候干旱，植被生長比正常水平差；zi>0時，表示該時期氣候多雨，植被生長比正常水平好。

3）偏相關分析。地理系統是一個龐大的復雜系統，各要素之間都存在某種聯系，單一要素改變時，也會引起其他要素的變化，而偏相關分析可以有效地解決這一情況。計算公式為：

式中，rxy.z表示將變量z視為常數后，變量x與y的偏相關系數；rxy、rxz、ryz分別表示x與y、x與z、y與z之間的相關系數。

其中，相關系數計算公式為：

式中，rxy表示變量x與y的相關系數；范圍在 [-1，1]。xi表示第i年年平均NDVI值；yi表示第i年的年平均氣溫、年降水量；x和y分別表示NDVI和氣溫、降水的多年平均值。

3 研究區植被NDVI時空變化特征

3.1 不同植被類型空間變化特征

根據IGBP已有的土地覆蓋分類系統和河北省地區地形地貌、氣候和植被類型的特點，將研究區植被類型系統劃分為針葉林、闊葉林、針闊葉混交林、灌叢、草地、濕地、農田和非植被8個類別。分類統計河北省各植被覆蓋類型NDVI年際變化，其中針闊葉混交林>闊葉林>灌叢>農田>草地>非植被，10年間針葉林和濕地年平均植被指數趨勢變化明顯（圖2）。各類型植被指數的年線性趨勢系數除針葉林、灌叢、濕地為負外，闊葉林、針闊葉混交林和草地的線性趨勢系數為正。說明河北省近10年針葉林、灌叢和濕地的植被指數呈減少的趨勢；而闊葉林、針闊葉混交林和草地的植被指數呈增加的趨勢，其中草地增加最大，闊葉林、針闊葉混交林次之；其他覆蓋類型的植被指數變化不顯著。分類統計河北省各覆蓋類型的近10年平均NDVI值，數值廣泛分布在0.2～0.6之間。

3.2 不同分區的植被空間特征

由圖3可知，冀東地區2001-2010年植被指數呈緩慢增長的趨勢，分類統計各植被類型NDVI變化，其中闊葉林、針葉林和濕地年平均植被指數趨勢變化明顯，起伏較大。各類型植被指數的年線性趨勢系數除闊葉林、草地、農田為正外，其他植被類型的線性趨勢系數均為負。說明近10年闊葉林、草地和農田的植被指數呈增加的趨勢。

由圖4可知，冀中地區2001-2010年植被指數呈緩慢增長態勢，分類統計各植被類型NDVI年際變化，其中濕地和針葉林年平均植被指數趨勢變化明顯，起伏較大。各類型植被指數的年線性趨勢系數除針葉林為負外，闊葉林、針闊葉混交林、草地和濕地植被類型的線性趨勢系數均為正。說明近10年針葉林的植被指數呈減少的趨勢，闊葉林、針闊葉混交林、草地和濕地的植被指數呈增長的趨勢，灌叢和農田的植被指數變化不明顯。

由圖5可知，冀北地區2001-2010年植被指數呈緩慢增長態勢，分類統計各植被類型NDVI年際變化，其中濕地年平均植被指數趨勢變化明顯，起伏較大。各類型植被指數的年線性趨勢系數除灌叢為負外，針葉林、闊葉林、針闊葉混交林、草地和濕地植被類型的線性趨勢系數均為正。說明近10年灌叢的植被指數呈減少的趨勢，針葉林、闊葉林、針闊葉混交林、草地和濕地的植被指數呈增長的趨勢，農田的植被指數變化不明顯。

由圖6可知，冀南地區2001-2010年植被指數呈緩慢增長趨勢態勢，分類統計各植被類型NDVI年際變化，其中濕地、針葉林和闊葉林年平均植被指數趨勢變化明顯，起伏較大。各類型植被指數的年線性趨勢系數除非植被表現不明顯外，闊葉林、針闊葉混交林、草地和濕地植被類型的線性趨勢均為正，且趨勢較明顯，針葉林、灌叢和農田次之。說明近10年冀南地區的植被指數均呈增長的趨勢，環境有所改善。

3.3 研究區植被NDVI空間差異特征

河北省地區2000-2011年植被NDVI標準差介于0.001～0.146之間，整體表現為西北地區和東部沿海地區變化最劇烈，中部地區次之，東北部地區變化最小。具體而言，除非植被外，近10年植被NDVI變化明顯的地區主要分布在張家口市、滄州市東部、石家莊市、保定市及衡水市中部地區；而變化趨勢較小的地區主要為研究區的西北部，包括承德市等地區。針葉林、闊葉林、濕地植被覆蓋類型NDVI變化最劇烈，灌叢、草地次之，其他植被類型變化不明顯（圖7）。

利用線性回歸系數計算柵格中每一個像元值的年際變化情況，即在像元尺度的動態傾向，從而明確研究區10年間NDVI植被指數年際變化趨勢的空間分布情況。當b<0時，表明像元值隨時間變化呈減小趨勢；當b>0時，表明隨時間變化像元值呈增加趨勢，且b值越大增長越快。河北省地區植被NDVI變化趨勢的平均值為0.23%/10年，NDVI呈增加趨勢的面積占74.41%，主要分布在張家口市、滄州市、衡水市和承德市大部；NDVI呈減少趨勢的面積占25.29%，其中張家口市西北部、唐山市、秦皇島市南部、保定市南部、石家莊市、邢臺市中部、邯鄲市中部和廊坊市北部存在植被退化現象。總體而言，近10年河北省地區植被NDVI變化趨勢為：北部強于南部、西部強于東部、張家口及滄州市強于其他地區。

4 河北省地區NDVI影響因素分析

4.1 河北省地區氣候變化特征

植被覆蓋變化與氣候因子之間的關系是研究區域生態系統對全球變化響應程度的重要前提和基礎，而溫度和降水是影響植物生長的兩個重要方面。研究區2001-2010年的年平均氣溫，年均氣溫波動較大，變化呈緩慢下降趨勢，減速為0.5 ℃/10年，其線性趨勢線斜率為-0.05。溫度峰值出現在2002、2004和2007年，其中2007年氣溫升高明顯。2008-2010年氣溫持續下降。分類統計研究區2001-2010年的年總降水量，年降水量波動不大，變化呈上升趨勢，增速為104.7 mm/10年，其線性趨勢線斜率為10.47。降水量峰值出現在2003和2008年，波谷出現在2002、2006和2009年。10年來年均氣溫和降水總量空間特征的比較分析，可以得出：

1）10年間河北省氣溫空間變化不大，氣溫隨著緯度和海拔的增高而降低，尤其是張家口、承德壩上地區以及河北省與山西省交界處太行山脈地區年均氣溫最低；河北省南部平原地帶氣溫最高。其他地區次之，為過渡區域。10年間，低氣溫的區域面積在逐漸擴大，而高氣溫的區域面積在逐漸減少，只是變化極其緩慢。

2）研究區內降水量由西北向東南呈階梯式增長，而這種梯狀分布與地形海拔有一定的相關性，與西北部壩上高原區、中部山地、東南部平原區相對應。

4.2 植被異常指數的變化分析

根據公式（2），實現植被異常指數的逐像元計算，得到2001-2010年河北省植被異常指數的空間分布。河北省地區地形復雜，在地形條件的影響之下，不同區域水熱條件各異。植被異常指數對干濕環境變化響應敏感，受局部小氣候影響河北省地區植被異常指數變化的區域性差異很大。

張家口市和承德市之間的壩上草原地區分別于2004年和2001年出現最高值和最低值；河北省中部保定市、石家莊市、衡水市一帶的農業種植區則于2007年和2001年出現最高值和最低值，2008年時該區的植被異常指數也達到較高值。就整個地區植被異常指數的平均狀況來看，2001年是降水量較低和氣溫較低的年份，研究區植被異常指數平均值為-1.14，成為植被覆蓋最低的一年；2008年和2004年均是降水量較高和氣溫較低的年份，研究區植被異常指數平均值為0.90、0.62，成為植被覆蓋最高的兩個年份。2003年降水最多，氣溫也較低，植被異常指數小于0的面積占總面積的57.3%；2002年降水最少，年累積降水量占平均值的86.3%，受干旱脅迫，研究區79.0%的面積植被異常指數小于0，整個區域的平均值也降到了-0.61（表1）。

4.3 NDVI與氣候因素相關分析

為保證數據的準確性及研究結果的可信度，植被NDVI變化對氣候因子的響應采用逐站點進行偏相關分析的方法，具體做法為：根據研究區氣象站點位置，利用ArcGIS提取各個氣象站點周邊（3 km×3 km）年NDVI平均值，作為該站點的NDVI值，進而與各個站點的年平均、降水量進行偏相關分析。

以年為時間單位，分別計算各站點NDVI與氣溫、降水的偏相關系數，其中NDVI與降水的偏相關系數均為正值，且整體呈下降趨勢；NDVI與氣溫的偏相關系數在正負之間波動，且整體呈下降趨勢（圖8）。

在空間上，NDVI與氣溫的偏相關系數較大的區域在承德市南部、秦皇島市、唐山市等地，而負相關區域主要為承德市北部、張家口市與承德市交界處、滄州市南部以及石家莊市等地；NDVI與降水偏相關系數高值區在廊坊市、保定市、滄州市北部和張家口市等地，且負相關區域位于承德市北部、張家口市及邢臺市（圖9）。

4.4 NDVI與地形影響因素分析

在研究區內選取20個樣點區，樣點區選擇與河北省境內20個氣象站相同的地理分布，統計 NDVI和海拔高度的平均值，計算海拔高度與NDVI的相關系數。在不區分植被類型的情況下，2002年的NDVI與海拔高度的相關系數為-0.159，2004年為-0.189，2006年為-0.12，2008年為-0.262。結果表明，研究區內的植被指數與海拔高度呈現弱的負相關關系。其原因可能是植被類型較多，植被指數還受海拔高度、地形地貌、氣候、植被覆蓋等因素影響，因此當所有影響因素混在一起時，海拔高度的影響變得不明顯。在研究區內選取分布廣泛的針葉林、闊葉林、針闊葉混交林、草地、灌叢、農田6種植被類型為研究對象，研究不同植被類型的植被指數與海拔高度的關系。具體方法如下：將河北省地區按照每100 m等高距進行分級分區，并統計該區在不同海拔等級上所包括的所有植被類型的平均植被指數，以此來分析海拔高度與不同植被類型平均植被指數之間的相關關系。

由圖10可知，不同類型的植被NDVI隨海拔梯度的上升有不同的變化規律，而不同時間的同種類型的植被NDVI隨海拔梯度的變化具有相似的變化規律。河北地區的林地主要分布于海拔500 m以上的地區，植被類型主要為針葉林、闊葉林和針闊混交林，在海拔500～1 500 m之間植被指數比較平穩，隨著海拔的升高，植被指數緩慢下降。灌叢主要分布于海拔300 m以上的地區，在海拔300～2 000 m之間植被指數比較平穩，隨著海拔的升高，灌叢零星分布。草地主要分布于海拔200 m以上的地區，其植被指數隨著海拔高度的增長，總體上比較平穩但變化曲線出現了一定的波動。由于草原的植被種類較多，分布區域廣，且草原的植被類型本身決定了其容易受溫度、降水等因素的影響，因此，變化曲線的波動較大。分界點大致出現在1 500 m左右，低于分界點植被指數緩慢下降，分界點1 500 m以上植被指數緩慢上升。說明河北地區的該海拔高度適合草甸植被的生長，其中張家口和承德壩上地區平均海拔在1 500 m左右，屬于典型的草甸式草原。農田主要分布在海拔2 000 m高度以下的地區，植被指數隨著海拔高度的升高，基本保持不變，始終在一個很小的范圍內變化，這主要因為農田生態系統是一個人工生態系統，不能單純依據海拔的變化決定其生長狀況。

根據相關系數計算公式，計算2001和2010年不同植被類型與海拔高度的相關系數（表2）。由表2可知，闊葉林、針闊葉混交林和農田的植被指數與海拔高度有一定的負相關性，但相關性不大；針葉林、灌叢和草地的植被指數與海拔高度有較強的正相關性。受河北省整體海拔高度的影響，不同植被類型的植被指數在海拔差異不明顯的情況下，受地形的影響不大。

4.5 NDVI與人為因素分析

河北省是農業和人口大省，耕地面積、人口數量的變化和政策導向是人類活動影響的重要方面。本研究分析了耕地面積、人口數量與植被NDVI的相關關系。耕地數據為2001-2008年的數據，耕地面積呈下降趨勢。人口數據為2001-2010年河北省統計年鑒數據，人口數量呈上升趨勢（圖11）。由于人口數據和耕地數量變化以年平均值作為計算單位，它們的變化程度相對平緩。人口數量的增加和耕地數量的持續減少對植被覆蓋情況有影響，但影響不大，植被NDVI各年仍波動較大，說明近年來植被NDVI的波動在一定程度上歸因于氣候變化的影響。人口和耕地的數據后期需要細化，以期更好的對植被指數變化研究進行模擬演算。

5 小結與討論

根據2001-2010年的河北省MODIS/NDVI遙感數據及土地覆蓋產品數據，和與之相匹配的河北省地區各氣象站點氣溫、降水觀測資料，DEM數據和河北省耕地、人口統計數據，進行河北省地區針葉林、闊葉林、針闊葉混交林、灌叢、農田、濕地、草地和非植被8種主要植被類型的NDVI與氣溫、降水、DEM、人為因素的影響關系研究，得出以下結論。

1）2001-2010年河北省境內針葉林、闊葉林、濕地植被覆蓋類型NDVI變化最劇烈，灌叢、草地次之，其他植被類型變化不明顯。河北省地區NDVI與氣溫和降水均有一定的偏相關性，NDVI的波動與降水變化均為正的偏相關，與氣溫變化的偏相關性有正有負。近年來降水量的增加，是研究區NDVI增長的一方面原因。當然，科學的農業措施也會改變植被生長對氣候條件的依賴。

2）河北省NDVI與地形有一定的相關性。分析原因為林地、灌叢對溫度、降水等環境因素的響應不敏感，而近年來政府加強了環境保護力度，人工林的增加使林地對氣溫、降水的依賴減小，相關性減弱，因此這些植被的植被指數隨海拔的變化趨勢一致，波動較小。而草類植被易受氣溫、降水等因素影響，隨著海拔的升高，氣溫、降水有較明顯變化，所以這類植被的植被指數波動也變大。農田變化主要受人為和氣候因素兩方面的干擾，當地居民因地制宜，選擇合適的農作物來適應當地環境，因此與影響因素的關聯也相對減弱。

3）人類活動僅考慮耕地和人口兩方面不免片面，而森林濫砍濫伐、農田過度開墾、植被過度放牧和城市擴張，使植被趨于退化，受人類活動影響較大。但河北省近年來推行京津風沙源治理、三北防護林、太行山綠化、沿海防護林等重點造林項目，保護環境的力度不斷加大，也是河北省地區植被改善的主要原因。

本研究中雖考慮了氣候因子（溫度、降水）、地形因素（高程）和人為因素對植被的影響，如果對各因素進行綜合分析，通過建立相關數值模型，模擬和預測區域植被覆蓋，采用物理意義更為明確的生態模型來進行機理性分析，將更具實際指導作用，這也將是下一步工作的方向及任務。

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