基于MODIS的眉山市植被指數變化及其原因分析?

李曉婷 賈寶全

1 中國林業科學研究院林業研究所 北京 100091

2 國家林業局林木培育重點實驗室 北京 100091

3 國家林業局城市林業研究中心 北京 100091

植被在生態系統中扮演著重要的角色，其空間分布和變化是研究城市生態環境質量變化的重要標志[1－2]。研究表明，歸一化植被指數 (簡稱NDVI)對植被的生長勢和生長量非常敏感[3]，已被廣泛用來定性和定量分析植被覆蓋及其生長活力[4]，是指示大區域尺度和全球尺度植被分布和時相變化的良好指標。植被蓋度 (簡稱VC)能夠直觀地反映地表植被的豐富度，是控制土壤侵蝕的關鍵因素和指示生態系統變化的重要指標[5－6]，是最直接可用且便于區域之間數量對比的植被因子。城市植被是城市生態環境的重要組成因子，對于城市化過程中生態環境的變化具有重要的指示意義[7－8]。

1 研究區概況

眉山市位于四川盆地成都平原西南部 (102°49′—104°30′E， 29°30′—30°16′N)， 全市土地總面積7 186.7 km2。2000年撤地建市，轄東坡區、彭山縣、仁壽縣、青神縣、丹棱縣、洪雅縣一區五縣。整體地勢西高東低，全境有山地、丘陵和平原3個地形單元，其中以山地和丘陵為主，約占土地總面積的79.89%。四川盆地亞熱帶濕潤季風氣候，平均氣溫25.4℃，全年無霜期302～314 d，年平均降雨量1 000 mm，年均相對濕度80%左右，閩江、青衣江干流縱貫市境。截止到2016年，年常住人口達300.13萬人，城鎮化水平41.87%。

2 研究材料與研究方法

2.1 研究材料

本研究使用2000—2015年每年8月份 (植被達到最大生長量)MODIS/Terra衛星上500 m月度合成的NDVI數據。該數據采用最大合成法，在一定程度上減少云、大氣、太陽高度角和傳感器等帶來的影響，提高了數據的精度[9]。

2.2 研究方法

2.2.1 植被蓋度的計算與分級

目前植被蓋度的計算與分級主要有2種方法、5級分類法:0≤fc＜20%，20%≤fc＜40%，40%≤fc＜60%， 60%≤fc＜80%和80%≤fc＜100%(fc是基于像元的植被覆蓋度)[10]；4級分類法[11]:fc≥75%，60%≤fc＜75%，45%≤fc＜60%和 fc＜45%。本文研究區域屬于南方城市植被蓋度受農田耕種、水域植被等影響較大，固采用4級分類法。

2.2.2 NDVI差值指數與分級

利用NDVI差值指數分級方法，可以有效揭示大尺度區域植被的宏觀變化趨勢特征，避免因直接使用NDVI指數，而過分關注一些微小的數值波動給宏觀規律性研究帶來的噪聲影響。本文借鑒李一靜等[12]對深圳植被變化分類方法，結合研究區植被變化現狀，將DNVI變化程度分為3個等級:ΔNDVI≤1為無顯著變化，ΔNDVI＞1為正向變化，ΔNDVI＜1為負向變化。

基于 2000、2014年 NDVI指數分布圖，在ArcGIS 10.0系統支持下，利用式 (1)可得到2000—2014年研究區NDVI指數變化分布圖。

其中，ΔNDVI為植被差值指數，NDVI2000和NDVI2014分別為2000年和2014年眉山市NDVI圖上的像元值。

將上式的結果進行標準化分級，分為無顯著變化、退化變化和改善變化。

無顯著變化:

退化變化:

3 結果與分析

3.1 植被NDVI年際變化

3.1.1 全市域植被NDVI年際變化

以每年平均NDVI數據代表當年的植被狀況，分析2000—2015年眉山市植被覆蓋年際變化。從圖1可知，眉山市植被覆蓋在2000—2015年大致分為 3個階段:2000—2006年，全市NDVI均值在0.768 4～0.856 9波動，平均值為 0.825 6；2006—2008年 NDVI均值從0.856 9急速下降到 0.644 3；2008—2015年NDVI均值呈現上升趨勢，其中2008—2009年增幅最快。線性回歸方程斜率slope＞0說明眉山市NDVI整體呈增加趨勢，并且以每10年0.021的增速遞增。

圖1 眉山市域2000—2015年NDVI均值變化

3.1.2 不同區縣NDVI年際變化

從不同區縣植被覆蓋的年際變化值來看，彭山縣、仁壽縣和青神縣3個縣區NDVI均值較高，在0.728 0～0.919 6波動；東坡區和丹棱縣NDVI均值在0.632 1～0.876 2波動；洪雅縣NDVI均值波動最大，在0.350 3～0.876 2。從不同區縣植被覆蓋的年際變化趨勢來看，彭山縣、仁壽縣、丹棱縣、青神縣和洪雅縣5個縣區線性回歸方程斜率slope＞0，且從高到低依次為仁壽縣、青神縣、彭山縣、洪雅縣和丹棱縣。東坡區線性回歸方程斜率 slope＜0(圖 2)。

圖2 眉山市域各個縣區2000—2015年NDVI均值變化

3.2 植被蓋度的變化

3.2.1 全市域植被蓋度的總體變化

從眉山市2000年和2014年植被蓋度研究結果可以看出 (表1)，低覆蓋度、中覆蓋度、中高覆蓋度植被區域面積占全市土地總面積的比例從2000—2014年分別降低了7%、3%和14.44%；高覆蓋度植被土地面積增加17.53%。相關研究表明，極低覆蓋度等級面積的減少，既可能意味著區域植被覆蓋面積的絕對數量的減少，也可能意味著非植被土地面積的增大，而其他類型的變化則主要體現在植被功能強弱的變化上[13－14]。此變化情況說明眉山市現有植被質量得到了很好的改善，植被功能有所增強。

3.2.2 不同區縣植被蓋度變化

從不同區縣植被覆蓋度的分級情況看 (表1)，變化最劇烈的主要集中在中高覆蓋度和高覆蓋度這兩個等級。其中仁壽縣、青神縣、彭山縣、東坡區和丹棱縣表現為中高覆蓋度植被分別減少27.23%、20.42%、18.34%、10.74%和 9.97%，高覆蓋度植被分別增加 35.10%、20.87%、28.63%、10.86%和9.92%；洪雅縣則表現為中高覆蓋度植被增加1.63%，高覆蓋度植被減少3.59%。

表1 眉山市各區縣2000年和2014年植被蓋度分級統計及變化情況

3.3 基于NDVI差值結果的植被空間變化分析

3.3.1 全市域差值植被指數分級變化

2000—2014年，眉山市域植被呈現出以無顯著變化為主導的變化特征 (圖3)，無顯著變化區域面積、改善區域面積和退化區域面積分別為569 150 hm2， 76 950 hm2和 70 425 hm2。 其中退化區域主要集中在山地區、水域區以及道路沿線，具體分布在岷江和青衣江沿線、仁壽縣的黑龍灘水域地帶、洪雅縣的瓦屋山省級自然保護區以及穿市區的遂洪高速的岷江以西段位、岷東大道和眉州大道穿越四川城市職業學院眉山校區周圍段位。

3.3.2 各區縣差值植被指數分級變化

眉山市域不同區縣內部的植被指數差值分級統計結果見表2。由表2可以看出，彭山縣、仁壽縣和青神縣3縣區植被改善面積比例大于退化面積比例，其中仁壽縣表現最為突出，植被改善區域面積超出退化面積11.01%，彭山縣和青神縣植被改善區域面積分別超出植被退化區域面積7.66%和4.05%；東坡區、丹棱縣和洪雅縣3縣區則表現出植被退化區域面積高于植被改善區域面積，其中洪雅縣植被退化最為嚴重，植被退化面積高出植被改善面積11.58%，東坡區和丹棱縣植被退化區域面積分別高出植被改善區域面積3.33%和0.77%。

圖3 眉山市域差值植被指數分級分布圖

表2 眉山市各區縣差值植被指數變化統計

4 眉山市植被變化的原因分析

4.1 氣候因素對植被的影響

從圖4可見，2000—2015年15年來，眉山市年均降水量和年均氣溫均呈現出緩慢升高的變化趨勢。這種變化非常有利于植被的良好發育和演替。利用眉山市2000—2015年的年降水、年平均氣溫數據分別與NDVI均值數據所做的線性回歸方程分別為:y＝3E－05x＋ 0.779 2(R2＝0.006 2) 和y＝0.024 5x＋0.380 6(R2＝0.042 8)， 這說明眉山市植被變化與氣候變化呈正相關性。

圖4 眉山2000—2015年均降水量和年均氣溫變化

4.2 生態工程對植被變化的影響

人工綠化建設對城市植被覆蓋水平有較顯著的改善作用。眉山市最主要的生態工程有天然林保護工程、退耕還林工程和荒山荒地綠化工程。這些大型工程的實施，對于眉山市生態環境質量的改善起到了極大的積極作用。從圖5可以看出，自2000年以來，眉山市年累計造林面積從2001年的13 874 hm2增加到了2015年的124 134 hm2，為2000年的9倍。

4.3 農業種植業結構調整對植被變化的影響

從圖6眉山市2008—2015年的統計數據可以看出，眉山市經濟林果面積增長非常迅速，2008年，全市擁有經濟林果面積51 771 hm2，2015年增加到了639 147 hm2是2008年的12倍。農業種植業結構調整對眉山市植被狀況的改善有重要作用。

圖5 眉山市2000—2015年累計造林面積

圖6 眉山市2008—2015年年末經濟林果面積

4.4 中心城區綠化對植被變化的影響

眉山市中心城區東坡區NDVI均值呈減少變化趨勢，且植被退化區域面積超出植被改善區域3.33%。究其原因，眉山市實施的城市 “綠化、亮化、凈化、美化”工程、“綠海明珠”“千湖之城” “百園之市”3大工程以及爭創 “省級園林城市”“國家級園林城市”使得中心城區的綠地面積大幅增加，由于這些工程主要是通過植樹造林的手段來增加綠地面積，因此可以間接用中心城區林地面積變化來指示綠化工程所取得的成果，中心城區林地面積從2000年的112 161 hm2增加到了2015年的43 150 hm2，累計增加了31 884.79 hm2。林地中植被改善區域面積高于退化區域面積，高出200 hm2，為東坡區植被改善做出了重要貢獻，但同時建設用地增加了12 658.39 hm2，水域面積增加了4 933.15 hm2，且建設用地中大部分植被發生退化，退化面積遠超出改善區域面積1 775 hm2。近年來，隨著城市化水平的提高，大量林地被砍伐，土地被平整或者硬化為道路，這些行為都對生態環境造成很大的威脅，建設用地的擴張以及對生態用地的擠壓、占用以及破壞是導致中心城區植被出現嚴重退化的重要原因。

5 結論

1)全市NDVI均值總體以每10年0.021的增速遞增，植被生長狀況得到改善；6縣區除東坡區植被覆蓋呈減少趨勢以外其他均呈現緩慢升高趨勢，升高速率從高到低依次為仁壽縣、青神縣、彭山縣、洪雅縣和丹棱縣。

2)從植被蓋度分級變化情況來看，2014年與2000年相比，眉山市低覆蓋度、中覆蓋度、中高覆蓋度植被區域面積均占全市土地總面積的比例從2000年到2014年分別降低了 7%、3%和14.44%，高覆蓋度植被區域面積增加了125 107 hm2，占全市土地總面積的17.53%。

不同區縣植被覆蓋度變化最劇烈的主要集中在中高覆蓋度和高覆蓋度2個等級，5區縣環境質量均朝改善方向發展，其中仁壽縣最優，彭山縣、青神縣和東坡區次之，丹棱縣和洪雅縣較差，洪雅縣排位最末。

3)從差值植被指數分級變化來看，在2000—2015年，全市有79.43%的區域植被覆蓋情況處于無變化狀態，改善區域面積為76 950 hm2，占總面積的10.74%，退化區域面積為70 425 hm2，占總面積的9.83%。退化區域主要為山地區、水域區以及道路沿線，分布在岷江和青衣江沿線、仁壽縣的黑龍灘水域地帶、洪雅縣的瓦屋山省級自然保護區以及穿市區的遂洪高速的岷江以西段位、岷東大道和眉州大道穿越四川城市職業學院眉山校區周圍段位。

4)從植被狀況變化的驅動力來看，除氣候因素之外，人為因素也不可小覷，主要包括區域性的大環境綠化生態工程建設，城市市政綠化工程建設、農業產業結構調整，以及由于中心城區快速城市化進程生態用地被嚴重擠壓等。

6 討論

本研究結論是基于對500 m×500 m分辨率的MODIS衛星影像數據的統計分析所得，對于較大尺度的研究區域范圍來說，本研究結論具有較明顯的現實意義，但是由于低分辨率的限制，也可能造成對所研究區域植被特征的更多細節動態有所忽視，有待今后開展更深入的研究；其次在討論農業產業結構調整對植被變化的影響時，由于部分數據無法獲取，只能對2008—2015年時間段的經果林面積變化做統計分析，但由于現有數據屬于近期8年連續性數據，因此仍然具有一定的代表意義。

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