基于MODIS的中國天山中部北麓植被動態(tài)變化

古尼齊木·阿不迪熱西提，阿里木江·卡斯木, 2,3 *，買爾孜亞·吾買爾，高鵬文

(1. 新疆師范大學地理科學與旅游學院, 新疆 烏魯木齊 830054; 2.新疆師范大學絲綢之路經(jīng)濟帶城市發(fā)展研究中心，新疆 烏魯木齊 830054; 3. 新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源自治區(qū)重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830054)

【研究意義】植被狀況是決定生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、影響水資源的循環(huán)和開發(fā)利用、驅(qū)動氣候系統(tǒng)變化的重要因子，在區(qū)域乃至全球環(huán)境穩(wěn)定與物質(zhì)良性循環(huán)中扮演著重要的角色[1]。遙感技術(shù)是作為一種高效、快捷的新的技術(shù)手段，為研究區(qū)域或全球性植被覆蓋及其動態(tài)變化提供了現(xiàn)勢可能性[2]。歸一化植被指數(shù)NDVI(normalized difference vegetation index)能夠反映植被覆蓋度、葉面積指數(shù)和生物量等，已經(jīng)被廣泛運用于植被動態(tài)監(jiān)測以及植被對環(huán)境變化的影響研究[3]。目前用于植被變化動態(tài)監(jiān)測的研究區(qū)和時間范圍的不同，監(jiān)測的數(shù)據(jù)空間分辨率和時間序列也不同，甚至不同數(shù)據(jù)研究同一區(qū)域，其研究結(jié)果也會存在較大的差異[4-6]。如低分辨率的GIMMMS NDVI[7-9]、SPOT NDVI[10-12]多應用于洲際、國家和區(qū)域、省域尺度上植被變化及氣候響應研究，這兩類NDVI描述全球、半球及洲際尺度上具有優(yōu)勢，但區(qū)域、省域尺度上存在精度不足的問題。中高分辨率的MODIS NDVI[13-15]、Landsat NDVI[16-17]在區(qū)域、省域尺度上具有較強的優(yōu)勢，但Landsat NDVI由于時間連續(xù)性較差，在植被變化監(jiān)測方面應用較少，多應用于高分辨率NDVI數(shù)據(jù)計算結(jié)果精度評價。利用多種遙感數(shù)據(jù)研究植被覆蓋的時空變化特征，進而了解不同區(qū)域范圍的生態(tài)環(huán)境的變化情況，對于土地利用規(guī)劃、災害預警、環(huán)境監(jiān)測等方面具有重要的意義。【前人研究進展】國內(nèi)外學者通過利用遙感數(shù)據(jù)時間序列研究區(qū)域及全球的植被變化的特點已取得了一定的成果。王茜等[18]利用了GIMMS NDVI數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)國內(nèi)NDVI的年際變化特點顯著；湯曾偉等[19]利用MOD13Q1數(shù)據(jù)和CASA模型計算內(nèi)蒙古錫林郭勒盟地區(qū)2006-2015年間的植被凈初級生產(chǎn)力并分析NPP時空變化趨勢；楊晗等[20]研究了2001-2016年內(nèi)蒙古草地覆蓋度時空格局及其對水熱因子的響應；李曉英等[21]利用GRACE重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演的長江流域陸地水儲量變化(TWSA)以及MODIS遙感數(shù)據(jù)生成的歸一化植被指數(shù)(NDVI)，從趨勢性、相關(guān)性及時空變化特征3方面分析了長江流域陸地水儲量變化以及植被覆蓋變化；朱雅麗等[22]利用霍城林場利用Landsat TM/OLI遙感影像分析了1999-2016年的植被覆蓋度；丁少文等[23]運用2001-2016年MODIS地面反射率產(chǎn)品(MOD09Q1)計算的NDVI與植被近紅外反射率指數(shù)(NIRv) 通過線性回歸分析方法研究近16年來蒙山植被覆蓋時空動態(tài)變化。【本研究切入點】研究區(qū)天山中部北麓的MODIS NDVI數(shù)據(jù)的時間序列充足，地域空間范圍廣、南北部海拔高差大、植被覆蓋程度不一，且歷年土地利用變化受人為活動影響顯著，這對研究天山北麓區(qū)域的植被覆蓋動態(tài)變化和定量評價具有作用。【擬解決的關(guān)鍵問題】通過選用2000-2017年3-11月的MODIS13QI反演NDVI數(shù)據(jù)，探究區(qū)內(nèi)的年度、季度的植被動態(tài)變化，為天山中部北麓的植被和生態(tài)環(huán)境保護提供一定的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

中國天山中部北麓(圖1)位于博羅科努山淺山地帶，準噶爾盆地和古爾班通古特沙漠南緣，是準噶爾盆地及其周圍地區(qū)為早春短命植物的主要分布區(qū)。天山中部北麓丘陵地帶位于東經(jīng)84°67′～88°18′北緯43°36′～46°19′，受地形因素影響，大西洋和北冰洋方向的冷濕氣流，隨著西風環(huán)流進入新疆，從西、北兩個方向影響天山北麓的氣候。天山中部北麓地形復雜多樣，海拔高度250～4250 m。區(qū)內(nèi)河流水系南部區(qū)域大多呈南北向分布，中部平地區(qū)域則呈東西向分布，北部區(qū)域河流分布較少。根據(jù)海拔以及地理分異規(guī)律，可將研究區(qū)進行分區(qū)，包括海拔較高的中高山帶、海拔較低的前山帶、人類賴以生存和生活的人工綠洲區(qū)、自然植被稀疏的北部沙漠區(qū)以及未利用地過渡帶。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預處理

本文選用NASA數(shù)據(jù)共享平臺提供的Terra/MODIS(moderate resolution imaging spectroradiometer)產(chǎn)品，空間分辨率250 m、16 d合成的MOD13QI產(chǎn)品來獲取的植被指數(shù)(NDVI)，研究區(qū)覆蓋了2個Tile(h24v04、h23v04)。(數(shù)據(jù)來源：http://ladsweb.nascom.nasa.gov)選用研究區(qū)2000-2017年3-11月MODIS數(shù)據(jù)，利用MRT(Modis Rerojection Tool)對MODIS NDVI影響進行解碼、重投影、拼接、格式轉(zhuǎn)換等。將最大值合成法和最小值合成法獲取結(jié)果平均后作為本文數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

首先，基于像元對2000-2017年生長季累計NDVI數(shù)據(jù)計算其多年平均值，公式如式(1)所示，得到研究區(qū)多年平均NDVIg的空間分布。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Diagram of the study area

(1)

式中：n是時間段的年數(shù)(n=18)；NDVIgi為第i年的生長季累計NDVI。

采用一元線性回歸獲取逐像元植被NDVI與時間x的線性回歸斜率作為覆蓋度變化速率，一元線性回歸公式如公式(2)～(4)所示。

(2)

式(2)中：β為NDVI變化趨勢線斜率：x為第i為年份；NDVIi為第i年值被NDVI。

(3)

(4)

式中：xi表示研究時段內(nèi)第i年份；α為截距；R為NDVIg變化率；x1和xn分別為研究時段的起始和終止年份。上述公式已被廣泛的用于NDVI的時間序列分析，較好的穩(wěn)定性。

1.4 差值分析法

植被差值是利用2000和2017年天山中部北麓2期NDVI數(shù)據(jù)，通過差值計算而得到，即：

ΔNDVI=NDVI2017-NDVI2000

(5)

其中：ΔNDVI為植被差值指數(shù)，NDVI2000和NDVI2017分為2000和2017年天山中部北麓NDVI圖上的像元值，ΔNDVI的取值范圍[-8,8]。有關(guān)研究值表明：大于0.1是改善、-0.1和0.1之間是穩(wěn)定、小于-0.1是退化。

2 結(jié)果與分析

2.1 年度時空分布

利用2000-2017年研究區(qū)的MODIS13QI數(shù)據(jù)獲取NDVI(歸一化植被指數(shù))，按研究區(qū)氣候特征選取3-11月的數(shù)據(jù)進行計算年份，利用平均法計算2000-2004、2004-2008、2008-2012與2012-2017年NDVI的時空分布圖(圖2)。

研究區(qū)總體的植被覆蓋表現(xiàn)為：南部為植被高覆蓋區(qū)域，中部和西部為中覆蓋區(qū)域，北部屬于低覆蓋區(qū)域，空間上呈現(xiàn)由北部-中部-南部增加的趨勢。造成這一現(xiàn)象的原因為北部屬于沙漠邊緣區(qū)，整體上植被覆蓋較低；中部包括天山北坡經(jīng)濟帶的大部分城市，城市經(jīng)濟帶的可持續(xù)發(fā)展依賴于良好的生態(tài)環(huán)境保護，因此國家對西部地區(qū)的修復環(huán)境提供了良好的政策條件和可持續(xù)的資金支持，這使得天山中部北麓植被生態(tài)狀況明顯優(yōu)于北部，且在2000-2017年間植被覆蓋度不斷增加；而南部區(qū)域的高植被覆蓋度則依靠地理條件優(yōu)勢，大西洋上升氣流將帶有水氣的西風吹送過天山，天山東段和山內(nèi)地區(qū)是天山北麓山前區(qū)域的主要降水位置，迎風的西坡、西北坡、北坡和東北坡成為主要的降水區(qū)域，從而導致這些區(qū)域植被覆蓋較高。

圖2 天山中部北麓植被覆蓋年度時空分布Fig.2 Annual spatial and temporal distribution of vegetation cover in the northern foothills of central Tianshan mountain

依據(jù)天山中部北麓植被特點及植被覆蓋度的統(tǒng)計特征，以及參考相關(guān)的研究，將研究區(qū)植被覆蓋劃分6個等級。其中大于0.2的區(qū)域表示植被覆蓋較好的區(qū)域；小于0.2表示較低植被覆蓋區(qū)域，0.2～0.4表示為中植被覆蓋區(qū)域，0.4以上表示高植被覆蓋區(qū)域[24]。統(tǒng)計結(jié)果顯示：從整體上看，4個時期的植被覆蓋程度表現(xiàn)為逐年增加的趨勢，但不同等級具有自身的特點。低植被覆蓋區(qū)是研究區(qū)主要的植被空間覆蓋分布，其在2000-2004年間面積占比高達68.37 %，其他時期的面積占比也在整體的一半以上；其次為中植被覆蓋區(qū)，該等級在整體時段的比較穩(wěn)定；高植被覆蓋區(qū)是區(qū)內(nèi)植被空間分布最少的等級，但從面積占比來看其整體上變化明顯，4個時期呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢特點。

2.2 季度時空分布

采用2000-2017年天山中部北麓地區(qū)春季(3-5月)、夏季(6-8月)、秋季(9-11月)的NDVI平均值表征植被生長時空分布。結(jié)果表明植被生長狀況在時空上呈現(xiàn)周期性差異。天山中部北麓2000-2017年NDVI均值春、夏、秋季時空分布圖如圖3所示。

植被生長經(jīng)歷休眠期-萌芽期-生長期-生長旺盛期-生長緩慢期-睡眠期。春季的萌芽期受到氣溫和降水量的影響，而研究區(qū)南部3、4月降水較多；研究區(qū)西段和北部，4或5月降雨較多；研究區(qū)腹地和東部，夏季降雨多，因此結(jié)果表現(xiàn)為植被3-5月慢慢增加，6-8月生長旺盛，為研究區(qū)植被最高覆蓋期，9-11月生長緩慢，植被覆蓋慢慢下降，進入睡眠期。

以研究區(qū)季度植被覆蓋度小于0.2為低覆蓋、0.2～0.4為中覆蓋、大于0.4為高覆蓋。春季是植被相對休眠期和萌芽期，從時間的變化分析，植被低覆蓋比較廣泛，面積占比依此為2000-2004、2008-2012、2004-2008、2012-2017年，85.68 %、84.48 %、83.78 %、78.49 %，表明低覆蓋呈現(xiàn)遞減趨勢。中覆蓋區(qū)域面積占比依此為:2012-2017、2008-2012、2004-2008、2000-2004年，表明中覆蓋呈現(xiàn)遞增趨勢。高覆蓋區(qū)域面積占比依此為:2012-2017、2004-2008、2000-2004、2008-2012年，表明高植被覆蓋呈現(xiàn)周期變化，2012-2017年植被覆蓋最。中高覆蓋區(qū)域春季時間變化為2012-2017>2004-2008>2008-2012>2000-2004年，21.51 %、16.22 %、15.52 %、14.32 %。

夏季是植物生長盛旺期，從時間的變化分析，植被低覆蓋面積占比依此為2000-2004、 2004-2008、2008-2012、2012-2017年，表明低覆蓋呈現(xiàn)遞減趨勢。中覆蓋區(qū)域面積占比依此為：2004-2008、2008-2012、2012-2017、2004-2008年，表明中覆蓋呈現(xiàn)周期變化。高覆蓋區(qū)域面積占比依此為:2012-2017、2008-2012、2004-2008、2000-2004年，表明高植被覆蓋呈現(xiàn)周期變化。中高覆蓋區(qū)域時間變化為:2012-2017>2008-2012>2004-2008>2000-2004年，53.97 %、50.65 %、45.28 %、44.51 %。

圖3 天山中部北麓年度時空分布Fig.3 Annual spatial and temporal distribution of the northern foothills of central Tianshan

秋季是越來越降溫，降水量減少，植被落葉緩慢進入睡眠期。從時間的變化分析，植被低覆蓋面積占比依此為：2000-2004、2008-2012、2012-2017、2004-2008年，表明高植被覆蓋呈現(xiàn)周期變化。中覆蓋區(qū)域面積占比依此為2012-2017、2008-2012、2004-2008、2000-2004年，表明中覆蓋呈現(xiàn)遞增趨勢。高覆蓋區(qū)域面積占比依此為2004-2008、2012-2017、2008-2012、2004-2008年，表明高植被覆蓋呈現(xiàn)周期變化。中高覆蓋區(qū)域時間變化為: 2012-2017>2008-2012>2004-2008>2000-2004年，26.65 %、23.49 %、22.17 %、16.29 %。

天山中部北麓從3-11月各月的植被基本呈正態(tài)分布趨勢，由于天山中部北麓的植被覆蓋度受氣溫、降水量、地貌、地形、蒸散量、照日量等自然因素的影響，并最主要的是人類活動，天山中部北麓包括烏魯木齊、昌吉、石河子、奎屯等發(fā)展較快的城市，城市的擴展對植被覆蓋的影響大，從2000-2017年的年際變化來進行分析城市的擴展和科學技術(shù)的發(fā)展并很重視城市的生態(tài)環(huán)境，春、夏、秋季總體年份中高覆蓋區(qū)域時間變化為：2012-2017年>2008-2012年>2004-2008年>2000-2004年，表明中覆蓋呈現(xiàn)遞增趨勢。研究時間段內(nèi)春季、夏季、秋季的植被生長空間變化強烈程度為：夏季>秋季>春季。

圖4 天山中部北麓差值動態(tài)變化分布Fig.4 Dynamic change distribution of the northern foot of the central Tianshan mountain

2.3 差值分析

為了揭示天山中部北麓地植被覆蓋度動態(tài)變化特點，利用差值算法。根據(jù)前人提供的植被不同時相的NDVI做差，利用2000-2017年的NDVI值進行計算隔年的差值算法得到研究期間內(nèi)年際和季節(jié)的變化狀況圖(圖4)。

采用差值法定量化不同時期之間的植被覆蓋變化，將差值運算后的結(jié)果即植被覆蓋度變化程度為7個等級[25]，分別為明顯退化(<-0.4)、中度退化(-0.4～-0.2)、輕度退化(-0.2～-0.1)、相對穩(wěn)定(-0.1-0.1)、輕度改善(0.1～0.2)、中度改善(0.2～0.4)和明顯改善(>0.4)。由于圖4可知，植物生長呈區(qū)域性分布，植被改善主要分布于研究區(qū)的中部區(qū)域，尤其是城市擴散區(qū)域，相對穩(wěn)定的區(qū)域比較廣泛，基本上在城市周圍區(qū)和沙漠邊緣區(qū)域，退化部分的面積有點小，基本上城市交叉的區(qū)域和克拉瑪依市少部分區(qū)域。

利用研究區(qū)植被差值變化分級圖，統(tǒng)計天山中部北麓植被18年植被差值不同變化程度所占百分比面積(表1)，由于人類活動，城市發(fā)展干預，研究區(qū)2000-2017年的退化、穩(wěn)定和改善程度較復雜。年度平均NDVI差值小于-0.1的退化面積較少，占整個研究區(qū)0.27 %，-0.1～0.1是穩(wěn)定區(qū)，占整個研究區(qū)84.46 %，大于0.1明顯改善區(qū)域占整個研究區(qū)的15.27 %。

表1 天山中部北麓差值變化結(jié)果統(tǒng)計

圖5 天山中部北麓變化趨勢Fig.5 Change trend of the northern piedmont of central Tianshan

春季平均NDVI差值小于-0.1的退化面積占整個研究區(qū)的0.91 %，-0.1～0.1的穩(wěn)定區(qū)域94.92 %，大于0.1改善區(qū)域為4.17 %。夏季平均NDVI差值小于-0.1退化區(qū)域占整個研究區(qū)的1.42 %，-0.1～0.1的穩(wěn)定區(qū)域為74.27 %，大于0.1的改善區(qū)域為24.31 %。秋季平均NDVI差值小于-0.1的退化區(qū)占整個研究區(qū)的0.23 %，-0.1～0.1的穩(wěn)定區(qū)域為84.08 %，小于0.1的改善區(qū)為15.69 %。

差值小于-0.1的退化面積呈現(xiàn)為:夏季>春季 >秋季，18年以來年平均植被減少面積占比為0.27 %；-0.1～0.1的穩(wěn)定區(qū)呈現(xiàn)為：春季>秋季>夏季、年度穩(wěn)定區(qū)為84.46 %;大于0.1改善呈現(xiàn)為:夏季>秋季>春季、年度改善區(qū)為15.27 %，18年以來年度和季度表統(tǒng)計改善區(qū)域大于退化區(qū)域，呈現(xiàn)環(huán)境越來越改善的趨勢。

2.4 變化趨勢

為了定量評價植被覆蓋時空變化情況，變化率R至關(guān)重要，研究區(qū)植被變化定性描述，定義了R值及其對應的植被變化程度(年度與季度)，并統(tǒng)計了各值植被變化程度的面積百分比(表2)。

由天山中部北麓變化NDVI變化趨勢的年際與春、夏、秋3季的NDVI變化趨勢分布圖得到了2000-2017年變化趨勢空間分布狀況。以研究區(qū)NDVI空間分布圖中小于0表示為減少，結(jié)果表明減少的區(qū)域較少，年度和3季NDVI都南部一些區(qū)域，西部和西部少部分區(qū)域，克拉瑪依東部等少部分區(qū)域呈現(xiàn)于明顯減少。北部沙漠邊緣區(qū)和城市帶的周圍區(qū)域呈現(xiàn)無顯者變化，城市群區(qū)域則有顯著增加趨勢。

依據(jù)天山中部北麓植被變化趨勢及的結(jié)果統(tǒng)計特征，將研究區(qū)植被覆蓋劃6個等級。呈18年以來明顯減少趨勢春季最大，占整個研究區(qū)的4.27 %，其他依次為年度2.47 %、秋季2.44 %、夏季1.89 %。呈無顯者的變化趨勢值為0～25，在春天最大，占整個研究區(qū)的89.38 %，依次為夏季85.02 %、年度64.39 %、秋季53.19 %。大于45是明顯增加趨勢，明顯增加趨勢出現(xiàn)在夏季，夏季是植被生長旺盛期，18年以來年度變化趨勢也很明顯，占整個研究區(qū)29.13 %，依次為夏季2.14 %、秋季0.38 %、春季0.17 %。根據(jù)空間分布和結(jié)果統(tǒng)計，大部分區(qū)域無顯者變化，城市偏遠區(qū)域減少趨勢，增加最明顯的是夏季和年度的變化趨勢，因此研究區(qū)植被覆蓋度2000-2017年呈現(xiàn)于增加趨勢。季度減少強到弱呈現(xiàn)為：春季>秋季>夏季、年度為2.47 %；無顯者的變化呈現(xiàn)為：春天>夏天>秋季、年度為64.39 %；明顯增加趨勢為:夏季>秋季>春季、年度為29.13 %。

表2 天山中部北麓各級植被變化趨勢結(jié)果統(tǒng)計

3 結(jié)論與討論

本文基于2000-2017年MODIS NDVI數(shù)據(jù)，以像元基本計算單元，首先分析了天山中部北麓生長季累計NDVI的年度時空變化特征，劃分4個時期，從空間和時間上分析，并統(tǒng)計面積百分比，其次季度NDVI劃分4個時期，分析了從季度時空分布特征，然后利用差值算法揭示了研究區(qū)植被覆蓋度變化程度，最后定量評價植被覆蓋時空變化情況，研究區(qū)植被變化定性描述。

(1) 2000-2017年，天山中部北麓植被NDVI年度時空分布特征整體上呈現(xiàn)于增加趨勢。選取3-11月的數(shù)據(jù)進行計算年份，2000-2004、2004-2008、2008-2012與2012-2017年的NDVI平均法制作了4期時空分布呈現(xiàn)為：西坡、西北坡、北坡和東北坡植被覆蓋較高，北部植被覆蓋較低。2000-2017年植被覆蓋呈現(xiàn)于不斷的增加趨勢：2012-2017年>2008-2012年>2004-2008年>2000-2004年，43.36 %、38.98 %、35.10 %、22.63 %。

(2) 天山中部北麓春季(3-5月)、夏季(6-8月)、秋季(9-11月)18年NDVI的平均值表征植被生長時空分布具有不同的季節(jié)植被生長狀況具有很大的周期性差異，不同季節(jié)植被分布特征呈現(xiàn)強到弱為：夏季>秋季>春季。季度時間變化中高覆蓋區(qū)的變化，春季時間變化呈現(xiàn)強到弱為：2012-2017年>2004-2008年>2008-2012年>2000-2004年，21.51 %、16.22 %、15.52 %、14.32 %。夏季中高覆蓋明顯增加時間變化強到弱為: 2012-2017年>2008-2012年>2004-2008年>2000-2004年，53.97 %、50.65 %、45.28 %、44.51 %。秋季中高覆蓋區(qū)域時間變化呈現(xiàn)強到弱為：2012-2017年>2008-2012年>2004-2008年>2000-2004年,26.65 %、23.49 %、22.17 %、16.29 %。

(3) 為了揭示天山中部北麓地植被覆蓋度動態(tài)變化特點，利用差值算法。植被覆蓋度變化程度為7個等級，分別為明顯退化(<-0.4)、中度退化(-0.4～-0.2)、輕度退化(-0.2～-0.1)、相對穩(wěn)定(-0.1-0.1)、輕度改善(0.1～0.2)、中度改善(0.2～0.4)和明顯改善(>0.4)，小于0.1的改善區(qū)為15.69 %。差值小于-0.1退化呈現(xiàn)強到弱為:夏季>春季 >秋季、年度退化區(qū)為0.27 %;-0.1～0.1的穩(wěn)定區(qū)為：春季>秋季>夏季、年度穩(wěn)定區(qū)為84.46 %;大于0.1改善區(qū)為:夏季>秋季>春季、年度改善區(qū)為15.27 %。

(4) 定量評價植被覆蓋時空變化情況，變化率R至關(guān)重要，研究區(qū)植被變化定性描述，定義了R值及其對應的植被變化程度，季度減少強到弱呈現(xiàn)為：春季>秋季>夏季、年度為2.47 %；無顯者的變化呈現(xiàn)為：春天>夏天>秋季、年度為64.39 %；明顯增加趨勢為:夏季>秋季>春季，年度為29.13 %。