2010—2019年甘肅省植被NDVI時空變化特征分析

焦世文 梁靚 陶維新 馮蘭君

摘要?[目的]分析甘肅省植被覆蓋時空變化特征，為區域生態環境規劃提供理論基礎。[方法]基于2010—2019年MODIS NDVI產品，結合土地利用、生態功能區劃分等數據，采用一元線性回歸趨勢分析方法和變異系數等分析方法對2010—2019年甘肅省植被覆蓋時空分布特征進行闡述，對植被指數變化趨勢及變化穩定性進行定量分析。[結果]甘肅省植被指數在年均月尺度上呈現單峰分布，在夏季處于高位，年均NDVI呈現穩步增長的趨勢，增速平均為0.003 2/a;植被指數空間分布具有明顯的地域差異性，西部地區NDVI值小，可認為基本無植被生長，中東部平原和祁連山地區植被長勢較好，NDVI明顯較高，南部地區NDVI最高;農業耕作區的植被指數變化波動性比較大，其他地區植被覆蓋變化趨于穩定。[結論]基于MODIS NDVI時間序列分析方法可為了解甘肅省土地覆蓋狀況、開展具有區域差異性的生態保護與修復工程等提供一定的理論依據。

關鍵詞?植被覆蓋;NDVI;時空分布;變化特征;遙感

中圖分類號?Q948?文獻標識碼?A

文章編號?0517-6611（2021）09-0070-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.09.019

Abstract?[Objective]To analyze the spatial and temporal variation characteristics of vegetation cover in Gansu Province and provide a theoretical basis for regional ecological environment planning.[Method]Based on MODIS NDVI products during 2010-2019，combined with data of land use and ecological function zone division，the spatial and temporal distribution characteristics of vegetation cover in Gansu Province during 2010-2019 were elaborated by using the analysis methods such as one-dimensional linear regression trend analysis and coefficient of variation，and vegetation index change trends and change stability were quantitatively analyzed.[Result]The vegetation index in Gansu Province showed a single-peaked distribution on the annual average monthly scale，which was at a high level in summer，and the annual average NDVI showed a trend of steady growth with an average growth rate of 0.003 2/a.The spatial distribution of multiple annual average vegetation indices had obvious geographical variability，with small NDVI values in the western region，which could be considered as basically no vegetation growth，and better vegetation growth in the central-eastern plains and Qilian Mountains.NDVI was obviously higher in the central-eastern plains and Qilian Mountains，and NDVI was the highest in the south.The vegetation index changes in agricultural cultivation areas were more volatile，and the vegetation cover changes in other areas tended to be stable.[Conclusion]The MODIS NDVI time-series analysis method can provide some theoretical basis for understanding the land cover status and carrying out ecological protection and restoration projects with regional differences in Gansu Province.

Key words?Vegetation cover;NDVI;Spatial and temporal distribution;Variation characteristics;Remote sensing

植被作為土地覆蓋最重要的一部分，在全球及區域生態系統環境變化中起著“指示器”的作用[1]。近年來，隨著城市發展及人類活動的加劇，植被退化造成的環境問題越來越嚴重，植被退化及恢復問題受到了各國政府及學術界的關注。及時準確地獲取地表植被特征和植被覆蓋變化信息，對于揭示地表植被時空變化規律和評價區域生態環境變化具有重要的指導意義;同時，開展植被覆蓋變化與氣象因子變化之間關系的研究，有助于了解氣候變化對生態環境變化的影響，對于加強生態文明建設具有很大的幫助。

植被指數可以作為一個重要的指標，直觀地反映地表植被特征和植被覆蓋信息變化。衛星遙感技術可以大范圍獲取地表植被覆蓋及其變化信息，為研究地表覆蓋時空變化規律提供了便捷的途徑。20世紀90年代以來，國內外學者針對植被指數的時空變化特征及其與氣候因子之間的相互關系開展了廣泛的研究[2]。綜合國內外研究結果可以看出，氣候變化導致北半球大部分地區植被覆蓋程度顯著增加，并且植被出現了明顯的提前回綠和生長季節延長的現象[3-4]。甘肅省位于黃河上游，屬于典型的山地型高原地貌，植被種類眾多，并且其特殊的地理位置、地形條件以及氣候等因素的差異，使得植被分布存在明顯的緯度地帶性差異和海拔垂直性差異[5]。該地區突出的土地荒漠化和沙化問題使得生態治理工作變得尤為重要，在全省人民的努力下，甘肅省生態狀況整體呈改善趨勢，生態空間格局進一步優化。目前，針對甘肅省生態環境的研究多集中在部分地區，如宋偉宏等[6]利用多期土地覆被數據、植被指數和氣象資料，分析了祁連山自然保護區內不同地表覆蓋類型下NDVI空間變化特征及趨勢，并從季節尺度分析了草地演變對氣溫和降水的響應特征;趙鴻雁等[7-8]選擇甘肅省中部為研究區，探討了多種生態保護與修復工程對地表植被覆蓋的影響，分析了地表植被覆蓋變化信息對氣候因子及地形坡度信息的響應;陸蔭等[9]利用黃河流域甘肅段不同時間的植被覆蓋變化及其與氣候因子的關系研究了植被覆蓋變化對氣候因子的時空響應規律，為區域生態環境規劃建設提供了依據。

為了實現對全省區域生態保護及修復工程治理成效的分析，并進一步指導生態環境恢復工程，有必要對全域生態環境變化狀況進行分析。該研究基于甘肅省2010—2019年MODIS NDVI數據，分析全省植被覆蓋信息的時空變化規律，以期為評價甘肅省植被覆蓋信息時空變化及生態環境變化提供依據。

1?資料與方法

1.1?數據源?MODIS NDVI數據來源于美國國家航空航天局（NASA）的MOD13A3級月合成植被指數產品，空間分辨率為1 km×1 km，時間跨度為2010—2019年。通過甘肅省行政區劃掩膜，得到2010—2019年覆蓋甘肅省全省的逐月NDVI數據;采用均值法計算得到年均及季度NDVI數據集。該研究過程中，將每年的3—5月劃分為春季，6—8月劃分為夏季，9—11月劃分為秋季，12月—次年2月劃分為冬季。

DEM數據來源于美國地質調查局ASTER GDEM V3空間分辨率30 m的數字高程。生態功能區劃數據和土地利用類型數據來源于中國生態系統評估與生態安全數據庫。

1.2?統計分析

1.2.1?NDVI變化趨勢分析。

采用一元線性回歸趨勢分析方法[10]定量分析NDVI每個柵格點的時空變化及空間差異特征。該方法基于最小二乘原理模擬每個柵格像元點植被指數的變化趨勢，以NDVI的時間變化特性反映其空間變化特性，綜合反映研究區域植被指數的時空格局演變情況[4]。計算公式如下：

式中，n為研究時間段的時間序列長度;變量i從1到n，代表各年份的序號;Ni表示像元第i年的NDVI值;Slope為趨勢線的斜率，代表2010—2019年甘肅省NDVI的變化速率，Slope>0表明研究時間段內像元植被覆蓋呈增加的趨勢，并且值越大表示增加趨勢越明顯，Slope<0表明研究時間段內像元植被覆蓋呈減少的趨勢，并且值越小表示減少趨勢越明顯，Slope=0表明研究時間段內像元植被覆蓋沒有發生明顯的變化趨勢;為了更好地分析植被變化趨勢情況，將變化趨勢劃分為5個等級，分別是明顯減小（Slope≤-0.005）、輕度減小（-0.0050.005）[11]。

1.2.2?NDVI變化穩定性。

植被覆蓋狀況的變化受人為和自然雙重干擾的影響，是植被健康狀況的重要表示特征。波動大表明植被群落變化不穩定，波動小表明植被群落變化相對穩定。變異系數[12-13]可以一定程度上反映植被指數年際變化穩定性的空間分布特征，為樣本標準差與均值的比值，計算公式如下：

式中，CV表示變異系數，SDNDVI為研究區逐年NDVI標準差，NDVI為研究時間段內NDVI多年平均值，Ni表示第i年的NDVI值，n為研究時間段的時間序列長度。該研究將植被變異程度劃分為4個等級：非常穩定（CV≤0.04）、穩定（0.040.12）[11]。

2?結果與分析

2.1?NDVI時間變化特征

從2010—2019年甘肅省NDVI變化特征（圖1）可以看出，月均NDVI變化曲線呈現單峰分布，3—5月份增長速度最快，7—8月份達到NDVI最大值，隨后開始衰減;季節分布上，4個季度的NDVI整體呈現增長的趨勢，夏季最高，秋季和春季次之，冬季最低;根據年度NDVI變化趨勢可以看出，甘肅省10年間NDVI呈現增長的趨勢，增速為0.003 2/a;2006年后，增長趨勢變大。

2.2?NDVI空間變化特征

從2010—2019年甘肅省年均NDVI的空間分布（圖2）可以看出，甘肅省植被分布具有明顯的空間地域性差異，表現為南高北低的分布規律。結合甘肅省生態功能區劃方案可知，NDVI較高的區域主要分布在甘肅省南部的秦巴山地落葉月常綠闊葉林生態區、藏東—川西寒溫性針葉林生態區，其次為黃土高原農業與草原生態區、江河源區—甘南高寒草甸草原生態區，植被覆蓋度較低的區域主要集中在荒漠生態區。植被覆蓋度空間地域性差異與甘肅省土地利用類型分布（圖3）一致。甘肅省西部地區多為裸巖石礫地、鹽堿地、沙地、戈壁等土壤水源涵養能力低，土壤干燥度大，不利于植被生長，導致該類地區生態承載能力低下，其NDVI較小，甚至無植被生長;甘肅省中東部平原地區植被以種植型農作物為主，植被長勢相對較好;祁連山地區地表植被覆蓋類型比較豐富，多以草原、草甸等分布，該地區的植被指數明顯較高;甘肅省南部地區地勢相對較低，地表水源涵養量相對較高，土壤干燥度低，生態承載能力相對較高，植被覆蓋以草原、闊葉林和針葉林為主，NDVI明顯高于其他地區[6-8，14]。

計算甘肅省逐像元的NDVI變化率，得到植被指數變化趨勢空間分布圖（圖4），甘肅省年均NDVI變化趨勢在-0.096 7～0.094 4，絕大部分地區植被分布呈現增加的趨勢，荒漠生態區植被基本不變。統計2010—2019年甘肅省NDVI變化趨勢等級劃分及面積所占百分比（表1）發現，NDVI減少的面積比例為3.18%，其中，明顯減小面積比例為1.16%，輕度減小面積比例為2.02%;增加的面積比例為49.88%，其中，輕度增加面積比例為20.78%，顯著增加面積比例為29.10%;NDVI基本不變的面積比例占46.94%;增加的面積比例遠大于減少的面積比例。近年來，隨著一系列生態保護與修復工程的推進，甘肅省全省生態系統格局整體趨于穩定，生態空間格局得到優化，植被增長進入良性循環。

從2010—2019年甘肅省NDVI變異系數分布（圖5）可以看出，在內蒙古高原中部—隴中荒漠草原生態區、黃土高原農業與草原生態區、祁連山森林與高寒草原生態區和柴達木盆地荒漠生態區植被生態環境變化比較劇烈，其他地區植被生態環境變化相對較小。蘭州市及白銀市地表多以種植農作物為主，該類地區的植被覆蓋變化大多是農業耕作的結果。

3?結論

該研究基于甘肅省2010—2019年的 MODIS NDVI產品，結合土地利用、生態功能區劃分等數據，開展了植被覆蓋時間及空間變化特征的研究，采用一元線性回歸趨勢分析方法、增長率和變異系數等分析方法定量地對NDVI時空分布特征進行了闡述，主要得到以下結論：

（1）甘肅省多年月均NDVI呈現單峰分布，植被指數在夏季處于高位;2010—2019年植被覆蓋呈現穩步增長的趨勢，2006年后，增長趨勢變大。

（2）甘肅省NDVI的空間分布具有明顯的空間地域性差異，表現為南高北低的分布規律。植被覆蓋的空間地域性差異與甘肅省土地利用類型分布一致。

（3）除荒漠生態區外，其他絕大部分地區植被分布呈現增加的趨勢;除蘭州市、白銀市及酒泉市南部植被變化波動比較大外，其他地區植被生態環境變化趨于穩定。

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