2012—2018 年忻州市生長季NDVI 時空變化及影響因素分析

鄭維龍

（山西工程職業學院，山西太原 030001）

0 引言

植被是連接土壤、大氣和水分等自然要素的紐帶，具有明顯的時空變化特征，是一個區域生態變化的陰晴表。通過構建長時序的植被覆蓋變化監測，對于了解一個區域的植被生長狀況和生態環境變化，具有重要意義[1]。遙感監測技術因其監測范圍廣、受約束條件小等特點，在植被變化監測中得到廣泛應用。歸一化植被指數（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI），由于其對植被監測具有較高的靈敏度，被認為是監測植被生長狀況的最佳指示因子，廣泛應用于植被覆蓋變化監測、生物生產量評估、生態環境變化監測等研究領域[2-3]。忻州市作為山西省北部生態安全保護屏障、“太忻一體化”發展戰略的重要組成部分，研究該區域植被覆蓋時空變化具有重要戰略意義。以忻州市為研究區域，利用NDVI 和氣象因子之間的關系重構2012—2018 年忻州市生長季植被覆蓋時空分布格局，探明忻州市植被覆蓋時空變化規律，為推進山西省“兩山四河一流域”生態修復治理、建設“太忻一體化經濟區”提供參考依據。

1 數據源與預處理

1.1 研究區

忻州市位于山西省中北部，地理環境復雜，屬于溫帶大陸性氣候，冬無嚴寒，夏無酷暑，四季分明。

1.2 數據源與預處理

本次研究選用美國國家航天局(NASA)提供的MODIS 中分辨率遙感數據MOD09A1 地表反射率產品，其空間分辨率為500 m，時間分辨率為8 d。實驗中，選取覆蓋忻州市1 個軌道（h26v05）的2012—2018 生長季（5—9 月）MOD09A1 數據集，在MRT 軟件中將數據進行投影轉換、掩膜等一系列預處理。在ArcGIS 軟件中通過波段運算并利用最大值合成法[4]得到每個月的月最大NDVI 時間序列影像數據集。利用中國氣象科學數據共享服務網（http://data.cma.cn/）提供的包含忻州地區及周邊氣象站的5—9月的溫度與降水數據，考慮到忻州市的高海拔特征，采用克里金插值法[3]將氣象站點的降水、溫度進行空間插值，使其空間分辨率與研究區域的NDVI一致。

2 研究方法

2.1 相關系數法

自然界中許多變量之間存在著一定的聯系，它們之間既不是確定的函數關系，也不是完全沒有關系，皮爾遜相關系數法可以定量研究兩個變量之間的關系[5]。借助于皮爾遜相關系數法可以探測忻州市NDVI與降水（或溫度）之間的相關系數，從而可以確定它們之間的相關性，具體計算式如式（1）所示：

式中：Rxy為二者的相關系數；xi為每月的降水總量（或月均溫），xˉ為研究期內降水總量（或溫度）的平均值；yi為每月的月最大NDVI，yˉ為研究期內NDVI的平均值；i為研究期，本次選取i=1～7；n為研究年份，本次選取n=7。若相關系數Rxy的絕對值越接近于1，說明二者的相關性越高；如果Rxy＞0，表明二者呈正相關，反之則呈負相關。

2.2 趨勢分析法

為了監測忻州市長時間序列的植被覆蓋變化特征，對忻州市2012—2018 年生長季與時間進行回歸分析，得到一元線性回歸方程。通過計算回歸方程斜率k，進而得出在研究期同一像元的NDVIMAX變化趨勢。當k＜0時，表示植被在研究期內呈退化趨勢，k＞0表示呈改善趨勢[5]，具體計算式如式（2）所示：

式中：i為研究期，本次選取i=1～7；n為研究年份，本次研究中n=7；NDVIMAX為年生長季最大NDVI。

3 結果與分析

3.1 植被與降水的相關性

通過式（1）得到，生長季NDVI與降水（溫度）的皮爾遜相關系數分布圖如圖1（a）所示。

圖1 忻州市植被趨勢圖

為了研究植被受降水（溫度）的影響程度，以相關系數R（-1≤R≤1）作為指標，將R按照相關標準［5］分為：高度正相關（R≥0.8）、中度正相關（0.5≤R＜0.8）、低度正相關（0.3≤R＜0.5）、不相關（-0.3≤R≤0.3）和負相關（-1≤R≤-0.3）等5 類，如圖2 所示。

圖2 忻州市植被趨勢分類圖

在空間分布上,呈高度正相關的區域主要集中在河曲縣北部、保德縣東部、繁峙縣東部及原平市西北部；呈中度正相關的區域主要分布在偏關縣及原平市東部；呈低度正相關的區域主要分布在五臺縣東部及忻府區東部；其余區域表現為不相關或者負相關。

在不同地類中，呈高度正相關區域的植被覆蓋主要以草地為主，其相關系數R為0.9；呈中度正相關區域的植被覆蓋類型以林地和耕地為主，其中林地的相關系數R為0.76，耕地的相關系數R為0.68；呈不相關或者負相關的區域是非植被覆蓋地類，它們主要分布在忻州市各個縣城的中心區域及汾河和滹沱河流域，主要是建設用地和水體。忻州市不同植被覆蓋類型對降水的相關性R由高到低依次是：草地、林地、耕地。說明在生長季忻州地區林地和草地受降水的影響較大。耕地對降水的敏感性偏低，側面說明在忻州市人工灌溉對栽培植被的生長貢獻較高。降水是忻州地區林地和草地生長的主導因素，而人工灌溉是耕地生長的主導因素。

3.2 植被與溫度的相關性

從圖1(b)和圖2(b)上可以看到：在空間分布上，植被與溫度呈高度正相關性的區域主要分布在忻州市的繁峙縣、五臺縣、靜樂縣東部及原平市南部；呈中度正相關的區域主要分布在除河曲縣西部以外的大部分區域；呈低度正相關的區域主要分布在保德縣中西部及原平市東部。呈不相關或負相關的區域主要集中在忻府區中部。

通過對不同植被覆蓋類型分析發現：呈高度正相關的植被類型是林地，其相關系數R為0.85；呈中度正相關的植被類型是耕地，其相關系數R為0.73；呈低度正相關的區域主要植被是草地，其相關系數R為0.37；呈不相關和負相關的區域主要是建設用地和水體。通過植被與溫度的相關性可以看到，在忻州市植被覆蓋與溫度的相關系數由高到低依次為：林地、耕地和草地。

在通常情況下，隨著海拔的升高，溫度會下降。忻州市植被與溫度呈高度正相關的區域主要是海拔在2000 m 以上的寧武縣、五臺山縣；呈中度正相關性的區域集中在1000~2000 m 之間的原平市、代縣等區域；呈低度正相關的區域主要是海拔在1000 m以下的忻府區、定襄縣。

3.3 趨勢變化

通過對忻州市2012—2018年間生長季最大NDVI做一元線性回歸，可以看到忻州地區7 年間植被覆蓋的變化趨勢如圖1（c）所示。參照相關標準[5]將斜率k分為明顯增加（k＞0.009 0）、中度增加（0.004 5＜k≤0.009 0）、略微增加（0.001 0＜k≤0.004 5）、基本不變（-0.001 0＜k≤0.001 0）、略微降低（-0.004 5＜k≤-0.001 0）、中度降低（-0.009 0＜k≤-0.004 5）、明顯降低（k≤-0.009 0）等7類，如圖2（c）所示。

通過圖2（c）可以看到:植被覆蓋變化趨勢呈明顯增加的區域主要集中在忻州市偏關縣、河曲縣、保德縣、原平市東部；呈中度增加的區域零星分布在忻州地區的各個縣市；略微增加的區域主要分布在靜樂縣中南部、寧武縣中部；基本不變的區域分布在神池縣中部、五臺縣東南部；略微降低的區域零星分布在靜樂縣西南部、岢嵐縣北中部等區域；呈中度降低和明顯降低的區域主要集中在忻府區中部、保德縣北部等區域。

通過對不同植被類型NDVI 一元變化趨勢做進一步分析發現:忻州市在2012—2018年間，植被覆蓋整體呈改善趨勢，但部分地理位置優越的區域呈現少量退化趨勢。

忻州市所有植被覆蓋類型中，耕地的NDVI變化趨勢最穩定，這說明人類活動對栽培植被穩定性影響較大。NDVI呈退化的區域主要零星分布在忻州市城市化發展地理位置優越的區域。對同期土地利用類型影像分析后發現，土地利用類型變化是導致這一現象的主要原因。受地形發展和經濟政策等因素的影響，忻定盆地部分區域植被退化尤為明顯，建筑用地擴展、草地退化是忻州市植被退化的主要因素。在研究期內，海拔較高的區域及人類活動干擾較少的區域植被覆蓋呈增長趨勢；在經濟發展較快的區域植被呈退化趨勢，其主要原因是城市化的發展，促進土地利用類型的變化，從而導致了植被覆蓋的退化。

4 結語

使用MODIS-NDVI 數據集，對忻州市2012—2018年生長季植被覆蓋變化進行分析，得出以下結論：

1）忻州市植被覆蓋類型與降水相關性從高到低依次為：草地、林地、耕地；忻州西部植被與降水表現出較高的相關性；人工灌溉對耕地的貢獻較高。

2）忻州市植被覆蓋與溫度的相關系數由高到低依次為：林地、耕地、草地。在空間分布上，寧武縣、五臺縣、繁峙縣的植被與溫度的相關系數較高，其余部分為中度正相關。

3）在過去的7年間忻州市植被覆蓋整體呈增長趨勢，只是各個市縣中心的植被覆蓋略有退化，城市化發展建設是導致植被退化的主要因素。