2010—2020 年秦嶺北麓NDVI 時空變化分析
——以西安市為例

馬 凌，張恒毅

（1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065；2.周至縣自然資源和規劃局，西安 710499）

植被在氣候調節、水土保持、固碳釋氧等方面發揮重要作用，是陸地生態系統的重要組成，同時也影響不同生態系統間水分循環和生物循環[1-3]。植被時空變化特征分析能反映氣候、環境和生態變化規律，具有十分重要的現實意義[4]。秦嶺是我國重要的生態屏障，秦嶺南北區域的自然環境存在明顯差異，是劃分南北氣候、降水、氣溫等方面的重要分界線，有著調節氣候、維護生物多樣性等生態服務價值。研究秦嶺地區植被覆蓋時空變化特征，對分析秦嶺生態變化趨勢、促進生態文明建設具有重要現實意義。衛星遙感作為一種常用的技術手段，在監測大面積植被長勢和時空變化特征等方面發揮重要作用，利用遙感衛星計算植被指數能準確提取地表植被覆蓋，分析植被變化趨勢[5-7]。歸一化植被指數（NDVI）是一種研究植被生長狀況的常用指數，而MODIS 衛星的MOD13A2數據產品具有高精度、長時序的優勢，在相關研究中應用廣泛[8]。本文選取秦嶺北麓西安段作為研究區，以2010—2020 年MODIS 衛星的MOD13A2 數據產品為基礎，通過ENVI5.3 軟件、ArcGIS10.5 軟件進行處理，利用最大值合成法、差值法，揭示NDVI的時空變化規律，為秦嶺生態環境變化監測提供科學參考。

1 研究區概況

西安市是陜西省省會，位于關中平原中部，下轄13 個區縣，是中國西部重要的中心城市。西安市屬于溫帶季風氣候區，四季分明，降水主要集中在7—9 月。北鄰渭河和黃土高原，南部毗鄰秦嶺，部分區縣位于秦嶺北麓，屬于我國生態文明建設的熱點區域。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據產品及處理

本研究選取2010 年和2020 年MODIS 衛星的MOD13A2 數據產品，該數據產品為美國國家航空航天局的16 d 合成數據（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/），空間分辨率為1 km，每月可獲取兩期影像。其波段包括兩種植被指數，其中增強型植被指數（EVI）能突出植被冠層的結構特征，而NDVI能有效反映植被葉綠素含量，準確估算植被長勢及覆蓋情況。根據需要，本研究選取MOD13A2 數據產品的NDVI 數據進行處理。通過MODIS 重投影工具對MOD13A2 數據產品的原始數據進行處理，選取NDVI波段進行批量投影轉換，重采樣方法為最鄰近法，輸出影像從HDF 格式轉為TIFF 格式。同時，利用ENVI5.3 軟件進行拼接、區域裁剪、剔除異常值等處理。

2.2 最大值合成法

對研究區2010—2020 年的NDVI數據進行最大值合成處理，最大值合成法對每個像元在一定時間內的值進行比較篩選，從而有效剔除因大氣環境、云量、太陽高度角等原因對NDVI數據計算造成的干擾。本研究使用ArcGIS10.5軟件的空間分析模塊，根據式（1）對西安市2010 年和2020 年1—12 月的NDVI數據進行最大值合成處理，并根據計算結果對NDVI進行重分類。

式中：NDVIi為第i年的歸一化植被指數，i取2010 和2020，分別代表2010 年、2020 年；NDVIij為第i年第j月的歸一化植被指數，j取1 ～12，分別代表1 月至12 月。

2.3 差值法

差值法通過對不同時間的NDVI影像進行像元級別的差值運算，得到區域內一定時間段內的NDVI變化情況，是一種直觀描述區域內不同時間NDVI動態變化的有效方法。本研究使用ArcGIS10.5 軟件空間分析模塊的柵格計算器，根據式（2）對西安市2010 年和2020 年NDVI數據進行差值運算，并根據計算結果對NDVI插值進行重分類，分析秦嶺北麓2010—2020 年植被生長變化趨勢。

式中：NDVIi-j為第i年與第j年歸一化植被指數的差值；NDVIi、NDVIj分別為第i年和第j年的歸一化植被指數。

3 結果與分析

3.1 西安市NDVI 時空分布特征

通過最大值合成法對西安市2010 年、2020 年NDVI數據進行處理，計算結果能較好地反映植被生長最佳狀況。根據計算結果，對區域內植被覆蓋程度進行劃分。若0.2 ＜NDVI＜0.3，則該區域為極低植被覆蓋區；若0.3 ＜NDVI＜0.6，則該區域為中植被覆蓋區；若NDVI＞0.6，則該區域為密集植被覆蓋區。通過ArcGIS10.5 軟件對不同植被覆蓋程度進行重分類，根據分類結果對不同植被覆蓋區域進行面積統計。經計算，2010 年西安市極低植被覆蓋區面積為106.42 km2，密集植被覆蓋區面積為9 079.21 km2，而2020 年西安市極低植被覆蓋區面積為73.29 km2，密集植被覆蓋區面積為8 628.41 km2。由結果可知，極低植被覆蓋區和密集植被覆蓋區面積均有所減少，中植被覆蓋區面積則有所增加。植被覆蓋程度在空間分布上呈現明顯差異，其中極低植被覆蓋區主要集中在西安市城區，以此為中心，植被覆蓋度向周圍逐漸遞增，密集植被覆蓋區則主要分布在南部秦嶺地帶，中植被覆蓋區則主要分布在西安市中部。西安市2010年NDVI均值為0.758，2020年NDVI均值為0.768，NDVI整體呈上升趨勢，以西安市城區為中心的NDVI極低植被覆蓋區呈擴張趨勢，而南部以秦嶺為主的區域則由中高植被覆蓋區向密集植被覆蓋區轉變。

研究區北部主要為城市中心，土地利用類型以建設用地為主，受人類活動影響較大，故而植被覆蓋度較低。但隨著城市不斷擴張，經政策調節，公園、防護林等的建設增加，使城市植被覆蓋度有所上升，生態環境有所改善。研究區南部秦嶺地帶以耕地、林地為主，加上政府對該區域生態環境的保護，南部生態環境進一步優化，植被覆蓋度保持整體上升的趨勢。

3.2 西安市NDVI 動態變化特征

利用差值法對2010 年、2020 年西安市的NDVI動態變化特征進行分析。根據差值計算結果，對秦嶺北麓植被動態變化程度進行分級。若NDVI≤-0.25，則該區域為植被嚴重退化區；若-0.25 ＜NDVI≤-0.15，則該區域為植被中度退化區；若-0.15 ＜NDVI≤-0.05，則該區域為植被輕度退化區；若-0.05 ＜NDVI≤0.05，則該區域為植被基本不變區；若0.05 ＜NDVI≤0.15，則該區域為植被輕度改善區；若0.15 ＜NDVI≤0.25，則該區域為植被中度改善區；若NDVI＞0.25，則該區域為植被高度改善區。通過ArcGIS10.5 軟件，對不同植被改善區域面積進行計算。結果發現，西安市植被覆蓋改善的區域達到3 047.15 km2，其中輕度改善區域面積最大，占97.99%，主要集中分布在西安市南部秦嶺地帶；植被覆蓋退化區域面積為1 810.21 km2，其中輕度退化區域面積最大，占83.31%，主要分布在西安市北部城市中心地帶；基本不變的區域則在西安市范圍內均有分布。數據顯示，2010—2020 年，西安市南部區域植被覆蓋度有所提升，生態環境改善明顯，反映政府相關政策的正確性。西安市北部則因城市發展擴張，不斷占用周邊耕地和林草用地，導致植被覆蓋度明顯下降。西安市北部植被覆蓋退化和改善現象同時存在，反映該地區在城市發展過程中注重生態文明建設。

4 結論

最大值合成法和差值法能較好地反映研究區植被覆蓋變化趨勢，西安市植被覆蓋度在空間上存在明顯差異，NDVI由秦嶺向北逐漸減小，2010—2020 年植被覆蓋度明顯上升，但不同區域植被變化情況有所差異。2010—2020 年，研究區植被覆蓋改善區域面積為3 047.15 km2，其中輕度改善區域占97.99%，主要分布在南部秦嶺地帶；退化區域面積為1 810.21 km2，其中輕度退化區域占83.31%，主要集中在北部城市中心。植被覆蓋的時空變化特征反映城市建設擴張和政府政策引導對生態環境的影響。