羅 勇，閆文德

（1.廣東省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，廣東 廣州 510520；2.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004）

基于MODIS/NDVI時序數(shù)列的長沙市植被覆蓋動態(tài)變化

羅 勇1，閆文德2

（1.廣東省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，廣東 廣州 510520；2.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004）

NDVI是識別植被的一個重要參數(shù)，與植被蓋度有明顯的相關(guān)性。NDVI時序變化曲線反映了植被隨時間的推移而發(fā)生的生長和變化狀況。本研究利用2000～2009年長沙市MODIS數(shù)據(jù)，采用均值變化法分析了長沙市連續(xù)10 a NDVI的時空演變。結(jié)果顯示：這10 a間，植被在生長季（4～10月）總體長勢較好，年均NDVI都在0.9以上；從時間角度來看，NDVI呈現(xiàn)緩慢增加趨勢，但期間出現(xiàn)2個峰值和1個最低值，分別為2002年、2006年和2003年；從空間角度來看，東部NDVI最高，西部其次，中部最低，植被覆蓋以中、高植被覆蓋區(qū)為主，隨時間變化，NDVI在空間上表現(xiàn)出波動變化；NDVI年代際變化率表明，長沙市NDVI值在2000～2009年連續(xù)10 a時間里，既有增加，也有減少。2003、2007和2009年年代際變化率為負(fù)值，其余年份為正值。

植被覆蓋動態(tài)變化；MODIS；NDVI；時序；長沙市

陸地生態(tài)系統(tǒng)是人們賴以生存和持續(xù)發(fā)展的生命支持系統(tǒng)。人口增長、工業(yè)化和城市化的推進(jìn)，化石燃料的燃燒，森林砍伐，草原退化以及過度放牧等人類活動，造成大氣中“溫室氣體”濃度迅速增加。由此引起的全球氣候和環(huán)境問題，已引起世界各國科學(xué)家和相關(guān)政府的高度關(guān)注[1]。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)主體的植被生態(tài)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、涵養(yǎng)水源、保持水土和維持區(qū)域生物多樣性等方面具有重要的作用，同時植被生態(tài)系統(tǒng)也是表征地方、區(qū)域乃至全球尺度生態(tài)系統(tǒng)狀況、環(huán)境壓力和景觀變化的指示器[2]。而植被覆蓋的稀疏和退化是導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化的根源，其變化將對地理環(huán)境產(chǎn)生巨大影響。因此，對植被覆蓋進(jìn)行動態(tài)變化研究具有重要意義[3]。

信息技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，為多尺度、大范圍、高時效的植被監(jiān)測提供了科學(xué)和技術(shù)支撐。運用遙感圖像反映地表植被覆蓋信息時常用的植被指數(shù)包括：歸一化植被指數(shù)NDVI、改進(jìn)植被指數(shù)AVI、高級歸一化植被指數(shù)ANVI等[4-5]。其中，由于NDVI進(jìn)行植被監(jiān)測具有靈敏度較高，能夠消除地形和群落結(jié)構(gòu)的陰影和輻射干擾等優(yōu)勢[6-7]，其數(shù)值大小與植被覆蓋高低具有很高的正相關(guān)，能夠相當(dāng)精確地反映植被綠度、光合作用強度，植被代謝強度、長勢、繁茂程度及其季節(jié)和年際變化[8]。因此，在全球等大尺度的植被動態(tài)監(jiān)測、植被分類、作物長勢檢測和物候監(jiān)測等方面得到了廣泛應(yīng)用[9-10]。孫紅雨等[11]通過NOAA/AVHRR 數(shù)據(jù)生成NDVI指數(shù)，并與地理數(shù)據(jù)數(shù)字影像結(jié)合對植被綜合分類以及景觀生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行深入研究；張鐿鋰等[12]對三江源地區(qū)NDVI變化總態(tài)勢進(jìn)行了分析。

長沙市位于中國中南部的長江以南地區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，在全球變暖背景下，水熱狀況的變化必然導(dǎo)致這一地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)的變化。同時，陸地生態(tài)系統(tǒng)的演變也必然會通過地面與大氣之間的能量平衡、水汽交換和生物地球化學(xué)循環(huán)等相互作用對氣候變化產(chǎn)生影響[13]。因此，本研究以RS與GIS為技術(shù)支撐，采用連續(xù)10 a (2000～2009年)的長沙市MODIS數(shù)據(jù)，通過分析植被覆蓋的時空動態(tài)變化，以期了解該區(qū)域植被覆蓋的動態(tài)變化，進(jìn)而認(rèn)識該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)變化，為該區(qū)域合理制定土地利用方案和促進(jìn)經(jīng)濟和諧穩(wěn)定發(fā)展提供幫助。

1 研究區(qū)概況

長沙市為湖南省省會，位于湖南省東北部湘江下游, 跨湘江兩岸, 呈南北狹長分布, 是湖南省政治、經(jīng)濟、交通文化中心。其中市區(qū)轄芙蓉、天心、岳麓、開福、望城、雨花六區(qū)，總面積1 450 km2，總?cè)丝?71 146 萬人。屬于典型的亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，氣候溫和濕潤，季節(jié)變化明顯，年平均氣溫17.2 ℃，年平均降雨量1 360 mm，地貌類型包括低山、丘陵、崗地、沖積平原等多種類型[14-15]。研究區(qū)域地理位置見圖1。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

MODIS數(shù)據(jù)來源于美國LPDAAC(Land Process Distribution Active Archive Center)，空間分辨率為250 m×250 m，時間分辨率為16 d。本研究研究時限為2000～2009年的每年4月～10月，共140景。通過長沙市矢量圖，在Envi中進(jìn)行圖像截取、影像鑲嵌，坐標(biāo)和投影轉(zhuǎn)換等處理，最后利用Matlab軟件計算出每景的NDVI值。為進(jìn)一步消除云、大氣、太陽高度角等的部分干擾，本研究采用最大合成法(MVC)獲取每月的NDVI。為避免某些極端月份NDVI數(shù)值的影響，年NDVI值采用均值法獲得。最后利用Arcgis進(jìn)行柵格重分類，成圖。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig. 1 Location of study area

2.2 數(shù)據(jù)計算

式(1)中：NDVI為歸一化植被指數(shù)，NIB為近紅外波段(0.725～1.10 μm)，VS為可見光波段(0.58～0.68 μm)。

3 結(jié)果與分析

3.1 長沙市年均NDVI隨時間變化趨勢

表1和圖2給出了2000年～2009年長沙市NDVI年均值及其變化趨勢。從中可以看出，研究區(qū)植被覆蓋呈現(xiàn)不斷的波動變化。2000～2009年NDVI值都在0.9以上，變化范圍在0.983 4～0.998 9之間，變化幅度不是很大，但期間出現(xiàn)2個峰值和1個最低值，即2002年、2006年和2003年。2000～2002年NDVI值呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，但增長速度逐漸減緩，2003年NDVI值出現(xiàn)下降，并降低到這10 a間的最低，2003年后，NDVI值逐年增加，2006年以后呈現(xiàn)波動下降的趨勢。雖然這10 a間，長沙市年均NDVI值呈現(xiàn)波動變化，但從趨勢線可以看出，2000～2009年間，長沙市年均NDVI值呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢。

3.2 長沙市年均NDVI空間變化趨勢

由于NDVI與植被覆蓋有較好的正相關(guān)，因此基于不同時期N 的動態(tài)變化，可有效實現(xiàn)對研究區(qū)植被覆蓋度的動態(tài)監(jiān)測?；谀壳癗DVI植被覆蓋分區(qū)的研究方法，將研究區(qū)植被覆蓋分為弱植被覆蓋區(qū)(NDVI在0～0.13之間)、稀疏植被覆蓋區(qū)(NDVI在0.13～0.3之間)、低植被覆蓋區(qū)(NDVI值在0.3～0.45之間)、中植被覆蓋區(qū)(NDVI值在0.45～0.6之間)、高植被覆蓋區(qū)(NDVI值在0.6～0.75之間)和密集植被覆蓋區(qū)(NDVI值在0.75～1之間)等區(qū)域[3]。

表1 長沙市年均NDVI值Table 1 Mean annual NDVI in Changsha

圖2 長沙市年均NDVI變化曲線Fig. 2 Variation of mean annual NDVI in Changsha

圖3 2000～2009年長沙市植被覆蓋狀況分布Fig.3 Distribution of vegetation covers in Changsha (2000～2009)

從圖3可看出，研究區(qū)東部植被覆蓋度最好，西部其次，中部相對較差。具體而言，2000～2002年，研究區(qū)東部綠色面積逐漸增大，橙色、黃色區(qū)域面積逐漸減少，說明這一時間段，研究區(qū)東部高植被和密集植被覆蓋呈現(xiàn)上升的趨勢，西部綠色區(qū)域面積雖有增加，但與東部相比，增加不明顯，以中植被和高植被覆蓋為主，中部植被覆蓋狀況基本保持不變，以弱植被和稀疏植被覆蓋為主；2003年東部綠色面積減小，中西部黃色區(qū)域面積增大，尤其是中西部增加明顯，說明2003年研究區(qū)植被覆蓋較差，主要為低植被和高植被覆蓋區(qū)；2004～2009年，研究區(qū)東、西部植被覆蓋雖存在波動變化，但仍以中植被和高植被覆蓋為主。此外，低植被覆蓋區(qū)在東部呈現(xiàn)出波動增加的趨勢，中部NDVI在0.3以下，且面積也呈現(xiàn)波動增加的趨勢。

3.3 NDVI年代際變率分析

從NDVI年代際變化率角度來看，長沙市NDVI值在2000～2009年連續(xù)10 a時間里，既有增加，也有減少(圖4)。2003年、2007年和2009年為年代際變化率為負(fù)值，其中2003年年代際變化率最大，達(dá)到-1.576%，主要反映在弱植被覆蓋區(qū)和稀疏植被覆蓋區(qū)面積的增大。值得一提的是，2008年年代際變率為0.060%，而2009年年代際變率轉(zhuǎn)變?yōu)?0.665%，尤其對于中西部而言，植被覆蓋從低、中植被覆蓋區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榈椭脖桓采w區(qū)和稀疏植被覆蓋區(qū)。說明2008～2009年間，研究區(qū)植被覆蓋度有明顯下降趨勢。

圖4 2000～2009年長沙市NDVI年代際變化率Fig.4 Decade percent changes of NDVI in Changsha (2000～2009)

4 結(jié)論與討論

基于長沙市2000～2009年MODIS數(shù)據(jù)，對長沙市NDVI進(jìn)行了研究。從時間變化來看，長沙市2000～2009年年均NDVI值呈現(xiàn)波動變化，并呈小幅上升趨勢，年均NDVI均在0.9以上，變化范圍在0.983 4～0.998 9之間。這主要是因為，研究時限為每年的4～10月，在亞熱帶地區(qū)，此時間段為植物的生長季。值得注意的是，2003年NDVI出現(xiàn)極小值，這可能是因為，2003年長沙市出現(xiàn)了嚴(yán)重的旱情，且氣溫特別高，持續(xù)時間特別長[16]。如此嚴(yán)重的旱情，對植物生長造成了重大影響，由此導(dǎo)致2003年長沙市NDVI值較其他年份低。2003年后，NDVI呈現(xiàn)上升趨勢，2006年后開始呈現(xiàn)下降的趨勢，2007年NDVI出現(xiàn)了較小幅度的下降。這可能是因為2007年長沙市持續(xù)高溫少雨，出現(xiàn)了50 a一遇的旱情[17]，但在有關(guān)部門和組織的努力下，使得旱情有所緩解。值得一提是，尤其是2008～2009年間，NDVI下降趨勢明顯。這可能是因為2008年中國南方收到雪災(zāi)的影響，低溫凍害給植被生長創(chuàng)造了極為不利的自然條件，由此造成2008～2009年長沙市NDVI急劇下降。

從空間變化來看，NDVI值較高的為長沙市東部，其次為西部，最低位中部。這可能是因為長沙市東部和西部以山地和丘陵為主，森林等植被覆蓋率較高；中部湘江從中穿過，城市建設(shè)沿湘江兩側(cè)向東西向發(fā)展。因此，中部土地利用類型主要為城市建設(shè)用地，在城市化快速推進(jìn)的當(dāng)今，中部植被覆蓋率要明顯低于受城市化影響較小的東、西部。從時序角度看空間變化，可以發(fā)現(xiàn)，東、西部NDVI呈現(xiàn)波動變化，而中部則相對穩(wěn)定，這主要是因為東、西部植被覆蓋率較高，其覆蓋率受到自然和人為活動雙重因素的影響，尤其是自然因素中的氣溫和降水，其變率的變化對NDVI的影響較大，而中部則以建成區(qū)為主，其植被覆蓋率相對比較穩(wěn)定。

從NDVI年代際變化率角度來看，長沙市NDVI既有增加，也有減少。2003年年代際變化率最大，達(dá)到-1.576%，主要是因為持續(xù)的高溫干旱，導(dǎo)致弱植被覆蓋區(qū)和稀疏植被覆蓋區(qū)面積的增大。2008年年代際變率為0.060%，而2009年年代際變率轉(zhuǎn)變?yōu)?0.665%。這可能是由于罕見的雨雪天氣[18]，不僅造成植被物理性變化，也給植被生理及生長創(chuàng)造了極為惡劣的外部條件，導(dǎo)致植被覆蓋度呈現(xiàn)明顯下降趨勢。

本研究僅探討了長沙市不同時序NDVI的時空變化，并沒有深入分析造成這種變化的內(nèi)在原因，因為NDVI的變化受到多種因素的影響和制約，如氣溫、降水、人類活動等，如能將不同時序的NDVI、氣溫、降水、土地利用、 植被類型圖等進(jìn)行疊置分析和相關(guān)分析，將能更為準(zhǔn)確的綜合分析NDVI變化及其影響因素。

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Dynamic changes of vegetation cover in Changsha city based on MODIS/NDVI

LUO Yong1, YAN Wen-de2
(1. Guangdong Forestry Survey and Planning Institute, Guangzhou 510520, Guangdong, China;2. Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

∶ The change of vegetal index can reveal the evolvement of environment. Long-term quantitative analysis of vegetal distribution and change can illustrate the reasons of environment change. Based on the continuous MODIS data with the spatial resolution of 250 m × 250 m and temporal resolution of 16 d from 2000 to 2009, by means of some image software such as ENVI 4.8 and Arcgis 9.3,the variations of NDVIin Changsha were analyzed. The results show that the plantations were growth well between the months April and October and the annual mean NDVIwere all above 0.9, the NDVIshowed a slow increase trend which varied with years; from the space perspective, the highest NDVIwas in the east and next is west, the middle part was the lowest and they showed a fl uctuation change with years. The vegetation cover mainly was in medium and high; the annual gradient indicates that the NDVIin Changsha city between 2000 and 2009 both increased except in 2003, 2007 and 2009.

∶ dynamic change of vegetation cover；MODIS; NDVI; time series; Changsha city

S731.2

A

1673-923X(2014)06-0019-05

2013-10-31

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研子專項（201104005）；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃（NCET-10-0151）；廣東省林業(yè)廳項目（2012KFCX019-01）

羅 勇（1976-），男，河南信陽人，博士，高級工程師，主要從事森林生態(tài)、土壤污染等方面的研究

[本文編校：文鳳鳴]