張磊+莊艷+張立影

摘要：本文基于Modis數(shù)據(jù)，借助遙感技術，獲得了內(nèi)蒙古自治區(qū)17年的植被指數(shù)數(shù)據(jù)。結(jié)合概率論、統(tǒng)計學對數(shù)據(jù)進行了分析并預測了未來的變化趨勢，為“十三五”生態(tài)規(guī)劃提供了科學依據(jù)。

關鍵詞：內(nèi)蒙古；植被指數(shù)；分析

中圖分類號：X835 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2017）02-0100-08

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.02.019

內(nèi)蒙古自治區(qū)位于祖國的正北方，地處歐亞大陸內(nèi)部，面積100余萬km2，占全國總面積的12.3%。全區(qū)地勢較高，地域廣袤，距離海洋較遠，邊沿有山脈阻隔，氣候以溫帶大陸性季風氣候為主。有降水量少而不勻，風大，寒暑變化劇烈的特點。復雜的地形和植被結(jié)構使生態(tài)植被地區(qū)差異明顯。

植被指數(shù)是利用衛(wèi)星不同波段探測數(shù)據(jù)組合而成的，是能反映植物生長狀況的指數(shù)。在遙感領域中，植被指數(shù)一直以來都是用來量化地表植被覆蓋情況和生長狀況的一個簡單而又直接的參考指標。隨著遙感技術的發(fā)展和領域探索不斷擴大化。就本行業(yè)而言，植被指數(shù)被用來反演土地利用和覆蓋的變化，利用植被指數(shù)實現(xiàn)植被退化、水土流失、土地荒漠化、土地鹽漬化、草原退化、森林破壞等的監(jiān)測。

利用基于Modis-NDVI的植被指數(shù)研究對自然資源、國家決策等都具有非常大的價值。本文通過對內(nèi)蒙古自治區(qū)大量的Modis-NDVI數(shù)據(jù)的分析，并預測未來變化趨勢，達到了生態(tài)植被監(jiān)測的目的。

1 技術路線

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

Terra衛(wèi)星隸屬于美國地球觀測系統(tǒng)計劃，modis是搭載在該衛(wèi)星上的一個重要的傳感器。本文選用由美國國家航空航天局提供的該衛(wèi)星13Q1產(chǎn)品資料建立2000-2016年時間序列，分析內(nèi)蒙古自治區(qū)全境植被覆蓋指數(shù)。由于受到積雪等氣候原因限制，節(jié)選時間段定義為每年的5-9月。

1.2 使用軟件及數(shù)據(jù)前處理方法

對全部數(shù)據(jù)的處理使用MRT及arcgis10.3.1，統(tǒng)計數(shù)據(jù)使用Excel2013。對相同拍攝日期的衛(wèi)星影像進行鑲嵌、轉(zhuǎn)投影、排除無效像素、降噪等處理，生成16天鑲嵌數(shù)據(jù)，單年合計10期。之后對單年的10景數(shù)據(jù)進行最大化合成[1]，其目的為以當年最好的植被生長水平代表全年植被狀況。掩膜提取歷年內(nèi)蒙古自治區(qū)范圍內(nèi)的全部像素，生成時間序列使用影像。

1.3 研究方法

1.3.1 數(shù)值統(tǒng)計及均值分析

分析計算歷年內(nèi)蒙古植被指數(shù)均值，通過一元線性回歸方程計算出歷年的全區(qū)植被指數(shù)變化特征，根據(jù)變化特征可以反應出全區(qū)整體的植被在過去的17年里變化趨勢。

對時間序列使用影像求取平均值，用以體現(xiàn)在過去的17年里內(nèi)蒙古自治區(qū)植被指數(shù)的空間分布。計算公式如下：

式中：NDVI平均為時間序列的植被指數(shù)總平均值，NDVIi為第i年的植被覆蓋指數(shù)，n為時滯數(shù)（此處n=17）。

1.3.2 趨勢線分析

為了解全區(qū)NDVI的空間變化規(guī)律，模擬逐個像元的NDVI變遷趨勢，需要采用一元線性回歸的方式來計算趨勢線，趨勢線的斜率和相關系數(shù)R的計算公式如下：

式中：θslop為NDVI的年紀變化趨勢線的斜率，n為累計年份數(shù)，i為年份的時滯數(shù)，NDVIi為年NDVI的最大合成值。

趨勢線的斜率代表植被指數(shù)在過去的17年里的變化規(guī)律：當θslop>0時，呈現(xiàn)改善趨勢；當θslop=0時，不變；當θslop<0時，呈現(xiàn)退化趨勢。趨勢線的相關系數(shù)代表NDVI在過去的17年里變化的顯著性，當 R>0時為正向相關，當R<0時，為負向相關。計算出R后，需要經(jīng)過查表求取顯著性，當通過0.001檢查時為極顯著，當通過0.01檢查時為顯著，當通過0.5檢查時為弱顯著，當臨界值<0.5時，為未通過顯著性檢查，其意義為無顯著性變化。分別對斜率和相關系數(shù)依據(jù)以上分級，進行重分類之后合并分級圖，得到植被時空變遷趨勢圖。

1.3.3 植被波動狀況與植被異常指數(shù)分析[2]

離差是單項數(shù)值與平均值之間的差，其意義為可能出現(xiàn)結(jié)果與平均預期的偏離程度。標準差：是總體各單位標準值與其平均數(shù)離差平方的算術平均數(shù)的平方根。它反映組內(nèi)個體間的離散程度。它的值越大則表示偏離平均值越遠，對應的當年的NDVI值變化也就越大。對標準差數(shù)據(jù)以自然間斷點（排除0值）進行分級，分成5類，其等級分別為極高波動、較高波動、波動、較低波動、極低波動。

植被異常指數(shù)是由離差除以累計年份標準差而計算得出。植被異常指數(shù)對地表干濕變化極為敏感，當其值為正的時候，植被高于預期狀態(tài)，說明該段時間內(nèi)環(huán)境較為濕潤；當其值為負的時候，植被低于預期狀態(tài)，說明該段時間內(nèi)環(huán)境較為干旱。其計算公式如下：

1.3.4 重標極差分析[3]

重標極差法又叫變標度極差法，是英國水文學家H.E.Hurst 1951年總結(jié)多年尼羅河水文資料提出來的。該方法通過對長期的時間序列記憶的過程，預測未來時間序列的趨勢變化。重標極差法的精髓是計算赫斯特指數(shù)（H），依據(jù)其理論有如下屬性：H∈（0，1），當H>0.5時間序列在未來呈現(xiàn)正持續(xù)性，當H=0.5呈現(xiàn)隨機性游走，當H<0.5時間序列呈現(xiàn)反持續(xù)行，且越逼近兩極持續(xù)性越強。其計算公式如下：

差分序列：NDVIk=NDVIi-NDVIi-1

均值序列：

標準差序列：

累計離差序列：

極差序列：

Y序列：Y=Rk/Sk≡（R/S）k

赫斯特關系式：Y=C×XH

等式兩邊同時求對數(shù)有：LnY=LnC+H×LnX

式中：

a.差分序列：本研究時間節(jié)點為2000-2016年，總計含有17年的影像數(shù)據(jù)，其時滯關系為m∈[1， 17]。前后兩年NDVI求差分后，獲得差分序列個數(shù)為16個，因此重新建立差分序列k，k∈[1，16]。

b.均值序列：n為差分序列時滯累計總數(shù)，即16。

c.累計離差和離差序列：，τ為觀測值，τ與k的關系為

d.H求解： 當k=1時極差和標準差都為0，沒有意義，因此再次重新建立時滯關系X，X∈[1，15]。最后在雙對數(shù)坐標系下通過最小二乘法擬合求H。

2 結(jié)果與分析

2.1 時空分布特征

內(nèi)蒙古自治區(qū)植被指數(shù)于0.0042～0.9242之間。以自然間斷點法對全區(qū)植被指數(shù)進行5級重分類可見，植被指數(shù)以東北部為最高，西部為最低。全區(qū)植被指數(shù)以極低等級所占面積比例最大，以極高為次，其他各等級均在10個百分點左右。詳見圖1、表1。

植被指數(shù)在2000-2016年的波動范圍是0.4017～0.4941，在2012年達到最大值，在2001年達到最低值。全區(qū)植被指數(shù)在過去的17年里呈現(xiàn)上升趨勢。2012年NDVI離群波動性達到最大，2010年最逼近平均值。詳見表2、圖2。

2.2 趨勢線分析[4-5]

內(nèi)蒙古自治區(qū)植被變化在過去的17年里以改善為主，其占國土資源總面積的97.28%；局部地區(qū)植被出現(xiàn)了退化，占全區(qū)總面積的12.72%；保持不變的土地面積所占比例最小，可忽略不計。

極顯著性退化和顯著性退化面積較小，總和不超過1個百分點；弱顯著性退化面積占全區(qū)總面積的4.39%；14.71%和7.37%的土地動態(tài)變化呈現(xiàn)出了改善和退化，但其變化無顯著性；33.87%的土地植被呈現(xiàn)弱顯著性改善，20.98%的土地呈現(xiàn)顯著性改善，17.37%的土地呈現(xiàn)極顯著性改善。詳見表3、圖3。

2.3 波動性分析

全區(qū)NDVI標準差介于0.0145～0.3671之間，總體波動程度不高。以自然間斷點法進行分級后可知：全區(qū)以低等級波動為主，高波動區(qū)域面積最小。詳見表4、圖4。

2.4 異常值分析

全區(qū)平均植被異常指數(shù)介于-1.5729～1.7344之間，全區(qū)以干旱環(huán)境為主。由于受到全球氣候變化影響，17年來全區(qū)各地植被異常指數(shù)發(fā)生了不同程度的變化，各地較本地區(qū)歷年平均狀況相比，濕潤狀況呈現(xiàn)逐年上升趨勢。詳見表5、6，圖5、6。

2.5 重標極差分析

內(nèi)蒙古自治區(qū)植被指數(shù)時間序列赫斯特指數(shù)介于（0，0.7967）之間，依據(jù)赫斯特指數(shù)的函數(shù)函數(shù)屬性，將數(shù)據(jù)以0.5為中心分級，分級后，與植被指數(shù)時間序列趨勢線斜率做疊加分析。分析后得知：在未來17年的時間，全區(qū)80.51%和11.81%的土地經(jīng)歷過改善和退化后，植被指數(shù)將向初始狀態(tài)發(fā)展；不到8%的土地植被將繼續(xù)沿著目前的改善和退化狀態(tài)發(fā)展。詳見表7和圖7。

3 討論

提取正持續(xù)退化像元，鏈接全區(qū)縣域矢量數(shù)據(jù)，計算各縣域正持續(xù)土地植被退化面積和該面積所占各縣域的百分比。以自然間斷點法做分級處理后發(fā)現(xiàn)，未來植被退化正持續(xù)區(qū)域集中于黃河流域及東部的大小興安嶺等各生態(tài)功能區(qū)和錫林郭勒草原。通過使用高分辨率衛(wèi)星影像的觀測可以看出，造成上述現(xiàn)象的主要原因有三點：城市的對外擴張、地下資源開采和自然原因。見圖8。

4 結(jié)論

內(nèi)蒙古自治區(qū)植被的生長與干旱是濕潤環(huán)境高度一致，植被指數(shù)東部最高、西部最低，全區(qū)植被指數(shù)分布以極低等級為主，植被的生長環(huán)境以干旱為主。在過去的17年里，全區(qū)植被指數(shù)隨時間的發(fā)展呈現(xiàn)上升趨勢，同時也伴隨一定程度的波動，整體的波動性不高，歷史最高值年為2012年，最低值年為2001年。全區(qū)各地的干旱狀況逐年好轉(zhuǎn)，且濕潤環(huán)境的總面積呈現(xiàn)上升趨勢。全區(qū)大部土地植被呈現(xiàn)改善趨勢，但是仍有12.7%的土地發(fā)生退化，退化現(xiàn)象以點狀彌散性分布全區(qū)各地。在未來的三個五年計劃期間，大部分發(fā)生植被退化的土地植被指數(shù)朝著起始年份發(fā)展，其中1%的土地將繼續(xù)惡化。建議全區(qū)各級相關人民政府對有關地區(qū)加大管控力度。

參考文獻

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