西北林学院学报2014,29(2):54~60 Journal of Northwest Forestry University doi:10.3969/j.issn.1001-7461.2014.02.10 基于长时间序列影像的关中地区植被时空变化分析 陈 言,刘 翔,王 薇,李亚军,范 伟,边敏娟 (核工业二。三研究所,陕西成阳712000) 摘要:利用1998--2010年SPOT-VGT NDⅥ影像对关中地区植被的时空变化进行分析。结果表 明:关中地区13 a NDVI(归一化植被指数)月平均值为0.508,月均NDⅥ值在0.308~0.684变动, 受6月作物收获影响,NDⅥ出现了5月和8月2个峰值;关中地区植被总体呈改善趋势,人类活动集 中的城区、县城和部分生态脆弱区(大荔沙苑和洽川湿地)植被出现了严重的退化;降水和气温是影响 NDVI变化的重要因子,同时经济建设生产活动对NDⅥ也有重要的影响。 关键词:SPOT—VGT NDw;植被变化;关中地区 中图分类号:¥718.5 文献标志码:A 文章编号:1001—7461(2014)一02—0054—07 Spatio——temporal Variation of Vegetation in Guanzhong Region Using Long——time Serial Images CHEN Yan,LIU Xiang,WANG Wei,LI Yaqun,FAN Wei,BIAN Min-juan (No.203 Research Institute of Nuclear Industry,Xianyang,Shaanxi 712000,China) Abstract:In this paper,SPOT—VGT NDVI images from 1998 to 2010 were used to estimate the spatial— temporal variation of vegetation in Guanzhong region.The results showed that the monthly average of NDV1 was 0.508 and changed from 0.308 to 0.684 during recent 13 years.Affected by the summer har— vest in June,there were two peak values of NDVI in May and August,respectively.The total vegetation coverage within Guanzhong region presented an increasing trend obviously,while serious vegetation degra— dations were observed in urban areas and ecological sensitive areas,such as Sayuan in Dali and Qiachuan wetland.Temperature and precipitation were the important climate factors affecting the variation of vege— tation,and the value of NDV1 was also under a great influence of the economic construction and producing activities. Key words:SPOT—VGT NDVI;vegetation change;Guanzhong region 植被作为陆地生态系统的主体部分,在地圈一生 物圈一大气圈交叉研究中具有特殊作用口],植被覆盖 度被认为是进行人类环境评价和监测的最重要参 红外波段产生的归一化植被指数(Normal Differ~ ence Vegetation Index,NDⅥ)能够相当精确地反 映植被绿度、光合作用强度、植被代谢强度及其季节 和年际变化_1 ],同时能够消除地形、群落结构阴影 和辐射干扰,削弱太阳高度角和大气所带来的噪音, 数口],植被数量和分布也经常用来作为衡量一个地 区生态系统是否安全、健康的重要指标[3 ]。植被覆 盖的稀疏和退化是导致区域水土流失、生态环境恶 化的根源[5],因此,监测植被覆盖动态变化研究具有 重要意义。 解决数据之间的高阶冗余,便于提取有效信息,为利 用遥感进行植被覆盖变化监测提供了条件¨】。 。尤 其是具有高时间分辨率的NDVI数据,如N0AA/ AVHRR NDVI数据(例如8 km空间分辨率的 GIMMS NDVI数据)、空间分辨率为1 km的 基于遥感技术对植被覆盖进行监测可以采用多 种影像数据l_6。 ,其中,由遥感数据的近红外波段和 收稿日期:2013-08—13 修回日期:2013-10—29 作者简介:陈言,女,工程师,硕士研究生,研究方向:环境影响评价、生态环境。E—mail:chenyanlw@126.corn 第2期 陈 言等:基于长时间序列影像的关中地区植被时空变化分析 55 SPOT—VGT NDVI数据以及空间分辨率为250 m 的EOs/MODIs等NDⅥ时序数据在区域乃至全 球大尺度进行植被动态监测、植被分类、全球和区域 土地覆盖分类及其变化等方面得到了广泛应用口 , 并形成一定的定量监测方法及体系。 1 研究区概况 关中地区(33。35 一35。51 N,106。18 一l1O。35 E)地处陕西省中部,西起宝鸡大散关,东到渭南潼 关,南接秦岭,北至黄土高原。包括西安、宝鸡、咸 阳、渭南、铜川5市及杨凌示范区(图1)。关中地区 总面积55 696 km ,其中平原面积25 448 km ,占该 关中地区是中国西部重要的商品粮产区,地处 陕北黄土高原和秦岭的中间地带,是典型的生态敏 感区,因此研究其植被变化具有重要意义。目前,对 关中地区植被覆盖状况的研究已有一些市域尺度的 阶段性成果__】 ],但多数局限于局部地区某几年的 区域土地面积的45.7 ,土壤肥沃,灌溉便利,属暖 温带半湿润季风气候。本研究为了更好地阐明关中 地区区域植被变化情况,按照土地利用类型和地形 植被变化情况,目前还没有使用长时间序列影像对 关中地区长期的植被覆盖时空演变和驱动力因素的 分析研究。本研究利用1998--2010年SPOT~ 因素将研究区划分为渭北高原南部、关中平原区和 陕南山区北部3个部分进行研究。渭北平原山川塬 交错,沟梁峁纵横,地形地貌独特;关中平原为渭河 VGT NDVI影像对关中地区植被的时空变化进行 研究,探讨关中地区植被的时空变化特征,并通过分 析其变化的驱动力因素,旨在为今后的生态建设规 划提供一定的科学支撑。 冲积平原,盛产小麦、棉花等,是我国重要的商品粮 产区;陕南山区北部是秦岭北部的一部分,平均海拔 >700 m 图1关中地区位置 Fig.1 Locality map of Guanzhong region 一0.1[2 。2 数据来源和研究方法 2.1数据来源 其次,关中地区1998—2O10年的逐月 气温和降水资料用于NDVI变化驱动力的分析。 2.2数据预处理 本研究所使用的主要数据为1998年4月一 2010年3月的SPOT逐句NDVI数据,空间分辨 率为1 km。来源于比利时弗莱芒技术研究所 (Flemish Institute for Techno1ogical Research,Vi— 因合成的NDVI数据受太阳角度、观测视角等 影响,仍包含很多噪音,需对构建的SPOT—VGT NDVI进行噪音处理 ,借鉴前人研究成果,采用 Savitzky—Golay滤波器L2 来拟合NDVI长期变化 趋势线,去除云噪音,并重构时序NDVI影像文件。 经反复试验本区域采用m一5、有理多项式次数为3 的滤波效果最好。 to,http://{ree.vgt.vito.be/index.php),每月3 期,共计468期影像。该数据通过大气校正、辐射校 正、几何校正和线性拉伸后,生成10 d最大化合成 NDVI数据,将一1~一0.1的值设置为 56 西北林学院学报 29卷 2.3变化趋势分析 本研究对滤波后的数据进行求平均、取最大值、 趋势分析和分区统计等分析工作。 一元线性回归可以模拟每个栅格的NDVr变 化趋势,Stow¨2 等利用该方法模拟植被的绿度变 化率。GRC被定义为某时间段内的季节合成归一 化植被指数年际变化的一元线性回归方程的斜率。 对于NDVI时间序列数据,每个像素对应有若干年 的时间序列数值。对这些数值进行线性拟合,所得 直线的斜率揭示了在该时间序列中该像素所代表的 植被指数的演化趋势。据此可显示整幅遥感影像上 每个像元所代表区域的植被变化情况:斜率>0,表 明该像素代表的植被状况得以改善;反之则是植被 状况变差。本研究采用此方法来模拟关中地区每个 栅格NDVI的变化趋势,其算法公式: ×∑i×NDVI 一(∑ )(∑NDVI ) 一—p 』 ——— — L—一(1) ×∑i 一(∑ ) i一1 i一1 式中: 为变化监测的年数;NDVI 为第i年的最大 化ND I值。 3 结果与分析 3.1区域NDVI的时间变化 3.1.1 月均NDⅥ的年内变化 关中地区13 a月 平均值NDVI为0.508(图2)。由图2可知,研究 区月均NDVI的季节变化明显(6月份除外),月均 NDVI值在0.308 ̄0.684,最小值出现在1月,然后 逐渐增加,2月之后即快速上升,到5月达到一个高 峰之后迅速下降,6月之后又逐渐增加,直到8月达 到最高值,此后迅速回落,直至最小值。这一变化是 由于6月份正值小麦收割期,而6月之后开始种植 玉米,造成了NDVI值下降后又逐渐回升。 O.8 O.7 0.6 0.5 呈 0.2 0.1 O.0 月份 图2 1998--2010年关中地区月均NDVI Fig.2 Average monthly NDVI of Guanzhong region from 1998 to 20l0 3.1.2 月均NDVI的年际变化 研究期间,关中 地区NDVI的年内变化趋势基本相同,但振幅有所 变化(图3)。对关中地区的3个区域分别求年平均 NDVI,得到总体NDVI区域特征为:南部山区(1lI 区)>渭北南部(I区)>全区>关中平原(Ⅱ区)(图 4)。研究期间,整个关中地区的植被覆盖情况得到 一定程度的改善。 全区NDⅥ 一0.018 5t+0.331 7 R 一0.315 7(2) I区NDVI 一0.019 0t+0.326 0 R。:0.331 9(3) Ⅱ区NDVI 一0.016 7t+0.304 8 R :0.301 5(4) Ⅲ区NDVI 一0.021 5t+0.389 7 R 一0.310 8(5) 式中,NDVI 为第t年的NDVI的平均值。 。・8 0・6 。.2 0.0 o 40 80 120 月序 注:横坐标的刻度值表示1998年4fl至2010年3月间各月份序列 图3 1998年4月一2O1O年3月关中地区各月NDVI Fig.3 Monthly NDVI in Guanzhong region from April 1998 to March 2010 年份 图4 1998--2010年关中地区年NDW的变化 Fig.4 Variation of annual NDVI in Guanzhong region from 1998 to 2010 3.2区域NDVI的空间变化 3.2.1 典型年份NDⅥ的空间变化 本研究计算 得出关中地区各月NDⅥ平均值影像(图5),可以 看出关中地区总体NDⅥ从3月份开始增大,受作 物收获的影响,6月有一个明显的下降,随后又逐渐 增大,直到8月达到最大值,后迅速下降,直到最小 值。这与NDVI时间变化分析结果一致。 3.2.2 区域NDⅥ的空间变化趋势 本研究采用 Stow_2钉提出的绿度变化率法计算1998--2010年间 关中地区植被变化趋势,并以一0.003、一0.001、 0.002、0.005和0.1为分段点,将该区植被变化分 为6个级别,分别为严重退化、轻微退化、基本不变、 轻微改善、中度改善和显著改善。关中地区3个区 域整体均呈上升趋势(图6),生态环境有所改善。 58 西北林学院学报 天然林保护工程的实施。同时,近年来,关中地区对 秦岭北坡荒山绿化工程建设的加强也起到了举足轻 重的作用;渭北高原南部则由于退耕还林还草工程 的实施,植被覆盖改善十分显著。 表1 不同区域1998 2010年NDVI变化趋势分级统计 Table 1 Statistics of NDVJ trend between 1998 and 2010 3O 25 20 吕 15 lO 5 苌 世 0 O .5 10 NDVI 图7关中地区多年平均气温降水与各区域多年平均NDVI的关系 Fig.7 Relationship between average temperature and precipitation with NDVI in Guanzhong region 4 结论与讨论 本研究分析了关中地区3个分区1998--2010 参考文献: [1]刘少军,李天富,陈汇林,等.基于时态GIS的植被NDVI动态监 测的模拟方法研究[刀.水土保持研究,2006,13(4):165—169. 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