基于数据的榆林市植被演化规律研究

基于MODIS数据的榆林市植被演化规律研究

卢　娜^[1]

（中国地质调查局西安地质调查中心，西安710054）

【摘　要】随着遥感技术的发展，利用卫星影像进行植被监测日益广泛。本文利用modis标准数据产品MOD13Q1及MCD12Q1，从植被覆盖及植被类型两个方面研究了陕西省榆林市植被的演化规律。结果表明，研究区植被覆盖状况自2000年以来逐渐好转；裸地或极稀疏植被覆盖面积大量减少，草地、稀疏灌丛、密集灌丛面积增加，水体面积变化不大。

【关键词】MODIS，植被指数，植被类型，榆林市

Study on Evolvement Rule

of Vegetation in Yulin Based on RS

LU Na

（Xi’an Center of Geological Survey，CGS，Xi’an，Shaanxi，710054 China）

【Abstract】Vegetation monitoring using satellite image is widely spreading with the development of RS.　Using MODIS Products（MOD13Q1 and MCD12Q1），evolve ment rule of vegetation in Yulin of Shaanxi province is studied from two aspects of vegetation cover rate and land cover type.The result shows that vegetation coverage situation has been improved gradually since 2000Bare areas and sparsely vegetated areas reduce notably.Areas of grassland，closed shrubl ands and open shrublands increase notably，but water area keeps stable.

【Key words】MODIS，vegetation index，land cover type，Yulin

MODIS标准数据产品包括陆地标准数据产品、大气标准数据产品和海洋标准数据产品等三种主要标准数据产品类型。陆地产品中的MOD13Q1为3级产品，内容为栅格的归一化植被指数和增强型植被指数（NDVI/EVI），空间分辨率250m，是在已有的植被指数的基础上改进设计的，并增强其对植被的敏感度，减少外部影响因素（如大气、观测视角、太阳角、云等）和内在的非植被因素（如叶冠背景、垃圾等）的影响。MODIS植被指数使用新的合成算法减小随观测角度的变化和太阳－目标－传感器几何学因素引起的变化。该数据经过了卫星传感器、云的覆盖、太阳天顶角及火山气溶胶的校正，因此被认为是相对标准的植被指数数据^［1］。在国内外被广泛地应用于生态环境变化的研究中^［2－6］。MCD12Q1为3级产品，是根据Terra和Aqua数据联合开发的土地覆盖分类数据，相对于数据集Collection 4，该数据集有较大改变，除了更新输入数据外，算法以及辅助数据集也进行了改善。更重要的是其空间分辨率为500m，较之前的版本提高了4倍。另外分类算法中的多个要素做了改变。训练区数据库也进行了修正，地表温度也作为一个输入要素，决策属结果后处理中用到的辅助数据集也进行了升级。此外用来改正由训练数据属性产生的分类器结果偏差的方法已经改进，用于融合基于随空间变化的先验概率的辅助数据的技术也进行了改进，并发展了一系列方法以限制算法对城市、湿地以及落叶、针叶林的划分。发展了稳定分类结果年际变化的技术，并用于减少与土地覆盖类型改变无关的年际分类结果的差异。交叉验证分析结果表明该产品总的精确度为75%，属于精度较高的（引自http://modis.gsfc.nasa.gov/sci_team/meetings/201001/presentations/posters/land/friedl.pdf）。

榆林市境内蕴藏着丰富的矿产资源。该区属温带干旱半干旱大陆性季风气候，降水稀少，蒸发强烈，水资源短缺，生态环境脆弱。矿产资源的开发势必会引起该地区生态环境的变化。因此研究该地区植被的演化规律具有十分重要的意义。本文利用MOD13Q1及MCD12Q1数据从覆盖度及植被类型两方面对该地区的植被的演化规律进行了分析。

1.研究区概况

图1　研究区位置图

Fig.1　The study area locations

榆林市位于陕西省最北部，东临黄河与山西相望，西连宁夏、甘肃，北邻内蒙，南接本省延安市。地貌大体以长城为界，北部为风沙滩地区，占总面积的42%；南部为黄土丘陵沟壑区，占总面积的58%（图1）。

植被分为天然植被和人工植被两大类。天然植被的自然属性为干草原或典型草原，属于欧亚大陆温带草原生态系统。天然植被分布具有明显的水平分带性，垂直地带性表现不明显。

大致以长城沿线为界，以南为森林草原地带，是暖温带落叶阔叶林带向草原带的过渡地带；以北为典型草原地带，沙生植被发育。

2.数据与方法

植被指数是卫星遥感领域中用来表征地表植被覆盖、生长状况的一个简单、有效的度量参数。植被指数较大说明植被覆盖较好，植被指数较小说明植被覆盖较差，因此选用NASA全球共享的MODIS—NDV I标准数据集对研究区植被覆盖演化进行研究。

经过野外勘查，该地区植被生长旺盛时间为7～10月上旬，因此采用了2000～2009年每年第177～288d的数据，共70期。对70期数据以时间为自变量，NDVI为因变量，通过最小二乘法对时间序列的NDVI数据进行线性拟合可得到一条趋势线，当像元表征区域在此10年间植被覆盖度处于增长状态时，线性拟合得到回归方程的斜率大于0，为正值，反之则斜率SLOPE＜0，为负值（图2）。

图2　线性回归分析示意图

Fig.2　diagram of linear regression analysis

土地覆盖类型产品MCD12Q1包括5种分类方案，其中第一种为国际地圈与生物圈计划IGBP的土地覆盖分类系统（IGBP－Type 1），将全球分成17个土地覆盖类型（引自https://lpdaac.usgs.gov/lpdaac/products/modis_products_table/land_cover/yearly_l3_global_500_m/mcd12q1）。现有2000～2008年数据，每年一期。本文采用了IGBP－Type 1分类方案，以2000年的土地覆盖类型作为行主题，2008年的土地覆盖类型作为列主题，生成2000～2008年间土地覆盖类型转移矩阵，并对主要土地覆盖类型的年际变化进行统计。

3.研究结果

3.1　植被指数演化规律

利用MODIS—NDVI数据计算研究区内近10年来植被变化趋势（SLOPE值）空间分布情况，结果如图3所示。

图3　榆林市2000～2009年植被指数变化趋势

Fig.3　The change trend of vegetation index from 2000 to 2009 in Yulin city

表1　变化趋势统计结果

Table 1　The statistical results of variation trend

从图中可以比较直观的看出，植被状态有变好趋势的区域在研究区内占有绝对优势，以背景的形式出现。同时，黄土丘陵地区植被变好趋势优于风沙滩地区。基本维持原状趋势的区域所占比例比较小，略有退化趋势的区域面积很小，基本未发生变化的区域主要分布在榆阳区和神木县的风沙滩地区及定边县的南部山区，而植被状态退化地区主要分布在河谷地带。

整个研究区内2000～2009年NDVI变化趋势数据统计结果在表1列出。统计结果显示，近10年来区内约71%左右的区域地表植被状况有变好的发展趋势。维持不变和略有退化的区域只占总面积的29%左右，其中约28.43%的面积维持不变，有退化趋势的区域面积百分比约为033%。整体而言植被生长发育状况朝变好的趋势发展。

按表1所列的SLOPE范围标准对风沙滩地区和黄土丘陵区分区进行统计，结果如图4所示。黄土丘陵区植被82%的区域有变好趋势，相对西部风沙滩地区而言有较大的优势。风沙滩地区植被状态比较稳定的区域与变好的区域约各占49%。两区有退化趋势的区域所占百分比都较小。

图4　线性回归斜率（SLOPE）分区统计结果

Fig.4　The statistical results of linear regression slope division

3.2　植被类型演化规律

根据转移矩阵（表2），研究区内主要土地覆盖类型面积变化有以下主要特征:

（1）水体面积变化不大，说明湖泊等地表水体未出现萎缩，保持稳定；

（2）密集灌丛虽然总体面积较小，但较2001年面积明显增加，其中约82%由湿地转化而来，18%由草地转化而来；

（3）稀疏灌丛面积明显增加，其中75%由湿地转化而来，23%由草地转化而来；

（4）草地面积明显增加，其中74%由湿地转化而来；

（5）湿地面积显著减少，转化为草地、稀疏灌丛、密集灌丛及耕地；

（6）耕地面积增加，其中53%由草地转化而来，45%由湿地转化而来；

（7）裸地或极稀疏植被面积显著减少，98%转化为草地。

4.结论

研究结果表明，2000年以来植被状况好转的趋势明显，其中植被状况变好的区域占总面积的71.22%，基本维持不变的区域占总面积的28.43%，有退化趋势的区域仅占总面积的035%。近年来研究区降水量增加，并采取了改善生态环境的政策，使得植被覆盖状况好转。

研究区内各类型覆盖面积变化趋势各不相同。湿地大面积减少，几近消失，区内湿地生态系统面临消亡。裸地或极稀疏植被面积大量减少，转化为草地，草地、稀疏灌丛和密集灌丛面积增大，这也说明了区内植被覆盖状况在好转。

表2　榆林市2001～2008年主要植被覆盖类型面积变化转移矩阵　（单位/km²）

Table2　The area transfer matrix of the main vegetation types in yulin city from 2001 to 2008

（中译英:姜凌，付恒阳检）

参考文献（Reference）

［1］MAHONEY.R，TUCKER.C.J，ANYMBA.Y，et al.Global Remote Sensing of Vegetation from Space by theNasa/Gsfc Gimms Group［M］.International Workshop on Global Chang，Tohoku Universiy.Sendai Kyodo Printing Co.Ltd，2001.

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［7］史晓杰.遥感技术在银川平原植被与土壤盐碱化分析评价中的应用［D］.中国地质大学（北京），2008.

【注释】

[1]作者简介:卢娜，中国地质调查局西安地质调查中心，工程师。