2000-2019年若爾蓋高原植被生長季NDVI時空變化特征研究

1、20002019年若爾蓋高原植被生長季NDVI時空變化特征研究摘要：基于20002019年的MODIS-NDVI時間序列數(shù)據(jù)集，應(yīng)用趨勢分析、變異系數(shù)和R/S分析 方法，研究若爾蓋高原植被生長季NDVI的時空變化特征。結(jié)果表明：20年來若爾蓋高原 87.45%的區(qū)域植被生長季NDVI呈改善狀態(tài)，其中64.70%的區(qū)域呈明顯改善狀態(tài)，22.75%的區(qū)域 呈輕度改善狀態(tài)。植被生長季NDVI的變異系數(shù)均值為0.186 5，整體上若爾蓋高原20002019年植 被生長季NDVI呈中等波動變化狀態(tài)，中等變化狀態(tài)等級所占比例最大為33.70%，其次為較低波動 變化等級比例，為33.14%。植被生長季NDV

2、I的Hurst指數(shù)均值為0.437 2，整體上呈弱反持續(xù)狀 態(tài)，弱反持續(xù)比例為77.43%，弱持續(xù)比例為21.50%。關(guān)鍵詞：歸一化植被指數(shù)；若爾蓋高原；植被；生長季；時空變化Spatio-temporal Variation of NDVI in the Vegetation GrowingSeason of the Zoige Plateau from 2000 to 2019Abstract: Based on the MODIS-NDVI time series data set from 2000 to 2019, this paper uses trend analysis, co

3、efficient of variation, and R/S analysis to reveal the spatio-temporal characteristics of NDVI during the vegetation growing season of the Zoige Plateau. The results show that in the past 20 years the NDVI in the vegetation growing season of 87.45% of the Zoige Plateau showed an improvement, of whic

4、h 64.70% showed a signicant improvement and 22.75% showed a slight improvement. The average coefficient of variation of NDVI in the vegetation growing season is 0.186 5. Overall, the NDVI in the vegetation growing season of the Zoige Plateau from 2000 to 2019 has a moderate fluctuation state. The pr

5、oportion of the medium change state grade is 33.70%, followed by the proportion of the lower fluctuation grade is 33.14%. The average Hurst index of NDVI in the vegetation growing season was 0.437 2, showing a weak anti-sustained state as a whole, with a weak anti-sustained ratio of 77.43% and a wea

6、k sustained ratio of 21.50%.Key words: NDVI； Zoige Plateau； vegetation； growing season； spatio-temporal variation植被因其重要的生態(tài)功能，在生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì) 循環(huán)和能量流動方面起著非常重要的作用 HYPERLINK l bookmark27 o Current Document 1- HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 2,在 全球氣候變暖的大背景下，植被生態(tài)系統(tǒng)特征會 呈現(xiàn)空間和動態(tài)方面的差異性 HYPERLINK l bookmark2

7、9 o Current Document 3- HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 4o因此，開展植 被覆蓋時空變化研究具有重要意義。近年來，伴 隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，植被覆蓋研究成為了分析 生態(tài)環(huán)境、氣候演變和水文過程等眾多領(lǐng)域的基 礎(chǔ) HYPERLINK l bookmark31 o Current Document 5o因為植被典型光譜特征可以通過歸一化植 被指數(shù)（NDVI）體現(xiàn) HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 6，所以國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者基 于NDVI數(shù)據(jù)探究了許多地區(qū)植被覆蓋的時空分 異格局。

8、基于NDVI數(shù)據(jù)有研究發(fā)現(xiàn)中國大部分 地區(qū)的植被覆蓋呈上升趨勢 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 7，與此相應(yīng)整體上 來說青藏高原地區(qū)NDVI呈上升趨勢 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 8- HYPERLINK l bookmark35 o Current Document 10，從青藏 高原分區(qū)來看，雅魯藏布江流域植被生長季的 NDVI呈上升趨勢 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 11，黃河源區(qū)植被生長季NDVI 變化趨勢呈整體上升局部退化態(tài)

9、勢 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 12o從地形角 度研究來說，瑪納斯河流域植被覆蓋與地形高度 呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，海拔越低、坡度越小則植被覆蓋 改善程度越大，高海拔且坡度大的地區(qū)植被覆蓋 呈退化趨勢 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 13o若爾蓋高原作為青藏高原東緣最為重要的生 態(tài)功能區(qū)，區(qū)內(nèi)分布的沼澤濕地是黃河上游重要 的水源補給地 HYPERLINK l bookmark39 o Current Document 14o若爾蓋高原地區(qū)的植被生長狀 況不僅關(guān)系到當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量的好壞，而且影 響

10、到整個黃河流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。本研究采用 20002019年MODIS-NDVI數(shù)據(jù)集，利用最大 值合成法、趨勢分析法、變異系數(shù)以及Hurst指 數(shù)法揭示若爾蓋高原植被生長季（59月）NDVI 的時空變化特征，以便掌握若爾蓋高原植被生長 季植被覆蓋的演變趨勢，為制定切實可行的生態(tài) 環(huán)境保護策略提供參考。1研究區(qū)概況若爾蓋高原位于青藏高原東緣，其地域面積 約為4.3x104 km2o若爾蓋高原行政區(qū)地域范圍包 括了四川省的若爾蓋縣、紅原縣和阿壩縣以及甘 肅省的碌曲縣和瑪曲縣。若爾蓋高原的平均海拔 約為3 700 m，高原四周為山地地形，中部為平緩 的丘狀高原地貌，中部區(qū)域地勢起伏和緩，谷地 寬廣

11、，其上發(fā)育有大片的沼澤濕地。若爾蓋高原 屬于大陸性高原寒溫帶季風(fēng)氣候控制區(qū)，高原多 年平均氣溫在0.9 - 2.5龍之間，最熱月為7月， 最冷月為1月，多年平均降水量在518 - 800 mm， 降水多集中在59月 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 13o2材料與方法2.1數(shù)據(jù)來源與處理研究使用的NDVI數(shù)據(jù)來自于美國國家航天 局（/） 的MOD- 13Q1-NDVI數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集的空間分辨率為 250 m，時間分辨率為16 d，數(shù)據(jù)格式為hdfo本 研究選取的時間范圍為20002019年若爾蓋高 原植被生長季（59月份）。采用MRT軟件對N

12、DVI數(shù)據(jù)集進(jìn)行遙感影像 的轉(zhuǎn)投影（統(tǒng)一使用 WGS_1984_UTM_ZONE_ 48N投影）,使用ArcGIS10.2軟件對遙感影像進(jìn) 行研究區(qū)矢量邊界的批量裁剪。為消除云層、大 氣以及衛(wèi)星傳感器角度等各方面的不利影響，采 用最大值合成法（MVC） HYPERLINK l bookmark39 o Current Document 14合成每月最大NDVI 值。保留NDVI值大于0.05的有植被覆蓋區(qū)域，刪 除小于0.05的無植被覆蓋區(qū)域。使用ArcGIS 10.2 軟件繪制植被生長季平均NDVI的空間分布特征 和變化趨勢，使用Sigmaplot軟件繪制曲線圖。 2.2趨勢分析法本研究采用

13、一元線性回歸方程的斜率來分析 每個像元的變化趨勢 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 15o柵格像元值斜率變化的 計算公式如下： TOC o 1-5 h z n nNDVL NDVIiSlope = （ 1）n/ n疙-i=1 i=1 /式中：Slope表示植被生長季NDVI的變化趨勢， 即斜率；n為監(jiān)測年數(shù)；NDVI：為第i年植被生長 季NDVI的平均值。一般來說，Slope0表示NDVI年際變化呈增 加的趨勢，反之則說明NDVI年際變化呈減少的 趨勢；Slope=0表示NDVI年際變化無改變。2.3變異系數(shù)分析采用變異系數(shù)（CV）來反映柵格像

14、元值的相 對波動程度 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 16- HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 17o CV的數(shù)值越大則說明植被生長 季NDVI像元值波動性越大，NDVI越不穩(wěn)定； CV的數(shù)值越小說明植被生長季NDVI越穩(wěn)定。計 算公式如下：VI, - NDVl)2(2)CV =NDVI 式中：CV為柵格像元值的變異系數(shù)；NDVL為第 i年植被生長季NDVI的平均值；NDVI為2000 2019VI, - NDVl)2(2)CV =2.4未來變化趨勢分析Hurst指數(shù)是定量描述研究對象在時間序

15、列上 長程依賴的方法 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 11，其在氣象學(xué)、金融學(xué)和水文 學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本研究基于2000 2019年植被生長季NDVI的可持續(xù)性分析，研究 未來若爾蓋高原植被生長季NDVI變化的游走情 況，采用R/S分析法計算植被生長季NDVI變化 的Hurst指數(shù)。設(shè)有一時間序列NDVItg（ /=1, 2, 3, 對于任意正整數(shù)丁，定義均值序列：1 rNDVIr = NDVIt, r = 1, 2, 3, ,nr t=1累積離差：(3)X (t,T)= (NDVIt - NDVI)1 t r(3)t=1極差：R =

16、 maxX(t,T)- minX(t,T), 丁 = 1； 2； 3； ,nIWtWTIWtWT標(biāo)準(zhǔn)差：(4)(5)(6)t=1(7) 1 t2(4)(5)(6)t=1(7)=（NDVL-NDVI），丁 = 1, 2, 3, , n- t=1-計算Hurst指數(shù)：S=式中：H即為Hust指數(shù)，可在雙對數(shù)坐標(biāo)系中用 最小二乘法擬合求得。當(dāng)H=0.5，則說明時間序 列為一個隨機序列，不存在長期相關(guān)性；當(dāng) 0H0.5,表明未來的變化狀況與過去趨勢相反, 即該過程具有反持續(xù)性；當(dāng)0.5H1，則表明未 來的變化狀況與過去趨勢一致，即該過程具有持 續(xù)性；且H越接近1，持續(xù)性越強。3結(jié)果與分析3.1植被生長

17、季NDVI的年際變化特征若爾蓋高原20002019年NDVI的年際變化 趨勢見 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 圖1。研究發(fā)現(xiàn)20年來若爾蓋高原植被生 長季平均NDVI的年際增長速率為0.001 9（ P 0.05），決定系數(shù)為0.539 4。根據(jù)變化趨勢可將植 被生長季NDVI分為3個階段（20002005年、 20062013 年和 20142019 年）。其中 20002005年植被生長季NDVI年際變化速率為每年 0.006 8； 20062013年植被生長季NDVI年際變 化速率為每年0.002 8； 20142019年植被生長 季

18、NDVI年際變化速率為每年0.005 4。0.730.720.710.700.690.680.67y = 0.001 9xy = 0.001 9x - 3.136 1R2 = 0.539 4, P 0.05y = 0.005 4x - 10.094 R2 = 0.524 2, P 0.05y = 0.002 8x - 4.863 5y = 0.006 8x - 12.948 0 R2 = 0.427 3, P 0.05 R2 = 0.650 9, P 0.05年份圖1 20年來若爾蓋高原植被生長季平均NDVI年際變化趨勢Fig. 1 Inter-annual variation trend o

19、f the average NDVI of the vegetation growth season in the Zoige Plateau in the past 20 years綜上可知，20002005年若爾蓋高原植被生 長季NDVI的年際變化速率最快，其次為2014 2019年NDVI的年際變化速率，20062013年 NDVI的年際變化速率緩慢。整體來說，若爾蓋 高原的植被生長季NDVI在20年間呈顯著上升趨 勢，表明若爾蓋高原的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在20年來呈 上升趨勢。3.2植被生長季NDVI的空間分布特征若爾蓋高原20002019年植被生長季多年平 均NDVI的空間分布格局見 HYP

20、ERLINK l bookmark15 o Current Document 圖2。整體上，若爾蓋 高原植被生長季多年平均NDVI值較高，為0.693, 若爾蓋高原NDVI分布處于高等級狀態(tài)。表明整 體上若爾蓋高原植被生長季的植被覆蓋狀況整體 上良好。將若爾蓋高原植被生長季NDVI劃分為0.05, 0.40、（0.40, 0.60和（0.60, 0.90 3 個級別，分別 代表低植被覆蓋、中等植被覆蓋和高植被覆蓋等 級。其中，低植被覆蓋區(qū)域面積比例為1.57%， 主要零散分布在瑪曲縣西部、阿壩縣西北部和紅 原縣東南部地區(qū)。中等植被覆蓋區(qū)域面積比例為 7.28%，零散分布在若爾蓋高原的西部和中部

21、地 區(qū)。高植被覆蓋區(qū)域面積的比例為91.15%，集中 成片分布在若爾蓋高原的中東部地區(qū)，該等級區(qū) 域面積占了若爾蓋高原地區(qū)的絕大部分。101E102E103Ea. NDVI年均值101E102E103Eb. NDVI年均值分級101E102E103Ec. 20142019 年101E102E103Eb. 20062013 年Fig. 23.3植被生長季NDVI101E102E103Ec. 20142019 年101E102E103Eb. 20062013 年Fig. 23.3植被生長季NDVI時序變化斜率20年來若爾蓋高原植被生長季NDVI斜率變 化見 HYPERLINK l bookmark

22、17 o Current Document 圖3。根據(jù)植被生長季平均NDVI的年際變 化趨勢，將斜率變化時序劃分為3個階段：2000 2005年植被生長季NDVI的斜率變化范圍為 -0.128 0 0.117 8,變化斜率均值為0.003 3； 2006101E102E103Ea, 20002005 年圖2 20年來植被生長季NDVI年均值及其等級分布格局Multi-year mean value of NDVI and its hierarchical distribution pattern in the vegetation growth season in the past 20 ye

23、ars2013年植被生長季NDVI的斜率變化范圍為 -0.065 0 0.065 7,均值為 0.001 4； 20142019 年植被生長季NDVI的斜率變化范圍為-0.114 9 0.122 0,均值為0.002 7。由此可知，20年來若 爾蓋高原植被生長季NDVI的變化斜率呈快一 慢一較快的變化趨勢。圖圖3 20年來植被生長季NDVI變化斜率Slope distribution of NDVI in different growing seasons in different sections of the past 20 yearsFig. 320002019年若爾蓋高原植被生長季平均

24、 NDVI變化斜率及其等級分布見 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 圖4。由 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 圖4可 知，斜率變化范圍為-0.035 6 - 0.025 7,均值為 0.000 9。根據(jù)植被生長季平均NDVI的變化斜率 及其分布規(guī)律，依據(jù)呂洋等 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 11的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將若 爾蓋高原植被生長季平均NDVI變化斜率劃分為 (-0.036,-0.004、(-0.004,-0.001、(-0.001, 0.0

25、01、 (0.001, 0.004和(0.004, 0.026)等 5 個區(qū)間，分別表示明顯退化、輕度退化、基本不變、輕度改善 和明顯改善5個等級。由 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 表1可知，其中，若爾 蓋高原22.75%的區(qū)域呈輕度改善狀態(tài)；3.43%的 區(qū)域呈基本不變狀態(tài)；8.83%的區(qū)域呈明顯退化 等級；64.70%的區(qū)域呈明顯改善狀態(tài)，這一等級 所占比重最大；0.38%的區(qū)域呈輕度退化狀態(tài)， 這一等級所占比重最小。若爾蓋高原2000 2019年植被生長季NDVI整體上呈改善態(tài)勢。101E102E103Ea.變化斜率101E102E1

26、03Eb.斜率變化分級圖4 20002019年生長季平均NDVI變化斜率及其等級分布Fig. 4 Slope and grade distribution of NDVI in different growing seasons in different sections from 2000 to 2019表1 20年來植被生長季NDVI變化斜率等級Table 1 Slope grades of NDVI change in vegetation growthseason in the past 20 yearsSlope變化范圍變化程度面積/km2占比/%(-0.036, -0.004明顯退

27、化3 743.08.83(-0.004, -0.001輕度退化161.90.38(-0.001, 0.001基本不變1 454.43.43(0.001, 0.004輕度改善9 645.222.75(0.004, 0.026)明顯改善27 390.364.70101E102E103Ea.變異系數(shù)3.4植被生長季NDVI時序變異系數(shù)若爾蓋高原20002019年植被生長季NDVI 的變異系數(shù)見 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 圖5。由 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 圖5可知，若爾蓋高原20 年來

28、植被生長 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 季NDVI HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 變異系數(shù)的均值為0.186 5, 表明20年來 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 若爾蓋高 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 原植被生長季NDVI在整體 上處于中等波 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 動變化 HYPERLINK l bookmark20 o

29、Current Document 狀態(tài)。高波動變化等級主要 零散分布在若 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 爾蓋高 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 原的四周及其中部區(qū)域，低 波動變化等級 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 集中連 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 片分布在若爾蓋高原的中東 部區(qū)域。101E102E103Eb.101E102E103Eb.變異系數(shù)分級圖5近20年植被生長季NDVI的

30、變異系數(shù)及其等級Fig. 5 Variation coefficient and grade of NDVI in vegetation growth season in the past 20 years由 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 表2可知，若爾蓋高原植被生長季NDVI變 異系數(shù)等級分類中的中等波動變化等級面積的比 例最大，為33.70%；低波動變化等級面積的比例 最小，為3.90%；相對較低波動變化等級面積的 比例為33.14%；相對較高波動變化等級面積的比 例為21.67%；高波動變化等級面積的比例為7.69%。 3.5植被生長

31、季NDVI未來變化趨勢對20年來若爾蓋高原植被生長季NDVI進(jìn)行 Hurst指數(shù)分析，結(jié)果見 HYPERLINK l bookmark21 o Current Document 圖6。若爾蓋高原Hurst指 數(shù)的均值為0.432 8，表明未來植被生長季NDVI呈 弱反持續(xù)性，生態(tài)環(huán)境有退化的趨勢。根據(jù)呂洋 等 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 11的劃分標(biāo)準(zhǔn)將若爾蓋高原植被生長季NDVI 的Hurst指數(shù)劃分為了 4個等級（ HYPERLINK l bookmark23 o Current Document 表3），分別為 （0.00, 0.2

32、5、（0.25, 0.50、（0.50, 0.75和（0.75, 1.00），101E102E103Ea. Hurst 指數(shù)分別代表Hurst指數(shù)等級的強反持續(xù)、弱反持 續(xù)、弱持續(xù)和強持續(xù)。其中強反持續(xù)占比為 1.02%，弱反持續(xù)占比為77.43%，弱持續(xù)占比為 21.50%，強持續(xù)占比最小，為0.05%。表2 20年來植被生長季NDVI變異系數(shù)等級統(tǒng)計Table 2 Statistics of NDVI coefficient of variation in vegetation growth season in the past 20 yearsCV變化范圍變異程度面積/km2占總面積 百

33、分?jǐn)?shù)/%(0.00, 0.10低波動變化1 658.13.90(0.10, 0.15較低波動變化14 037.433.14(0.15, 0.20中等波動變化14 319.933.70(0.20, 0.30較高波動變化9 209.621.67(0.30, 0.80)高波動變化3 267.37.69101E102E103Eb. Hurst指數(shù)分級圖6植被生長季NDVI的Hurst指數(shù)及其等級分布Fig. 6 Hurst index and its grade distribution of NDVI in vegetation growing season表3 20年來植被生長季NDVI的Hurst指數(shù)等級Table 3 Hur