近10年辽宁省春季植被覆盖变化的遥感监测研究

近10年辽宁省春季植被覆盖变化的遥感监测研究
摘要以MODIS 250 m分辨率影像为基础,通过对MODIS L1B数据进行预处理,提取了2000—2009年春季同一时期MODIS影像的植被指数,对辽宁省植被覆盖的总体情况进行描述,分析近10年辽宁省春耕期年际间植被覆盖的空间变化情况。

研究表明:辽宁省NDVI值在空间上具有明显的地域性,呈现出东部高、西部低的态势;2000—2004年植被覆盖基本稳定,2005—2008年植被指数呈增加趋势;2008年NDVI值达近10年最高水平,2009年植被覆盖减少的情况较为严重;通过提取NDVI值与降水量曲线特征参数,结合地面降水资料,发现NDVI对降水的响应明显,降水量对辽宁省春季植被生长具有正效应。

关键词MODIS;NDVI;植被覆盖变化;遥感监测;辽宁省
RemoteSensingMonitoringofSpringVegetationCoverageVariationinLiaoningProv inceDuringRecentTenYears
JIANG Jiao-jiaoLI Guo-chunJIANG PengWEN Ri-hongYANG Meng
(Shenyang Agricultural University,Shenyang Liaoning 110866)
AbstractConsidering MODIS remote sensing image as basis,the data of MODIS L1B images in Liaoning province was calculated in Spring from 2000 to 2009,then the general situation of vegetation fraction was obtained and the spatial change situation of vegetation fraction in the whole province during the ten years was seen. The results showed that there was a spatial and regional feature of NDVI values in Liaoning province,showing the eastern and western low-momentum;vegetation cover was stable from 2000 to 2004 and vegetation index from 2005 to 2008 showed an increasing trend;the NDVI in 2008 was the highest in recent ten years,while the vegetation in 2009 severely reduced;through the extraction of NDVI values and precipitation trend,we could see the precipitation in Liaoning province had a positive effect on vegetation growth in spring.
Key wordsMODIS;NDVI;spatial variation;remote sensing monitoring;Liaoning province
植被指数是从多光谱遥感数据中提取的地表植被状况的光谱量数值,与植被的盖度、生物量等因素有较好的相关性。

常用的植被指数有归一化植被指数(NDVI)、比值植被指数(RVI)、增强型植被指数(EVI)等,其中归一化植被指数(NDVI)应用较为广泛,该指数对土壤背景的变化较为敏感,在很大程度上消除了
地形和群落结构阴影的影响,削弱了大气的干扰,增加对植被覆盖度的检测灵敏度,是反映植被生态环境的重要指标[1-5]。

该文应用近10年MODIS资料,使用RSD(Remote Sensing Desktop)遥感信息处理软件,分析辽宁省春季植被指数年际变化特征,以为辽宁省春耕期的植被分区、植物长势及植被指数与气候因子的相关分析和自然灾害监测等提供基础数据。

1研究区概况
辽宁省位于我国东北地区南部,处于东经118°53′～125°46′,北纬38°43′～43°26′。

辽宁省陆地面积14.59万km2,占中国陆地面积1.5%,海岸带长达2 100 km。

地势大致为自北向南、自东西两侧向中部倾斜,山地丘陵分列东西两厢,向中部平原下降,呈马蹄形向渤海倾斜,山地、丘陵和平原各占23%、16%、61%。

辽宁除丹东-营口-锦州连线以南属暖温带湿润半湿润季风气候外,其余辽东、辽中、辽西地区分属温带湿润、半湿润、半干旱季风气候。

境内雨热同季,日照丰富,积温较高,冬长夏暖,春秋季短,四季分明,雨量不均,东湿西干。

无霜期4~7个月,始于4月中旬前后,年降水量500~1 000 mm,辽东山区1 000 mm以上,夏季降水占全年的60%以上。

全省森林面积418.5万hm2,森林覆盖率为28.7%。

1.2研究原理
归一化植被指数(Normal:zed difference vegetation index,NDVI)计算公式:
NDVI=■
式中:ρR为红外波段,ρNIR为近红外波段,ρNIR和ρR分别对应于MODIS的CH1(0.62~0.67 μm)通道和CH2(0.841~0.876 μm)通道,生成的NDVI值在-1.0～1.0之间[7]。

这2个波段主要反映地物对太阳辐射的反射特性,对应于植被光谱的反射低谷和反射高峰。

CH2是植被遥感最理想的通道,但由于太阳高度角、卫星扫描角、大气削弱等诸方面影响,只用CH2的反射率遥感植被生长状况,结果不稳定且误差很大,理论和实际证明,采用双通道数据的各种组合得到的植被指数既能部分消除这些影响,又能加强对植被信息的反映。

地物除了植被外,一般还可分为水体、云以及土壤等,可利用它们在可见光波段(CH1)和近红外波段(CH2)的光谱特性的不同将其剔除,水体CH2-CH1 0,但与绿色植被相比也存在一定的区别,绿色植被在两波段上有陡坡效应,CH2和CH1波段值相差很大,一般情况下绿色植被的NDVI值比土壤的要大,并且随植被长势的变化和种类的不同,NDVI值也发生变化。

因此,NDVI值可作为有无植被及植被生长好坏的判据[6-7]。

3数据处理与植被指数计算
3.1遥感数据及地面观测资料
TERRA卫星MODIS是EOS系列卫星的主要探测仪器,共有36个光谱通道,分布在0.4～14.0 μm波谱范围内,分辨率为250 m的第1波段(0.62～0.67 μm)、第2波段(0.841～0.876 μm)对植被比较敏感[8]。

该文研究所用的遥感数据是美国地
球资源观测系统(Earth Observation System,EROS)数据中心提供的空间分辨率为250 m的MODIS 1B数据,数据获取时间为2000—2009年5月下旬20景MODIS 卫星遥感数据,截取区域为北纬37.95°~44.05°、东经117.90°~126.10°。

气象资料包括辽宁省气象站观测的2000—2009年5月的月平均降水量。

3.2数据处理
RSD软件操作简单、方便,在图像处理上同样取得了很好的效果,不但可以处理栅格格式的遥感数据,还可以处理卫星扫描图幅数据(SWATH)、矢量格式空间数据和一些其他格式的数据。

处理流程为:①创建辽宁省250 m分辨率蒙板,添加新层,打开待处理的图像,参数中投影采用UTM,坐标为WGS-84;②对图像进行滤波;③几何校正,该研究使用欧亚大陆水系进行校正;④对数据重采样,采用最近邻点法重采样;⑤找到感兴趣区,添加辽宁省矢量边界图,利用辽宁省地理信息数据对研究区进行提取。

其中2000、2002、2004年5月下旬数据进行了拼接处理。

对影像进行上述处理后,可在MODIS影像中提取出辽宁省的边界。

3.3植被指数计算
在RSD遥感桌面系统中,计算流程为:①使用功能菜单中的数据处理→指数计算→归一化植被指数NDVI;②确定定标系数,图像数据头文件中reflectence-scales通道的2个系数即为定标系数;③输出NDVI图像;④对NDVI 影像图进行密度分割,对负值不予分类,在影像中用黑色表示。

图1为2009年5月下旬辽宁省NDVI分布图。

以此类推,对2000—2008年逐年同一时期影像进行相同处理和计算,并对生成的NDVI影像进行叠加求平均,生成辽宁省NDVI均值分布图。

图2为辽宁省近10年春季植被覆盖分布图。

同理,对NDVI影像图相减可得相邻2年的植被指数值之差,用差值来反映年际间植被覆盖的变化情况,并根据NDVI变化值的分布情况,确定变化强度与NDVI变化值之间的关系,建立NDVI强度变化分级表(表1)。

变化强度值为一量化数值,它的作用是揭示NDVI年际变化强度。

其中,数值从1～2为负向变化(差值小于0),其含义是NDVI年际减少,即植被覆盖减少或受到破坏;3为无变化,其含义为NDVI年际变化不大,即植被覆盖情况基本不变;变化强度从4～5为正向变化(差值大于0),其含义是NDVI年际增加,即植被覆盖增加或变好。

4结果分析
4.1近10年辽宁省春季植被覆盖特征
植被覆盖及其变化是区域生态系统环境变化的重要指示,植被覆盖等级是其最直观的表现手段之一。

该研究将整个植被覆盖区分为3类(图2),分别为:一类植被区(高植被区),植被指数在0.7～1.0之间,主要分布在辽宁东部地区,即抚顺、本
溪、丹东;二类植被区(中植被区),植被指数在0.3～0.7之间,在辽宁中部、东部以及西部小范围地区均有分布;三类植被区(低植被区),植被指数在0～0.3,主要分布在辽西北地区,即阜新、锦州、朝阳等地。

利用当年某时段的植被指数与多年平均值的差异程度作为衡量指标,可以判断当年作物长势优劣,评价作物长势状况的空间分布。

由计算结果可以看出(图2),辽宁地区近10年的春耕期植被覆盖具有明显的地域性,辽宁东部地区植被指数大部分较高,属于高植被区,辽宁西部地区植被指数大部分较低,属于低植被区,这是由于辽宁省西部地区长期高温少雨,旱灾较重,中植被区分布比较分散。

从图1、2 可以看出,2009年辽宁省的植被指数分布与近10年的植被指数分布形势基本一致,辽宁东部地区总体来说植被指数较高,其中东南部部分地区略低,辽宁西部仍然属于低植被区。

但2009年高植被区NDVI值较往年高植被区NDVI值严重减少,这表明2009年植被指数值较10年平均水平有所降低。

4.2NDVI年际变化特征
通过分析同一月份NDVI年际变化图,可以发现同一区域内不同时期的NDVI变化强度情况,从而推断出植被覆盖与植被分布的变化情况。

由于MODIS 数据的空间分辨率相对偏低,在该研究中,不直接采用传统土地分类方法而是通过不同年份的NDVI值来分析植被覆盖的变化情况[9]。

2000—2004年NDVI变化强度如图3～6所示,2004—2009年NDVI变化强度如图7～11所示。

从图中可以看出,2000—2004年植被指数呈减少趋势,辽西地区负向变化区域面积较大,变化强度为中,而2002年辽宁省大部分地区植被指数增加,变化强度为中,整体来说植被覆盖基本稳定;2005—2008年植被指数变化呈增加的区域高于呈减少的区域,变化强度为中,2008年NDVI值相对较高;2009年辽宁省大部分地区呈负向变化,变化强度为中,植被指数减少情况较严重。

根据分类获得的同一月份年际变化强度图,并通过栅格数据统计,获得辽宁省春季的年际NDVI变化强度分布百分比(表2)。

可以看出,辽宁省2000—2001年NDVI负向变化百分比大于正向变化,说明在这2 年里,辽宁省的植被覆盖情况呈现下降趋势。

2001—2002年NDVI正向变化大于负向变化,说明在这2年里,辽宁省的植被覆盖情况呈现增加状态。

2002—2004年的NDVI负向变化又开始增大,但增幅不大,正、负向变化基本持平,说明植被的保持情况较为良好,植被覆盖稳定。

2005—2008年NDVI正向变化百分比超过负向变化,并逐年增加,说明植被覆盖呈增加状态。

而2008—2009年NDVI负向变化百分比远远超过正向变化,说明该年份内,辽宁省植被覆盖减少的情况较为严重。

4.3NDVI变化与降水量的关系
造成辽宁省生态系统植被覆盖发生变化的原因很多,气候因素一般包括气候因素中的温度、降水、风速、蒸散等[10]。

该文进一步研究了NDVI变化与降水量的关系,其中NDVI值为该年份5月下旬全省平均值,降水量值为4月及5月的
总降水量。

从图12可以看出,NDVI与降水量趋势基本一致,2000—2004年春季辽宁省地区NDVI变化趋势总体趋于稳定,NDVI值在0.1～0.2之间,降水量值在40～70 mm 之间,2001、2004年NDVI值相对较小,2001、2004年降水量同样相对较少,其他年份基本保持稳定;2005—2008年NDVI变化呈显著的上升趋势,值在0.2～0.5之间,降水量变化趋势与NDVI变化一致,值在40～95 mm之间,2008年降水量和NDVI均达到10年来的最大值;2009年NDVI值及降水量显著下降,降低到10年来的最低水平。

综上所述,降水量在影响辽宁省春季植被指数变化的因素中占主导地位。

5结论
该文利用MODIS-NDVI 10年数据对辽宁地区植被动态变化和空间分布进行初步研究,结果表明:辽宁省NDVI值在空间上具有明显的地域性,呈现东部高、西部低的态势;2000—2004年春季NDVI值逐年减少,但正负变化基本持平,植被情况较为良好,植被覆盖稳定;2005—2008年植被指数整体呈上升趋势,2008年NDVI值相对较高;在影响植被指数的气候因子中,降水量在影响辽宁省春季植被指数变化中占主导地位。

2009年5月下旬NDVI值减少的情况较为严重,常年较好植被区NDVI值明显低于往年,常年干旱的辽西北地区发生了有史以来最严重的干旱,造成粮食减产,这主要由于2009年春季整个辽宁省降水量较往年严重减少。

MODIS-NDVI数据适用于大范围、实时动态的植被覆盖变化动态监测,植被指数的研究为进一步获取辽宁省植被覆盖度、叶面积指数等其他生态参数提供了数据基础。

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