2000-2019年若尔盖高原植被生长季NDVI时空变化特征研究

1、20002019年若尔盖高原植被生长季NDVI时空变化特征研究摘要：基于20002019年的MODIS-NDVI时间序列数据集，应用趋势分析、变异系数和R/S分析 方法，研究若尔盖高原植被生长季NDVI的时空变化特征。结果表明：20年来若尔盖高原 87.45%的区域植被生长季NDVI呈改善状态，其中64.70%的区域呈明显改善状态，22.75%的区域 呈轻度改善状态。植被生长季NDVI的变异系数均值为0.186 5，整体上若尔盖高原20002019年植 被生长季NDVI呈中等波动变化状态，中等变化状态等级所占比例最大为33.70%，其次为较低波动 变化等级比例，为33.14%。植被生长季NDV

2、I的Hurst指数均值为0.437 2，整体上呈弱反持续状 态，弱反持续比例为77.43%，弱持续比例为21.50%。关键词：归一化植被指数；若尔盖高原；植被；生长季；时空变化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植被因其重要的生态功能，在生态系统物质 循环和能量流动方面起着非常重要的作用 HYPERLINK l bookmark27 o Current Document 1- HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 2,在 全球气候变暖的大背景下，植被生态系统特征会 呈现空间和动态方面的差异性 HYPERLINK l bookmark2

7、9 o Current Document 3- HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 4o因此，开展植 被覆盖时空变化研究具有重要意义。近年来，伴 随着遥感技术的发展，植被覆盖研究成为了分析 生态环境、气候演变和水文过程等众多领域的基 础 HYPERLINK l bookmark31 o Current Document 5o因为植被典型光谱特征可以通过归一化植 被指数（NDVI）体现 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 6，所以国内外相关学者基 于NDVI数据探究了许多地区植被覆盖的时空分 异格局。

8、基于NDVI数据有研究发现中国大部分 地区的植被覆盖呈上升趋势 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 7，与此相应整体上 来说青藏高原地区NDVI呈上升趋势 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 8- HYPERLINK l bookmark35 o Current Document 10，从青藏 高原分区来看，雅鲁藏布江流域植被生长季的 NDVI呈上升趋势 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 11，黄河源区植被生长季NDVI 变化趋势呈整体上升局部退化态

9、势 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 12o从地形角 度研究来说，玛纳斯河流域植被覆盖与地形高度 呈负相关关系，海拔越低、坡度越小则植被覆盖 改善程度越大，高海拔且坡度大的地区植被覆盖 呈退化趋势 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 13o若尔盖高原作为青藏高原东缘最为重要的生 态功能区，区内分布的沼泽湿地是黄河上游重要 的水源补给地 HYPERLINK l bookmark39 o Current Document 14o若尔盖高原地区的植被生长状 况不仅关系到当地生态环境质量的好坏，而且影 响

10、到整个黄河流域的生态环境质量。本研究采用 20002019年MODIS-NDVI数据集，利用最大 值合成法、趋势分析法、变异系数以及Hurst指 数法揭示若尔盖高原植被生长季（59月）NDVI 的时空变化特征，以便掌握若尔盖高原植被生长 季植被覆盖的演变趋势，为制定切实可行的生态 环境保护策略提供参考。1研究区概况若尔盖高原位于青藏高原东缘，其地域面积 约为4.3x104 km2o若尔盖高原行政区地域范围包 括了四川省的若尔盖县、红原县和阿坝县以及甘 肃省的碌曲县和玛曲县。若尔盖高原的平均海拔 约为3 700 m，高原四周为山地地形，中部为平缓 的丘状高原地貌，中部区域地势起伏和缓，谷地 宽广

11、，其上发育有大片的沼泽湿地。若尔盖高原 属于大陆性高原寒温带季风气候控制区，高原多 年平均气温在0.9 - 2.5龙之间，最热月为7月， 最冷月为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材料与方法2.1数据来源与处理研究使用的NDVI数据来自于美国国家航天 局（/） 的MOD- 13Q1-NDVI数据集，该数据集的空间分辨率为 250 m，时间分辨率为16 d，数据格式为hdfo本 研究选取的时间范围为20002019年若尔盖高 原植被生长季（59月份）。采用MRT软件对N

12、DVI数据集进行遥感影像 的转投影（统一使用 WGS_1984_UTM_ZONE_ 48N投影）,使用ArcGIS10.2软件对遥感影像进 行研究区矢量边界的批量裁剪。为消除云层、大 气以及卫星传感器角度等各方面的不利影响，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的有植被覆盖区域，删 除小于0.05的无植被覆盖区域。使用ArcGIS 10.2 软件绘制植被生长季平均NDVI的空间分布特征 和变化趋势，使用Sigmaplot软件绘制曲线图。 2.2趋势分析法本研究采用

13、一元线性回归方程的斜率来分析 每个像元的变化趋势 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 15o栅格像元值斜率变化的 计算公式如下： TOC o 1-5 h z n nNDVL NDVIiSlope = （ 1）n/ n疙-i=1 i=1 /式中：Slope表示植被生长季NDVI的变化趋势， 即斜率；n为监测年数；NDVI：为第i年植被生长 季NDVI的平均值。一般来说，Slope0表示NDVI年际变化呈增 加的趋势，反之则说明NDVI年际变化呈减少的 趋势；Slope=0表示NDVI年际变化无改变。2.3变异系数分析采用变异系数（CV）来反映栅格像

14、元值的相 对波动程度 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 16- HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 17o CV的数值越大则说明植被生长 季NDVI像元值波动性越大，NDVI越不稳定； CV的数值越小说明植被生长季NDVI越稳定。计 算公式如下：VI, - NDVl)2(2)CV =NDVI 式中：CV为栅格像元值的变异系数；NDVL为第 i年植被生长季NDVI的平均值；NDVI为2000 2019VI, - NDVl)2(2)CV =2.4未来变化趋势分析Hurst指数是定量描述研究对象在时间序

15、列上 长程依赖的方法 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 11，其在气象学、金融学和水文 学等领域有着广泛的应用。本研究基于2000 2019年植被生长季NDVI的可持续性分析，研究 未来若尔盖高原植被生长季NDVI变化的游走情 况，采用R/S分析法计算植被生长季NDVI变化 的Hurst指数。设有一时间序列NDVItg（ /=1, 2, 3, 对于任意正整数丁，定义均值序列：1 rNDVIr = NDVIt, r = 1, 2, 3, ,nr t=1累积离差：(3)X (t,T)= (NDVIt - NDVI)1 t r(3)t=1极差：R =

16、 maxX(t,T)- minX(t,T), 丁 = 1； 2； 3； ,nIWtWTIWtWT标准差：(4)(5)(6)t=1(7) 1 t2(4)(5)(6)t=1(7)=（NDVL-NDVI），丁 = 1, 2, 3, , n- t=1-计算Hurst指数：S=式中：H即为Hust指数，可在双对数坐标系中用 最小二乘法拟合求得。当H=0.5，则说明时间序 列为一个随机序列，不存在长期相关性；当 0H0.5,表明未来的变化状况与过去趋势相反, 即该过程具有反持续性；当0.5H1，则表明未 来的变化状况与过去趋势一致，即该过程具有持 续性；且H越接近1，持续性越强。3结果与分析3.1植被生长

17、季NDVI的年际变化特征若尔盖高原20002019年NDVI的年际变化 趋势见 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 图1。研究发现20年来若尔盖高原植被生 长季平均NDVI的年际增长速率为0.001 9（ P 0.05），决定系数为0.539 4。根据变化趋势可将植 被生长季NDVI分为3个阶段（20002005年、 20062013 年和 20142019 年）。其中 20002005年植被生长季NDVI年际变化速率为每年 0.006 8； 20062013年植被生长季NDVI年际变 化速率为每年0.002 8； 20142019年植被生长 季

18、NDVI年际变化速率为每年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年份图1 20年来若尔盖高原植被生长季平均NDVI年际变化趋势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综上可知，20002005年若尔盖高原植被生 长季NDVI的年际变化速率最快，其次为2014 2019年NDVI的年际变化速率，20062013年 NDVI的年际变化速率缓慢。整体来说，若尔盖 高原的植被生长季NDVI在20年间呈显著上升趋 势，表明若尔盖高原的生态环境质量在20年来呈 上升趋势。3.2植被生长季NDVI的空间分布特征若尔盖高原20002019年植被生长季多年平 均NDVI的空间分布格局见 HYP

20、ERLINK l bookmark15 o Current Document 图2。整体上，若尔盖 高原植被生长季多年平均NDVI值较高，为0.693, 若尔盖高原NDVI分布处于高等级状态。表明整 体上若尔盖高原植被生长季的植被覆盖状况整体 上良好。将若尔盖高原植被生长季NDVI划分为0.05, 0.40、（0.40, 0.60和（0.60, 0.90 3 个级别，分别 代表低植被覆盖、中等植被覆盖和高植被覆盖等 级。其中，低植被覆盖区域面积比例为1.57%， 主要零散分布在玛曲县西部、阿坝县西北部和红 原县东南部地区。中等植被覆盖区域面积比例为 7.28%，零散分布在若尔盖高原的西部和中部

21、地 区。高植被覆盖区域面积的比例为91.15%，集中 成片分布在若尔盖高原的中东部地区，该等级区 域面积占了若尔盖高原地区的绝大部分。101E102E103Ea. NDVI年均值101E102E103Eb. NDVI年均值分级101E102E103Ec. 20142019 年101E102E103Eb. 20062013 年Fig. 23.3植被生长季NDVI101E102E103Ec. 20142019 年101E102E103Eb. 20062013 年Fig. 23.3植被生长季NDVI时序变化斜率20年来若尔盖高原植被生长季NDVI斜率变 化见 HYPERLINK l bookmark

22、17 o Current Document 图3。根据植被生长季平均NDVI的年际变 化趋势，将斜率变化时序划分为3个阶段：2000 2005年植被生长季NDVI的斜率变化范围为 -0.128 0 0.117 8,变化斜率均值为0.003 3； 2006101E102E103Ea, 20002005 年图2 20年来植被生长季NDVI年均值及其等级分布格局Multi-year mean value of NDVI and its hierarchical distribution pattern in the vegetation growth season in the past 20 ye

23、ars2013年植被生长季NDVI的斜率变化范围为 -0.065 0 0.065 7,均值为 0.001 4； 20142019 年植被生长季NDVI的斜率变化范围为-0.114 9 0.122 0,均值为0.002 7。由此可知，20年来若 尔盖高原植被生长季NDVI的变化斜率呈快一 慢一较快的变化趋势。图图3 20年来植被生长季NDVI变化斜率Slope distribution of NDVI in different growing seasons in different sections of the past 20 yearsFig. 320002019年若尔盖高原植被生长季平均

24、 NDVI变化斜率及其等级分布见 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 图4。由 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 图4可 知，斜率变化范围为-0.035 6 - 0.025 7,均值为 0.000 9。根据植被生长季平均NDVI的变化斜率 及其分布规律，依据吕洋等 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 11的划分标准，将若 尔盖高原植被生长季平均NDVI变化斜率划分为 (-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 个区间，分别表示明显退化、轻度退化、基本不变、轻度改善 和明显改善5个等级。由 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 表1可知，其中，若尔 盖高原22.75%的区域呈轻度改善状态；3.43%的 区域呈基本不变状态；8.83%的区域呈明显退化 等级；64.70%的区域呈明显改善状态，这一等级 所占比重最大；0.38%的区域呈轻度退化状态， 这一等级所占比重最小。若尔盖高原2000 2019年植被生长季NDVI整体上呈改善态势。101E102E103Ea.变化斜率101E102E1

26、03Eb.斜率变化分级图4 20002019年生长季平均NDVI变化斜率及其等级分布Fig. 4 Slope and grade distribution of NDVI in different growing seasons in different sections from 2000 to 2019表1 20年来植被生长季NDVI变化斜率等级Table 1 Slope grades of NDVI change in vegetation growthseason in the past 20 yearsSlope变化范围变化程度面积/km2占比/%(-0.036, -0.004明显退

27、化3 743.08.83(-0.004, -0.001轻度退化161.90.38(-0.001, 0.001基本不变1 454.43.43(0.001, 0.004轻度改善9 645.222.75(0.004, 0.026)明显改善27 390.364.70101E102E103Ea.变异系数3.4植被生长季NDVI时序变异系数若尔盖高原20002019年植被生长季NDVI 的变异系数见 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 图5。由 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 图5可知，若尔盖高原20 年来

28、植被生长 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 季NDVI HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 变异系数的均值为0.186 5, 表明20年来 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 若尔盖高 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 原植被生长季NDVI在整体 上处于中等波 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 动变化 HYPERLINK l bookmark20 o

29、Current Document 状态。高波动变化等级主要 零散分布在若 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 尔盖高 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 原的四周及其中部区域，低 波动变化等级 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 集中连 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 片分布在若尔盖高原的中东 部区域。101E102E103Eb.101E102E103Eb.变异系数分级图5近20年植被生长季NDVI的

30、变异系数及其等级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，若尔盖高原植被生长季NDVI变 异系数等级分类中的中等波动变化等级面积的比 例最大，为33.70%；低波动变化等级面积的比例 最小，为3.90%；相对较低波动变化等级面积的 比例为33.14%；相对较高波动变化等级面积的比 例为21.67%；高波动变化等级面积的比例为7.69%。 3.5植被生长

31、季NDVI未来变化趋势对20年来若尔盖高原植被生长季NDVI进行 Hurst指数分析，结果见 HYPERLINK l bookmark21 o Current Document 图6。若尔盖高原Hurst指 数的均值为0.432 8，表明未来植被生长季NDVI呈 弱反持续性，生态环境有退化的趋势。根据吕洋 等 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 11的划分标准将若尔盖高原植被生长季NDVI 的Hurst指数划分为了 4个等级（ HYPERLINK l bookmark23 o Current Document 表3），分别为 （0.00, 0.2

32、5、（0.25, 0.50、（0.50, 0.75和（0.75, 1.00），101E102E103Ea. Hurst 指数分别代表Hurst指数等级的强反持续、弱反持 续、弱持续和强持续。其中强反持续占比为 1.02%，弱反持续占比为77.43%，弱持续占比为 21.50%，强持续占比最小，为0.05%。表2 20年来植被生长季NDVI变异系数等级统计Table 2 Statistics of NDVI coefficient of variation in vegetation growth season in the past 20 yearsCV变化范围变异程度面积/km2占总面积 百

33、分数/%(0.00, 0.10低波动变化1 658.13.90(0.10, 0.15较低波动变化14 037.433.14(0.15, 0.20中等波动变化14 319.933.70(0.20, 0.30较高波动变化9 209.621.67(0.30, 0.80)高波动变化3 267.37.69101E102E103Eb. Hurst指数分级图6植被生长季NDVI的Hurst指数及其等级分布Fig. 6 Hurst index and its grade distribution of NDVI in vegetation growing season表3 20年来植被生长季NDVI的Hurst指数等级Table 3 Hur