那音太 秦福莹

(1.内蒙古财经大学 资源与环境经济学院，内蒙古 呼和浩特 010070;2.内蒙古师范大学 地理科学学院，内蒙古 呼和浩特 010022)

内蒙古地区处于我国北方湿润区向干旱半干旱区的过渡带上，其生态环境十分脆弱，是全球变化最为敏感的区域之一。[1]植被覆盖变化反映了内蒙古地区生态环境的整体状况。因此，内蒙古植被覆盖状况一直被公众和科学界所关注。

卫星遥感数据以其时间和空间连续性优势，在全球植被遥感研究领域得到了广泛的应用。特别是NASA(美国国家航天局)对地观测系统MODIS传感器的高时间分辨率，高光谱分辨率和适中的空间分辨率等特点，使其在区域植被遥感研究中具有突出的优势。内蒙古地域辽阔，表面地势平坦，适合于利用遥感技术开展区域植被变化研究的理想地区之一。然而，MODIS更高时空分辨率的反射率数据需要用户自行处理，并且需要大量的数据处理工作和相关技术支持，从而某种程度上限制了其广泛应用，因此有必要对其进行数据挖掘和应用。过去针对内蒙古地区不同尺度不同时间段的植被遥感研究做了不少工作，[2－7]但是进入21世纪以来内蒙古的植被状况经历着急剧的变化，尤其最近十几年的植被变化更值得关注，有必要对其进行更加准确完整的研究，以开启未来以每10年为一个阶段，对内蒙古植被状况进行连续监测和评价工作的开端，同时也是进一步开展内蒙古更长时间序列的植被变化及其全球气候变化响应研究的重要基础。

一、研究区

内蒙古自治区位于中国北部边疆，总面积118.3万km2，平均海拔1000米左右，地貌复杂多样，年均气温在0℃ ～8℃之间，年降水量为100～450毫米，大部分属中温带大陆性气候。植被类型从东北部向西部依次由森林、草原、荒漠过渡，处于我国北方湿润区向干旱半干旱区的过渡带上，是研究区域植被变化对气候影响的理想地区之一。同时，由于气候干旱以及人为开垦破坏，其生态环境更加脆弱，因此开展内蒙古地区植被变化研究，为内蒙古近年来开展的退耕还林还草等重大工程的评估和未来草原保护治理相关政策的制定具有重要的意义。

二、研究材料

本文采用中等分辨率成像光谱仪(MODIS)陆地产品第5版数据集，覆盖内蒙古地区每8天合成的500m地表反射率数据MOD09A1，由MODIS陆地产品工作组提供(http://modis－ land.gsfc.nasa.gov)。时间范围为2000－2011共12年，每年第89天至297天27时相数据，每时相图像由7幅图像镶嵌获得，总共2268幅遥感图像。数据格式为 EOSHDF，地图投影格式为:Sinusoidal(正弦曲线投影)。

植被类型图是对1:500万的内蒙古自治区植被类型图进行数字化和重新编码后获得，森林、灌丛、草原、荒漠、人工植被、水域等六种植被类型。[8]为了尽可能消除农业植被和水体对于植被分类的影响，本文选取了森林、灌丛、草原、荒漠4种典型植被类型分别提取其2000－2011年平均NDVI，以分析4种植被类型NDVI年际变化。

三、研究方法

(一)卫星数据预处理

使用NASA免费提供的MRT(MODIS Reprojection Tools)软件将下载的数据进行格式和地图投影转换，把HDF格式转化为Tiff格式，把Sinusoidal地图投影转换为经纬度投影。在此基础上，在ENVI/IDL环境下编程实现图像的拼接和裁切等预处理工作。

(二)计算归一化植被指数

本文采用归一化植被指数对研究区2000年－2011年生长季每8天合成的反射率数据进行NDVI的提取，每年获得27幅NDVI图像，从而建立研究区生长季MODIS/NDVI时间序列数据集，用于分析研究区植被动态变化信息。

归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)是目前最为广泛应用的表征植被状况的指数，与植被覆盖度、生物量、叶面积指数及净初级生产力密切相关，[9]能够在大的时空尺度上客观反映植物的覆盖信息，是植被生长状态及植被空间分布密度的良好指示因子，归一化植被指数定义为近红外波段与可见光红波段数值之差与这两个波段数值之和的比值。其算法如下:

Band2，Band1分别对应MODIS表面反射率产品波段中，近红外波段(841nm～876nm)和红光波段(620nm ～670nm)。

(三)去云处理

MODIS反射率数据产品，本身采用最大值合成法(MFC)，将每8天最大值作为该期产品反射率值，在一定程度上消除了云层、大气、太阳高度角等噪声影响。但计算得到的NDVI数据仍然存在较多“缺口”值，为进一步提高数据质量，本文针对每年的27期NDVI数据，利用时间序列谐波分析法(HANTS)对上一步获得的 MODIS/NDVI时间序列数据进行平滑重构，有效地滤除了NDVI时间序列数据中的噪音信息，得到数据信息更加可靠的NDVI时间序列数据，用于分析研究区植被动态变化信息。图1为2011 年研究区某个像元(120°1'59.82″E，47°5'33.25″N)NDVI时间序列HANTS处理效果对比图。其核心算法是傅立叶变换和最小二乘法拟合，即将时间谱数据分解成有限个谐波(正弦波或余弦波)，从中选取若干个能反映影像时序特征的谐波进行叠加，达到重构时序数据的目的。

图1 研究区某一像元HANTS处理前后DVI时间序列曲线对比

(四)NDVI年均值的计算

MODIS每8天NDVI表征的是植被在全年中的生长状况，为了得到能够代表该年的植被生长情况，本文计算了NDVI年均值 (YNDVI)，用其代表当年NDVI的总体情况，以此定量表达该年植被长势。由于非生长季植被覆盖差，NDVI数据容易受积雪及土壤反射等因素影响，因此采用生长期NDVI平均值来表征内蒙古植被覆盖的年际变化情况，即利用植被生长季4－10月(即每年第89天－第297天)的27时相NDVI图像各象元NDVI进行加和平均作为当年的YNDVI值。然后依据内蒙古植被类型图几种主要植被类型来逐象元加和平均作为该类植被类型当年的NDVI值。即:

式中YNDVIλ，是第 λ年生长季 NDVI平均值，即2000年－2011年共12年，i的取值范围为1－27，即89d到297d。

(五)植被年际变化趋势分析

一元回归趋势线法可以模拟每个NDVI栅格单元的变化趋势，是对一组随时间变化的变量进行回归分析，预测其变化趋势的方法。通过每个像元上12年的YNDVIλ，用趋势线分析法模拟该像元YNDVIλ值在12年间的变化趋势，即植被覆盖的年际变化。计算公式为:

式中，λ为1—n的年序号，YNDVIλ是第λ年生长季NDVI平均值。slope即是这条趋势线的斜率。slope＞0，则表明NDVI在该时期植被变化趋势在改善，反之则是变差。

四、结果与分析

(一)不同植被类型NDVI的年际变化分析

根据第三节(4)NDVI年均值计算方法，获得内蒙古地区主要植被类型年均NDVI值，从而分析其2000－2011年不同植被类型 NDVI年际变化信息。通过内蒙古地区2000－2011年不同植被类型逐象元加和平均的统计结果得知，最近12年不同植被类型NDVI总平均值为森林0.4605＞灌丛0.3851＞草原0.2804＞荒漠0.0943。从图2可以看出，2000－2011年内蒙古地区植被NDVI年均值整体呈微弱上升趋势，植被覆盖略有增加，但增长趋势较缓，说明内蒙古绝大部分地区植被缓慢改善趋势。其中，森林NDVI年均值年际变化呈现出明显的波动，2003年和2007年分别出现波谷和波峰，灌丛和草原NDVI年均值总体上呈现出增加—降低—增加的趋势，荒漠NDVI年际变化基本上没有改变，保持平缓的水平。

图2 2000－2011年内蒙古地区不同植被类型NDVI年际变化

(二)内蒙古植被年际变化趋势分析

根据上述趋势分析算法，在ArcGIS9.3软件空间分析模块(Spatial Analyst Tools)的支持下，逐象元计算出内蒙古地区2000－2011年植被NDVI变化趋势图，如图3所示。并结合前人关于植被指数退化研究的划分标准，[10]对整个内蒙古地区近12a的植被NDVI年均值变化趋势进行分析，结果见表1。

表1 内蒙古最近12a植被NDVI变化趋势结果统计

从表1可以看出，植被情况基本没有变化的面积为 418154.82km2，占内蒙古总面积的 35.36%，即研究区三分之一的地区植被基本上没有发生改变。植被改善和退化的总面积分别为596174.96km2和163929.17km2，占整个内蒙古总面积的 50.41% 和13.86%。从整体上来看，植被情况得到改善的面积比植被状况退化的面积要大。轻微改善、中度改善、明显改善的面积分别占总改善面积的56.52%，27.1%和16.38%，即植被改善的面积主要以轻度改善为主。严重退化、中度退化、轻微退化的面积分别占总退化面积的 1.64%，13.65%和 84.74%，即植被退化主要以轻度退化为主。

图3 2000－2011年内蒙古地区植被NDVI变化趋势图

从内蒙古地区NDVI年均值年际变化趋势图空间格局(如图3)可以看出，植被NDVI变化趋势空间差异比较明显，其中植被明显增加的区域主要是呼伦贝尔盟中东部和兴安盟中北部，系属内蒙古东北部水热条件较好的半湿润大兴安岭及周围地区，并且海拉尔河、归流河等多条河流经过，水资源丰富;赤峰和通辽市南部喀喇沁旗、宁成、敖汉、库伦、奈曼和开鲁等以农业为主的地区。中度改善的地区主要分布在鄂尔多斯东部、呼和浩特市和锡林郭勒盟南部旗县和东北局部地区。轻度改善的地区主要分布于鄂尔多斯草原西部、巴音淖尔市北部、锡林郭勒草原西部和呼伦贝尔盟东部等地区。植被基本没有发生变化的地区主要分布在内蒙古西部阿拉善盟大部分地区、巴彦淖尔市北部、包头市东北部、乌兰察布盟西北部和锡林郭勒草原西北地区。植被退化地区主要集中在乌兰察布盟中南部大部分和锡林郭勒西南部部分农牧交错旗县;赤峰市东北部地势相对高的牧业旗县;锡林郭勒草原东北部和呼伦贝尔盟西部以牧业为主的地区也退化明显，如图3红色框所示。

五、结论

第一，2000－2011年内蒙古地区植被NDVI年均值整体呈微弱上升趋势，植被覆盖略有增加，但增长趋势较缓。其中，森林NDVI年均值年际变化呈现出明显的波动，灌丛和草原NDVI年均值总体上呈现出增加－降低－增加的趋势，荒漠NDVI年际变化基本上没有改变，保持平缓的水平。

第二，从内蒙古地区整体上来看，植被情况得到改善的面积比植被状况退化的面积大，其中植被改善的面积主要以轻度改善为主，退化主要以轻度退化为主，其中有三分之一的地区植被基本上没有发生改变。

第三，内蒙古地区NDVI年均值年际变化趋势空间格局地区差异比较明显，植被状况明显退化地区以内蒙古中东部农牧交错区为主，锡林郭勒盟东北部和呼伦贝尔盟西部以牧业为主的旗县也退化明显，因此内蒙古交错区的生态环境变迁，农业和畜牧业的合理调控将是今后内蒙古自治区及国家经济社会生态发展更进一步考虑的重点研究内容之一。

本文主要针对内蒙古最近12年不同植被类型NDVI时空变化进行分析，植被变化的监测是一个长期动态过程，需要进一步的对其进行分析。其中对更长时间序列的植被变化以及植被变化与气候变化、畜牧业、矿产开发、城市化、人口和相关政策等的关系将是下一步研究的重点。

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