丁少文 陈亦妍 谭丽荣 赵兴云 郭媛媛

(山东省水土保持与环境保育重点实验室，临沂大学资源环境学院，山东 临沂 276005)

0 引 言

植被是生态系统的重要组成部分，在外界因素影响下，其数量特征、外貌和结构等不断变化，遥感和地理信息技术的发展为宏观快速监测植被动态变化提供了新手段[1-5].基于遥感的归一化植被指数(NDVI)能够很好的反映植被覆盖度、生物量和叶面积指数等[5-8]，被广泛应用于区域及全球尺度范围内植被动态监测以及植被对环境变化的响应研究中[9-16].Badgley等[17]在NDVI基础上提出了植被近红外反射率指数(NIRv：near-infrared reflectance of vegetation)，NIRv值等于近红外地面反射率和NDVI的乘积，它在一定程度上考虑到像元内植被比例和土壤反射率等因素的影响，经过系统研究发现NIRv与日光诱导叶绿素荧光、光合有效辐射分量和总第一性生产力(GPP)具有高度一致性.

蒙山地区植被种类繁多，覆盖率相对较高，具有很高的旅游价值和研究价值.前人曾对该区植被格局变化驱动力[18]、植被恢复与重建的现状和程度[19]、区域不同植被对土壤的改良作用与机制[20]等做了研究，但长期以来利用植被指数研究该区植被动态变化的工作相对缺少.本文以蒙山地区为研究区域，基于MODIS地表反射率数据计算蒙山地区2001—2016年的NDVI和NIRv值，并进行对比分析，在此基础上揭示蒙山地区近16年来植被时空动态变化，以期为区域生态环境的保护和治理提供参考.

1 研究区域概况

蒙山位于山东省的东南部(35°10′～36°00′ N，117°35′～118°20′ E)，地跨平邑、蒙阴、费县和沂南4县，呈西北—东南走向，长75 km，总面积1 125 km2，主峰海拔1 156 m，为山东省第二高峰(图1).蒙山气候属暖温带大陆性季风气候，四季分明, 光照充足，年平均气温11.8～13.2 ℃，年平均降水量800 mm.该区地形较为复杂，水土生境多变，森林覆盖率在85%以上，有乔灌植物83科415种，藤本植物12科25种，草本植物20科200多种，各类中草药植物达150科550多种，是山东省植物种类和特有植物最丰富的地区之一[21].蒙山面积仅占全省的 0.74%，物种丰富度远高于山东的平均值.山体表面主要为片麻岩和花岗片麻岩，山脚有石灰岩覆盖，土壤类型以棕壤为主，呈微酸性至中性[22].

图1 研究区地理位置图

2 数据来源与预处理

本文研究所用到的8天合成MODIS地表反射率数据，MOD09Q1从美国航天航空局(NASA)陆地过程分布动态数据中心(land processes distributed active archive center，LP DAAC)网站下载(https://lpdaac.usgs.gov/)获得.该数据空间分辨率为250 m，时间跨度为2001—2016年，格式为HDF.本文对蒙山地区2001—2016年的数据进行处理，每年23幅影像，共192幅.图2显示了数据处理步骤：(1)在ArcGIS中，从每个HDF文件中提取红光反射率波段、近红外反射率波段(NIR)和质量控制图层，并利用质量控制图层的信息对红光和近红外波段图层质量差或者受到云干扰的像素进行掩模；(2)利用ArcGIS中的栅格计算器计算了8天合成的NDVI序列；(3)计算2001—2016月NDVI和月NIR数据，对于每一个像元，计算了每一个月份包含的掩模后NDVI和NIR数值的中位数；(4)对于每个像元2001—2016年缺失的月NDVI或者NIRv数据进行插值，考虑到月NDVI或者NIRv非线性波动性特点，我们采用三次样条插值方法对缺少的值进行补插；(5)合成年NDVI和NIRv的值：对于每一个像元计算每年包含的12个月的NDVI或NIRv数据的和，研究表明生长季或一年内NDVI的总和可以很好的反映植被光合作用活动和生产力[10-11]；(6)在ArcGIS10.2中利用ProjectRaster工具对每年的NDVI和NIRv进行投影变换到墨卡托投影(UTM-50 N)，然后利用蒙山研究区边界和Extract By Mask工具剪切出蒙山地区2001—2016逐年NDVI和NIRv数据；(7)利用线性回归分析获得蒙山地区总体和每个像元年NDVI和NIRv的变化趋势.

Yt=at+b+e

其中，t代表时间(年)，Yt代表第t年的NDVI或NIRv，a代表斜率(变化趋势)，b代表截距，e代表误差服从均值为0的正态分布.

此外，本研究还用到了年MODIS GPP数据，MOD17A3也从美国航天航空局(NASA)陆地过程分布动态数据中心(LP DAAC)网站下载，空间分辨率为1 000 m，时间跨度为2001—2015年，格式为HDF.按照上述步骤，利用数据控制层对年GPP数据进行掩模、投影变换和剪切，最后得到蒙山地区2001—2015年的年GPP图层，将蒙山地区年GPP数据与年NDVI和年NIRv所反映的植被变化进行对比分析，揭示植被变化的空间差异.

3 结果分析与讨论

3.1 蒙山地区植被的时间变化

(1)蒙山地区植被的季节变化

从月NDVI和月NIRv的数值及变化曲线(图3)可以看出，月NDVI的数值要明显高于月NIRv值，但二者的变化过程具有很好的一致性.每一年NDVI与NIRv值均有明显的季节变化，呈现出先增加后降低的趋势，其中，最小值出现在冬季，最大值出现在夏季.这表明植被覆盖度在一年内是先增加后减少的，这种年内变化特点是与蒙山地区的气候条件相吻合的.蒙山地区植被的生长季为4—10月份，随着春季气温的回升，植被在4月下旬开始大范围返青进入生长期，夏季植物生长茂盛，植被覆盖度较高，相应出现NDVI和NIRv的高值；而在生长季结束，从10月下旬开始进入非生长季，植被开始落叶枯萎，植被覆盖度较低，相应出现NDVI和NIRv的低值.进一步深入对比NDVI和NIRv两个指数的变化特征发现，虽然二者的变化趋势大体一致，但是在非生长季(即10月至次年4月)NIRv值的波动比NDVI值的波动要小，在谷值附近相对平缓，这表明NIRv指数在植被覆盖度较低的非生长季数值相对稳定.

图2 数据的处理过程

图3 蒙山地区2001—2016年NDVI和NIRv指数的月变化特征图

(2)蒙山地区植被的年际变化

为了分析蒙山地区2001—2016年植被的年际变化情况，本文逐年提取了蒙山地区NDVI值和NIRv值，为了增加可对比性，分别对年NDVI和年NIRv两组数据利用极差标准化方法进行标准化.对标准化之后的两组数据利用线性回归方程进行拟合，结果如图4所示.

图4 研究区NDVI和NIRv指数的年际变化及线性回归分析图

从图4中显示的曲线变化可知，NDVI和NIRv两种指数所反映的植被动态变化趋势基本一致，表明NDVI和NIRv指数在反映植被动态变化上能够相互印证.具体来看，NDVI和NIRv两个指数的谷值均出现在2002年，随着年份的推移，二者的数值虽有波动现象，但整体呈上升趋势，说明蒙山地区的植被在2001—2016年整体上是增加的，植被逐渐增多，区域生态环境逐渐变好.

仔细对比分析两个指数标准化值的变化可以发现，虽然两个指数变化的总趋势是上升的，但在不同阶段增长的速度是不同的.自2001—2008年，NDVI和NIRv的增长速度明显大于2009—2016年间的增长速度，表明2001—2008年，研究区域植被覆盖度快速增加，而2009—2016年之间植被覆盖的增长趋势有所减缓.这是因为自1998年以来政府先后出台了一系列优惠政策，鼓励各县兴办旅游业并邀请专家制定了蒙山旅游发展规划，确定了蒙山生态旅游的发展主题，为蒙山生态旅游业的快速、持续、健康发展提供了依据[23].同时，“蒙山国家森林公园” “沂蒙山国家地质公园”等的获批也促进了该区植被的修复和保护，在这一背景下，蒙山地区植被覆盖率得到快速增加.

3.2 蒙山地区植被的动态变化

对研究区内每个像元年NDVI和NIRv两个指数自2001—2016年的值进行线性拟合，同时逐像元将2001—2015年的GPP做线性拟合，得到每个像元线性拟合方程的斜率值，用来反映每个像元的植被变化趋势.在数据处理过程中，对线性回归分析的斜率进行了t检验，发现绝大多数像素的变化是显著的(p<0.05).将研究区内所有像元NDVI、NIRv和GPP的斜率值进行作图比较(图5)，进一步探讨研究区植被的空间动态变化趋势.

图5 2001—2016年蒙山地区NDVI(a)、NIRv(b)和GPP(c)的 空间变化特征图

当某个像元的斜率值小于零时，说明该像元植被活动是降低的，植被呈退化趋势；当像元的斜率值大于零时，表明该像元植被活动是增加的，植被呈现变好趋势，并且数值越大表明该地的植被改善程度也越高.由图5可知，NDVI、NIRv和GPP三个指数斜率值大于零的像元数远远多于小于零的像元数，表明三个指数均反映出蒙山地区植被覆盖度增加改善的区域远远大于植被退化的区域，植被总体上是变好的，植被退化(即斜率值小于零的像元)的现象主要分布在蒙山西北部的极少数地区.进一步对比分析图5(a)、图5(b)和图5(c)所显示的蒙山区域内部三个指数斜率值的空间变化，可以看出，斜率值在空间上的分布均呈现出东南高、西北低的特征，且斜率值大的地区在东南部集中呈现，表明蒙山东南部地区植被的改善更为明显，而西北部地区植被改善的程度相对较小，甚至部分地区出现植被退化的现象.这是因为东南部地区为蒙山森林公园的主体部分，海拔相对较高，植被覆盖度较好，分布有明光寺林场、塔山林场和谭家林场，景区管理严格，受人类活动干扰较小，因此植被改善程度明显较好；而西北部地区为蒙山森林公园的外围区域，除包含太平山林场这一小型林场外，未见其他林场分布，这一区域总体海拔相对较低，区域内部分布有许多村庄，受人类干扰较大，植被覆盖较少，水土流失较为严重，因此西北部植被改善程度低，甚至出现植被退化现象.

4 结 论

本文基于蒙山地区2001—2016年MODIS数据计算了NDVI、NIRv指数，结合2001—2015年GPP数据，分析探讨了该区植被时空变化趋势，得到如下结论：

(1)基于MODIS数据的NDVI与NIRv指数所反映出的植被季节变化趋势基本一致，每年出现了一个NDVI和NIRv指数的峰值，并且具有明显的季节性变化.其中，最小值出现在冬季，最大值出现在夏季，这与蒙山地区的气候条件相吻合.

(2)2001—2016年蒙山地区地表植被覆盖整体有所增加，2001—2008年间植被的增长趋势比2009—2016年的增长趋势更加明显.

(3)通过对NDVI、NIRv和GPP 的斜率值进行分析发现，多数像元NDVI、NIRv与GPP 的斜率是大于零的，表明蒙山地区植被状况总体呈现增加的趋势，植被大体是变好的；只有蒙山西北部的极少数地区，NDVI、NIRv与GPP的斜率是小于零的，植被存在退化现象.从区域内部的空间变化来看，蒙山区域东南部植被改善趋势好于西北部.