基于ENVI的巴里坤草地動態(tài)變化信息提取及分析

邢文淵，石 玉，鐠拉提，王 蕾，肖 然

（1.新疆維吾爾自治區(qū)氣候中心，新疆 烏魯木齊830002；2.廣東省氣象服務(wù)中心，廣東 廣州510080；3.成都信息工程學(xué)院，四川 成都610225）

草地不僅是畜牧業(yè)的生產(chǎn)基地[1]，而且是干旱區(qū)重要的綠色生態(tài)屏障，具有防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源、保持水土、凈化空氣以及維持區(qū)域生態(tài)平衡等重要生態(tài)功能[2]。草地植被的變化不僅可以反映牧草長勢動態(tài)，也可以表明草地生態(tài)環(huán)境及其退化狀況。隨著氣候變化和人類活動的影響，草地生態(tài)系統(tǒng)正經(jīng)受著越來越嚴(yán)重的人為與自然因素干擾[3]，相關(guān)研究表明[4]，新疆的各類草地變化顯著，草地存在嚴(yán)重的退化，且對草地生態(tài)系統(tǒng)也缺乏動態(tài)性研究[5]。

對于巴里坤草地而言，在氣候變化的大背景下，其時空變化也不盡相同，不同區(qū)域、不同時間草地的變化也不同,認(rèn)識這些變化狀況并分析其原因,對于了解影響草地變化的因素,預(yù)測植被的演化狀況有著重要意義[6]。

歸一化植被指數(shù)（NDVI）是地表植被覆蓋特征的重要指標(biāo)之一，它能反映植被代謝強(qiáng)度及其季節(jié)和年際變化，可用于植被的監(jiān)測、分類和物候分析。由于EOS/MODIS光譜性能穩(wěn)定,輻射定標(biāo)精度優(yōu)越[7]，能夠部分地補(bǔ)償照明條件、地面坡度以及衛(wèi)星觀測方向的變化所引起的不足。歸一化植被指數(shù)（NDVI）和增強(qiáng)型植被指數(shù)（EVI）對干旱-半濕潤環(huán)境下低覆蓋植被的描述能力相似[8]，但NDVI數(shù)據(jù)比較均一，其空間相關(guān)性高于增強(qiáng)型植被指數(shù)（EVI）[9]，且NDVI較EVI能更好地估算高原地區(qū)的草地生長狀況[10]，并結(jié)合巴里坤地處西部干旱區(qū)海拔較高且植被覆蓋較低，在7月時植被覆蓋達(dá)到最大等實際情況。本文主要借助2003—2012年7月的MODIS-NDVI資料和氣象數(shù)據(jù)資料，基于ENVI軟件平臺，對巴里坤草地覆蓋動態(tài)變化進(jìn)行研究。

1 資料和方法

1.1 資料來源及處理

1.1.1 資料來源

本文所用的MODIS影像數(shù)據(jù)資料都來自新疆維吾爾自治區(qū)氣候中心接收的EOS-MODIS原始數(shù)據(jù).PDS文件，選取2003—2012年7月的影像數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，其間所用到的氣象數(shù)據(jù)也來自新疆維吾爾自治區(qū)氣候中心。

1.1.2 數(shù)據(jù)處理

1.1.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

MODIS原始數(shù)據(jù)為.PDS文件，需進(jìn)行預(yù)處理。本文MODIS預(yù)處理采用了由新疆維吾爾自治區(qū)氣候中心的EOS-MODIS資料接收處理系統(tǒng)，完成輻射定標(biāo)。

1.1.2.2 幾何校正

MODIS原始數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理生成.HDF文件，利用星地通公司提供的EOS-MODIS投影工具將圖像以等經(jīng)緯度投影，中心經(jīng)度93.75°，中心緯度43°，中心分辨率0.002 5。

1.1.3 研究區(qū)概況

巴里坤哈薩克自治縣（圖1）是新疆維吾爾自治區(qū)東北部的一個自治縣，位于天山山脈東段與東準(zhǔn)噶爾斷塊山系之間的草原上，隸屬哈密行署，地理坐標(biāo)為91°19′30″～94°48′30″E、43°21′～45°5′19″N，東鄰伊吾縣，南接哈密市，西毗木壘哈薩克自治縣，北接蒙古人民共和國，全縣總面積38 445.3 km2。巴里坤盆地海拔1 500～2 000 m，具大陸性高寒氣候特征,年平均溫度0.8℃。夏天濕涼，冬季嚴(yán)寒，光照充足，熱量欠缺，干旱少雨,多大風(fēng)[11]。該縣具備良好的自然資源，在農(nóng)林牧復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中，牧業(yè)占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于人類活動影響的增強(qiáng)，草地生態(tài)系統(tǒng)退化表現(xiàn)明顯[12]。

1.2 方法介紹

挑選研究區(qū)2003—2012年7月逐日的EOS/MODIS衛(wèi)星影像，選取云覆蓋較小的影像數(shù)據(jù)，對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行云檢測處理，詳細(xì)流程可參見前期論文[13]。

由于單個時相的數(shù)據(jù)很難排除云霧等造成的影響，因此要考慮用某一時間段內(nèi)的植被指數(shù)合成一個反映這一時間段內(nèi)植被狀況的植被指數(shù)圖像。為盡可能地消除云、霧、水汽等對NDVI數(shù)值的影響[14]，加之本文以月為研究單位，因此對每月的歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)做最大值合成（Maximum Value Composites），以此作為月NDVI數(shù)據(jù)。

利用巴里坤1:250 000的土地分類圖，通過圖像精校正、配準(zhǔn)，提取巴里坤的草地NDVI信息，利用ENVI軟件的Basic Tools工具中的Statistics功能將草地NDVI信息進(jìn)行統(tǒng)計計算，并依據(jù)NDVI值大小進(jìn)行分類，按照NDVI值的高低劃分為荒漠化草地（0

將得到的2003年7月的草地NDVI圖作為本底圖，將其余年份分別與其進(jìn)行差值計算，得到巴里坤草地的動態(tài)變化圖（圖2）。

2 結(jié)果分析

巴里坤草地時空變化差異較大，荒漠化草地面積總體呈現(xiàn)下降趨勢，低覆蓋草地面積總體呈現(xiàn)增加趨勢，中覆蓋草地面積年際間變化較大，高覆蓋草地相對保持穩(wěn)定，但這并不能詳細(xì)反映出草地年際間相同地域細(xì)微的變化。為了更好地分析巴里坤草地同一區(qū)域逐年更為詳細(xì)的變化情況，選取所獲數(shù)據(jù)較早的年份—2003年作為基準(zhǔn)年，將巴里坤2004—2012年7月的草地NDVI分別與2003年7月的草地NDVI進(jìn)行差值計算，由于NDVI理論值介于[-1，+1]之間，進(jìn)行差值計算后，理論上則可能產(chǎn)生[-2，+2]之間的情況，但實際情況并無變幅在1以上的情形。因此，根據(jù)實際情況，按照NDVI變動幅度情況依照不同區(qū)間進(jìn)行數(shù)據(jù)的分類整理，同樣借助ENVI的Statistics功能，統(tǒng)計計算不同變化區(qū)間的草地面積動態(tài)變化。為方便對比，依照對稱區(qū)間進(jìn)行分類統(tǒng)計，具體見圖3。

圖1 巴里坤哈薩克自治縣EOS/MODIS衛(wèi)星影像（a）和草地類型（b）示意圖

圖2 巴里坤哈薩克自治縣草地NDVI動態(tài)變化

由巴里坤2004—2012年與2003年逐年的草地NDVI差值統(tǒng)計數(shù)據(jù)（圖3）可以看出，其面積變化較大的主要發(fā)生在區(qū)間[0.001，0.1）與（-0.1，-0.001]，兩區(qū)間面積合計能占到巴里坤草地面積的90%以上（2008年除外）；其次位于區(qū)間[0.1，0.2）與（-0.2，-0.1]，兩區(qū)間面積合計占比不到巴里坤草地面積的6%（2008年除外）；位于其余區(qū)間的面積占比相對則很低了。由圖2可以看出，2004—2012年相對2003年巴里坤草地NDVI負(fù)變化介于區(qū)間（-0.1，-0.001]的面積絕對數(shù)量較大，但總體呈現(xiàn)出逐年遞減的趨勢，雖說也有個別年份又有所增加（如2009年和 2011年）；NDVI正變化介于區(qū)間[0.001，0.1）的草地面積也較大，但總體呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢；NDVI變化在-0.2以下或超過0.2以上的面積較少，總和還不到巴里坤草地面積的2.2%，且總體向好，正變化面積多于負(fù)變化面積。這也說明，當(dāng)?shù)夭莸豊DVI的變化主要介于（-0.1，-0.001]和[0.001，0.1）范圍內(nèi)的微幅變化，在所進(jìn)行的2004—2012年與2003年的相比較中，除2007年和2010年草地面積位于正變化區(qū)間[0.001，0.1）的面積多于負(fù)變化區(qū)間（-0.1，-0.001]外，其余各年份則是負(fù)變化面積多于正變化，這也說明，雖說巴里坤草地面積整體呈現(xiàn)增加趨勢，但是年際間還是存在負(fù)變化的情況，其細(xì)微變化還是很大。

2008年相對2003年的草地NDVI差值，位于正變化區(qū)間 [0.001，0.1）的草地面積只有2 633.6 km2，明顯低于其他年份與2003年NDVI差值，但其位于正變化區(qū)間[0.1，0.2）的草地面積卻顯著高于其他年份與2003年NDVI差值，這也表明，2008年巴里坤草地長勢較好，除了“量”的變化，更有“質(zhì)”的增長，這也更好地解釋了為何2008年呈現(xiàn)出荒漠化草地面積減少而中、低覆蓋草地面積增加的現(xiàn)象。

從空間變化來看，易發(fā)生正—負(fù)交替變化的草地區(qū)域主要集中在巴里坤西南部地區(qū)，這里主要以低蓋度和荒漠化草地為主，相對較為穩(wěn)定的草地區(qū)域主要集中在巴里坤東部與伊吾交接的東天山區(qū)域，變化較為劇烈的草地區(qū)域主要集中在巴里坤湖區(qū)周邊以及大河鎮(zhèn)以北，八墻子鄉(xiāng)以西部分區(qū)域以及南天山北坡一線草地也有較大波動，但近幾年開始整體有逐步向好的趨勢。

由此可見，借助對草地NDVI變化進(jìn)一步的細(xì)化和分類統(tǒng)計，也更為直觀地量化了巴里坤草地的具體變化情況，對細(xì)微變化起到了“放大”作用，有助于從微觀角度發(fā)現(xiàn)其細(xì)微變化。這也說明MODISNDVI植被指數(shù)能很好地反映各草地類型的生長季節(jié)變化過程[15]。

3 討論

2003—2012年間，巴里坤草地面積呈現(xiàn)逐年向好的趨勢，荒漠化草地有向低覆蓋草地演替的趨勢；但從NDVI的差值動態(tài)變化來看，其變化區(qū)域主要集中在（-0.1，-0.001]和[0.001，0.1）范圍內(nèi)，說明其大部分的草地在年際間發(fā)生的變化是以微幅變動為主，其發(fā)生區(qū)域主要集中在覆蓋度較低的荒漠化草地和低蓋度草地，說明這些區(qū)域草地的生態(tài)脆弱性較強(qiáng)，易受外部氣象條件擾動影響：當(dāng)外部條件較合適時，其草地NDVI動態(tài)變化為正，向好；當(dāng)外部條件較差時，草地NDVI動態(tài)變化為負(fù)，變差。NDVI差值動態(tài)變化發(fā)生較大范圍變化的面積占比并不大，說明草地發(fā)生劇烈變化的面積并不多，且這小部分變化較大的區(qū)域主要位于巴里坤湖區(qū)周邊，其變化主要受湖區(qū)水量多寡影響，這也表明當(dāng)?shù)氐牟莸厣鷳B(tài)系統(tǒng)具有一定的相對穩(wěn)定性。

圖3 巴里坤草地NDVI差值變化圖

草地逐年的面積變化，只是從整體上反映當(dāng)?shù)夭莸孛娣e總的變化趨勢，而進(jìn)行草地面積的差值動態(tài)變化統(tǒng)計分析，是對同一區(qū)域不同年份NDVI值的差值計算，是一種“一一對應(yīng)”的映射關(guān)系，更能體現(xiàn)出局部區(qū)域的細(xì)微變化，也能更好地反映出同一地方草地不同年份的變化情況，更接近當(dāng)?shù)夭莸刈兓膶嶋H情況，因此，開展這樣的監(jiān)測，更有利于掌握草地實際的變化情況，為草原治理及恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

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