摘要:为准确掌握黑河干流水量调度实施以来黑河中下游地区的生态情况，以及为黑河流域中下游的水资源统一管理和调度提供科学依据和技术支撑，基于MODIS遥感影像数据，应用最大值合成法、像元二分模型及一元线性回归模型，对2000-2017年黑河中下游流域植被覆盖度的变化情况进行分析。
关键词:黑河流域；像元二分模型；植被覆盖度；NDVI
1 引言
植被是陆地生态系统最为重要的组成成分之一，具有改善生态气候、调节河水流量、防止水土流失、促进生物循环等作用[1]。植被覆盖度通常指某一地域植物垂直投影面积与该地域总面积的百分比，是指示地表植被状况的重要指标[2]。由于地球环境的变化受到植被变化的影响，植被覆盖的研究逐渐成为全球变化科学研究的热门领域[1]。
目前植被覆盖度的获取主要有地表实测和利用遥感数据估算两种方式[3]。第一种方法准确度更高、获取的信息更为详细，但只能在较小面积区域内进行实测，且成本较高。随着遥感技术不断发展与成熟，使得第二种方法可以对大面积范围的植被覆盖度进行估算[4]。为准确掌握黑河干流水量调度实施以来黑河干流中下游地区的生态情况，以及为黑河流域中下游的水资源统一管理和调度提供科学依据和技术支撑，本文收集MODIS遥感影像，采用一元线性回归模型、最大值合成法以及像元二分模型等方法，研究2000-2017年间黑河中下游区域植被覆盖度的变化情况。
2 研究方法
2.1 研究区概况
本研究集中在黑河干流沿线的中、下游地区。黑河中游两岸地势平坦，光热资源充足，但干旱严重，人工绿洲面积较大，部分地区土地盐碱化严重；黑河下游深居内陆腹地，是典型的大陆性气候，具有降水少、蒸发强烈，温差大，风大沙多，日照时间长等特点。
2.2 研究方案
植被覆盖度计算主要是通过合成NDVI生长季最大值，反演生长季VFC进行分级统计，最后对VFC时间序列进行分析。具体研究流程如下：
（1）数据下载。从美国国家航空航天局网站获取黑河中下游流域2000-2017年间每年植物生长季（7-8月）MOD13Q1数据产品，用以提取植被归一化指数数据，并在此基础上反演研究区植被覆盖度。有偿获取2001-2017年间MCD12Q1遥感数据，掩膜提取研究范围内的林草地和裸土地区域，用以更准确地进行植被覆盖度的估算。
（2）预处理。将同时期不同行列号的图像拼接成一张影像，再对图像进行裁剪。MOD13Q1需要采用质量检验的方式，将原始数据集范围为[-3000,10000]的DN值计算得到范围为[-1,1]的NDVI值，公式：NDVI=0.0001*DN 。
（3）反演植被覆盖度。将16日一次的MOD13Q1影像数据进行合成，将每年生长季的4张影像数据NDVI值利用MVC法合成为生长季最大值。计算植被覆盖区域影像数据的最大值为，裸地区域影像数据的最小值为，得到生长季植被覆盖度VFC。
（4）结果分析。利用合成后的NDVI值反演得到植被覆盖度，形成时间序列预测分析的相关图表，对其进行分析。
2.3 研究方法
本次研究主要采用最大合成法（MVC法）以及像元二分模型两种方法。
（1）最大合成法（MVC法）
获取MOD13Q1产品植物生长季4张影像，通过MVC法合成1张影像。统计合成后的图像，获得该年份NDVI的生长季最大值。
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（2）像元二分模型
在此模型中假设每个像元只由植被覆盖地表与无植被覆盖地表两部分组成，其中植被覆盖地表的面积占像元面积的比例就是此像元的植被覆盖度[2]。植被覆盖度与归一化指数之间存在极显著关系，像元二分模型计算公式： ，式中：--植被覆盖度；--裸土区域的NDVI值；--完全植被覆盖的NDVI值。
3 结果分析
（1）黑河中游
2000-2017年间黑河中游流域各植被覆盖等级的植被覆盖面积占比变化各不相同，整体上中、中高、高覆盖植被面积均呈现缓慢增长趋势，增加速率分别为0.005%/a、0.0004%/a、0.0046%/a；低覆盖植被面积呈现减少趋势，减少速率为0.01%/a。由此可以得出，2000-2017年黑河中游流域低覆盖植被向其他类型覆盖植被转化，整体植被覆盖情况有所好转。
18年来黑河流域中游植被覆盖整体情况一般，主要以低覆盖植被为主，中、高覆盖植被也占有一定比例，中高覆盖植被面积较少。由于在地理环境上有较大差异，导致植被覆盖在空间上差异明显，黑河中游流域植被覆盖在整体上呈现从上游向下游逐渐递减的趋势，这是由于上游祁连山区降水量大，水资源丰富，中游地区地势平坦，光热资源充足，但干旱严重，年降水量少且蒸发量大，人工绿洲面积较大，部分地区土地盐碱化严重，下游额济纳绿洲是荒漠草原区，降水量小蒸发量大，水资源匮乏造成的。
（2）黑河下游
2000-2017年间黑河下游流域各植被覆盖等级的植被覆盖面积占比变化各不相同，整体上，中高、高覆盖植被面积均呈现缓慢增长趋势，增加速率分别为0.0005%/a、0.0009%/a；中、低覆盖植被面积呈现减少趋势，减少速率分别为0.0005%/a、0.0009%/a。由此可以得出，2000-2017年黑河下游流域低覆盖植被向其他类型覆盖植被转化，整体植被覆盖情况有所好转。
18年来黑河流域下游植被覆盖整体上较差，以低覆盖植被为主，存在较小面积中覆盖植被，中高、高覆盖植被面积极小。但其面积变化均不大，基本上趋于稳定状态，这是因为黑河下游主要以半荒漠和荒漠为主，虽然生态输水政策已施行多年，但由于农业用水挤占了生态用水，虽然农作物覆盖增加，但自然植物如胡杨等却相应减少，整体覆盖变化不明显。
4 总结
本研究采用MODIS NDVI影像数据，结合最大合成法、像元二分模型分析了黑河中下游流域2000-2017年间植被指数和植被覆盖度的变化情况，结论如下：
（1）黑河中、下游流域植被指数均渐进式增加，植被得到改善；下游植被指数稳定增长，得益于生态输水政策积极影响和生态保护工程的有力实施；
（2）黑河中游整体上中、高植被覆盖区域的面积占比增加，低植被覆盖区域的面积占比减少，中游植被恢复情况良好，植被恢复状况的改善主要得益于人类农业活动的增强，耕地面积增加等；下游各等级植被覆盖面积变化均不大，基本上趋于稳定状态，这是因为黑河下游主要以半荒漠和荒漠为主，虽然生态输水政策已施行多年，但由于农业用水挤占了生态用水，虽然农作物覆盖增加，但自然植物如胡杨等却相应减少，整体覆盖变化不明显。
参考文献：
[1]吕蒙,钟悦之.NDVI在生态环境研究中的应用进展[J].农村经济与科技,2011,22(06):11-14.
[2]李苗苗. 植被覆盖度的遥感估算方法研究[D].中国科学院研究生院（遥感应用研究所）,2003.
[3]张云霞,李晓兵,陈云浩.草地植被盖度的多尺度遥感与实地测量方法综述[J].地球科学进展,2003(01):85-93.
[4]杨宏兵,董霁红,陈建清,王佳洁,鞠军.植被覆盖度模型研究进展[J].安徽农业科学,2012,40(12):7580-7585.
论文作者:李宁, 高楠
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第11期
论文发表时间:2019/10/24
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