2018Esri开发竞赛ENVI-IDL组作品欣赏-遥感大数据分析汉江流域植被覆盖变化及其影响因素

作品名称：遥感大数据分析汉江流域植被覆盖变化及其影响因素

作者单位：湖北大学资源环境学院

小组成员：王云风、代雨婷、张云霞、赵玥玥

指导老师：刘海、郑粮

获奖情况：三等奖

作品概述

植被是陆地生态系统的基础及最重要的组成部分，是连接大气、水体和土壤的自然纽带，在陆地表面的能量交换、生物地球化学循环和水文循环过程中扮演着重要的角色。植被覆盖的时空变化在全球变化研究中起到指示作用，是反映区域生态环境变化的重要指标。动态监测植被覆盖变化对深入研究植被对气候变化和人类活动的响应、区域生态环境演化具有深远意义。

汉江流域在防洪和供水等方面在中国具有战略意义，域内的丹江口水库是南水北调中线工程核心水源区，流域植被覆盖状况将影响到水源区生态环境，继而影响到水源区的水质和水量。本次研究选取1981-2016年GIMMS NDVI和MODIS NDVI数据，采用趋势分析法研究汉江流域植被覆盖时空变化情况，在此基础上结合主要气候（气温、降水）、地形（高程、坡度）、人为因素，采用相关性分析探讨流域植被覆盖变化影响因素。对保护南水北调核心水源区生态环境安全及确保南水北调中线工程持续健康运行提供参考和支持。

作品制作流程

图：作品制作流程

2.1  数据预处理

2.1.1. MODIS数据处理

对1981-2006年MODIS NDVI数据集和2000-2016年GIMMS数据集进行裁剪、投影等预处理，获取长时序NDVI序列。借助Python语言对原始影像进行裁剪，获得汉江流域NDVI数据，对裁剪后的影像进行投影转换，投影坐标为UTM-WGS-1984-49N。随后采用最大值合成法（MVC）将投影后的影像合成月NDVI，并合成年NDVI。合成后的数据做标准化处理，并采用最近邻法重采样到250m。

采用2000-2006年MODIS NDVI和GIMMS NDVI进行数据一致性检验，借助均方根误差( root mean square error，RMSE) 反映两者数值上的差异程度，采用回归方程反映两者之间的相关程度和变化方向,从数值和变化趋势两方面分析两种数据集在反映汉江流域NDVI变化的一致性，并基于回归方程对GIMMS NDVI数据进行修正。

图GIMMS NDVI和MODIS NDVI时间变化和散点图

2.1.2. 气象数据处理

1981-2010年采用中国气象数据服务中心（CMDC）免费提供的汉江流域周围5个气象站点数据，2011-2016年采用寒区旱区科学数据中心（http://westdc.westgis.ac.cn/）提供的SWAT模型中国大气同化驱动数据集（CMADS V1.1），汉江流域周边有239个气象站点。采用克里金插值法对气象站点月数据进行处理，最终得到汉江流域1981-2016年月平均气温和月平均降水量。并由月数据合成年平均降水量和年平均气温数据。

（1）插值

借助Excel表对获取的气象站点数据进行计算，得到1981-2010和2011-2016年的年平均气温、年平均降水量、每年的每月平均气温、每年的每月的平均降水量。将计算结果在ArcMap里用克里金法插值法运算，得到插值结果。采用平均值法对每年的相同月份数据进行合成，得到1981-2016年的1到12月的月平均气温和月平均降水量。

（3）投影和裁剪

对结果进行投影转换，投影坐标为UTM-WGS-1984-49N，对结果进行裁剪并重采样到250m分辨率，随后进行线性归一化处理，公式为：（b1-min）/（max-min）。。

图1981-2016年7月降水插值合并裁剪图

2.1.3. 地形数据处理

高程数据采用美国90米分辨率的SRTM DEM 数据，通过投影转换和裁剪等预处理，得到汉江流域高程数据，通过地形分析获取坡度数据。

对经过裁剪和投影转换的高程和坡度数据进行重分类。以200m为一个等级划分高程区间，由于1800m以上区域所占面积较小，故将大于1800m区域划分为一个等级。流域坡度范围为0°-72°，分为0°-2°，2°-6°，6°-15°，15°-25°，25°-72°。

2.1.4. 夜间灯光数据

在美国国家海洋和大气管理局（NOAA）官网下载得2003年和2013年的稳定灯光影像，首先进行预处理。

图 2013年灯光遥感数据

2.2  NDVI时空变化分析

2.2.1. 时间变化分析

在Excell表中借助回归曲线拟合1981-2016年NDVI系列时间变化趋势。

图NDVI时间变化趋势

1981-2016年全流域NDVI均值为0.819，最小值出现在2000年，为0.765。最大值出现在2015年，为0.855。NDVI均值整体呈现波动上升趋势，变化趋势为0.005/10a。研究时段内NDVI变化情况较为复杂，1981-1996年NDVI呈现波动上升趋势，1997-2000年NDVI呈现明显下降趋势，2001-2005年则呈现明显上升趋势，2006-2016年整体呈现波动上升趋势。1997-2000年汉江流域持续遭受旱涝灾害，使得此时期NDVI呈现不断下降趋势。NDVI值在1986年、1994年、2000年、2011年出现明显下降。据统计1986年、1994年、2000年（http://www.360doc.com/content/12/0427/01/6956316_206819234.shtml）汉江流域均出现不同程度的干旱，在2011（http://news.qq.com/a/20100720/000659.htm）流域出现洪涝灾害。极端天气对流域农作物产量和植被生长造成影响，使得研究区NDVI出现显著降低。

2.2.2. 空间变化分析

采用趋势分析法研究汉江流域NDVI空间变化趋势，公式如下:

在ArcGIS中用栅格计算器公式进行运算,式中：变量 x_i 为年序号，y_i表示第 x_i年的年均 NDVI 值。趋势分析b代表拟合曲线的斜率，b大于零表示NDVI值在增加，b等于零表示NDVI值在不变，b小于零代表NDVI值在减少。

图 NDVI空间变化趋势

在像元尺度上对1981-2016年NDVI年变化趋势进行分析，结果显示：研究区86.43%区域NDVI呈现增加趋势，12.79%区域NDVI呈现减少趋势，仅0.78%区域NDVI没有变化。研究区大部分区域NDVI呈现增长趋势，其中丹江口水库周围NDVI增长趋势相对明显。流域南部神农架林区和大巴山出现轻微退化现象，在中心城市周围NDVI减小趋势相对明显。作为南水北调中线工程核心水源区，政府加大丹江口水库周围生态保护、退耕还林工作的实施，植被覆盖的显著增加，故丹江口水库周围NDVI出现明显增加。研究区中心城市周围退化现象相对明显，这些区域地势平坦，自然条件优越，社会经济发展较好，随着城市化进程的加快，建设用地增加占用耕地与林地的现象，故NDVI呈下降趋势。神农架和大巴山区域地势较高，植被生长受人为因素影响较小，整体处于相对稳定状态，但是容易受到极端天气影响。

2.2.3. 影响因素分析

(1)气象因素

将月平均气温和月平均降水分别与月NDVI进行相关性分析，此处采用偏相关分析，借助ArcGIS栅格计算器工具完成相关性分析计算。

偏相关分析公式为：

式中： 表示C为控制变量时变量a与b之间的偏相关系数， ， ， 分别表示变量a与b，a与c，b与c间的简单相关系数，-1<<span style="position:relative;top:6.0pt;mso-text-raise: -6.0pt">  <1，当 <0时表示C为控制变量时变量ab呈现负相关关系， >0时表示C为控制变量时变量ab呈现正相关关系。

‘

全流域降水和NDVI之间的偏相关系数为0.315，气温和NDVI之间的偏相关系数为0.931，气温对NDVI影响大于降水，但气温和降水对NDVI的影响均不显著。基于栅格单元的相关性分析，得出气温和降水与NDVI相关性存在空间上的差异，气温与流域东南部江汉平原区域呈现较高程度的正相关，与流域东部南阳盆地，西北部和大巴山等区域呈现负相关。降水与NDVI相关度整体较低，与流域东部南阳盆地和流域西北部部分区域呈现正相关，与流域中部和东南部江汉平原呈现负相关。流域东南部江汉平原区域土地利用类型以耕地为主，地势平坦，水资源丰富，充足的热量资源会促进植被生长，而过多的降水则会引起洪涝灾害。流域西北部区域地势较高，热量资源分布有限，气温对NDVI影响较小，而充足的降水会促进植被生长。流域东部南阳盆地热量资源分布较多，较高的气温会易造成区域土壤干土层的发育，对植被生长具有明显的抑制作用，而区域水资源丰富，充足的水资源有利于植被生长。

(2)地形因素

（1）按掩膜裁剪

将不同等级高程和坡度数据裁剪NDVI空间变化情况，并统计不同等级地形数据上增加和减少的面积比例, 基于统计数据生成不同等级高程（坡度）NDVI变化情况折线图。 

汉江流域高程范围为2-3555m，空间上西北部和南部地势较高，中部和东部地区地势较低。研究区不同高程区间上，NDVI增加的面积均大于减少的面积。随着高程的增加，NDVI增加的面积比例逐渐减小，退化的面积所占比例逐渐增加。在2-200m区域植被退化面积比例最少，为9.78%,在1800-3555m区域植被退化面积比例最大，占70.95%。在2-200m区域多分布耕地，此区域NDVI增加比例较大，此区域地势低平，易于耕作，且水热条件丰富，农作物生长较好，且随着耕地保护意识增强，区域植被增长趋势明显。在海拔较高区域，人为因素干扰较少，但是容易受到极端天气破坏，此区域植被退化面积较大，应该增加区域植被保护工作。

流域坡度范围为0°-72°，东南部和西部汉中盆地区域地势平坦，西北部和南部地势起伏较大。随坡度的增加，NDVI增加的面积所占比例变化较小，坡度大于25°的区域植被退化面积所占比例较大，其次为2°-6°的区域，其他区域退化面积所占比例相近。坡度大于25°的区域，地势陡峭，热量和将水资源分布有限，植被容易受到极端天气影响。在2°-6°的区域，土地利用类型主要以耕地为主，且区域地势平缓，NDVI易受农作物生长周期和人类活动影响。

(3)灯光遥感因素

借助ArcGIS栅格计算器对1992-2013年灯光遥感数据和年NDVI数据进行相关性分析，相关系数计算公式：

式中：为变量a、b之间简单相关系数，，为第i年a，b变量值，为变量a研究期内平均值，为变量b研究期内平均值，n为研究期。

图3.33 灯光遥感NDVI相关性结果 

从图中可以看出，温度在25℃到30℃大部分为长江流域覆盖范围；温度在30℃到35℃的是湖泊和靠近水体的植被；温度在35℃到40℃的是大面积的植被；温度在40℃以上的是建筑物。无论从整体还是局部分析，本组所做的温度反演图符合实际情况，整体精度较高。

  人类活动因素的影响具有两面性，有人类活动和城市扩张对植被带来的负面影响，同时也有推进各项生态保护工作实施所带来的积极作用。2013年相比较于2003年，汉江流域中心城市周围灯光遥感范围明显扩大，说明城市化进程使得城区面积不断扩大，导致中心城区周边NDVI出现明显减小趋势。1981-1996年以及2006-2016年两个时间段研究区NDVI呈现波动上升趋势，1981年五届全国人大四次会议作出了《关于开展全民义务植树运动的决议》，持续开展了中国历史上乃至人类历史上规模空前的植树造林运动，使的植被得到保护，森林资源明显增长。2001年，党中央、国务院决定利用十几年的时间投资数千亿元，实施天然林资源保护、退耕还林等国家重点工程。改革开放以来，国家先后实施了三北防护林、天然林资源保护、退耕还林、三北及长江等重点防护林等林业重点生态工程，对生态状况脆弱、生态地位突出的重点地区进行集中治理，呈现出森林植被增加、局部生态改善的良好势头。这也是见过植被覆盖整体呈现增加趋势的主要原因。

2.3  结论

采用GIMMS NDVI和MODIS NDVI两种数据集来研究汉江流域1981-2016年植被时空变化趋势及影响因素。得出的主要结论：

（1）NDVI均值整体呈现波动上升趋势，变化趋势为0.005/10a。空间上在丹江口水库周围出现明显增加趋势，在流域中心城市周边呈现明显减小趋势。

（2）全流域来看气温对NDVI影响大于降水，但气温和降水对NDVI变化的影响均不显著，气候因素不是影响NDVI序列变化的主要原因。在

（3）地势复杂，地形陡峭的区域植被退化现象较其它区域高，NDVI对不同地形条件的响应差别不明显。

（4）人为因素对NDVI变化具有两面性，人为实施的生态保护工程是时序NDVI变化的主要原因，同时人类活动和城市化进程的加快也是NDVI退化的重要原因，时序NDVI的突变主要是由于极端天气引起的。

作品亮点

(1) 结合了多维度的数据：NDVI数据、气象数据、DEM数据、夜间灯光数据等对汉江流域的植被覆盖度变化及影响因素进行了分析；