生态工程背景下西双版纳NDVI时空变化分析(2)
(2) 通过以上处理得到西双版纳年NDVI产品,但我们发现,西双版纳NDVI值大于0.8的面积占95%左右,在绘制2004~2010年和2011~2017年年均NDVI的空间分布图时,如果使用均匀的色标则不能对不同空间区域的NDVI值进行很好地识别,并且降低了2个不同时段NDVI空间分布的对比度。所以,采用公式(3)进行处理,以保证NDVI的最大值、最小值以及各像元NDVI的排列顺序不会发生改变,使新色标可以更好地区分不同的NDVI值[20]。
式中,NDVI′表示处理后的像元值,NDVImax表示西双版纳各像元的最大值。
2.4研究方法
2.4.1差值分析
莫瑶采用两时相图像之间差值的相对变化百分比NDVIvariation来衡量NDVI值的变化大小[21]。用该方法来分析西双版纳大规模植被建设前后NDVI值的空间变化特征。
式中,NDVIafter表示西双版纳2011~2017年年均NDVI值,NDVIbefore表示2004~2010年年均NDVI值。
2.4.2重心迁移模型
研究利用重心迁移模型来计算不同NDVI阈值下植被覆盖的重心,并基于重心迁移的方向和距离来分析植被NDVI的空间演变过程,计算公式为[22]
式中,n表示某个区域有n各空间单元组成,第i个空间单元的坐标为(xi,yi),mi表示第i个空间单元的某种属性值。2004~2017年逐年不同NDVI范围内的重心坐标通过Python语言编程实现。
3结果与分析
3.1NDVI时间变化
(1) 年际尺度(见图2(a))。2004~2017年西双版纳年NDVI呈波动上升趋势(0.114%/a),其中2004~2010年,年NDVI呈下降趋势(-0.176%/a),2010年年NDVI值达到最低,可能原因是2010年云南省发生的历史罕见的全省特大旱灾,对植被NDVI的增长产生了抑制作用。自2011年国家实施生态工程开始,增加速率为0.221%/a,年NDVI从2010的0.859上升到2017年的0.884,可能原因是随着2011~2017年封山育林、人工造林以及天然林管护等生态项目的实施,植被得到了较好的恢复。
(2) 年内尺度(见图2(b))。西双版纳年内月NDVI最小值和最大值分别出现在夏季的7月和秋季的11月,这与我国大部分地区迥然不同,该结果与李立科[23]关于云南澜沧江流域的研究结论一致,可能原因是夏季高温多雨、日照时数少,降低了植被的新陈代谢。通过对2004~2017年气象数据的统计发现,年内月降水量的最小值和最大值分别为195 mm和3 147 mm,年内月日照时数的最小值和最大值分别为1 049 h和2 563 h,其中,降水量的最大值和日照时数的最小值均出现在7月。与2004~2010年相比,2011~2017年月平均NDVI出现增长主要是在1~5月和10~12月。
图2 西双版纳年际和年内月平均NDVI的变化规律 and monthly average variation of NDVI in Xishuangbanna
3.2NDVI空间分异
2004~2010,2011~2017年和2004~2017年3个时间段的年NDVI均值在空间上均大致呈现由西向东递增的态势(见图3),植被覆盖的高值区主要是在勐腊县,该区域有3个国家自然保护区,森林覆盖占86%。NDVI值区主要分布在勐海县,勐海县是典型的农业县,森林覆盖占66%,因此NDVI值相对较低。2004~2010,2011~2017,2004~2017年3个时段NDVI平均值分别为0.870,0.880,0.875。由于NDVI值主要集中在0.80~0.90之间,所以将其划分为<0.80,0.80~0.85,0.85~0.90和>0.90四个范围。从NDVI频度分布图可知,NDVI阈值在0.85~0.90所占面积最大,其次是0.90~1.00。与2004~2010年相比,2011~2017年NDVI在西部、中部和东部均有增加,其中NDVI阈值在>0.90增加最为显著,所占面积上升了17.2%,而NDVI阈值在0.80~0.85和0.85~0.90之间所占的比例分别降低了7.1%和10.5%。
由于上述分析是基于研究区NDVI的空间分布及不同NDVI阈值的变化情况进行的,不能反映出不同区域NDVI的空间变化程度,因此,采用差值分析法对2004~2010年和2011~2017年2个时段的年均NDVI进行差值百分比运算(见图4)。由图4可知,2011年后西双版纳NDVI上升的区域(占61.95%)要大于NDVI减少的区域(占38.05%),NDVI增长率主要集中在(-3%,0]和(0,3%],分别占33.59%和38.71%。增长率大于6%的区域主要分布在:① 景洪市的景讷乡、勐龙镇的西部和南部、勐罕镇南部;② 勐腊县的关累镇、勐伴镇西南部、勐捧镇东北部。增长率低于-6%的区域主要分布在:① 勐海县的勐海镇、勐遮镇、勐混镇;② 景洪市的嘎洒镇东北部、勐龙镇中部;③ 勐腊县的勐捧镇中部。综上所述,自2011年以来,西双版纳植被NDVI在空间分布上整体呈明显改善,但2011~2017年的下降区域面积所占比重仍然较大(占38.05%),植被的建设和保护仍需继续加强。
图3 不同时间段西双版纳NDVI空间格局及频度分布 pattern of NDVI and its frequency distribution in Xishuangbanna during2004~2010, 2011~2017and2004~2017