基于NDVI的三北防护林2000-2016年植被覆盖遥感监测及时空分析

 摘 要
“三北防护林工程”作为我国国家经济建设的重要项目，它的作用不仅仅局限于对于三北地区的生态环境的改善，还对于整个东亚都具有重要意义。
本文是基于MODIS(moderate-resolution imaging spectroradiometer) L1B数据，计算了植被指数NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)，重采样得出植被覆盖分级图。经分类统计，得知2000年平均NDVI为0.205，2008年平均NDVI为0.235，而2016年平均NDVI为0.232，16年的平均NDVI差值为0.027，表明2000-2016年，三北防护林植被的整体水平呈上升趋势，大部分地区的植被覆盖都有所增加。
时间上，随着时间的推移，植被覆盖增加显著。空间上，蒙新地区、东北地区以及黄土高原都是植被覆盖增加的状态，华北地区则是由于城市的发展，植被覆盖有所下降。从省级行政区划分析，吉林、山西、陕西和宁夏四省变化幅度较大，北京市、天津市、辽宁省和黑龙江省的植被覆盖度均有所下降。研究区植被覆盖度增加的主要自然原因是降雨量的增加，主要人为原因是人们环境意识的提高以及国家实施的封山育林、退耕还林还草等一系列生态保护政策，特别是三北防护林体系建设工程。
关键词：NDVI；时空分析；MODIS

Abstract
"Three North Shelter Forest Project" as an important project of China's national economic construction, its role is not limited to the improvement of the ecological environment in the three northern regions, but also for the whole of East Asia are of great significance.
Based on MODIS (moderate-resolution imaging spectroradiometer) L1B data, the vegetation index NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) is calculated and the vegetation cover classification is obtained by resampling. According to the classification statistics, it was found that the average NDVI was 0.205 in 2000, the average NDVI was 0.235 in 2008, and the average NDVI was 0.32 in 2016. The average NDVI difference was 0.027 in 16 years, indicating that the vegetation of the three northern shelterbelt The level of an upward trend, most of the vegetation cover has increased.
In time, vegetation over time increases significantly over time. In the space, the Mongolian new area, the northeast region and the Loess Plateau are all increasing vegetation cover, and the vegetation in North China is declining due to the development of the city. From the provincial administrative division analysis, Jilin, Shanxi, Shaanxi and Ningxia provinces changed greatly, and the vegetation coverage in Beijing, Tianjin, Liaoning and Heilongjiang provinces decreased. The main reason for the increase of vegetation coverage in the study area is the increase of rainfall. The main man-made reasons are the improvement of environmental awareness and the implementation of a series of ecological protection policies such as closing hillsides for afforestation, returning farmland to forest and grassland, especially the three-north shelterbelt system engineering.
Key words: NDVI; space - time analysis; MODIS

目录
1引言 1
1.1研究目的与意义 1
1.2 国内外研究现状 3
1.3主要研究内容和技术路线 6
2 数据介绍与预处理 8
2.1数据源 8
2.2数据预处理 10
3 三北防护林16年植被指数时空变化趋势分析 14
3.1 NDVI及信息提取 14
3.2植被指数变化趋势分析 16
4三北防护林植被覆盖的时空变化分析 18
4.1结果 18
4.2分析 22
5结论与展望 28
5.1结论 28
5.2展望 28
参考文献 30
致谢 32
附录 34

1引言
1.1研究目的与意义
“三北”防护林工程是指在中国三北地区(西北、华北和东北)建设的大型人工林业生态工程。中国政府为改善生态环境，于1979年决定把这项工程列为国家经济建设的重要项目。工程规划期限为70年，分七期工程进行，目前正式启动第五期工程建设。

图1.1 “三北”防护林示意图
“三北”防护林体系东起黑龙江宾县，西至新疆的乌孜别里山口，北抵北部边境，南沿海河、永定河、汾河、渭河、洮河下游、昆仑山，包括新疆、青海、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河北、辽宁、吉林、黑龙江、北京、天津等13个省、市、自治区的559个县(旗、区、市)，总面积406.9万平方公里，占我国陆地面积的42.4%。从1979年到2050年，分三个阶段、八期工程进行，规划造林5.35亿亩。到2050年，三北地区的森林覆盖率将由1977年的5.05%提高到15.95%[1]。
2000年至2010年为四期工程，根据日益严峻的防沙治沙形势，提出了以防沙治沙为主攻方向。根据中央关于建设社会主义新农村的战略部署，在工程建设中提出了"建设一个亮点、统筹三大区域"的工程建设思路，开展了新农村建设试点、农防林更新改造和重点农区、重点沙区和水土流失区的高标准防护林建设。
自工程开始至今，从新疆到黑龙江的风沙危害区营造防风固沙林1亿多亩，使20%的沙漠化土地得到有效治理，沙漠化土地扩展速度由20世纪80年代的2100平方公里下降到1700平方公里。辽宁、吉林、黑龙江、北京、天津、山西、宁夏等七省(自治区、直辖市)结束了沙进人退的历史，沙漠化土地每年481平方公里，拓宽了沙区广大人民的生存地区。重点治理的科尔沁、毛乌素两大沙地森林覆盖率分别达到20.4%和29.1%，不仅实现了土地沙漠化逆转，而且进入综合治理、综合开发的新阶段。赤峰市治理开发沙地2100万亩，占沙化土地的58%;榆林沙区森林覆盖率已由1977年的18.1%上升到38.9%，沙化土地治理度达68.4%。
然而，近些年来对于三北防护林的质疑也在持续发酵。一是在干旱、半干旱地区造林违背了“生态适宜性”原则。如西北的干草原、荒漠草原和荒漠区占总面积的90%以上，绝大部分地区适于旱生的草、灌生长，乔木的生长需要有地上、地下或人工补水的地方才能生长。西北地区除了高海拔土石 山地阴坡和低洼河谷处，绝大多数平原和坡地平均造林成活率只有25%，保存仅仅13%，而成活也是小老头树，根本起不到生态屏障作用，因而水土环境不仅没有得到有效保护，相反沙尘暴天气出现更加频繁。二是造林加重了对生态环境的破坏，每一株树的生长需要消耗大量地下水，造林则会影响地下水位，减少土壤含水量，加重环境的干旱化，扩大荒漠化土地的面积。缺水单纯靠灌溉不能改变植物的水分状况，保持地下水的稳定，才对维持植被正常生长至关重要。建设中的“形象工程”和“豆腐渣工程” 有的地区在建设中不讲实效。如在建设中不少地方都是重乔木，轻 灌草，重阔叶树，轻针叶树，不考虑地区的差别。一律要求种树80%，种草 20%，否则就不达标，在生态不适合的丘陵山坡强行种树，成本极高，成活率极低[1]。
综上所述，三北防护林工程取得一定成果，但是还存在一定的问题，因此本次的研究目的就是探寻2000年至2016年的植被覆盖率的变化，从整个看待这个工程是否像媒体报道那样大片人造林老化死亡，三北防护林是一个失败的工程。另外通过对沙尘天气的统计来明确四期工程是否达到了预期的目标，为三北防护林的建设提供科学依据，而且从科学的角度解析这项工程的实施情况，为不明真相的群众提供事实依据。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 对于三北防护林植被度的研究
中国科学院遥感应用研究所的吴云在2009年以像元二分模型为基础，构建了基于归一化植被指数( NDVI ) 的植被覆盖度定量估算模型,并利用 MODI S NDVI 时间序列数据，估算了三北防护林 2001年 8月和 2007年 8月的植被覆盖度，分析了三北防护林植被覆盖度的时空变化特征。结果表明: 2001— 2007年三北防护林植被覆盖度变化较为明显, 平均覆盖度增加了 2. 07%，其中吉林、山西、陕西和宁夏四省变化幅度最为显著，增加幅度分别达到 27. 37%、 14. 12%、9. 29%和 9. 22%[2]。
1.2.2 植被生长变化研究
NDVI数据集是全球气候模式的重要输入参数之一，已经成为分析区域陆地生态系统变化与气候变化影响的重要工具。目前，全球已发布了大量可利用的NDVI数据集，由于全球卫星数据接收、处理，以及因数据集生产计划而产生的标准数据集极大地促进了植被变化的遥感监测。国内外学者在不同时间和不同空间尺度上集中开展了研究。研究表明，在全球尺度上，在北半球中、高纬度地区以及非洲西部、东南亚等热带区域，由于气温升高使植被活动增加，而由于降水减少导致南半球干旱、半干旱区域植被光合作用明显减少[3]。在欧亚大陆，生长季节植被NDVI有较大面积持续增长，在北美洲，NDVI升高区域表现得较为破碎[4]；而且景观生态分析表明欧亚大陆变绿趋势较北美洲更为持续和广泛[5]。在中亚东部的蒙古草原北部针叶林回绿趋势提前，荒漠草原和戈壁荒漠区回绿明显推迟[6]；从1987年-2001年，西班牙植被也有增加的趋势[7]。因此，在全球范围内，植被变化显著，总体上植被活动呈增强趋势，但存在明显的区域性差异[8]。伴随着国内外遥感技术的发展，自20世纪80年代初开始，我国的相关研究也取得了较大的进展，从全国范围来看，我国大部分地区NDVI均呈现不同程度的增加，说明近20年来中国植被活动在增强[9]；从1982-1999年，在81％面积上植被有增加的趋势，其中，明显增加区域占27％[10]；此外，该期间NDVI变化区域性差异明显，在西北地区和青藏高原有所减少，在东部地区有所增加，但18年来珠江和长江三角洲地区植被覆盖下降最为明显[11]。陈云浩和李晓兵[12]