基于断点检测的延安市植被动态变化研究

作     者：季烨云 

作者单位：中国林业科学研究院 

学位级别：硕士

导师姓名：刘鹏举

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 0713[理学-生态学] 

主      题：NDVI时间序列 DBEST 多阶段趋势 气候时空变化 

摘      要：黄土高原位于黄河中游地区,是世界上水土流失最为严重的区域之一。延安市是黄土高原的中心部分,水土流失严重、生态环境脆弱,但自三北防护林、天然林资源保护、退耕还林还草等工程实施以来,该区域生态环境得到了明显改善。为了探究其植被变化及影响因素,本文利用2000-2019年Landsat TM/ETM+/OLI生长季遥感影像构建逐年NDVI最大值时间序列,采用断点检测算法DBEST发现植被的变化时间,并利用GF-1PMS遥感影像对不同类型的变化进行验证;建立了基于断点检测的多阶段时间趋势分析方法,对延安市植被变化时空分布特征进行了研究;采用相关、偏相关分析方法对气温降水数据和NDVI的关系进行探究。论文主要结论如下:(1)DBEST算法能够很好地检测出延安市NDVI时间序列的断点变化时间与变化类型,准确率分别达到91.67%和81.67%。断点的时空分布特征结果表明,植被发生变化的年份多在2012年之前,持续时间基本在1-4年之间;发生突变的区域极少,呈现变化幅度高的特点,且多是下降的态势,主要位于各县城区以及河流道路沿线;发生渐变的区域占主体,多处于上升态势,桥山和梁山两大天然林区上升幅度低于北部地区及洛河河谷上升幅度。(2)断点检测结果表明,延安62.47%的区域在研究期间发生明显的趋势变化,植被变化整体呈改善趋势。对该区域进行多阶段趋势分析,以断点及其变化结束时间划分时间序列并分段,最长时间段作为第一趋势段,若存在大于5年的第二长时间段则作为第二趋势段。延安市植被的多阶段趋势表明,第一趋势中,改善分布于大部分区域,且持续时间多长达16年以上,北部及中部改善程度较大;退化区域共占约3.26%,东南部分退化程度较轻。35.27%的区域无第二趋势且主要分布于北部和洛河河谷地区,在较长一段时间内植被保持稳定;27.20%的区域存在第二趋势。第二趋势中,植被基本不变和改善的区域主要位于延安市中部地区,趋势变化主要开始于2000或2014年,持续时长6-7年;植被退化区域趋势变化开始时间为2000或2013年,分布于西北吴起县边缘地区宜川、延长地区,持续时长超过7年。(3)多阶段趋势分析结果能够精确反映植被时空变化的动态趋势。对于仅存在第一趋势的区域,其第一趋势与总体趋势差别不大。对于存在第二趋势的区域,多阶段趋势分析方法可以检测出更多的趋势下降情况,而总体趋势只能得到改善或基本不变的结果。近年来延安市有林地、疏林地、灌木林地、未成林造林地均是改善情况明显,延安市生态建设工程取得了良好的效果。(4)延安市地区气候对植被变化有一定相关性,显著相关区域较小。2000-2015年降水量和年均气温因子不同的区域差异性明显,有以下变化规律。延安市整体年均气温呈平缓状态;年降水量上升趋势不显著,波动大,两者总体均由东南向西北递减,同时南部山区的降水量明显高于周围海拔低的区域。在时间尺度上,年NDVI最大值与年均气温、年降水量之间存在相关性,但相关系数均较低。在空间尺度上,不同区域气温和降水对植被的影响呈现不同相关性。年NDVI最大值分别与年均气温、年降水量呈显著相关的区域均较少,呈不显著正相关的区域面积最大。总体而言,延安市地区植被对降水更敏感。