第 3 期 自然资源信息化 No.3 2022 年 6 月 Natural Resources Informatization Jun. 2022 基于 NDVI 的乌兰布和沙漠养牛生态与经济效益研究 武心迪1，白可喻2 （1. 中国人民大学附属中学，北京 100080；2. 中国农业科学院，北京 100081） 摘 要：沙漠化防治是生态文明建设的重要工作，利用遥感技术为经济发展与环境治理提供支 撑服务具有重要的生态和经济价值。本文利用基于 MODIS 的 NDVI 对内蒙古自治区乌兰布和沙 漠养牛模式进行了研究，分析了沙漠奶牛产业发展，探讨了 2005—2021 年磴口县奶牛存栏量变 化。研究发现，随着沙漠养牛产业发展，当地植被覆盖度从 2005 年的 21.85% 提升到 2021 年的 37.31%，奶牛产业占 GDP 比例从 2005 年的 12.37% 上升至 2021 年的 39.41%。进一步的相关性分 析显示，存栏奶牛数量和植被覆盖的相关性系数为 0.87，说明奶牛数量和当地植被覆盖具有强关 联；存栏奶牛数量和 GDP 相关性系数为 0.69，说明奶牛数量和当地 GDP 具有较强关联。综合看， 沙漠养牛对改善当地生态环境和促进经济增长具有明显的效果。 关键词：遥感；MODIS；NDVI；乌兰布和沙漠；养牛 中图分类号：000 文献标识码：A 文章编号：2097-1001（2022）03-0000-00 突破口，采取政策引导、资金扶持、部门服务等 方式，多形式拓展奶牛养殖规模[3-4]。近年来，磴 0  引言 口县的奶牛规模不断扩大。本文利用基于中分辨 率或像光谱仪（MODIS）的归一化植被指数（NDVI） 乌兰布和沙漠是我国八大沙漠之一，总面积 对乌兰布和沙漠养牛模式进行了研究。 近 1 万平方千米 [1]，位于内蒙古自治区西部，东北 部以河套绿州为界，西部以阿拉善左旗的吉兰泰 1  研究内容与方法  —图库木公路为界，西北部以狼山为界，东至黄 河，南至贺兰山。由于自然气候变暖和人为破坏， 1.1  研究区域  乌兰布和沙漠东进南移的扩展速度非常惊人，已 严重影响了周边地区的日常生活。 本研究区域位于内蒙古自治区磴口县，总面 磴口县是内蒙古自治区巴彦淖尔市下辖县， 积为 3677 平方千米，年平均气温为 8.8 摄氏度， 地处乌兰布和沙漠东北部，处于南北纬 40°~50° 年均降水量为 143 毫米，年均蒸发量为 2493 毫米， 的“黄金奶源地”[2]，其温度、湿度、土壤、水源 年均无霜期为 159 天，年日照时数为 3300 小时以 及降雨等条件都非常适合牧草生长和奶牛生存。 上，最大冻土深度为 97 厘米。 2004 年，磴口县提出将奶牛养殖作为产业发展的 收稿日期：2022-01-28；修回日期：2022-03-17 基金项目：科技部科技基础资源调查专项“中蒙俄国际经济走廊草地资源与生态调查”（2017FY101301-5） 通信作者：白可喻（1973—），女，博士，副研究员，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，主要从事退化生态系统 恢复与评估、生物多样性保护与利用方面研究工作。 54 自然资源信息化 2022 年 6 月 1.2  研究内容  Coverage，VFC），具体公式如下： NDVI-NDVIsoil 本文重点对磴口县奶牛存栏量、NDVI、植被 VFC= NDVI （2）veg-NDVIsoil 覆盖度和 GDP 的变化情况进行分析，研究上述指 式中，NDVIsoil 是完全祼土或无植被覆盖时的 标的变化趋势。在此基础上，对磴口县奶牛存栏 NDVI值，NDVIveg是完全被植被覆盖时的NDVI值。 量与植被覆盖度进行关联研究，分析奶牛存栏量 本文选取 NDVIsoil 和 NDVIveg 分别为 NDVI 的 0.5% 和植被覆盖度之间的关联关系；对磴口县奶牛产 和 95.5% 的置信范围边界的值。 业经济占 GDP 比重进行比较，分析奶牛存栏量对 1.3.3  基于相关性模型的奶牛存栏数同植被 当地 GDP 的影响；对磴口县奶牛存栏量与 GDP 总量进行关联分析，计算奶牛存栏量和 GDP 覆盖度和GDP关联性分析 的 关联系数；并根据分析结果，对沙漠奶牛养殖对 为分析奶牛养殖和生态变化的关系，本文使 当地生态和经济的影响进行综合评价和讨论。 用相关性分析模型，对奶牛数量和植被覆盖度进 行相关性分析。对给定两个长度为 n 的序列 X 和 Y， 1.3  研究方法  - -n>1，用 X 和 Y 表示序列 X 和 Y 的平均值，Xi 和 Yi 1.3.1  基于MODIS遥感影像的NDVI变化分析  分别表示序列 X 和 Y的第 i 个值，则 X 和 Y 的相 沙漠养牛虽然可以利用沙漠干燥气候，减少 关性系数 r 为： Sxy 奶牛感染和发病，但沙漠环境和气候对于牧场并 r= SxS （3） y 不理想。磴口县探索将种树固沙、种草治沙和沙 漠养牛结合起来[2]，绿化周边环境，改善区域植被 其中： S = ∑ n 1(Xi-X )(Yi-Y ) 覆盖。MODIS 携带 490 个探测器，分布在 36 个 xy n-1 （4） 光谱波段 [5]，覆盖从可见光到红外波段，每两天就 n 2 S = ∑ 1(Xi-X ) （5） 可以提供从可见光到红外波段的地球陆地、海洋 x √ n-1 和大气的全面的全球观测数据。归一化植被指数 n 2 S = ∑ 1(Yi-Y ) （6） y √ 数据产品（MODIS NDVI）[6] 是 MODIS 提供的 n-1 r 一类反映植被指数的数据产品，其计算公式为： 相关性系数 值域范围为 [-1，1]。当 r大于0时， NIR-R 表示正相关；当 r 小于 0 时，表示负相关。r 的绝 NDVI= （1）NIR+R 对值越大，相关度越高。 式中，NIR 为近红外光谱，R 为红光谱，NDVI 2  数据来源  反映植被覆盖情况。 本文基于 MODIS NDVI 数据产品，选取 2005— 本文使用的数据源主要包括巴彦淖尔市人民 2021 年每年 8 月 5 日前后的 MODIS NDVI 数据产 政府办公室、磴口县政府官网发布的统计数据， 品作为基础数据，叠加研究区空间范围数据，通 MODIS 遥感数据，国家统计局的 CPI 指数数据，以 过 ArcGIS 软件完成研究区 NDVI 数据产品的剪裁、 及部分互联网公开资料，具体数据来源如下表所示。 渲染和制图，生成了 17 个年度的 NDVI 植被指数 表 1  数据来源与处理方法 可视化图层。 序号 数据名称 数据来源 规格 1.3.2  基于 NDVI 的植被覆盖度计算  1 MODIS 数据 NASA[6] 250 米分辨率 为量化评估 2005—2021 年植被变化情况，本 磴口县官网 [8-9]， 文基于 NDVI 数据，计算研究区 2005—2021 年 2 GDP 数据 年度指标数据汇聚数据 [10] 植被覆盖度变化情况。在计算植被覆盖度时，参 磴口县官网 [8-9]3 ，存栏奶牛数量 [4] 年度指标数据 考李苗苗提出的模型 [7]，选取 0.5%~99.5% 置信 互联网数据 4 CPI 指数 国家统计局 [11] 年度指标数据 范围计算植被覆盖度指数（Vegetation Fractional 第 3 期 武心迪，等：基于 NDVI 的乌兰布和沙漠养牛生态与经济效益研究 55 3  结果与分析  化，存栏量从 2017 年的 7.31 万头降到 2019 年的 6.01 万头。2020 年大幅增长 58.9%，奶牛存栏量 达 9.55万头。2021年，继续保持 11.6%的高速增长， 3.1  奶牛存栏量变化分析  奶牛存栏量达 11.08 万头，相比 2005 年初的 1.40 根据统计数据 [8-10]，磴口县奶牛存栏量从 2005 万头增长 7.9 倍，平均年增速为 43.2%，这反映了 年的 1.40 万头左右（以 2004 年底数量估算 [4]）， 当地奶牛养殖业的快速发展。 逐步增长至 2021 年底的 11.08 万头，奶牛存栏量 3.2  沙漠养牛对植被的影响分析  如图 1 所示。 120,000 110,800 本文基于 MODIS NDVI 数据产品，选取了 100,000 95,500 3.2沙漠养牛对植被的影响分析 2005—2021 年每年 8 月 5 日前后的 MODIS NDVI80,000 73,100 61,100 60,000 60,10049,000 数据产品作为基础数据，叠加研究区空间范围数45,000 40,000 36,00024,704 据，通过 ArcGIS 软件，完成研究区的 NDVI 数 20,000 14,000本文基于 MODIS NDVI数据产品，选取了 2005年至 2021年每年 8月 5日左 0 据产品的剪裁、渲染和制图，生成了 17 个年度的 右200的5 2M00O8D2I01S3 N20D1V4 I20更16 新201周7 2期018为20119 620天20的202数1 据产N品D作VI为植基被指础数可据视，化叠图加层磴。口由空于间篇幅范所围限，本文 数据图，1通  过磴口A县rc奶牛存栏量变化 选取了其中关键节点的 4 个年度展示当地植被变 Map 软件，完成磴口县区域的 NDVI 数据产品的剪裁、渲染和制 化，如图 2 所示（绿色部分是植被）。 图，生成了 17个年度的 NDVI植被指数可视化图从层图。2由可于以篇看幅所限，本文选取了从图 1 可以看到，磴口县奶牛存栏量自 2005 出，研究区的植被覆盖发生了 年起持其续中增关长键。2阶01节8 年点，的由4于个奶年牛度品展种示和当结构地优植被变明化显，的如变下化图，所特示别（是绿左色下部角分区是域植，被从）2 00：5 年 8 月 图 3 图2020 52年00至5—22002211年年磴研口究县区 NDDVVII指指数变化比较图 从上图可以看到，磴口县的植被覆盖发生了明显的变化，特别是在左下角区 域，从 2005年的基本没有植被覆盖，到 2021年 8月出现大面积的覆盖，如下图 所示： 6 56 自然资源信息化 2022 年 6 月 基本没有植被覆盖到 2021 年 8 月出现大面积的植 升期，并超过2017年的32.53%，达到36.4%；2021年， 被覆盖。 占比继续增加，达到 39.41%，是 2005 年的 3.18 倍， 结合当地具体情况调研分析，上述变化明显 这说明奶牛产业在磴口县经济发展中的比重日益 的区域是当地重要奶牛养殖基地的牧场，该牧场 增加，已是当地 GDP 的重要构成部分。 周边持续开展绿化工作，利用循环养殖技术，经 45.00 GDP 40.00 过十多年建设，构建了植被绿色带，推动了周边 36.44 39.41 35.00 32.53 30.00 沙漠治理，改善了牧场周围的植被环境。 25.2125.00 20.00 18.73 23.58 为量化评估 2005—2021 年植被变化情况，本 15.00 12.37 13.38 12.23 14.64 10.00 文基于 NDVI 数据和公式（2）进一步计算研究区 5.00 0.00 2005—2021 年植被覆盖度的变化情况，获得如下 2005 2008 2013 2014 2016 2017 2018 2019 2020 2021 结果。 图 4  奶牛产业 GDP 在磴口县 GDP 的占比 从图 3 可以看出，2005—2021 年，研究区植 被覆盖度整体呈上升趋势，2015 年由于气候原因 有所下降，整体植被覆盖度从 2005 年的 21.85% 3.4  奶牛存栏量与植被覆盖度及GDP的 提升到 2021 年的 37.31%。上述基于遥感的分析显 相关性分析  示，沙漠养牛直接带动了牧场周边的沙漠治理， 为进一步分析奶牛养殖和生态变化的关系， 大幅度提升了植被覆盖度，改善了周边生态环境。 本文对奶牛数量和植被覆盖度进行相关性分析。 根据公式（3），得到奶牛存栏量和植被覆盖的相 40.00 33.17 35.03 37.31 35.00 关性系数为 0.87，说明奶牛存栏量和当地植被覆 30.00 28.38 29.05 29.39 31.34 37.59 25.32 34.44 25.00 31.04 31.3627.80 27.12 28.31 盖存在正相关性。 20.00 24.7521.85 15.00 表 2  磴口县奶牛存栏量与当地植被指数相关性分析 10.00 5.00 存栏奶牛量奶牛存栏 植被覆盖度 0.00 年份 与植被覆盖 05 06 07 08 09 10 量 / 头 （VFC） 20 20 20 20 20 20 20 11 12 13 4 5 6 7 8 9 0 1 20 20 20 1 012 20 1 20 1 012 20 1 20 2 2 20 的相关系数 2005 14,000 21.85% 0.88 图 3  2005—2021 年研究区植被覆盖度变化 2008 24,704 28.38% 2013 36,000 31.04% 3.3  沙漠养牛对地区经济的影响分析 2014 45,000 29.39% 2016 49,000 31.36% 研究分析了当时 GDP 增长和奶牛产业发展的 关系。研究发现，直接利用收集的数据计算产值， 2017 73,100 31.34% 由于不同年度物价的变化，无法反映物价因素。 2018 61,100 34.44% 针对上述问题，本文获取了国家统计局发布的年 2019 60,100 35.03% 度 CPI 指数数据 [11]，并通过 CPI 指数反推了 2005 2020 95,500 37.59% —2020 年每头奶牛产生的经济价值。 基于反推的奶牛年度产生的经济价值，可以 2021 110,800 37.31% 计算各年度奶牛产业占 GDP 的比例，如图 4 所示： 从图 4 可以看出，奶牛产业 GDP 占比从 2005 为进一步分析奶牛养殖和 GDP 关系，本文对 年的 12.37% 逐步升至 2017 年的 32.53%。2018 年 奶牛存栏量和 GDP 进行相关性分析，得到奶牛存 和 2019 年，由于奶牛品种优化和结构调整，奶牛 栏量和 GDP 相关性系数为 0.69，说明奶牛数量和 产业 GDP 占比有所下降，但 2020 年又进入快速上 当地 GDP 存在正相关性。 % GDP % 第 3 期 武心迪，等：基于 NDVI 的乌兰布和沙漠养牛生态与经济效益研究 57 表 3  磴口县奶牛存栏量与 GDP 相关性分析 沙漠东北缘荒漠 - 绿洲过渡带植被地上生物量进行 奶牛存栏量 估算，王杰等 [15] 利用遥感技术对乌兰布和沙漠干 奶牛存栏 年份 量 / GDP/ 亿元 和 GDP 的头 旱地区遥感生态指数进行改进。车晓旭 [16] 对乌兰 相关系数 布和沙漠磴口县的“人工绿洲”区域进行研究， 2005 14,000 16.88 0.69 利用遥感影像 NDVI 数据和植被采样数据对研究 2008 24,704 31.03 区域的植被变化进行分析，当地植被变化主要因 2013 36,000 56.31 素为人工干预（植树种草），也间接证明了本文 2014 45,000 59.96 研究的奶牛养殖带动当地植树种草和植被变化的 2016 49,000 52.78 结论。以往大多研究工作主要是对某一生态指标 的分析和监测，尚未发现沙漠奶牛产业和植被覆 2017 73,100 46.07 盖度的关联分析、沙漠奶牛产业和 GDP 的关联风 2018 61,100 50.73 险研究，本文开展的关联性研究是上述已有生态 2019 60,100 54.9 研究的新扩展和补充。 2020 95,500 57.85 由于缺少直接统计数据，本文在分析奶牛产 业 GDP 占比时，采用了模型估算和 CPI 指数反推 2021 110,800 62.63 的方式进行了估算，待有相关数据后，可以进一 步优化相关的占比分析。本文只对沙漠养牛对当 4  讨论与结论 地经济、植被影响进行了分析，后续工作可进一 步对生物多样性、气温、风速及人均 GDP、人均 本文针对乌兰布和沙漠养牛模式进行了研 可支配收入等关联指标进行分析。 究，利用基于 MODIS 的 NDVI 对研究区进行了分 析，比较了 2005—2021 年该区域的奶牛存栏量和 参考文献 GDP 情况，并分析了奶牛产业 GDP 在当地 GDP 中的占比变化，通过分析发现随着当地奶牛产业 [1]    巴彦淖尔市人民政府办公室 .  巴彦淖尔高质量推进乌 的发展，奶牛数量从 2005 年的 1.4 万头快速增长 兰布和沙漠治理工作 [EB/OL]. https://www.nmg.gov.cn/ 至 2021 年的 11.08 万头，奶牛产业 GDP 占比也从 zwyw/gzdt/msdt/202012/t20201202_221918.html, 2020- 12-02/2022-04-19. 2005 年的 12.37% 上升至 2021 年的 39.41%，反映 [2]  李胜利 .  来自“黄金奶源带”的馈赠 [J].  河北农业， 了沙漠养牛直接或间接带动了当地 GDP 的发展。 2020（2）：2.  基于 MODIS 的 NDVI 产品和遥感影像分析发现当 [3]  何文强 .  磴口县实现治沙与致富双赢[J].  内蒙古林业， 地植被指数也有明显变化，从 2005 年的 21.85% 2020（7）：2.  [4]  韩永正 .  巴彦淖尔日报 . 磴口县奶牛存栏突破 1.4  提升到 2021 年的 37.31%。进一步的相关性分析 万 头 [EB/OL]. http://nmj.bynr.gov.cn/JGDJ/Show/7949.  显示，奶牛存栏量和植被覆盖的相关性系数为 2004-11-08/2022-04-19.  0.87，说明奶牛数量和当地植被覆盖具有强关联； [5]  Isaacman A  , Toller G, Barnes W, et al. MODIS LEVEL  奶牛存栏量和 GDP 相关性系数为 0.69，说明奶牛 1B CALIBRATION AND DATA PRODUCTS[C]//Earth  Observing Systems VIII. Science Applications International  数量和当地 GDP 具有较强关联。综合来看，沙漠 Corp. 7501 Forbes Blvd. Suite 103, Seabrook, MD 20706,  养牛对改善当地生态环境和促进经济增长均有明 2003.  显的效果。 [6]  MYD13Q1 - MODIS/Aqua Vegetation Indices 16-Day L3  大量研究利用遥感技术对沙漠地区生态环境 Global 250m SIN Grid[EB/OL]. http://dx.doi.org/10.5067/ 进行监测分析，达来等[12] 利用遥感技术对近 20 年 MODIS/MYD13Q1.006. [7]  李苗苗 .  植被覆盖度的遥感估算方法研究 [D].  北京： 黄河乌兰布和沙漠段生态环境状况变化进行分析， 中国科学院遥感应用研究所，2003.  叶静芸等 [13] 利用遥感 Quick Bird 影像对乌兰布和 [8]  磴 口 县 2021 年 经 济 运 行 情 况 [EB/OL]. http://www. 58 自然资源信息化 2022 年 6 月 nmgdk.gov.cn/zdgknr/dktjsj/202202/t20220217_391688. 发展，2021，33（1）：130-136. html. 2022-02-17/2022-04-19.  [13]  叶静芸，吴波，刘明虎，等 .  乌兰布和沙漠东北缘荒 [9]  磴 口 县 2020 年 经 济 运 行 情 况 [EB/OL]. http://www. 漠 - 绿洲过渡带植被地上生物量估算 [J].  生态学报， nmgdk.gov.cn/zdgknr/dktjsj/202202/t20220217_391688. 2018，38（4）：1216-1225.  html. 2022-02-17/2022-04-19.  [14]  乌拉 .  乌兰布和沙漠植被及其保护[J].  陕西林业科技， [10]  巴彦淖尔磴口县 GDP[EB/OL]. https://gdp.gotohui.com/ 2007（4）：133-137.  data-2323. 2022-04-19.  [15]  王杰，马佳丽，解斐斐，等 .  干旱地区遥感生态指 [11]  国家统计局 .  CPI 指标数据 [EB/OL]. https://data.stats. 数的改进：以乌兰布和沙漠为例 [J].  应用生态学报， gov.cn/easyquery.htm?cn=C01. 2022-04-19.  2020，31（11）：3795-3804.  [12]  达来，任瑞芳，孙浩兵，等 .  基于遥感的近 20 年黄 [16]  车晓旭 .  人工绿洲建设对荒漠区植被动态的影响及其 河乌兰布和沙漠段生态环境状况变化分析 [J].  环境与 防沙树种选择 [D].  北京：北京林业大学，2020.  Study on the ecological and economic eff ects of dairy cow farming in Ulan Buh Desert based on NDVI WU Xindi1, BAI Keyu2 (1. The High School Affiliated to Renmin University, Beijing 100830, China;  2. Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China) Abstract: Desertification control is a key task in ecological civiliaztion construction, which uses remote sensing  technology  to provide  support  and  services  for  economic development and environmental  governance and  it  is of great economic and ecological  significance. Using NDVI based on MODIS,  this paper studies  the desert  dairy cow  farming model carried out  in Ulan Buh Desert of  Inner Mongolia Autonomous Region, analyzes  the  development of dairy cow  farming  industry, and discusses  the change of breeding stock of dairy cows  in  this  area  from 2005  to 2021. The study shows  that with  the development of dairy cow  farming  industry,  the  local  vegetation coverage has changed significantly,  increasing  from 21.85% in 2005 to 37.31% in 2021. Combined  with the analysis of  the local GDP, it  is  found that  the proportion of dairy industry in GDP has increased from  12.37% in 2005 to 39.41% in 2021, showing that desert dairy cow farming has driven the development of local  GDP. Further correlation analysis shows that  the correlation coefficient between the number of dairy cows and  vegetation fractional coverage is 0.87, indicating a strong correlation between the two; the correlation coefficient  between the number of dairy cows and local GDP is 0.69, indicating a relatively strong correlation between the  number of dairy cows and local GDP. On the whole, desert dairy cow farming has an obvious effect on improving  the local ecological environment and promoting economic growth.  Keywords: remote sensing; MODIS; NDVI; Ulan Buh Desert; dairy cow farming