㈠ 植被指數
植被指數是由多光譜數據，經線性和非線性組合構成的對植被有一定指示意義的各種數值。在植被指數中，通常利用植物光譜中的近紅外與可見光紅波段兩個最典型的波段值。根據這兩個波段計算產生的各種參數都對植被生長狀況、生產力敏感。因此，常被用作描述植被生理狀況，估測現存綠色生物量、植被生產力等等。
歸一化差值植被指數NDVI即是普遍利用的刻畫植被的指數。植被歸一化差值植被指數NDVI（Normalization Difference Vegetation Index）被定義為近紅外波段與可見光紅波段數值之差和這兩個波段數值之和的比值。即
生態水文地質學
式中：IR為近紅外波段地表反射率；R為可見光紅光波段地表反射率。
NDVI可以用於季節性植被變化的研究，也可用於年際間植被變化的分析，如沙漠邊緣的變化（C.J.Tucker等，1991）、氣候變化（Los等，2001）、乾旱地區植被變化規律等等。
我國利用衛星數據進行區域范圍的植被分類及變化的研究時間較短，李曉兵等（1999）利用NOAA/AVHRR數據對中國主要植被類型NDVI指數10年的變化規律進行了研究；王心源等（2001）在3景TM衛星數據的基礎上對額濟納旗地區近15年綠洲變化進行了分析；羅格平等（2003）用氣象衛星數據和TM數據分析了天山北坡近10年植被的變化。
氣象衛星影像中得到的植被指數受到土壤亮度、土壤顏色、探測器衰減和大氣因子等諸多復雜因素的影響，如果不進行有效的校正將造成較大的誤差。不同的衛星數據系統提供的數據在信息處理上有所差異。
例如，GIMMS（Global Inventory Modelling and Mapping Studies）NDVI數據是美國國家航天航空局（NASA）C.J.Tucker等人於2003年11月推出的最新的全球植被指數變化數據（C.J.Tucker，et al.，2003）。這套數據包括了1981～2002年間的全球植被指數變化，其時間解析度是15d，空間解析度是8km×8km。GIMMS NDVI數據採用衛星數據的格式記錄了22年間區域植被的變化情況。它可以用於氣候模型及生物化學模型計算光合作用、大氣層與地表間的CO2交換、地表蒸發蒸騰量和地表吸收及釋放的能量。
GIMMS NDVI數據被認為是相對標準的數據，因為它考慮了全球范圍內各種因素對NDVI值的影響，並作了如下幾方面的校正：①衛星感測器的不穩定性校正；②熱帶闊葉林區雲的覆蓋引起的變形校正；③太陽天頂角和觀測角度的校正；④火山氣溶膠的校正；⑤對北半球冬季缺失的數據採用了插值法；⑥短期大氣氣溶膠、水蒸氣及雲層覆蓋的影響校正。因此，GIMMS NDVI數據可用於監測植被動態變化。
筆者應用GIMMS NDVI數據（共計504 幅影像），對祁連山以北地區1982～2002 年21年間植被的動態變化進行了研究。首先，對1982～2002年（21年）504幅圖像每個像素的NDVI值進行一元線性回歸法擬合，將得到的直線斜率值放大（放大10000倍），作5×5均衡濾化後畫等值線圖（圖12-1），得到研究區多年的植被變化總趨勢。直線斜率的計算公式為：
生態水文地質學
此處變數x為1～21的年序號，變數y為1982～2002年的NDVI值（式（12-2）中表示為NDVIi，當i=1時為1982年，i=2時為1983年，以此類推至2002年），SLOPE為由x和y計算出的一元線性回歸斜率。
根據擬合結果，黑河中游的酒泉盆地及張掖盆地，石羊河流域的武威盆地及金昌盆地，植被指數呈上升趨勢；而位於黑河下游的額濟納旗綠洲和巴丹吉林沙漠邊緣的阿拉善右旗地區，植被指數為負增長。說明在1982～2002年的21年間，酒泉、張掖、武威及金昌盆地的植被情況是逐漸變好的，而黑河下游地區，由於中游地區用水量逐年增加，正義峽下泄水量銳減，額濟納旗綠洲呈現嚴重退化的趨勢，生態環境惡化。
張掖地區的植被指數呈穩定而緩慢上升的趨勢（圖12-1），其總的線性擬合方程為：
生態水文地質學
式中：NDVI為張掖地區的植被指數平均值；t為對應於時間的數據個數，t=1，2……504。
圖12-1 張掖地區植被指數總的變化趨勢
從植被指數變化趨勢可以看出，在1982～1990年中，植被指數呈持續上升的趨勢，與此期間張掖地區大力發展農業、大量開墾農田，使得人工植被逐年增長的趨勢相吻合，見圖12-2。
圖12-2 1982～1990年張掖地區的農田面積統計
從1991～1998年，特別是1994～1998年，植被指數有小的振盪，但總體趨勢仍然是上升的。但是，從1998至2001年，植被指數出現小幅下降趨勢，與年降雨量較少、氣候相對乾旱有關。
額濟納旗地區的植被指數則呈下降的趨勢，且處於不穩定狀態（圖12-3），其總的線性擬合方程為：
生態水文地質學
式中：NDVI為額濟納旗地區的植被指數平均值；t為對應於時間的數據個數，t=1，2……504。
圖12-3 額濟納旗地區植被指數總的變化趨勢
從圖12-3中可以看出，在1982～1994年之間，植被指數不斷變化，這種變化與狼心山排泄至黑河下游的水量大小有關。在1982～1990年間，年下泄水量均超過5×108m3/a。雖然1991年和1992年的下泄水量較小，但是在這兩年間植被指數的變化並不明顯。而1994～2002年，由於狼心山向下游的排泄水量下降（圖12-4），使得額濟納旗地區的植被指數下降，綠洲萎縮，生態環境惡化。
圖12-4 1988～2002年狼心山的下瀉水量統計圖