吉林西部地表植被生長(zhǎng)期的遙感監(jiān)測(cè)方法1)

李曉東 閆守剛

(白城師范學(xué)院，白城，137000)

植被生長(zhǎng)期變化，是地學(xué)專業(yè)研究植被生命周期及其與氣候關(guān)系的一個(gè)重要參量［1］，是一種大地理區(qū)域尺度上的變化現(xiàn)象，其變化反映了地球生物圈對(duì)地球氣候與水文系統(tǒng)季節(jié)和年際變化的響應(yīng)［2］，對(duì)于深入研究全球氣候變化及其與陸地生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系等具有十分重要的意義。地表植被指數(shù)數(shù)據(jù)，即歸一化差異植被指數(shù)(NDVI)常被用來(lái)研究區(qū)域和全球植被的狀況［3］，是研究全球植被變化非常理想的植被指數(shù)。植被具有涵養(yǎng)水源、保持水土的作用，有助于生物地球化學(xué)的良性循環(huán)［4-7］。然而，溫度、降水等氣候因子作為植物生長(zhǎng)發(fā)育的必要環(huán)境條件，對(duì)植被的生長(zhǎng)、物候、內(nèi)部的水分關(guān)系與氣體交換等產(chǎn)生重要影響［8-9］。在國(guó)內(nèi)，針對(duì)溫帶典型區(qū)域植被生長(zhǎng)季及其時(shí)空變化的相關(guān)研究沒(méi)有太大的差別，主要不同在于所使用的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單與復(fù)雜的問(wèn)題［10-11］。筆者借鑒了國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的幾種遙感監(jiān)測(cè)方法，針對(duì)吉林西部的植被生長(zhǎng)具體情況重新確定了生長(zhǎng)期的相關(guān)因子，并結(jié)合氣候特點(diǎn)分析了該區(qū)植被生長(zhǎng)中水熱條件存在的問(wèn)題。

1 研究區(qū)概況

吉林西部轄白城、松原兩市，東俯東北平原腹地，西接呼倫貝爾草原，南鄰科爾沁沙地，北臨大興安嶺林區(qū)，地理區(qū)位意義重大。研究區(qū)屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季干燥多風(fēng)，升溫比較快;夏季炎熱，降水集中;秋季涼爽，變溫快、溫差大;冬季漫長(zhǎng)，干燥寒冷。隨著近年來(lái)氣候變化加劇，荒漠化現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱。

2 數(shù)據(jù)獲取與處理分析

2.1 地表植被指數(shù)數(shù)據(jù)

研究采用的遙感數(shù)據(jù)為國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)“中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心”組制作的1998—2008年每15 d最大值合成(MVC)的SPOTNDVI數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集被國(guó)內(nèi)很多學(xué)者用于植被及生態(tài)環(huán)境的研究，都取得了比較好的應(yīng)用效果［12］。若植被序列集中某時(shí)期數(shù)據(jù)缺失則以缺失數(shù)據(jù)前后2旬?dāng)?shù)據(jù)的平均值替缺失數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的平滑濾波處理利用Savizky-Golay濾波函數(shù)進(jìn)行［13］。

2.2 植被生長(zhǎng)季始期計(jì)算

將1998—2008年NDVI的36旬植被指數(shù)序列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為累積頻率值，發(fā)現(xiàn)其累積頻率曲線大致呈現(xiàn)出與植被生物量曲線相一致的“S”型生長(zhǎng)變化規(guī)律。根據(jù)這一規(guī)律，構(gòu)建了基于NDVI累積頻率曲線的Logistic擬合模型來(lái)求算植被生長(zhǎng)季始期［14］。模型建設(shè)過(guò)程主要包括累積頻率轉(zhuǎn)化、曲線擬合、擬合優(yōu)度檢驗(yàn)、曲率計(jì)算以及植被生長(zhǎng)季始期的確定等步驟［15］。

①NDVI累積頻率轉(zhuǎn)化。將處理后的NDVI時(shí)序數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為基于像素單元的累積頻率值。東北地區(qū)的種植制度為一年一熟，因此植被類型一年中只有一個(gè)峰值，利用Logistic模型公式對(duì)研究區(qū)植被進(jìn)行模擬［16］。

式中：t指時(shí)間(d);TNDVI指隨時(shí)間t的 NDVI擬合值;a、b、c均為擬合參數(shù)，是大于零的常數(shù)。

②根據(jù)模擬的曲線，利用Logistic模型進(jìn)行模擬。通過(guò)計(jì)算模擬曲線的曲率，求其極值，確定地表植被生長(zhǎng)期的起止時(shí)間，曲率計(jì)算公式如下：

式中：z=exp(a+b×t);a是沿時(shí)間曲線移動(dòng)單位弧長(zhǎng)時(shí)切線轉(zhuǎn)過(guò)的角度;s為單位弧長(zhǎng);b、c為擬合參數(shù)。

在NDVI累積頻率時(shí)序曲線上，求出其曲率的最大值，該點(diǎn)處曲線彎曲程度最大，說(shuō)明在最大曲率點(diǎn)對(duì)應(yīng)日期之后植被生長(zhǎng)季迅速增長(zhǎng)，依據(jù)此判定極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)日期為該點(diǎn)上的植被生長(zhǎng)期的初始日期。

③確定植被生長(zhǎng)季始期。將擬合曲線曲率的最大值點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的日期作為植被綠度始期，將曲率最小值點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的日期作為植被綠度末期。據(jù)此可求出植被綠度始期和綠度末期。使用基于NDVI累積頻率曲線的Logistic擬合模型計(jì)算得到1998—2008年的植被生長(zhǎng)季始期，分別統(tǒng)計(jì)各年份的植被生長(zhǎng)季的始期，確定植被生長(zhǎng)季終期與生長(zhǎng)季持續(xù)天數(shù)。所有處理分析都在遙感軟件平臺(tái)ERDAS與地信軟件平臺(tái)Surfer和微軟Excel中完成。

3 結(jié)果驗(yàn)證與數(shù)據(jù)分析

3.1 數(shù)據(jù)結(jié)果的驗(yàn)證

在研究區(qū)域進(jìn)行樣點(diǎn)選取，共180個(gè)。使用Logistic函數(shù)分別對(duì)吉林西部的NDVI累積頻率曲線進(jìn)行擬合驗(yàn)證，見(jiàn)圖1～圖3。圖中R2指相關(guān)系數(shù)的平方，值越大，相關(guān)性越好?？梢?jiàn)，各站點(diǎn)1998、2003和2008年NDVI累積頻率曲線與其擬合曲線之間的相關(guān)系數(shù)的平方均在0.994以上。本研究模型在東北農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)具有較好的擬合效果。

圖1 1998年吉林西部地表植被累計(jì)分布函數(shù)與擬合曲線圖

圖2 2003年吉林西部地表植被累計(jì)分布函數(shù)與擬合曲線圖

圖3 2008年吉林西部地表植被累計(jì)分布函數(shù)與擬合曲線圖

3.2 吉林西部地表植被生長(zhǎng)期總持續(xù)時(shí)間

使用1998—2008年NDVI的36旬序列數(shù)據(jù)，利用基于NDVI累積頻率曲線的Logistic擬合模型計(jì)算研究區(qū)內(nèi)的植被生長(zhǎng)始期與終止期，并分析各植被生長(zhǎng)期相關(guān)因子的時(shí)空變化特征。由圖4可知，吉林西部以草原為主，白城市(通榆、長(zhǎng)嶺縣為主)與松原市部分區(qū)域的生長(zhǎng)期持續(xù)時(shí)間為140 d，草原核心區(qū)內(nèi)有達(dá)到140 d以上的區(qū)域存在;研究區(qū)以東的地區(qū)是吉林省的主要農(nóng)耕區(qū)域，種植以水稻、玉米、大豆和高粱為主。該區(qū)域的植被生長(zhǎng)期持續(xù)時(shí)間為122～130 d;長(zhǎng)白山部分區(qū)域是北方主要的林區(qū)之一，地表植被生長(zhǎng)期持續(xù)時(shí)間在112 d以內(nèi)?？傊?，地表植被生長(zhǎng)期的天數(shù)由西向東逐漸減少。

圖4 吉林西部地表植被生長(zhǎng)期總持續(xù)天數(shù)分布

3.3 吉林西部地表植被生長(zhǎng)初始期

由圖5可知，吉林西部的草原區(qū)域植被生長(zhǎng)期起始天為年后的第126天(即，5月上旬)，包括吉林省的通榆、長(zhǎng)嶺縣(吉林西部主要堿嶺和堿地的分布區(qū)域);吉林西部大部分區(qū)域(包括白城市與松原市)地表植被生長(zhǎng)始期在第136天左右開(kāi)始(即，5月中旬);研究區(qū)以東區(qū)域是濕潤(rùn)地區(qū)，區(qū)域內(nèi)氣溫轉(zhuǎn)暖較為遲緩，農(nóng)耕期也短?？傮w上該區(qū)域的植被生長(zhǎng)期起始天為年后的第140天(即，5月中下旬)?？梢钥闯?，研究區(qū)內(nèi)地表植被生長(zhǎng)期的始期，在空間上，由西向東經(jīng)歷由先到后的變化，向東越來(lái)越遲。生長(zhǎng)期始期日期相差20 d以上。

圖5 吉林西部地表植被生長(zhǎng)初始期空間分布

3.4 吉林西部地表植被生長(zhǎng)終止期

由圖6可知，吉林西部包括白城市與松原市大部分區(qū)域，植被生長(zhǎng)期終止天為年后的第266～270天(9月下旬與10月初);研究區(qū)以東，植被生長(zhǎng)期終止天為年后的第260～266天(9月中旬);長(zhǎng)白山部分區(qū)域地表植被生長(zhǎng)終期出現(xiàn)在第250～256天(9月上中旬)。從地表植被生長(zhǎng)期終期的時(shí)空變化特點(diǎn)可看出：地表植被生長(zhǎng)期較長(zhǎng)的地區(qū)屬于半干旱與半濕潤(rùn)地區(qū)，由于降水較少，地表地下水資源欠豐富和居民生活用水等原因，水熱矛盾是本區(qū)域發(fā)展生產(chǎn)，植被恢復(fù)要面臨的主要問(wèn)題。

圖6 吉林西部地表植被生長(zhǎng)初終期空間分布

4 結(jié)論與討論

基于1998—2008年每15 d最大值合成(MVC)的SPOT-NDVI數(shù)據(jù)集，對(duì)吉林西部地表植被的生長(zhǎng)狀況進(jìn)行了建模分析，針對(duì)最終數(shù)學(xué)運(yùn)算結(jié)果經(jīng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的人工判定得到研究區(qū)域的地表植被生長(zhǎng)期的相關(guān)因子，結(jié)論如下：①吉林西部地表植被生長(zhǎng)期的始期有著明顯的區(qū)域特點(diǎn)。吉林西部的草原區(qū)域植被生長(zhǎng)期起始天為年后的第126天(5月上旬)，包括吉林省的通榆、長(zhǎng)嶺縣;吉林西部以西大部分區(qū)域(包括白城市與松原市)地表植被生長(zhǎng)始期在第136天左右開(kāi)始(5月中旬);長(zhǎng)春地區(qū)，包括長(zhǎng)春、吉林以東的吉林中部地區(qū)，該區(qū)域的植被生長(zhǎng)期起始天為年后的第140天(5月中下旬)。研究區(qū)內(nèi)地表植被生長(zhǎng)期的始期，在空間上經(jīng)歷由先到后的變化，向東越來(lái)越遲。由西向東，生長(zhǎng)期始期日期相差20 d以上。②吉林西部地表植被生長(zhǎng)期終期的時(shí)空變化特點(diǎn)。大興安嶺以東地區(qū)，包括白城市與松原市大部分區(qū)域，植被生長(zhǎng)期終止天為年后的第266～270天(9月下旬與10月初);吉林中部地區(qū)，包括長(zhǎng)春、吉林以東的地區(qū)，該區(qū)域的植被生長(zhǎng)期終止天為年后的第260～266天(9月中旬);長(zhǎng)白山部分區(qū)域地表植被生長(zhǎng)終期出現(xiàn)在第250～256天(9月上中旬)。③10 a來(lái)，吉林西部地表植被生長(zhǎng)期持續(xù)天數(shù)的變化特點(diǎn)。大興安嶺以東地區(qū)，包括白城市(通榆、長(zhǎng)嶺縣為主)與松原市大部分區(qū)域，植被生長(zhǎng)期持續(xù)時(shí)間為140 d，草原核心區(qū)內(nèi)存在140 d以上的區(qū)域;吉林中部地區(qū)，包括長(zhǎng)春、吉林以東的地區(qū)，該區(qū)域的植被生長(zhǎng)期持續(xù)時(shí)間為122～130 d;長(zhǎng)白山部分區(qū)域地表植被生長(zhǎng)期持續(xù)時(shí)間在112 d以內(nèi)。最終確定，吉林西部的地表植被生長(zhǎng)期為5月上旬開(kāi)始到9下旬結(jié)束，整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)植被生長(zhǎng)期持續(xù)時(shí)間在130 d左右。

文中涉及的植被生長(zhǎng)期是包括研究區(qū)的農(nóng)作物在內(nèi)所有地表植被生命活動(dòng)的始期與終期，與農(nóng)業(yè)上農(nóng)作的開(kāi)始與截止期意義上是不同的。植被生長(zhǎng)期的確定，一般國(guó)內(nèi)該方面研究都是基于NDVI數(shù)據(jù)集，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行公式求導(dǎo)得到年內(nèi)36旬NDVI數(shù)據(jù)變化曲線的曲率，由曲率最大值、最小值分別決定植被生長(zhǎng)的初期與終期;國(guó)內(nèi)對(duì)此方向的研究沒(méi)有太大的差別，主要不同在于所使用的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單與復(fù)雜的問(wèn)題。植被生長(zhǎng)期的變化，是一種大地理區(qū)域尺度上的變化現(xiàn)象。因此，筆者基于吉林西部的NDVI數(shù)據(jù)集，首先利用GIS軟件進(jìn)行樣點(diǎn)提取;然后逐樣點(diǎn)平滑處理，構(gòu)建新的NDVI時(shí)序累計(jì)數(shù)據(jù)序列，計(jì)算序列的斜率變化，人工判定植被生長(zhǎng)的始期與終期;最后在GIS軟件中，實(shí)現(xiàn)由點(diǎn)數(shù)據(jù)到面數(shù)據(jù)的克里格插值運(yùn)算，得到吉林西部植被生長(zhǎng)期相關(guān)因子(生長(zhǎng)的始期與終期、生長(zhǎng)期的天數(shù))的空間分布數(shù)據(jù)。植被生長(zhǎng)期研究中，整個(gè)分析處理過(guò)程中存在以下情況：運(yùn)算量大;并且不可避免的有異常點(diǎn)存在，異常點(diǎn)的存在對(duì)后期數(shù)據(jù)的精度有著一定影響;NDVI數(shù)據(jù)求算的曲率有時(shí)存在2個(gè)相近的峰值或者谷值，所以有人為判定因素存在，數(shù)據(jù)的精確性需要有大量實(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù)的印證。氣候因子對(duì)吉林西部植被生長(zhǎng)的影響作用，筆者尚未進(jìn)行詳細(xì)深入地研究分析，兩者之間的相關(guān)性有著進(jìn)一步研究的意義。

致謝：在數(shù)據(jù)的整理過(guò)程中得到了候旭、婁思文、姚?？⒍艑毤?、趙英杰、孫繼梅、盧瑤、孫晶、王蔚悅等同學(xué)的大力幫助，特此感謝。

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