基于FY-3的海南島橡膠NDVI時空變化規(guī)律研究

杜函函,張京紅,劉少軍,余云龍,畢華

(1.海南師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院,海南 ?？?571158;2.海南省氣象科學(xué)研究所,海南 ?？?570203;3.南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,海南 海口 570203)

基于FY-3的海南島橡膠NDVI時空變化規(guī)律研究

杜函函1,2,3,張京紅2,3,劉少軍2,3,余云龍1,畢華1

(1.海南師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院,海南 ?？?571158;2.海南省氣象科學(xué)研究所,海南 ?？?570203;3.南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,海南 ?？?570203)

為了研究海南橡膠的生長態(tài)勢,分析橡膠的歸一化植被指數(shù)的變化規(guī)律,選取海南島2008—2011年的FY-3A MERSI遙感進(jìn)行去噪處理,運(yùn)用風(fēng)云三號遙感系統(tǒng)和ENVI得到相關(guān)數(shù)據(jù),將遙感數(shù)據(jù)結(jié)合最大合成法分析橡膠的空間分布特征、年內(nèi)及年際變化規(guī)律,得到海南島橡膠年生長周期及變化規(guī)律.結(jié)論表明在2009—2012年四年間海南島90%以上的橡膠NDVI值均保持在0.6以上,平均值呈現(xiàn)日益增加的趨勢,每年2月和8月為極小值和極大值,2—8月為增長趨勢,8—10月為下降趨勢,10—11月有小幅度的增長,11月至次年2月呈下降趨勢.

FY-3A MERSI;橡膠;NDVI

0 引言

海南是我國最大的天然橡膠生產(chǎn)基地,橡膠產(chǎn)業(yè)是海南興農(nóng)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)、支柱產(chǎn)業(yè)和優(yōu)勢產(chǎn)業(yè).截至2008年海南島天然橡膠種植面積40.22萬hm2,占全國51.8%,其中海南農(nóng)墾25.53萬hm2;干膠產(chǎn)量27萬t,占全國50.2%,其中海南農(nóng)墾17.1萬t[1].到2010年末海南省橡膠種植面積達(dá)到49.04萬hm2,開割面積34.31萬hm2,產(chǎn)量34.64萬t[2].橡膠的生長態(tài)勢決定了其生產(chǎn)量,橡膠的NDVI反映了其生長態(tài)勢.

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展及數(shù)據(jù)精度的提高,歸一化植被指數(shù)(NDVI,normalized difference vegetation index)是指示植被覆蓋和植被生長狀態(tài)的最佳指示因子,被廣泛應(yīng)用于區(qū)域植被活動監(jiān)測中[3-4];能很好地消除數(shù)據(jù)之間高階冗余,便于提取有效信息[5];而且歸一化植被指數(shù)具有空間覆蓋范圍廣、植物檢測靈敏度高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn),目前已經(jīng)作為一種遙感手段廣泛應(yīng)用于植被監(jiān)測[6]、土地覆蓋變化[7-8]、荒漠化研究[9]、凈第一性植被生產(chǎn)力[10]等方面.大量植被生長態(tài)勢、植被災(zāi)害監(jiān)測、植被覆蓋度[11]等研究運(yùn)用歸一化植被指數(shù).陳小敏等[12]利用遙感分析海南省的橡膠MODIS/INDVI值,應(yīng)用于監(jiān)測橡膠寒害、受害面積和動態(tài)監(jiān)測橡膠生長情況.王慶等[13]利用TM影像的植被NDVI值用于植被覆蓋變化遙感監(jiān)測.本文中以海南島為研究區(qū),通過對該區(qū)2008年至2012年風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理,分析該區(qū)橡膠歸一化植被指數(shù)NDVI,研究該區(qū)橡膠的空間分布特征、年內(nèi)及年際變化規(guī)律,探討海南島橡膠年生長周期及變化規(guī)律,從而增強(qiáng)對海南橡膠種植長勢變化規(guī)律的分析,為其種植生產(chǎn)提供有利的條件,也為后期進(jìn)一步開發(fā)橡膠動態(tài)監(jiān)測和災(zāi)害影響評估提供基礎(chǔ)資料.

1 研究區(qū)概況

海南島地處熱帶,屬熱帶季風(fēng)氣候,位于東經(jīng)108°37′～111°05′,北緯3°30′～20°18′,年平均氣溫23～27 ℃,最低氣溫為1月平均17～24 ℃,最高氣溫為7月平均26～29 ℃,年均降水量639 mm.海南島地勢中間高聳,四周低平,以五指山、尖峰嶺為隆起核心,向外圍逐級下降.海南島熱帶農(nóng)作物品種繁多,橡膠是海南農(nóng)業(yè)的主要產(chǎn)業(yè)之一,海南也是全國最大的橡膠生產(chǎn)基地.海南島獨(dú)特的熱帶氣候?yàn)橄鹉z提供了良好的生長環(huán)境,橡膠生長期的每階段除了受到不同的氣候條件影響,臺風(fēng)、暴雨等嚴(yán)重氣象災(zāi)害對橡膠產(chǎn)業(yè)也會造成一定的經(jīng)濟(jì)損失.

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1數(shù)據(jù)來源本文中所使用的數(shù)據(jù)來自由國家衛(wèi)星影像中心提供的空間分辨率為250 m的FY-3A MERSI遙感數(shù)據(jù),其中2008年11月至2011年10月資料來源于國家衛(wèi)星影像中心,2011年10月至2012年12月資料來源于海南省氣象局研究所提供的ARPS單站接收系統(tǒng)FY-3A MERSI,共150幅海南島遙感影像圖.

風(fēng)云三號(FY-3)氣象衛(wèi)星是我國的第二代極軌氣象衛(wèi)星,是我國今后遙感監(jiān)測的主要應(yīng)用性衛(wèi)星系列[14].FY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)一步提高了云區(qū)和地表特征遙感能力,從而能夠獲取全球、全天候、三維、定量、多光譜的大氣、地表和海表特性參數(shù).因此選用FY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)較EOS/MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息量大,遙感質(zhì)量更為優(yōu)越.

2.2方法與分析

1) 風(fēng)云三號遙感圖像預(yù)處理.利用風(fēng)云三號遙感應(yīng)用系統(tǒng)對每幅原始影像進(jìn)行軌道拼接、幾何校正、切片投影、轉(zhuǎn)換格式[2,14],得到海南島區(qū)域的風(fēng)云三號遙感影像圖.

2) 海南島植被歸一化指數(shù)NDVI提取,將得到的海南島遙感影像圖進(jìn)行產(chǎn)品交互分析,執(zhí)行云檢測,計(jì)算并保存NDVI,得到每幅的海南島NDVI分布圖.再利用ENVI遙感軟件將LDF格式文件轉(zhuǎn)換成TIFF格式,便于后續(xù)在GIS中進(jìn)行相應(yīng)的處理操作.

圖1 提取橡膠NDVI技術(shù)路線圖

3) 海南島橡膠NDVI提取.利用TM影像的海南島橡膠種植分布圖層在GIS中進(jìn)行掩膜提取全島橡膠NDVI值[2].在GIS中運(yùn)用Spatial Analyst分析計(jì)算進(jìn)行每月橡膠NDVI值最大合成,以及每年的橡膠NDVI值最大合成,并完成相應(yīng)的制圖,得出海南島年際和年變化規(guī)律.選取儋州一區(qū)域做橡膠重點(diǎn)監(jiān)測區(qū),對其相應(yīng)的四年內(nèi)月橡膠NDVI值進(jìn)行提取、分級、統(tǒng)計(jì)、分析,得出橡膠生長的年變化規(guī)律.

4) 采用最大合成法MVC(maximum value composites)獲取月最大NDVI(MNDVI),該方法可進(jìn)一步消除云、大氣、太陽高度角等的部分干擾[10].公式為:MNDVIi=Max(N1,N2,N3,N4)式中:i為月序號,取值范圍為1～12;MNDVIi為第i月的NDVI值;N1,N2,N3,N4分別為2009年、2010年、2011年、2012年的NDVI值.同樣采用MVC方法獲取年最大NDVI(YNDVI),作為年NDVI值,計(jì)算公式為YNDVIi=Max(N1,N2,N3,N4).

3 海南島橡膠時空變化規(guī)律分析

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R),其中,R為可見光紅波段的反射值,NIR為近紅外波段的反射值.對2009—2012年的海南島橡膠NDVI影像圖進(jìn)行每年最大合成,將每年的橡膠NDVI分為5級:<0.4,0.4～0.5,0.5～0.6,0.6～0.7,>0.7;并對每年各級別進(jìn)行相應(yīng)的面積統(tǒng)計(jì),得出2009—2012年橡膠NDVI分級分布圖(如圖2)及分布表(如表1).

圖2 2009—2012年海南島橡膠NDVI分級分布圖

表1 2009—2012年橡膠NDVI分級分布表 %

根據(jù)全島年橡膠NDVI分布圖及NDVI分級統(tǒng)計(jì)分析,2009年海南島橡膠NDVI值整體較高,NDVI>0.7的橡膠面積占全島橡膠面積的60.4%,主要集中位于海南島中部,白沙西北部、儋州東南部、瓊海西南部、萬寧西北部、瓊中、五指山呈零星分布;NDVI位于0.6～0.7之間的橡膠面積占全島橡膠面積的36.9%,主要分布于沿海各市縣,集中于文昌、定安、瓊海、?？谒氖锌h接壤處.2010年橡膠NDVI值平均較2009年呈下降趨勢,NDVI>0.7的橡膠面積僅占全島橡膠面積的30%,儋州、白沙橡膠NDVI值下降最多;相應(yīng)的NDVI值在0.6～0.7的橡膠面積增加至占全島橡膠面積的65.5%.2011年橡膠整體NDVI值較2010年增加,NDVI>0.7的橡膠面積增加了8.6%.2012年橡膠NDVI值有顯著提高,NDVI>0.7的橡膠面積比值增加至67.4%,NDVI在0.6～0.7之間的橡膠面積比值增加至30.9%.總體上,在2009—2012年四年間海南島90%以上的橡膠NDVI值均保持在0.6以上,平均值呈現(xiàn)日益增加的趨勢.

根據(jù)對海南島整體的NDVI進(jìn)行分級分布描述,對海南島區(qū)域的橡膠NDVI進(jìn)行提取統(tǒng)計(jì)分析,對4年的1—12月NDVI求最大值合成,得出其年生長橡膠NDVI值變化趨勢圖.可以看出全年2月份值最低為0.591 4,可見當(dāng)月長勢較差;8月份值最高為0.772 4,可見當(dāng)月長勢最好.2月到8月呈上升趨勢,其中2—3月的月差值最大,上升最快,說明2—3月橡膠生長較快,該階段的溫度及降水等氣候條件對橡膠的生長有利;8—10月為下降趨勢,10—11月值有所回升,11月至次年2月為下降趨勢.

4 結(jié)果與結(jié)論

對海南島2008年至2012年的150幅250 m的FY-3A MERSI晴空的遙感進(jìn)行橡膠NDVI分析,得到海南島橡膠的時空分布規(guī)律:

圖3 海南島橡膠NDVI各月分級分布圖

1) 對年際變化的分析得出,全島橡膠分布主要集中位于海南島中部,白沙西北部、儋州東南部、瓊海西南部、萬寧西北部,瓊中、五指山呈零星分布.自2009年至2012年海南島橡膠NDVI逐年增加,呈上升趨勢,每年90%橡膠NDVI大于0.6.說明海南島橡膠長勢呈現(xiàn)較好的增長態(tài)勢.

2) 對年內(nèi)的橡膠NDVI最大值合成分析得出海南島橡膠NDVI年變化趨勢線,2月和8月為極小值和極大值,2—8月為增長趨勢,8—10月為下降趨勢,10—11月有個小幅度的增長,11月至次年2月呈下降趨勢.說明橡膠在2月份長勢最差,8月份長勢最好;在每年的10月左右,由于臺風(fēng)等氣象災(zāi)害及當(dāng)月氣候的影響,橡膠長勢出現(xiàn)短期下降,臺風(fēng)等熱帶氣旋過境后,橡膠植被長勢出現(xiàn)短暫短期上升趨勢;后期在溫度、降水、日照等因素影響下,11月至次年1月橡膠長勢逐漸降低.

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(責(zé)任編輯 游俊)

RubberNDVIspace-timechangelawbasedonFY-3inHainan

DU Hanhan1,2,3,ZHANG Jinghong2,3,LIU Shaojun2,3,YU Yunlong1,BI Hua1

(1. Institute of Geography and Tourism, Hainan Normal University, Haikou 571158, China;2. Meteorological Research Institute of Hainan, Haikou 57020, China;3. Key Laboratory of Meteorological Disaster Preventing and Reducing of South China Sea, Haikou 570203, China)

The study of the growth situation of Hainan rubber and the analysis of the change rule of normalized difference vegetation index of rubber in Hainan were reported in this paper. FY-3A MERSI data from 2008 to 2011 were acquired. The related data was obtained by the use of the 3 remote sensing system and ENVI. Analyzed the spatial distribution characteristics of rubber, years and interannual variation law through the maximum synthesis and got the rubber annual growth cycle and change rule in Hainan. The conclusion showed that from 2009 to 2012, 90% or more rubber were kept at value above 0.6 in Hainan, average presented the increasing trend: the value in February and August for the minimum and maximum, from February to August as the growth trend, from August to October as the downward trend, there was a small amplitude from October to November, and then a downward trend from November to the next February in Hainan.

FY-3A MERSI; rubber; normalized difference vegetation index

2013-10-27

國家自然科學(xué)基金(41161091)和風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星在橡膠監(jiān)測中的應(yīng)用示范子系統(tǒng)項(xiàng)目資助

杜函函(1988-),女,碩士生;畢華,通信作者,教授,博士生導(dǎo)師,E-mail:bh@hainnu.edu.cn

1000-2375(2014)05-0401-05

Q948.2;P208

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2014.05.003