淮河流域NDVI與降水的關(guān)系研究

【摘 要】以淮河流域為研究區(qū)域，以NDVI遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合氣象站發(fā)布的降水數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計學中相關(guān)分析的方法，研究從2002到2006年之間淮河流域植被NDVI與降水之間的關(guān)系。

【關(guān)鍵詞】NDVI；降水；淮河流域

0.引言

歸一化植被指數(shù)（NDVI）是遙感影像的近紅外波段（NIR）和紅外波段（R）反射率的比值參數(shù)，是目前表征植被覆蓋特征應(yīng)用最廣泛的指標，相關(guān)分析是研究現(xiàn)象之間是否存在某種依存關(guān)系，并對具體有依存關(guān)系的現(xiàn)象探討其相關(guān)方向以及相關(guān)程度，研究隨機變量之間的相關(guān)關(guān)系的一種統(tǒng)計方法。

淮河流域介于長江和黃河兩流域之間地處東亞季風區(qū)，水年際變化明顯，受特殊的氣候和地理要素影響，旱澇災(zāi)害頻繁。降水是該地區(qū)影響植被覆蓋度的最主要的氣候因子之一，研究降水與NDVI之間的關(guān)系對于該地的生態(tài)環(huán)境建設(shè)有重要的價值。

1.研究綜述

1.1 NDVI與降水的簡單相關(guān)分析

對降水與NDVI的簡單分析，對于研究降水與NDVI之間簡單的線性相關(guān)關(guān)系很有價值，而且具有一定的真實性，這種分析方法的原理是采用趨勢分析方法對時間段內(nèi)平均NDVI變化趨勢進行分析，以時間為自變量對NDVI、平均氣溫、年降水量進行回歸分析。

于此相似的結(jié)論還有：李震等[1]對中國西北地區(qū)植被指數(shù)變化的分析認為NDVI與降水間存在正相關(guān)關(guān)系，而與溫度變化的關(guān)系不明顯。于伯華等[2]在對中亞植被指數(shù)與降水之間的關(guān)系分析時，得出了NDVI與降水量相關(guān)性大于與年均氣溫相關(guān)性的結(jié)論。趙玉萍[3]等人用這種方法對20年來藏北高原草地生態(tài)系統(tǒng)及氣候因子進行分析時發(fā)現(xiàn)藏北高原NDVI與濕度和月降水量都成正相關(guān)關(guān)系。

可見，不同區(qū)域的植被和降水的關(guān)聯(lián)性不是完全相同的。一般而言：NDVI與氣溫和降水基本成正相關(guān)關(guān)系，在完全靠灌溉的干旱區(qū)綠洲，NDVI與降水量的正相關(guān)性最低，在有些地區(qū)由于人類活動、病蟲害和土壤條件等其他因素，NDVI與降水之間的相關(guān)性不明顯，在個別區(qū)域NDVI與降水甚至呈負相關(guān)關(guān)系。

1.2 NDVI與降水的時滯性分析進展

何大明[4]等在對紅河流域進行研究時，運用這一方法指出紅河流域植被對溫度和降水變化的響應(yīng)具有“時滯效應(yīng)”。韓濤[5]等在研究隴東地區(qū)植被指數(shù)NDVI與降水的關(guān)系時，發(fā)現(xiàn)降水對植被的影響不是立刻就出現(xiàn)的，而是在時間上有一定滯后性。張永恒[6]等研究西南地區(qū)植被變化與降水的時滯關(guān)系時，發(fā)現(xiàn)降水一段時間后，植被的覆蓋率顯著增加?？梢奛DVI對降水的響應(yīng)具有明顯的滯后性。這種現(xiàn)象可以通俗理解為：水分到達植物根部后再輸送到葉部，從而影響到葉的色素和結(jié)構(gòu)，這一過程需要一定的時間。

1.3 NDVI與降水的偏相關(guān)分析

偏相關(guān)分析的實現(xiàn)過程是對NDVI和氣候因素進行標準化，分別以不同組合來與NDVI的關(guān)系進行偏相關(guān)分析，通過計算氣候要素的偏相關(guān)系數(shù)，消除因素之間的相互影響，然后用的相關(guān)系數(shù)數(shù)據(jù)對NDVI與降水量之間的關(guān)系做進一步研究。

劉少軍[7]等采用偏相關(guān)分析法研究海南島的植被與氣候之間的關(guān)系，得出的結(jié)論是在海南島溫度對植被變化起主導作用，月平均溫度對植被指數(shù)的影最為顯著。

2.淮河流域NDVI與降水的關(guān)系研究

2.1數(shù)據(jù)源

研究數(shù)據(jù)主要來源于淮河流域2002年到2006年中月最大化SPOTVGT-DN數(shù)據(jù)。以及淮河流域氣象站發(fā)布的2002到2006的降水數(shù)據(jù)。

2.2研究方法和步驟

本文在研究中主要運用簡單相關(guān)分析和時滯相關(guān)分析，具體步驟：

（1）淮河流域NDVI和降水序列生成。利用公式NDVI=DN×0.004-0.1對DN數(shù)據(jù)進行恢復，得到不經(jīng)拉伸的淮河流域2002到2006的各月的1km分辨率的NDVI空間數(shù)據(jù)。

（2）淮河流域NDVI和降水時間相關(guān)分析考慮到NDVI對降水可能有一定的滯后響應(yīng)，所以分別對月平均降水和各月的NDVI數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析。

（3）淮河流域NDVI和降水空間相關(guān)分析。根據(jù)各氣象站點2006年旬平均NDVI降水的相關(guān)系數(shù)，對各個氣象站點最大相關(guān)系數(shù)及對應(yīng)的滯后期進行空間顯示和地區(qū)差異性分析。

3.研究結(jié)果與分析

3.1淮河流域NDVI與降水的空間分布狀況分析

查閱淮河流域2006年的NDVI分布圖，可以利用2006年的NDVI數(shù)據(jù)進行處理得到當?shù)氐钠骄鵑DVI分布情況。從空間變化趨勢上可以看出淮河流域平均的NDVI都在0.6以上，說明了淮河流域的植被的覆蓋狀況比較好，其中江蘇大部分地區(qū)，山東地區(qū)，河南中部與南部，湖北西部地區(qū)和安徽大部分地區(qū)指數(shù)在0.6至0.8左右。從時間變化的趨勢上來看，這個時間段內(nèi)的淮河流域的NDVI指數(shù)值出現(xiàn)了波動，總體上淮河流域植被覆蓋指數(shù)呈減小趨勢，但變化的不太明顯。

3.2淮河流域NDVI與降水的時間性相關(guān)分析

3.2.1 NDVI與降水的年際變化

我查閱了從2002到2006年中8月份的NDVI與同月降水量之間的年際變化?？梢悦黠@得出結(jié)論植被生長對水分因子比較敏感，NDVI值與當月降水量息息相關(guān)。

從年際降水變化和NDVI數(shù)值改變之間的相關(guān)系數(shù)上來分析，降水與NDVI之間的相關(guān)系數(shù)在0.5左右，屬于弱正相關(guān)。其他對淮河流域的研究也有相似結(jié)論：陳云浩[8]等采用偏相關(guān)分析法研究氣候與降水對中國植被NDVI的影響時，結(jié)果表明在平原地區(qū)，影響NDVI變化的主要因素是氣溫。

3.2.2 NDVI與降水的時滯相關(guān)分析

圖1是以2006年淮河流域月份的NDVI為時間軸分別計算的植被指數(shù)與降水的超前9個旬的相關(guān)系數(shù)圖。由圖可見，在降水超前植被指數(shù)的時候，NDVI指數(shù)與超前0-9個旬的降水呈正相關(guān)關(guān)系，其中與超前3個旬即一個月時的相關(guān)系數(shù)最大，通過了顯著性0.10水平檢驗?？梢缘贸鼋Y(jié)論：整個淮河流域，植被對降水的響應(yīng)持續(xù)的時間較長。

圖1 NDVI與超前旬降水相關(guān)系數(shù)圖

3.3淮河NDVI與降水的空間性相關(guān)分析

為了研究與降水空間性的關(guān)系，我們先選取出淮河流域內(nèi)比較有代表性的降水量的收集站點，然后以3km2空間范圍內(nèi)的平均NDVI數(shù)值作為當?shù)仄骄腘DVI數(shù)值，最后求出NDVI數(shù)值與降水量之間的相關(guān)系數(shù)，分析這個相關(guān)系數(shù)的空間分布情況。

圖2給出了淮河流域內(nèi)各個省較大的氣象站點在夏季的NDVI與降水量的相關(guān)系數(shù)，從圖上可以看出，淮河流域植被NDVI與降水量的最大響應(yīng)在空間上總體表現(xiàn)為北部大，南部和中部低。在山東境內(nèi)的NDVI與降水的最大相關(guān)系數(shù)在0.3左右，在河南、湖北、安徽和江蘇境內(nèi)的NDVI與降水的最大相關(guān)系數(shù)大多在0.2左右，江蘇南部的部分地區(qū)NDVI與降水的最大相關(guān)系數(shù)甚至為負數(shù)。

在上面的研究中已經(jīng)指出植被對降水的響應(yīng)具有滯后效應(yīng)，具體分析方法為：先計算分別選取點NDVI與前9旬降水量的相關(guān)系數(shù)，找出相關(guān)系數(shù)最大的時間，根據(jù)這些選取點在淮河流域的分布情況分析得出植被NDVI對降水的響應(yīng)滯后期的地理分布。

4.結(jié)論

（1）淮河流域植被的NDVI與降水之間存在相互關(guān)系，降水影響著植被的生長，降水量多的年份植被NDVI數(shù)值大于降水量較少年份的同期值。

（2）植被NDVI對降水的響應(yīng)在時間上有滯后效應(yīng)，具體表現(xiàn)為在降水超前NDVI的情況下，植被NDVI數(shù)值與超前一個月時的降水的相關(guān)系數(shù)最大，而且降水對植被造成的影響持續(xù)時間比較長。

（3）植被NDVI對降水的最大響應(yīng)和響應(yīng)滯后期具有地域性差異，隨著緯度的降低，淮河流域植被的NDVI對降水的最大響應(yīng)也隨著減弱。具體表現(xiàn)為從北向南逐漸延長，即越往南滯后期越長。

【參考文獻】

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[2]于伯華，王正興.中亞地區(qū)1982年至2002年植被指數(shù)與氣溫和降水的相關(guān)性分析.[J].植物生態(tài)學報.2006.31（8）：422-1429.

[3]趙玉萍，張憲洲，王景升.1982年至2003年藏北高原草地生態(tài)系統(tǒng)NDVI與氣候因子的相關(guān)分[J].遙感學報，2009.31（11）：1988-1998.

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[8]陳云浩，李曉兵，史培軍.1983年到1992年中國陸地NDVI變化的氣候因子驅(qū)動分析[J].植物生態(tài)學報，2001，25（6）：716-720.