基于遙感的植被物候?qū)W方法研究

摘要植物物候現(xiàn)象能夠直觀、綜合地反映環(huán)境條件季節(jié)、年際變化及陸地生態(tài)系統(tǒng)短期變化的特征?；谶b感監(jiān)測方法的植物物候研究已成為全球氣候變化研究的一個熱點(diǎn)課題。該研究基于植物光譜特征分析的原理，分別介紹了動態(tài)閾值法、滑動平均法、求導(dǎo)法、曲線擬合法和主分量分析法等幾種常見的植物物候遙感監(jiān)測方法，并分別從植物物候與氣候關(guān)系、植物物候與凈初級生產(chǎn)量、植物物候與城市熱島、植物物候與土地覆蓋、植物物候與農(nóng)作物估產(chǎn)等方面綜述了研究植物物候的主要應(yīng)用，總結(jié)出植物物候的變化常常是氣候和人類二者共同影響的結(jié)果。最后針對目前研究中存在的問題，對今后研究的主要方向作出了展望。

關(guān)鍵詞遙感；物候；NDVI；氣候；人類活動

中圖分類號S126文獻(xiàn)標(biāo)識碼

A文章編號0517-6611（2015）05-318-02

Study on the Method of Vegetation Phenology Based on Remote Sensing

LI Na（Liangshan Meteorological Administration，Jining，Shandong 272600）

Abstract Plant phenological phenomenon can be intuitive，comprehensively reflect the environmental conditions and seasonal，interannual variability and the features of short-term changes in terrestrial ecosystems.Plant phenology research based on remote sensing monitoring method has become a hotspot in the research of the global climate change.Based on the principle of plant spectrum characteristics analysis，the dynamic threshold method，moving average method，derivative method，curve fitting method and principal component analysis method and so on were introduced，and respectively from the relationship between plant phenology and climate，plant phenology and net primary production，plant phenology and urban heat island，plant phenology and land cover，plant phenology and crop yield estimation and so on，the main application research of plant phenology were reviewed，the changes of plant phenology often is the result of climate and human influence each other.Finally aiming at the problems existing in the research，the main directions of future research were forecasted.

Key words Remote sensing monitoring； Phonological； NDVI； Climate； Human activities

作者簡介李娜（1989- ），女，陜西延長人，助理工程師，從事氣象研究。

收稿日期2014-12-26

物候?qū)W是研究自然界植物和動物的季節(jié)性現(xiàn)象同環(huán)境的周期性變化之間的相互關(guān)系的科學(xué)，植被物候研究能夠認(rèn)識植物自然季節(jié)現(xiàn)象變化規(guī)律、分析其受氣候變化或人為干擾等因素的影響。傳統(tǒng)的物候?qū)W研究方法以野外觀測為基礎(chǔ)，簡單易行，但耗費(fèi)大量的人力物力，周期短，覆蓋面小[1]。近年來，隨著遙感技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，植被物候觀測手段也取得了明顯的進(jìn)步。利用長時(shí)間序列的衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取的地表植被物候信息，與地面實(shí)測物候資料相結(jié)合，對全球和區(qū)域尺度植物物候變化進(jìn)行研究。遙感物候?qū)W成為了全球氣候變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)研究的一個前沿領(lǐng)域。

1遙感數(shù)據(jù)源

從1972年第一顆地球資源衛(wèi)星（Landsat）發(fā)射開始，遙感數(shù)據(jù)不斷增多，數(shù)據(jù)的功能和用途也在不斷變化。目前可用于監(jiān)測植被動態(tài)的遙感數(shù)據(jù)有NOAA-AVHRR，SPOT-VGT，MERIS，MODIS，MSS、TM和ETM+，SPOT4和SPOT5，CBERS-1/2，ASTER，RADAR，IKONOS，Quick-Bird等。根據(jù)研究的目的、方法及精度要求的不同，可選擇不同的遙感數(shù)據(jù)。低空間分辨率的數(shù)據(jù)，如NOAA-AVHRR、SPOT-VGT、MODIS等，可用于區(qū)域、大洲或全球尺度的植被監(jiān)測；而高空間分辨率的數(shù)據(jù)，如QuickBird、IKONOS、SPOT-5、SPIN2、IRS-1C等，則常用于小尺度土地利用與覆蓋變化分析、植被制圖和精細(xì)農(nóng)業(yè)調(diào)控等[2]。為精確提取植物物候信息提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)源，高光譜遙感數(shù)據(jù)將成為植物物候研究的發(fā)展趨勢[3]。

2植物物候遙感監(jiān)測的基本原理

目前基于遙感的植被物候監(jiān)測主要側(cè)重于確定植物物候生長季開始和結(jié)束日期，這2個物候參量與其生長季光合作用過程密切相關(guān)?；谶b感的開始日期和結(jié)束日期指的是較大尺度宏觀區(qū)域地表植物物候生長季開始和結(jié)束的日期[3]。綠色植物在可見光波段藍(lán)光波段和紅光波段有2個吸收帶，反射率較低，在綠光波段 0.55 μm附近有一個小的反射峰，在近紅外波段0.7 μm附近，反射率上升，至1.1 μm 附近有一峰值，形成植被的獨(dú)有特征，中紅外波段（1.3 ～2.5 μm），由于受到綠色植物含水量的影響，吸收率大增，反射率大大下降，尤其是在水的吸收帶形成低谷。由于植物波譜具有上述的基本特征，所以可以利用植被的光譜曲線確定生長季開始和結(jié)束的日期。即可以通過NDVI曲線確定植物植物從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種狀態(tài)的時(shí)間，從NDVI數(shù)據(jù)獲取生長季始末時(shí)間的改變。

3植物物候遙感監(jiān)測的方法

3.1閾值方法

閾值方法是通過設(shè)定閾值條件來實(shí)現(xiàn)對植被物候的監(jiān)測。動態(tài)閾值法是將NDVI增長達(dá)到當(dāng)年NDVI振幅一定百分比的時(shí)刻定義為生長季的開始時(shí)間，將NDVI降低到當(dāng)年NDVI振幅一定比例的時(shí)刻定義為生長季的結(jié)束時(shí)間[4]。閾值方法充分考慮了研究區(qū)NDVI多時(shí)相曲線特征，通過設(shè)定閾值條件，可將植物物候相的評估限制在合理生育期內(nèi)，從而提高計(jì)算的效率和準(zhǔn)確性，但閾值的選擇本身可能會受人為主觀的影響，其結(jié)果會直接影響物候評估的準(zhǔn)確性[3]。

3.2滑動平均方法

滑動平均方法是利用實(shí)際NDVI時(shí)序曲線與其滑動平均曲線的交叉來確定植物的物候相[3]。該方法能夠使對NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)的計(jì)算更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠。

3.3求導(dǎo)方法

求導(dǎo)方法主要通過求導(dǎo)，并結(jié)合其他方法或條件共同推算出物候信息，在一定程度上，求導(dǎo)方法局限于經(jīng)驗(yàn)閾值的限制[3]。

3.4擬合方法

擬合方法主要通過植物生長模型擬合的方法來求算物候信息，在逐個處理像素時(shí)不需要設(shè)置閾值或經(jīng)驗(yàn)限制條件，具有全球適用性。分段式Logistic函數(shù)擬合方法，即利用擬合曲線曲率變化的特點(diǎn)，確定NDVI時(shí)序曲線上植物各物候轉(zhuǎn)換期，從而反映植物物候年內(nèi)變化情況。在逐像元處理時(shí)存在誤差，考慮研究區(qū)植被特點(diǎn)和NDVI變化特征，采用分段多項(xiàng)式擬合和動態(tài)閾值法來提取區(qū)域植被物候特征參數(shù)。利用多項(xiàng)式擬合植被生長曲線的過程是：將時(shí)間序列劃分成為逐漸增加和逐漸減少的2個序列，即把平滑后的序列影像分成2部分，前一段逐漸增加，后一段逐漸減少，然后基于多項(xiàng)式擬合每個像元的植物生長曲線，所用擬合函數(shù)的公式為：

y（t）=at2+bt+c

式中，t為從1月1日開始算起的天數(shù)；y是時(shí)間t時(shí)的NDVI值，a、b、c為擬合系數(shù)[4]。

4植物物候的相關(guān)應(yīng)用

4.1植物物候與氣候變化

就氣候變化而言，物候是生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)的感應(yīng)器，物種之間的相互作用受到由氣候驅(qū)動的植物動態(tài)變化的影響，從而生態(tài)系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)、生物多樣性也將受到這種變化的影響。目前，大多數(shù)的相關(guān)研究都集中在植物物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)上。我國對植物物候遙感監(jiān)測機(jī)理的研究不多，主要偏重于分析植被指數(shù)與氣溫、降水等氣候因子的時(shí)空關(guān)系，或討論生長季季相變化對氣候的響應(yīng)關(guān)系。利用遙感技術(shù)，一些國外學(xué)者不僅較為準(zhǔn)確地監(jiān)測出植物物候相及其變化模式，而且還從地區(qū)、大洲、全球等空間尺度建立了植物物候?qū)θ驓夂虻亩宽憫?yīng)關(guān)系。

4.2植物物候與城市熱島

植物物候與溫度狀況相關(guān)密切，尤其在植物生長期各階段的初期。隨著城市化進(jìn)程在全球的不斷加快，城市熱島效應(yīng)提供了一種獨(dú)特的方法來評估氣候變暖對植物物候的影響。Zhang等`使用MODIS數(shù)據(jù)，選取北美東部大于10 km2面積的城市地區(qū)，研究了植物物候轉(zhuǎn)換期和地表溫度的城鄉(xiāng)差別。結(jié)果表明，城市氣候?qū)χ参镂锖虻挠绊懛秶笥诔鞘型恋馗采w的邊緣，且隨距離呈指數(shù)形式遞減；城市氣候的生態(tài)足跡約是城市土地利用的2～4倍，與未受熱島影響的周邊農(nóng)村地區(qū)相比，城市地區(qū)植物生長季長度實(shí)際增加了約15 d[5]。

4.3植物物候與土地覆蓋土地覆蓋狀況是區(qū)域和全球尺度氣候與生態(tài)系統(tǒng)過程模擬的重要參數(shù)。多光譜遙感分析表明，加入植物物候變化能夠提供更詳細(xì)的土地覆蓋信息，同時(shí)土地利用和土地覆蓋的變化也會影響到植物物候的變化。我國一些學(xué)者開展了利用植物物候信息進(jìn)行土地覆蓋分類的研究。通過觀測不同時(shí)期溫度無差異的兩個灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)地表植物物候特征，得出土地覆蓋類型有由農(nóng)用地轉(zhuǎn)向雜草地的趨勢，這與人類活動和社會制度變遷有關(guān)；通過比較遙感數(shù)據(jù)所反映的植物物候變化，發(fā)現(xiàn)大面積砍伐森林與原始農(nóng)作方式是導(dǎo)致熱帶森林大面積減少和土地退化的主要原因[2]。

4.4植物物候與農(nóng)作物估產(chǎn)

農(nóng)作物產(chǎn)量的大尺度和高精度遙感估測，可提高農(nóng)田管理水平和農(nóng)作物產(chǎn)量預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。農(nóng)作物通常經(jīng)歷播種、營養(yǎng)生長、生殖生長和成熟等物候階段，發(fā)育期變化對農(nóng)作物的產(chǎn)量影響明顯。目前，基于遙感數(shù)據(jù)和物候?qū)W原理的農(nóng)作物估產(chǎn)主要集中在對小麥、大麥、水稻、玉米、棉花和大豆等產(chǎn)量的估算[3]。利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)估算農(nóng)作物的產(chǎn)量，最初是從小麥開始的，此后擴(kuò)展到其他農(nóng)作物。我國學(xué)者張明偉等利用氣候數(shù)據(jù)構(gòu)建了作物物候指標(biāo)模型來計(jì)算熟度指數(shù)，并選擇季相差別最小的兩時(shí)期遙感數(shù)據(jù)，采用圖像差值法估算了北京順義地區(qū)冬小麥播種的面積變化，結(jié)果表明，物候模型與遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合是獲取農(nóng)作物播種面積的最佳方法之一[6]。

5未來物候研究發(fā)展趨勢

綜觀全球，遙感平臺多樣化、傳感器類型不斷改進(jìn)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展將成為植物物候及其變化響應(yīng)機(jī)制研究的技術(shù)基礎(chǔ)，這也將成為今后發(fā)展的必然趨勢。遙感手段可以幫助獲得包括植物生長季節(jié)變化在內(nèi)的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，對區(qū)域、大洲甚至全球尺度的植被動態(tài)以及超過20 年以上的年際變化進(jìn)行深入研究。針對我國的季風(fēng)氣候和地表植被的特征，今后應(yīng)加強(qiáng)在植物物候遙感監(jiān)測方法、遙感數(shù)據(jù)源的多樣性、植物物候變化對農(nóng)業(yè)的影響、植物物候?qū)焖俪鞘谢捻憫?yīng)機(jī)理、物候變化和全球碳循環(huán)的關(guān)系等方面的研究，從而為揭示氣候和人類活動與植物物候的內(nèi)在關(guān)系、促進(jìn)人地協(xié)調(diào)發(fā)展提供有力的科學(xué)依據(jù)[3]。

雖然基于遙感的物候?qū)W研究在國內(nèi)外都取得了很大的進(jìn)步，對現(xiàn)代物候?qū)W的發(fā)展也起了很大的推動作用，并成為研究陸地生態(tài)系統(tǒng)對全球氣候變化快速響應(yīng)的學(xué)術(shù)前沿，但是，作為一個新的研究領(lǐng)域，遙感物候?qū)W在研究工作中仍存在著一些問題與不足。選擇合適的數(shù)學(xué)方法和模型，融合不同空間分辨率的各種遙感數(shù)據(jù)，有利于獲取更準(zhǔn)確、更詳細(xì)和更長時(shí)段的遙感物候信息。利用遙感數(shù)據(jù)劃分植物物候生長季節(jié)研究的是過去植物物候的時(shí)空格局，預(yù)測未來氣候變化對植物物候的影響，也將成為遙感物候?qū)W研究的一個新方向[2]。

6結(jié)語

基于遙感監(jiān)測方法的植物物候研究已成為全球氣候變化研究的一個熱點(diǎn)課題。該研究通過介紹國內(nèi)外多個學(xué)者利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，采用多種遙感監(jiān)測方法對植物物候進(jìn)行的全面具體的研究分析，總結(jié)出遙感監(jiān)測在植物物候中的應(yīng)用，揭示了植物物候?qū)夂蚝腿祟惢顒拥捻憫?yīng)，使讀者對植物物候?qū)W與遙感監(jiān)測的關(guān)系有了更深刻的了解，對植物物候遙感監(jiān)測的未來發(fā)展趨勢也有了更清楚的認(rèn)識。今后植物物候遙感研究分析工作應(yīng)注意：① 植物生長季始末時(shí)間的時(shí)空分布規(guī)律；②增強(qiáng)植物高光譜遙感研究的力度；③著重探討植物生理和生態(tài)特征；④重視物候科普的普及、應(yīng)用、科學(xué)研究等工作，加快物候工作的進(jìn)展。

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責(zé)任編輯徐麗華責(zé)任校對李巖