基于MODIS數(shù)據(jù)的伊犁河谷植被指數(shù)變化及其對氣候的響應

陳愛京，肖繼東，曹孟磊

(新疆維吾爾自治區(qū)氣候中心，新疆 烏魯木齊 830002)

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基于MODIS數(shù)據(jù)的伊犁河谷植被指數(shù)變化及其對氣候的響應

陳愛京，肖繼東，曹孟磊

(新疆維吾爾自治區(qū)氣候中心，新疆 烏魯木齊 830002)

利用2006-2014年主要生長季(5-9月)的MODIS遙感數(shù)據(jù)，分析了2006-2014年的年平均NDVI和生長季月NDVI變化規(guī)律。同時，收集整理同期伊犁河谷地區(qū)的氣溫與降水資料，并對NDVI與當月、2個月滑動、3個月滑動和5個月滑動的平均氣溫、降水值進行了相關性分析。結果表明，NDVI與氣溫、降水都存在一定的相關性，NDVI受當月平均氣溫的影響最大；NDVI與當月降水和滑動平均降水的相關性都很好，但3個月滑動平均降水對NDVI的影響最大，并且通過了0.01的極顯著性檢驗。

NDVI；MODIS數(shù)據(jù)；氣候因子；伊犁河谷

植被是連接土壤、大氣和水分的自然“紐帶”，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1]，對氣候系統(tǒng)變化有著深遠的影響，是影響生態(tài)變化的主要驅動因子[2]。植被變化主要是地球內(nèi)部(土壤母質、土壤類型等)及外部(氣溫、降水等)綜合作用的結果，所以在全球變化研究中充當著“指示器”[3]。氣候是決定地球上植被類型及其分布的最主要因素，兩者之間存在密不可分的聯(lián)系，揭示植被與氣候之間的關系是正確認識植被分布的前提和基礎[4]。研究植被變化與氣候因子(降水、氣溫)的關系可以在一定程度上了解當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境與氣候因子之間的關系，有利于開展生態(tài)環(huán)境動態(tài)變化的遙感研究。

目前，針對植被與氣候因子的相互關系開展了較多研究。氣溫和降水被認為是影響江蘇省NDVI的主要因素[5]；日照時間、降水和淺層地溫是影響巴音布魯克草原植被生長最主要的因素[6]；黃河三角洲當月NDVI對氣溫的響應較強，而降雨則對滯后1個月的NDVI的影響較大[7]；內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒草原NDVI主要受降水影響，相關系數(shù)高達0.83[8]； 4月的氣溫可能以積溫的形式影響西藏怒江河谷流域牧草返青，而5、6、7月的氣溫影響牧草生長，這對草地放牧有一定的指導意義[9]。從上述研究可以看出，NDVI與氣候因子有明顯的相關性，但不同的區(qū)域相關性差別很大。

近年來，隨著遙感技術的發(fā)展，多時相遙感數(shù)據(jù)為大面積植被覆蓋變化的監(jiān)測提供了技術支撐[10]。遙感技術獲取的遙感影像具有多空間分辨率、多光譜分辨率等特點[11]，廣泛應用于全球尺度和區(qū)域性植被覆蓋變化的監(jiān)測。MODIS的數(shù)據(jù)產(chǎn)品進行大氣校正去除了云的影響，在空間分辨率和數(shù)據(jù)質量方面都有顯著優(yōu)勢[12]。分辨率為250 m的第1波段(0.62-0.67 μm)、第2波段(0.841-0.876 μm)對植被比較敏感[13]，因此，中分辨率成像光譜儀MODIS衛(wèi)星NDVI數(shù)據(jù)產(chǎn)品在地學綜合研究中被廣泛應用[14]。

伊犁河谷地區(qū)位于新疆西北部，氣候溫和濕潤，是新疆最大的綠洲，也是新疆重要的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)基地。但是關于伊犁河谷地區(qū)植被變化情況及其與氣候響應的研究較少[15-17]。因此，本研究利用2006-2014年主要生長季(5-9月)MODIS數(shù)據(jù)，采用最大合成法(MVC)合成月NDVI，分析NDVI的變化規(guī)律；同時，結合伊犁河谷地區(qū)的氣溫、降水資料，分析伊犁河谷地區(qū)植被變化情況與主要氣候因子(溫度、降水)的關系，揭示氣候變化對該區(qū)域植被變化的影響，以期為該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的恢復和持續(xù)利用提供科學依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

伊犁河谷地處歐亞大陸中心，新疆天山最西部，位于42°14′16″-44°50′30″ N，80°09′42″-84°56′50″ E，河谷東西長360 km、南北最寬處275 km，面積5.53×104km2。行政區(qū)范圍包括八縣一市：伊寧市、伊寧縣、霍城縣、察布查爾錫伯自治縣、尼勒克縣、新源縣、特克斯縣、鞏留縣和昭蘇縣。伊犁地區(qū)三面環(huán)山，只有西面敞開，因此，西來的濕潤氣流可以直入伊犁河谷地，形成較多降水，是中亞干旱區(qū)的降水中心。其平原地區(qū)屬于大陸性中溫帶干旱氣候，山區(qū)屬于高山氣候[18]。“山谷-盆地-河谷平原”的獨特地形地貌使得伊犁河谷降水充沛，年均降水量為200～800 mm，年均氣溫為2.9～9.1 ℃，年均日照時數(shù)為2 700～3 000 h[19]。

2　數(shù)據(jù)來源與處理

2.1MODIS數(shù)據(jù)處理

本研究所用MODIS遙感數(shù)據(jù)是由新疆維吾爾自治區(qū)氣象局接收的時間序列為2006-2014年主要生長季(5-9月)、空間分辨率為250 m×250 m EOS/MODIS的上午星Terra13-14點的軌道數(shù)據(jù)，每月3旬的晴空圖像，通過預處理和局地投影，得到分辨率和大小一樣的圖像。采用3S技術，對所有數(shù)據(jù)進行最大合成法(MVC)合成，得到每月的NDVI值，該處理的目的是為了減少大氣的云、顆粒、陰影、視角以及太陽高度角的影響[20]。如果在一旬中沒有晴空資料，就采用多天合成計算植被指數(shù)，用MVC 方法選擇最佳像元。MVC計算公式為：

NDVIi=Max(NDVIj).

式中：i為年份；j為第i年的1，2，3，…，12月；NDVIi為第i年每個柵格的最大NDVI值。

2.2氣象資料處理

將收集來的氣象數(shù)據(jù)進行處理，考慮到后續(xù)討論中的植被變化對氣候變化存在滯后性，分別計算伊犁河谷地區(qū)9個氣象臺站2006-2014年主要生長季(5-9月)平均氣溫、平均降水量觀測值的當月、2個月滑動平均值、3個月滑動平均值和5個月滑動平均值。

通過計算提取研究區(qū)9年主要生長季內(nèi)的平均NDVI值，并結合2006-2014年同期的氣溫、降水資料，進行NDVI值與氣候因子的相關性分析。

3　結果與分析

3.1NDVI變化特征分析

3.1.1NDVI年際變化特征分析對伊犁河谷地區(qū)主要生長季(5-9月)NDVI取平均值，得到伊犁河谷地區(qū)年NDVI值(圖1)。2006-2014年，伊犁河谷地區(qū)的年NDVI值呈波動變化。NDVI值介于0.429～0.515，表明NDVI值比較穩(wěn)定，變化不是很大。

圖1　2006-2014年年NDVI值變化

3.1.2NDVI生長季變化特征分析2006-2014年的主要生長季(5-9月)內(nèi)各月NDVI變化趨勢大體一致，即從5月開始逐漸上升，7月份達到最大，然后又開始下降(圖2)。2006年6月的NDVI值為0.423，比其它年份同期的低，其余年份6月NDVI值在0.488～0.558，2012年8月的NDVI達到0.522，為年內(nèi)最大值，其余月份趨勢基本一致，沒有明顯的差異。

3.2NDVI與氣候因子的相關性分析

氣候因子是影響植被生長狀況的重要因子，本研究主要分析氣溫和降水對植被NDVI的影響?？紤]到地表植被對氣候因子的響應普遍存在滯后性，本研究不僅分析了當月的氣候因子與NDVI平均值之間的關系，而且還分析了2個月滑動平均、3個月滑動平均和5個月滑動平均與當月NDVI的相關性。

3.2.1NDVI與氣溫的相關性分析NDVI變化受當月氣溫的變化影響最大，二者的變化趨勢基本同步(圖3)。隨著氣溫的逐漸上升，NDVI也呈上升的趨勢，隨著氣溫的逐漸下降，NDVI也呈下降的趨勢，溫度在6、7、8月達到高值，NDVI也在每年的6、7、8月達到高值。但是，NDVI與2個月滑動平均(圖4)、3個月滑動平均(圖5)和5個月滑動平均氣溫(圖6)變化不同步。相關分析表明，NDVI與當月的平均氣溫相關性最好，相關系數(shù)達到0.746(P<0.01)(表1)。NDVI值與2個月滑動平均氣溫呈正相關，相關系數(shù)為0.17(P>0.05)(表1)。NDVI值與3、5個月的滑動平均氣溫均呈負相關且不顯著，所以當月氣溫對NDVI值具有決定性的影響，隨著氣溫的變化NDVI值發(fā)生明顯的變化。

圖2　2006-2014年月NDVI值變化曲線

3.2.2NDVI與降水的相關性分析NDVI與當月(圖7)、2個月滑動(圖8)、3個月滑動(圖9)、5個月滑動的平均降水均呈同步變化(圖10)，其中與當月平均降水的相關系數(shù)達0.315(P<0.05)(表1)，與2個月滑動平均降水的相關系數(shù)達0.380(P<0.05)，與3個月滑動平均降水的相關系數(shù)達0.532(P<0.01)，與5個月的滑動平均降水的相關系數(shù)達0.372(P<0.05)?？梢钥闯?，NDVI受降水量的影響顯著，其中NDVI受3個月滑動平均降水的影響最大。

圖3　2006-2014年5-9月月NDVI與當月平均氣溫的相關性

圖4　2006-2014年5-9月月NDVI與2個月滑動平均氣溫的相關性

圖5　2006-2014年5-9月月NDVI與3個月滑動平均氣溫的相關性

圖6　2006-2014年5-9月月NDVI與5個月滑動平均氣溫的相關性

氣候因子Climatefactor氣溫Temperature降水量Precipitation當月平均Averageofthesamemonth0.746**0.315*2個月滑動平均Theslidingaverageoftwomonths0.1700.380*3個月滑動平均Theslidingaverageofthreemonths-0.0610.532**5個月滑動平均Theslidingaverageoffivemonths-0.2450.372*

注：**極顯著相關(P<0.01)，*顯著相關(P<0.05)。Note: ** and * mean significant correlation at 0.01 and 0.05 level, respectively.

圖7　2006-2014年5-9月月NDVI與當月平均降水量的相關性

圖8　2006-2014年5-9月月NDVI與2個月滑動平均降水量的相關性

圖9　2006-2014年5-9月月NDVI與3個月滑動平均降水量的相關性

4　結論

伊犁河谷地區(qū)是一個生態(tài)脆弱帶，干濕波動對伊犁河谷地區(qū)生態(tài)環(huán)境的變化影響極大，掌握植被變化的規(guī)律，對于該地區(qū)生態(tài)保護，制定減災、防災對策，資源的合理利用和開發(fā)，指導農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)，實現(xiàn)人與自然和諧發(fā)展具有重要現(xiàn)實意義。本研究分析了2006-2014年主要生長季(5-9月)NDVI的變化趨勢，從年際尺度看，NDVI變化相對穩(wěn)定；從季節(jié)尺度看，年內(nèi)NDVI值表現(xiàn)出從5月開始上升，7月份達到最高點，然后開始慢慢下降的趨勢，年內(nèi)周期變化趨勢相似，但變化幅度會有不同，2006年6月的NDVI值明顯小于其它年份同期的NDVI值。從NDVI與當月氣候因子的影響關系來看，當月的氣溫和降水都對NDVI有較大的影響，當月平均氣溫對NDVI的影響最顯著，其次是當月平均降水；從氣候因子對NDVI的滯后性影響分析可以看出，降水對NDVI的影響比較明顯，尤其是3個月滑動降水對NDVI的影響最大最明顯，即降水量越大，植被長勢越好，滑動氣溫對NDVI的影響很小甚至沒有影響。

圖10　2006-2014年5-9月月NDVI與5個月滑動平均降水量的相關性

本研究分析2006-2014年伊犁河谷地區(qū)主要生長季的植被變化情況與主要氣候因子(氣溫、降水)的響應研究，不僅分析了當前植被與氣候因子的變化，而且還研究了植被對氣候變化的時滯效應，但沒有考慮不同植被類型對氣候變化的影響，因此在后續(xù)的研究中需加強這方面的研究工作。

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(責任編輯武艷培)

Research on change of vegetation index and response to climate in Yili River Valley based on MODIS data

Chen Ai-jing, Xiao Ji-dong, Cao Meng-lei,

(Xinjiang Climate Center, Urumqi 830002, China)

Based on MODIS remote sensing data of the main growing season (5-9 months) from 2006 to 2014, through to the remote sensing data preprocessing, local projection, the biggest synthesis, synthesis of the Yili river valley in 2006-2014 NDVI value, analyzes the average and more years growing season NDVI change rule. At the same time, the main climatic factors of Yili River Valley were collected and analyzed. The results show that the NDVI is influenced by average temperatures during the month, the largest passed 0.01 significance test, and the relationship with sliding average temperature is very small; Average NDVI and monthly precipitation and the correlation of moving average precipitation are good, reach the significance test of 0.05 above, but 3 months moving average precipitation had the greatest influence on NDVI, and passed the extremely significance test of 0.01.

NDVI; MODIS data; climatic factor; Yili River Valley

Xiao Ji-dongE-mail：xjd_xj@126.com

10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0682

2015-12-04接受日期：2016-05-30

2015年氣候變化專項“伊犁河谷地區(qū)草地植被變化對氣候變化的響應”項目(CCSF201534)

陳愛京(1980-)，女，湖南藍山人，工程師，碩士，主要從事生態(tài)環(huán)境遙感應用研究工作。E-mail:caj206@126.com

肖繼東(1961-)，男，湖北丹江口人，正研級高工，碩士，主要從事生態(tài)遙感研究工作。E-mail:xjd-xj@126.com

S812.1;S162.1

A

1001-0629(2016)8-1502-07

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