巴州地區(qū)植被與積雪變化特征分析

刁鵬 張瑋煊 巴音才次克

摘 要 利用2012年和2018年氣象衛(wèi)星FY-3/MERSI/VIRR資料，通過植被NDVI和積雪NDSI遙感監(jiān)測算法，提取并對比分析新疆巴音郭楞蒙古自治州植被、積雪的空間分布狀況及年變化特征。結果表明，巴州地區(qū)植被覆蓋度自西北向東南先減后增，以低覆蓋度為主;積雪年變化基本特點是呈單峰型，積雪期穩(wěn)定，11月至次年3月積雪覆蓋區(qū)域主要分布在南部和北部山區(qū);雖然2018年巴州地區(qū)植被覆蓋度與積雪覆蓋度均大于2012年，但最大植被覆蓋率和積雪覆蓋率分別僅為26%和9%，表明巴州地區(qū)生態(tài)問題依然嚴峻。

關鍵詞 FY-3B/MERSI;FY-3B/MWRI;植被指數;積雪監(jiān)測;新疆巴音郭楞蒙古自治州

中圖分類號：TP79 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.27.077

隨著衛(wèi)星遙感技術的發(fā)展，利用衛(wèi)星遙感技術覆蓋范圍更廣、時間序列更長、空間與時間的連續(xù)性以及多時相等優(yōu)點，分析植被和積雪的年際變化與季節(jié)變化，能夠更好地對區(qū)域生態(tài)、水資源等進行評估?？紤]到我國西北地區(qū)的新疆巴音郭楞蒙古自治州（以下簡稱巴州）地勢復雜、面積廣大且還未有人對其生態(tài)環(huán)境進行評估研究，本文通過FY-3氣象衛(wèi)星資料提取出2012年和2018年的植被、積雪等信息，利用植被、積雪指數方法，對其植被、積雪分布狀況進行初步探討，為分析巴州區(qū)域內的生態(tài)環(huán)境、水資源管理及干旱監(jiān)測預測等方面提供科學依據。

1 研究區(qū)域數據

1.1 研究區(qū)概況

巴州位于新疆東南部，占新疆總面積的1/4，屬中溫帶和暖溫帶大陸性氣候，干旱少雨、降水時空分布不均、地勢復雜。因此，研究巴州區(qū)域冰雪水資源和植被等環(huán)境信息的變化狀況，對巴州水資源戰(zhàn)略和安全以及氣候變化評估預測均具有重要的科學價值。

1.2 數據簡介

1.2.1 植被研究數據

綠色植物的主要光譜反射特點是：在0.4～2.4 μm波長范圍內的反射光譜特征具有顯著的相似性[1]，而FY-3B衛(wèi)星的中分辨率光譜成像儀（MERSI）光譜范圍位于0.4～12.5 μm，因此選擇FY-3B/MERSI的1～5通道可合成各種植被指數，能精確地監(jiān)測地表植被情況。詳細參數見表1。

1.2.2 積雪研究數據

積雪在可見光和近紅外波段，有明顯的光譜特征。在可見光波段（0.40～0.75 μm）的反射率較高，且純凈新雪表面反射率在80%以上[2]。但FY-3B衛(wèi)星的可見光紅外掃描輻射計（VIRR）的光譜范圍為0.43～12.50 μm，因此利用FY-3B/VIRR的1～10通道可形成多個積雪判識變量，能精確提取積雪信息。詳細參數見表2。

1.2.3 數據獲取和篩選

研究資料主要來源于國家衛(wèi)星氣象中心網站所提供的FY-3B中分辨率光譜成像儀（MERSI）和可見光紅外掃描輻射計（VIRR）L1數據。

由于云對光波傳播有較大的影響，采用如下2種方法對研究數據進行篩選以消除云的影響：1）盡量選擇巴州區(qū)域天氣狀況為晴天的衛(wèi)星軌道資料，以北部巴音布魯克、中部焉耆、南部若羌3個氣象站天氣狀況為參照，凡3站均為晴天，認定巴州地區(qū)為晴天;2）考慮到植被生長、積雪融化的時長，為精確得出變化規(guī)律，選擇以旬為單位建立衛(wèi)星遙感數據時間序列，進一步消除來自云和大氣的部分干擾。

1.3 研究方法

1.3.1 植被指數

由于歸一化植被指數（NDVI）可以消除由于照明條件變化、傾斜、觀測姿態(tài)所造成的各通道反射率的改變，其反演產品往往表現出較好的一致性，適合對植被進行動態(tài)監(jiān)測[3]。NDVI計算公式如下：

式中，NIR為近紅外波段的反射率，R為紅光波段的反射率。

采用李聰等[4]通過FY-3A/MERSI數據對新疆地區(qū)植被指數的研究方法，定義NDVI數值在0～1時，表示有植被覆蓋，且覆蓋度隨數值增大而增大。

1.3.2 積雪指數

利用積雪在可見光波段的高反射率和在短波紅外波段的低發(fā)射率的特性，采用歸一化積雪指數（NDSI）不僅可以使積雪覆蓋區(qū)域明顯地與云或非積雪覆蓋地表區(qū)分開，還可以部分消除大氣的影響[5]。NDSI計算公式如下：

式中，bvis為可見光波段反射率，bsw為短波紅外波段反射率，分別對應VIRR數據的1通道和6通道。

由于不同的下墊面性質對反演雪水當量的影響很大，采用張旭等[6]利用FY-3B/VIRR數據對新疆地區(qū)積雪遙感監(jiān)測研究方法確定的閾值，定義NDSI數值在-1～1，負值表示地表覆蓋為沙漠、裸地和植被。

2 巴州區(qū)域植被、積雪變化特征

2.1 植被變化特征

由圖1可知，2012年和2018年，植被覆蓋率均在3月開始逐漸增大，在11月植被覆蓋率降至最低，這與巴州地區(qū)植被開始、結束生長的變化情況一致，表明NDVI數值能較好地體現出植被覆蓋的季節(jié)變化。從圖1還可以看出，植被覆蓋年變化基本特點是2012年為單峰型，2018年呈雙峰型;2012年主峰及2018年主、次峰分別出現在夏秋季，植被旺盛期分別為9月上旬和7月中旬;同時，巴州地區(qū)植被覆蓋度在均值、最大值和總和上均是2018年高于2012年，這些數據充分說明2018年植被的長勢好于2012年。

為進一步分析巴州地區(qū)植被指數情況，對植被旺盛期的NDVI進行研究，并按照地理區(qū)域劃分為北、中、南地區(qū)。從圖2可知，在巴州地區(qū)植被旺盛期，植被覆蓋度呈南北多、中部少的空間分布，這與巴州降水量南北多、中部少的變化相對應[7]。同時，2018年各區(qū)域植被覆蓋度均高于2012年，南部地區(qū)植被覆蓋度變化最為明顯，2018年為2012年的4倍。

比較2012年和2018年的植被分布區(qū)間，結果如表3所示。巴州地區(qū)植被指數NDVI沒有0.8～1.0級分布的像元素，并以0.0～0.2級分布的像元素為主，然后是0.2～0.4級分布的像元素，0.6～0.8級分布的像元素最少。根據NDVI將植被等級分為低覆蓋度（0.0～0.4）、中覆蓋度（0.4～0.6）和高覆蓋度（0.6～1.0）。由此得出，巴州地區(qū)的植被覆蓋程度主要以低覆蓋度為主，這與何寶忠等[8]的結果一致。7年時間，除北部地區(qū)外，中部及南部地區(qū)的低覆蓋度均呈增長狀態(tài)，其中以中部地區(qū)增長最多;中覆蓋度在所有地區(qū)均為減少狀態(tài)，其中以中部地區(qū)減少最多;高覆蓋度除北部地區(qū)增長外，其余地區(qū)均為減少或不變狀態(tài)。由此說明，巴州的南北部地區(qū)生態(tài)環(huán)境有所好轉，而中部地區(qū)生態(tài)環(huán)境則進一步惡化，表明整體植被仍未進入恢復期，還需持續(xù)加強生態(tài)建設。

2.2 積雪變化特征

由圖3可得，2012年和2018年巴州地區(qū)積雪年變化基本特點均呈單峰形，主峰均出現在冬季（2月），多雪期均出現在1—2月和10—12月;7—9月為積雪最少期，盡管降水集中在這個時段，但降水多以降雨為主，即使出現降雪，也因氣溫影響很快融化;積雪初始、終止時期無明顯變化，均在9月和7月，這均表明巴州地區(qū)的積雪期非常穩(wěn)定。同時還可以看出，2018年巴州地區(qū)各月積雪覆蓋率、均值都明顯高于2012年，最大積雪覆蓋率相差5.31%，且2018年融雪期速率為1.61（R2=0.627），遠高于2012年融雪期速率的0.488（R2=0.703）。

為精確分析巴州地區(qū)積雪指數情況，選取最大積雪NDSI時間進行研究，并根據巴州自北向南呈明顯梯降式垂直分布的地勢，將其劃分為北部山區(qū)、中部平原和南部山區(qū)3個自然地貌單元。從表4可知，在巴州地區(qū)最大旬積雪指數期，積雪覆蓋度在空間上呈南北部山區(qū)多，中部平原少，這同樣與降水量的空間分布相對應。同時，2018年南北部山區(qū)積雪覆蓋度均高于2012年，而中部平原積雪覆蓋率小于2012年，差值為-17.59%。這表明，巴州地區(qū)積雪高覆蓋區(qū)域一直主要集中在山區(qū)，這與張佳華等[9]研究成果相近，因此有效開發(fā)山區(qū)云水資源，可以進一步改變巴州地區(qū)缺水現狀。

2.3 植被指數與積雪指數對比分析

利用SPSS軟件，對2012年和2018年的旬植被指數與旬積雪指數進行了相關性分析，得出在概率P=0.05下，2012年和2018年的相關性分別為為-0.47和-0.69，這說明不論是2012年還是2018年，植被與積雪均存在顯著的負相關，且相關性較好，這表明植被指數隨積雪指數的增大而減小，這與唐克旺等[10]研究結果一致。

3 結論

1）利用MERSI和VIRR數據按時間序列生成巴州植被NDVI、積雪NDSI變化圖，能有效得出巴州植被、積雪覆蓋率整體分布趨勢，且對比分析發(fā)現植被與積雪的變化趨勢呈顯著的負相關。

2）通過歸一化植被指數（NDVI）對巴州各地區(qū)的植被等級分布研究得出，全州植被指數增長等級主要以低覆蓋為主，并自西北向東南先減后增，而山地則呈上升趨勢，因此可以認為巴州地區(qū)植被得到了有效的恢復，但仍需繼續(xù)進行生態(tài)建設。

3）利用歸一化積雪指數（NDSI）對全州不同地貌的積雪覆蓋度研究得出，積雪空間分布呈南北山區(qū)多，中部平原少，表明積雪主要集中在山區(qū)，因此合理有效開發(fā)山區(qū)云水資源，有利于巴州地區(qū)水資源的平衡利用。

參考文獻：

[1] 金仲輝.綠色植物反射光譜的特征及其在監(jiān)測農作物生長中的應用[J].物理，1993（11）：673-678.

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[3] 馬志勇，沈濤，張軍海，等.基于植被覆蓋度的植被變化分析[J].測繪通報，2007（3）：45-48.

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[9] 張佳華，吳楊，姚鳳梅，等.利用衛(wèi)星遙感和地面實測積雪資料分析近年新疆積雪特征[J].高原氣象，2008，27（3）：551-557.

[10] 唐克旺，王研，王芳，等.西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境現狀和演化規(guī)律研究[J].干旱區(qū)地理，2002，25（2）：132-138.

（責任編輯：趙中正）