衛(wèi)亞星王莉雯

(1.遼寧師范大學海洋經(jīng)濟與可持續(xù)發(fā)展研究中心，遼寧 大連 116029;

2.遼寧師范大學自然地理與空間信息科學遼寧省重點實驗室，遼寧 大連 116029; 3.遼寧師范大學城市與環(huán)境學院，遼寧 大連 116029)

基于AVHRR時序數(shù)據(jù)的遼寧省植被變化監(jiān)測*

衛(wèi)亞星1，2，3王莉雯3

(1.遼寧師范大學海洋經(jīng)濟與可持續(xù)發(fā)展研究中心，遼寧 大連 116029;

2.遼寧師范大學自然地理與空間信息科學遼寧省重點實驗室，遼寧 大連 116029; 3.遼寧師范大學城市與環(huán)境學院，遼寧 大連 116029)

利用NOAA(美國國家海洋和大氣局)衛(wèi)星上搭載的AVHRR(甚高分辨率輻射計)對地觀測的時間尺度長達20年的遙感數(shù)據(jù)，研究了遼寧省植被的動態(tài)變化和空間異質(zhì)性。通過分析遼寧省20年來每月NDVI(歸一化植被指數(shù))的最小值、最大值、平均值、變化系數(shù)、標準化不規(guī)則值、動態(tài)平均值等指標，揭示了遼寧省植被的時空變化模式并發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。20年的數(shù)據(jù)表明，遼寧省NDVI的最大值出現(xiàn)在7月或8月，植被生長季的變化系數(shù)達到6%－14%的幅度，1984－1990年間植被綠度一致向上，1991－1998年間植被綠度趨勢向下，植被綠度的擺動周期存在7到8年的規(guī)律，干旱季節(jié)NDVI的峰值在1991－1999年間比1982－1990年間高出20%－25%，遼寧省植被的這種變化模式是由于近20年來氣候變化所造成。

甚高分辨率輻射計;歸一化植被指數(shù);厄爾尼諾;遼寧

近年來的氣候模型研究當中，國外學者曾利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)來研究厄爾尼諾南方濤動(ENSO)與植被年際間變化的關(guān)系［1］。地處渤海灣的遼寧省的植被變化與海洋大氣氣候條件(ENSO的擾動)有著緊密的聯(lián)系。氣候研究和全球氣候模型認為半干旱區(qū)是最容易受氣候變化影響的生態(tài)景觀［2］。遼寧省的植被群系很少被研究，該地區(qū)是最容易受天氣變化影響的區(qū)域。

使用NOAA系列衛(wèi)星上AVHRR傳感器獲取的NDVI時序數(shù)據(jù)監(jiān)測陸地表面植被的研究很多［3］。大部分工作用AVHRR－NDVI時序數(shù)據(jù)研究半干旱熱帶地區(qū)的植被動態(tài)，很少詳細地研究時空模式。一些學者研究評價了非洲植被活動的季節(jié)和空間變化［4］，采用的是降水量的函數(shù)，事實上該地區(qū)的所有研究，集中在厄爾尼諾－南方濤動與植被的關(guān)系。厄爾尼諾－南方濤動事件對遼寧省植被動態(tài)的影響，定性地說，與非洲景觀相似。一些基于西非NDVI長時間序列數(shù)據(jù)的研究認為，地上植被的退化是由于人為造成的土地覆蓋變化和周期性發(fā)生的干旱，這種變化在幾年內(nèi)是可逆的，通過降水量的回升和人類對土地的影響減少而逆轉(zhuǎn)退化進程［5］。一項最近在巴西東北部展開的研究成功地發(fā)現(xiàn)了AVHRR－NDVI數(shù)據(jù)與降水量之間的關(guān)系，通過回歸分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)幾個地方的月NDVI與氣象臺站觀測的月平均降水量有強相關(guān)關(guān)系。在自然植被上，NDVI和當月以及前一個月的累積降水量之間存在強相關(guān)關(guān)系［6］(r=0.80)。本文以20年為一個周期揭示植被對氣候變化的響應，采用了NDVI的月平均值來研究遼寧省景觀的空間異質(zhì)性和變化。由于缺少空間連續(xù)的高分辨率降水量數(shù)據(jù)，我們選用從衛(wèi)星獲得的NDVI值作為降水量替代值。這種分析利用研究區(qū)的NDVI月平均值，生成了2 292個值構(gòu)成的數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)是從1982－2001年間每月的數(shù)據(jù)提取出來的。對月NDVI值用了一系列的統(tǒng)計分析方法處理，來研究遼寧省植被的空間和時間變化模式。

1 研究區(qū)概況

遼寧省位于中國東北地區(qū)南部，面積15萬km2，海岸帶長達2 100 km。遼寧地勢自東北西向中南部傾斜，山地、丘陵和平原各占23%、16%、61%。在氣候區(qū)劃上屬于溫帶大陸型季風氣候區(qū)，森林植被類型主要為溫帶針闊混交林，南部屬暖溫帶落葉闊葉林。冬冷夏暖，無霜期4－7個月，始于四月中旬前后。年降水量500－1 000mm，遼東山區(qū)1 000mm以上。夏季降水占全年60%以上。

2 數(shù)據(jù)和方法

由于高分辨率的完整的時空信息對描述遼寧省景觀的空間異質(zhì)性和時相動態(tài)很重要，本文以NDVI數(shù)據(jù)集作為植被綠度的替代指標［7］。采用了NOAA系列衛(wèi)星獲得的NDVI產(chǎn)品，因為它有較高的時間分辨率和完整的空間記錄，20年的數(shù)據(jù)記錄可以反映時空變化。很多研究已經(jīng)證明NDVI的月記錄可以被用作月平均降水量的替代指標。綠色植被對可見光(紅光)和近紅外光的反射和吸收不同，從衛(wèi)星獲得的NDVI指數(shù)是基于電磁波譜的紅光(低反射)和近紅外(高反射)部分。NDVI是近紅外和紅光光譜反射的標準化比率(近紅外—紅光)/(近紅外+紅光)，并且與地上凈初級生產(chǎn)力的大小和季節(jié)性緊密相關(guān)。它也和植被的生物物理參數(shù)存在強烈的相關(guān)關(guān)系，包括葉面積指數(shù)，綠葉生物量，葉子的光合作用活動情況。沒有處理過的NDVI值是帶小數(shù)的實數(shù)，范圍在－1到+1之間，在定義土地覆蓋類型時，它通常被限制到+0.1(沙漠)到+0.8(濃密的熱帶雨林)之間［8］。

我們提取了遼寧全省的2292個象元1982－2001年間(240個月)每年每月的NDVI值(見圖1)，沒有做空間內(nèi)插和地形特征校正。整個遼寧省的NDVI時序數(shù)據(jù)被輸入到一個2292行(空間)240列(時間)的矩陣，便于進行時間和空間的統(tǒng)計分析。通過計算出2292個點20年間每個月NDVI值的最小值、平均值、最大值、變化系數(shù)(CV)，進行時間分析。每個月的四個統(tǒng)計參數(shù)確定以后，求出所有像元每個月統(tǒng)計參數(shù)的空間平均值。這些值可以按12個月繪制在笛卡兒坐標系里面，生成四條時間統(tǒng)計曲線。提取和繪制NDVI極端值和變化系數(shù)的目的是研究遼寧省陸地生態(tài)系統(tǒng)對降水量大變動的反應，因為NDVI平均值對這種變動的反應不明顯。

變化系數(shù)被用于反映NDVI相對于月平均值的變化，標準化的NDVI值(Z分)被用于消除季節(jié)信號，確定NDVI相對于月平均值的偏差。NDVI的月變化由以下公式計算:

上式表示了NDVI的Z分，空間(x=經(jīng)度，y=緯度)，時間(i=月份，j=年份)，NDVI(x，y)i，j代表2292個點某年某月NDVI的空間平均值，mean NDVI(x，y)i，j代表12000個點從1982年到2001年某月NDVI的空間平均值，S.D.NDVI(x，y)i，j指某年某月2292個點的平均NDVI值的空間標準偏差。從月平均值算出的標準化NDVI值可以反映月值，該值與地面植被條件的濕潤或干旱程度有關(guān)。所以，當NDVI為負值時，表示低于正常植被條件，表明干旱，當NDVI為正值時，表示高于正常植被條件，表明濕潤。雖然這里考慮的是20年的時間，對于反映長期的平均條件(30年)來說不是足夠長，但是在某種程度上值得關(guān)注。另外，由于采用了36個月的動態(tài)平均，起到了平滑標準化NDVI值(Z分)的月值的作用，這會在一定程度上降低遼寧省年際間的差異。動態(tài)平均是指簡單平均36個月的值，即從1982年1月到1984年12月求平均，作為第1個月的平均值，然后，從1982年2月到1985年1月求平均，作為第2個月的平均值，以此類推。我們選擇了很多學者廣泛采用的36個月的長度，作為計算動態(tài)平均的時間跨度。

圖1 概念框架的圖示

為了評價以月為時間尺度的NDVI的空間變化模式，做了整個遼寧省從北到南，NDVI值隨緯度變化的空間比較研究。這種分析的目的是可視化地評價以前的天氣條件對遼寧省陸地表面植被變化的累積影響。由于在我們選擇的研究年份(1982－2001)ENSO事件的頻率和強度不同，我們將研究年份分為兩個9年時期，即1982－1990和1991－1999。在這兩個時期不尋常的厄爾尼諾活動很顯著，特別是1991－1999年間氣候很反常的熱。1991年開始的厄爾尼諾幾乎持續(xù)到了1995年，并在1997年重新出現(xiàn)，打破了歷史紀錄。而且，為了所作比較的時間尺度一致，同樣選擇了80年代的9年。為了達到這個目的，我們的分析是通過檢查散點圖表示的函數(shù)關(guān)系進行的，散點圖是以遼寧省的緯度為x軸，分別以NDVI平均值和CV值為y軸做出來的。通過分析各個散點圖可以看出NDVI的變化模式，以及在80年代(1982－1990)和90年代(1991－1999)所有9月份的NDVI變化情況，選擇9月份是為了反映出生長期的結(jié)束。然后做了NDVI的統(tǒng)計分析，研究兩個不同時期遼寧省從北到南橫斷面上是否存在顯著差異。

3 結(jié)果和討論

圖2是沿著遼寧省的緯度方向橫斷面，比較平均NDVI

圖2 1982－1990(a)年間和1991－1999 (b)年間干旱季節(jié)峰值(9月)沿著遼寧省緯度方向橫斷面平均NDVI值的空間分布比較

在1982－1990年間和1991－1999年間最干旱季節(jié)(9月)的空間分布。兩個時期平均NDVI分布的形狀差異，是由于1991－1999年間超長的干旱給研究區(qū)的植被所產(chǎn)生的累積效應。1982－1990年間也經(jīng)歷了干旱，這是由于1982－1983年間嚴重的厄爾尼諾的結(jié)果，1991－1999年間NDVI值的減少程度比1982－1990年間嚴重得多。1982－1990年間NDVI值的變化呈線性分布，而1991－1999年間NDVI值的空間分布不平滑呈sigma分布。特別是1991－1999年間，在7到10度之間NDVI值突然減少。突然減少發(fā)生的區(qū)域主要受ENSO狀態(tài)的影響。在厄爾尼諾的不同階段，降水和SST指數(shù)之間存在顯著的關(guān)系，導致了降水量的減少。這意味著1991－1999年間NDVI值下降是由于干旱年份的頻率和強度對研究區(qū)域陸地表面植被的影響造成的。

圖3 沿著遼寧省緯度方向橫斷面1982－1990 (a)年間和1991－1999(b)年間干旱季節(jié)峰值(9月)時平均CV值的空間分布比較

圖3和圖2很相似，該圖表示了1982－1990年間和1991－1999年間平均CV模式之間的差異，比較的不是平均NDVI值。通過對這兩個時期平均CV值的可視化比較，表明從一個時期到另一個時期CV分布的一般形狀沒有顯著改變，沿著1991－1999年間的橫斷面平均CV值略有增加。1991－1999年間的特征是，在4－8度區(qū)域較高的NDVI值沿著橫斷面明顯向北移動，該區(qū)域氣候?qū)ν恋馗采w的影響最大，1982－1990年間的特征是較高的NDVI值朝12－16度區(qū)域明顯南移。這些偏差表明1991－1999年間研究區(qū)域的植被狀態(tài)的改變與天氣變化和人類的活動有關(guān)系。

4 結(jié)論

從20年的AVHRR數(shù)據(jù)中，發(fā)現(xiàn)NDVI在春季開始緩慢上升，在夏季快速增加，7－8月達到最大值，秋季開始緩慢下降，冬季下降到最小值。遼寧省月平均NDVI的最大值和最小值之間的差異是0.18，植被生長期最高的平均CV值出現(xiàn)在最干旱的5月(10%)，最低的平均CV值出現(xiàn)在最濕潤的8月(6%)，NDVI的波動幅度在干旱季節(jié)最大。36個月的動態(tài)平均值表明，遼寧省植被綠度在1982－1986年間呈下降趨勢，在1993－1998年間呈上升趨勢，這種變化周期是對氣候長期極端干旱的反應。沿著遼寧省橫斷面，在干旱季節(jié)NDVI的空間變化程度較高，平均NDVI變化的相對比例在1991－1999年間比1982－1990年間高20%－25%。20年的NDVI分析結(jié)果表明，過去20年的植被綠度的上升和下降趨勢，可能是由于極端氣候造成，是該地區(qū)對海洋表面溫度異常所做出的反應，20世紀90年代的下降趨勢主要與ENSO的擾動造成的干旱期延長有關(guān)。與20世紀90年代相反，20世紀80年代向上的趨勢與豐水期和干旱期的振蕩有關(guān)，NDVI的異常反應出了這個趨勢。這些結(jié)果也可以從1991年前與1991年后遼寧省橫斷面土地覆蓋偏差的鮮明對照得到解釋，20世紀90年代比20世紀80年代增加了20%－25%，導致NDVI值減少。

(編輯:田紅)

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AbstractIn this paper，we used Normalized Difference Vegetation Index(NDVI)data derived from NOAA AVHRR sensor to analyze spatial heterogeneity and temporal dynamics of Liaoning Province during the past two decades.Various statistical analyses including minimum，mean and maximum values，coefficient of variation，standardized anomalies，and running mean were used to research spatial and temporal variations of vegetation of monthly NDVI values.In Liaoning Province，we found the strong seasonal oscillations during plants growing period，the maximum value of NDVI appeared in July-August，and seasonal variation ranged from 6%to 14%.Vegetation greenness kept upward trend from 1984 to 1990，but appeared downward trend from 1991 to 1998.Vegetation greenness followed an inter-annual oscillation period of 7－8 years.The NDVI peak were 20%－25%higher in 1991－1999 than in 1982－1990 in dry season across Liaoning Province.Patterns of vegetation variability in Liaoning Province were caused by enhanced climate change occurring over the last twenty years.

Key wordsAVHRR;NDVI;EI Nino;Liaoning Province

Study on Vegetation Variations over Liaoning Province Based on AVHRR Time Series Data

WEI Ya-xing1，2，3WANG Li-wen1，3
(1.Center for Marine Economic and Sustainable Development，Liaoning Normal University，Dalian Liaoning 116029，China; 2.Liaoning Key Laboratory of Physical Geography and Geomatics，Liaoning Normal University，Dalian Liaoning 116029，China; 3.College of Urban and Environmental Science，Liaoning Normal University，Dalian Liaoning 116029，China)

X144

A

1002－2104(2010)05專－0132－04

2010-05-24

衛(wèi)亞星，副教授，博士后，主要研究方向為遙感和GIS的應用。

*教育部人文社會科學重點研究基地項目(編號:08JJD790142);遼寧省教育廳人文社會科學研究項目(編號:2007T095)。