胡硯霞，黃進(jìn)良，王立輝

(1．中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所，武漢 430077;2．中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049)

物候是指自然界的植物、動(dòng)物和環(huán)境條件 (氣候、水文、土壤條件)以年為準(zhǔn)周期變化的現(xiàn)象［1］。隨著全球氣候變暖，植物物候也發(fā)生相應(yīng)變化，植物物候變化又反過來影響到氣候系統(tǒng)，加劇氣候變化。物候作為指示氣候與自然環(huán)境變化的綜合指標(biāo)，已被國(guó)際上的許多環(huán)境變化影響評(píng)價(jià)項(xiàng)目廣泛采用［2～3］。農(nóng)諺、積溫、田間觀測(cè)和物候觀測(cè)站是傳統(tǒng)獲取物候信息的主要途徑。但物候資料常常缺乏或不完善，特別是在沒有物候觀測(cè)站的地區(qū)。物候的變化有一定的規(guī)律性，于是有研究者試圖利用緯度、經(jīng)度和高度計(jì)算物候隨地理位置分布的普遍模式，如霍普金司生物氣候定律等，其所得結(jié)果是大范圍內(nèi)物候分布的平均情況，對(duì)于地形復(fù)雜的小區(qū)域、小地形引起的物候差異并不適用，但對(duì)人們認(rèn)識(shí)物候分布規(guī)律和物候分布模式起到推動(dòng)作用，在科研和生產(chǎn)上均有一定意義。

計(jì)算機(jī)技術(shù)和遙感技術(shù)的發(fā)展為物候?qū)W研究提供了新的方法。利用遙感數(shù)據(jù)，特別是高時(shí)間分辨率遙感影像提取物候信息大大提升了物候研究的空間尺度和時(shí)間尺度，可以克服傳統(tǒng)定點(diǎn)物候觀測(cè)區(qū)域有限的缺點(diǎn)。利用遙感影像獲取的歸一化植被指數(shù) (NDVI)能在大范圍內(nèi)較準(zhǔn)確地反映出植被的季節(jié)變化和年際變化，以及植被綠度、光合作用強(qiáng)度和植物代謝強(qiáng)度等，可應(yīng)用于植被的變化監(jiān)測(cè)、分類和物候分析［4～5］。利用NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)物候，主要是監(jiān)測(cè)植被綠葉期、落葉期或生長(zhǎng)季節(jié)開始和結(jié)束的時(shí)間，常采用的方法有:NDVI閾值法［2］、時(shí)序值后向移動(dòng)平均法［6］、NDVI曲線最大上升速率判斷法［7］、經(jīng)驗(yàn)公式法［8］、Logistic模型擬合法等。利用Logistic模型擬合法能有效估計(jì)植被的生長(zhǎng)季特征［9］。該文將采用Logistic模型擬合法對(duì)丹江口庫(kù)區(qū)植被物候格局進(jìn)行研究。丹江口庫(kù)區(qū)物候格局研究的結(jié)果有助于認(rèn)識(shí)庫(kù)區(qū)土地覆被的季節(jié)變化規(guī)律，將用于監(jiān)測(cè)庫(kù)區(qū)土地利用/土地覆被的狀況，進(jìn)而評(píng)價(jià)庫(kù)區(qū)土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)及可持續(xù)發(fā)展能力。

1 研究區(qū)概況

丹江口庫(kù)區(qū)位于 32°11＇34″～33°52＇40″N，109°23＇7″～111°57＇55″E，行政區(qū)劃上包括湖北省十堰市所屬的丹江口市、鄖縣、鄖西、十堰市轄區(qū) (張灣區(qū)、茅箭區(qū))和河南省南陽(yáng)市所屬的淅川和西峽。庫(kù)區(qū)植被區(qū)劃屬北亞熱帶常綠闊葉混交林地帶，實(shí)際分布以夏綠闊葉、針葉林及針闊葉混交林和農(nóng)業(yè)植被為主。地形地貌上，丹江口庫(kù)區(qū)大部分屬低海拔中小起伏山地，漢庫(kù)沿線及丹庫(kù)西側(cè)屬低海拔丘陵，丹庫(kù)東側(cè)為低海拔洪積臺(tái)地，淅庫(kù)沿線屬低海拔沖積洪積平原，整個(gè)庫(kù)區(qū)東北部、西部、西南部均為中海拔中高起伏或大起伏山地。

2 數(shù)據(jù)來源

該研究使用的數(shù)據(jù)主要是2002～2010年MODIS 250m地表反射率8天合成產(chǎn)品 (MOD09Q1)，選用的水平軌道號(hào)和垂直軌道號(hào)為h27v05的MODIS影像全覆蓋丹江口庫(kù)區(qū)，共414景 (MOD09Q1產(chǎn)品2000年只有40景，2001年只有45景，數(shù)據(jù)不連續(xù)，故未采用)。用MRT工具 (MODIS Reprojection Tool)將9年數(shù)據(jù)由Sinusoidal投影轉(zhuǎn)為Albers投影，再乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)得到真實(shí)的地表反射率，并用丹江口庫(kù)區(qū)矢量文件進(jìn)行子區(qū)截取。

歸一化植被指數(shù)NDVI是最常用的植被指數(shù)，它通過近紅外通道與紅光通道的反射率計(jì)算得到。公式為:NDVI=ρnir-ρred/ρnir+ρred，其中ρ指反射率，nir為近紅外通道，對(duì)應(yīng)MODIS的1通道;red為紅光通道，對(duì)應(yīng)MODIS的2通道。將計(jì)算得到的NDVI影像逐時(shí)相疊加，得到9年414個(gè)時(shí)相的MODIS NDVI時(shí)序數(shù)據(jù)。

地面樣點(diǎn)數(shù)據(jù)參考2000年全國(guó)1:10萬(wàn)土地利用數(shù)據(jù)庫(kù)［10］的丹江口庫(kù)區(qū)部分，該數(shù)據(jù)由中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供。由于MODIS影像1、2波段空間分辨率為250m，在TM影像上選取樣區(qū)的原則是每個(gè)樣區(qū)至少是從9×9的純象元區(qū)域中心選取，再轉(zhuǎn)為MODIS對(duì)應(yīng)的ROI，這樣可盡量避免尺度轉(zhuǎn)換的誤差。對(duì)于樣區(qū)選擇出現(xiàn)的錯(cuò)選漏選情況，利用ENVI提供的N維可視化編輯器 (N-Dimensional Visualizer)進(jìn)行ROI交互式提純。

3 研究方法

對(duì)于多光譜影像，隨著植物的生長(zhǎng)，葉綠素吸收能力增強(qiáng)，近紅外波段的值逐漸增加，紅波段的值逐漸減少，NDVI值隨之增加，當(dāng)葉面積指數(shù)達(dá)到最大時(shí)，NDVI值達(dá)到最大，隨著植物進(jìn)入成熟期，葉子開始變黃，葉綠素吸收能力減弱，紅波段值增加，近紅外波段的值逐漸減小，NDVI值隨之減小，因此時(shí)序NDVI數(shù)據(jù)可以表征植物的生長(zhǎng)軌跡。NDVI曲線理論上應(yīng)是一條平滑連續(xù)的曲線，然而由于一些外部因素 (如大氣，觀測(cè)視角和太陽(yáng)角、云等)和內(nèi)在的非植被因素的影響，NDVI曲線總有明顯的突升和突降;另一方面，我國(guó)南方地區(qū)多云雨，物候關(guān)鍵期內(nèi)常難以獲取質(zhì)量較好的遙感影像［11］，故首先需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪平滑處理用以獲得高質(zhì)量連續(xù)的NDVI數(shù)據(jù)，并且用多年數(shù)據(jù)補(bǔ)益減噪對(duì)結(jié)果的影響，再進(jìn)行物候參數(shù)的提取。

3.1 Logistic模型擬合時(shí)序NDVI曲線

Logistic模型是由Beck等于2006年提出的一種新的算法，它與高斯模型類似，兩者具有相同的一般形式。Beck曾指出，相比于基于傅立葉變換的濾波算法，Logistic模型對(duì)植被生長(zhǎng)季的估計(jì)更加準(zhǔn)確。武永峰等曾通過構(gòu)建基于NDVI累積頻率曲線的Logistic擬合模型來求算植被綠度始期［12］。Logistic模型是一種局部擬合函數(shù)，它可以有效擬合時(shí)間序列中的最大值和最小值之間的區(qū)間，通過Logistic模型的參數(shù)設(shè)置可以平滑時(shí)序NDVI曲線。該研究采用雙Logistic曲線擬合，公式為:

式中t指時(shí)間;g(t;x1，…，x4)指隨時(shí)間t的NDVI擬合值;x1，x2，x3，x4均為擬合參數(shù)，是大于零的常數(shù)。

3.2 物候參數(shù)提取

借助于Logistic模型擬合時(shí)序NDVI曲線的指數(shù)函數(shù)特征，在拐點(diǎn)處對(duì)物候進(jìn)行定義，由此可提取出生長(zhǎng)始期和生長(zhǎng)末期，關(guān)鍵物候參數(shù)定義如圖1所示，其中，a表示生長(zhǎng)始期，b表示生長(zhǎng)末期，c表示生長(zhǎng)季長(zhǎng)度。

該文利用TIMESAT［13］對(duì)2002～2010年丹江口庫(kù)區(qū)進(jìn)行Logistic模型擬合，并在拐點(diǎn)處提取出生長(zhǎng)始期和生長(zhǎng)末期，每一個(gè)波形表示所選像元一年的植被生長(zhǎng)軌跡，由46個(gè)8天合成的NDVI構(gòu)成，NDVI增長(zhǎng)和降低的拐點(diǎn)分別定義為生長(zhǎng)始期和末期。圖2分別是一柑橘林和旱地樣點(diǎn)的擬合曲線，可以看出，Logistic模型擬合時(shí)序NDVI曲線良好，較直觀地顯示出了物候的年際變化。以此方法得出的丹江口庫(kù)區(qū)2004～2009年物候空間格局見圖3。(Logistic擬合模型的前兩年和最后一年數(shù)據(jù)只是輔助擬合，不能輸出擬合過程圖。由擬合曲線也可得知，2002年和2010年未定義始期和末期，2003年擬合結(jié)果不平穩(wěn)。)

圖1 關(guān)鍵物候參數(shù)

圖2 2002～2010年丹江口市NDVI時(shí)序數(shù)據(jù)Logistic擬合結(jié)果 (a．柑橘林;b．旱地)

圖3 2004～2009年丹江口庫(kù)區(qū)物候格局

4 結(jié)果分析

4.1 物候空間格局

由圖3的擬合結(jié)果，整體上，丹江口庫(kù)區(qū)大部分地區(qū)生長(zhǎng)始期為3月上旬至4月上旬，生長(zhǎng)末期為11月中旬至12月下旬。

丹江口庫(kù)區(qū)的物候空間格局有如下特征:(1)生長(zhǎng)始期，庫(kù)區(qū)南部 (丹江口市)最早，約3月中上旬;東北部 (西峽縣)最晚，約3月下旬、4月上旬。(2)生長(zhǎng)末期，庫(kù)區(qū)東北部 (西峽縣)最早，約11月中下旬;南部 (丹江口市)最晚，約12月中下旬。(3)西部生長(zhǎng)始期和末期均介于南部和東北部之間，分別為3月中下旬和12月中上旬。(4)生長(zhǎng)季長(zhǎng)度，庫(kù)區(qū)南部最長(zhǎng)，東北部最短。(5)相較于庫(kù)區(qū)大部分地區(qū)，位于庫(kù)區(qū)邊界的東北沿線、西北角、西南角物候期不同，表現(xiàn)為生長(zhǎng)始期偏晚，生長(zhǎng)末期偏早。

以上物候空間格局特征符合物候隨地理位置分布的一般規(guī)律。物候在地理分布上表現(xiàn)為隨經(jīng)緯度的變化和隨高度的變化。一般緯度愈高，生長(zhǎng)季愈短，即春季達(dá)到植物生長(zhǎng)的界限溫度日期愈晚，而秋季達(dá)到植物停止生長(zhǎng)的日期愈早。所以位于庫(kù)區(qū)南部的丹江口市生長(zhǎng)始期最早，生長(zhǎng)末期最晚，生長(zhǎng)季最長(zhǎng);而位于東北部的西峽縣生長(zhǎng)始期最晚，生長(zhǎng)末期最早，生長(zhǎng)季最短。隨高度的差異是因?yàn)閷?duì)流層中氣溫隨高度降低，使得平原的物候在春季總是早于山上。丹江口庫(kù)區(qū)邊界的東北沿線和西南角屬中高海拔大起伏山地，西北角屬中海拔大起伏山地，因而這些地區(qū)生長(zhǎng)始期偏晚，生長(zhǎng)末期偏早。此外，丹江口大部地區(qū)屬低海拔丘陵和低海拔中起伏山地，水庫(kù)周圍是低海拔的沖積平原和洪積臺(tái)地，且受水庫(kù)小氣候的影響，庫(kù)區(qū)年溫差較小，夏季較涼，冬季較暖，且濕度較大，可緩解果樹凍害。另一方面，山區(qū)冬春季的早晨常存在逆溫層，山腰近地層的氣溫反而高于山麓，使得山腰的物候在春季反而早于山麓，故水庫(kù)附近多種植不耐寒的果樹 (主要是柑橘)，特別是南向中坡的地方，遭受霜凍的機(jī)會(huì)較少。

4.2 物候年際差異

同一地區(qū)、同種植被的物候期在年際間可能有提前、滯后或是長(zhǎng)短變化。物候的年際變化反映了植被生長(zhǎng)環(huán)境 (氣候、水文、土壤條件等)的變化對(duì)植被的影響，也可指示一些極端天氣事件，如霜凍、寒潮、干旱等。整體上，丹江口庫(kù)區(qū)物候的年際差異表現(xiàn)為:(1)生長(zhǎng)始期:2009年最晚，2008年最早。(2)生長(zhǎng)末期:2004年最晚，2006年最早。

庫(kù)區(qū)不同地區(qū)物候的年際差異也不盡相同。就丹江口市來說，2004年和2007年最晚，2006年和2009年最早。該文選取丹江口市一片柑橘林作為樣地，2009年其NDVI曲線的生長(zhǎng)末期處下降速率較大 (參考圖2a)，且生長(zhǎng)季較往年短，主要反映了長(zhǎng)勢(shì)不及其他年份，相應(yīng)的收獲期也比其他年份要早。這與2009年的11月上旬庫(kù)區(qū)大范圍雨雪天氣有關(guān)，導(dǎo)致植被較往年提前停止生長(zhǎng)。據(jù)報(bào)道，11月8日驟然降溫出現(xiàn)的寒潮天氣使丹江口市尚未采摘的1億多千克柑橘遭雪災(zāi)凍害。實(shí)際上，丹江口市柑橘?gòu)某墒?、采收到休眠期是?月下旬到12月中下旬，時(shí)間與Logistic模型擬合結(jié)果大體一致。且據(jù)報(bào)道，2009年丹江口市柑橘成熟期較往年提前，因而銷售價(jià)格略有提高。

5 結(jié)論與討論

該文基于MODIS NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)，采用Logistic模型擬合時(shí)序NDVI曲線提取了生長(zhǎng)始期和生長(zhǎng)末期兩個(gè)關(guān)鍵物候參數(shù)，以此獲取了丹江口庫(kù)區(qū)的物候空間格局和近幾年物候的年際差異，且依據(jù)物候隨地理分布的一般規(guī)律對(duì)丹江口庫(kù)區(qū)物候空間格局進(jìn)行了解釋，并依據(jù)相關(guān)年份實(shí)際情況對(duì)物候年際差異進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。從理論上和估算的結(jié)果來看，此方法是可行且有效的，但同時(shí)也存在一些問題:

(1)丹江口庫(kù)區(qū)無同步的物候觀測(cè)數(shù)據(jù)，該研究結(jié)果難以進(jìn)行較精確的驗(yàn)證。

(2)受遙感影像空間分辨率的限制以及混合象元的影響，森林樹種或作物類別的識(shí)別較困難，只能對(duì)某一大類別或是大宗作物進(jìn)行遙感物候監(jiān)測(cè)。此外，通過遙感手段得出的物候信息忽略了很多細(xì)節(jié)特征，是一個(gè)綜合、概括的結(jié)果。

(3)物候變化規(guī)律的獲取需要長(zhǎng)期數(shù)據(jù)的支持，該文選取的9年MODIS NDVI數(shù)據(jù)反映的是物候的年際波動(dòng)，尚難以推知丹江口庫(kù)區(qū)物候的變化規(guī)律。

(4)通過時(shí)序遙感數(shù)據(jù)反演出植被的某些生物學(xué)物候特征，或是輔助控制物候的一些因子 (如積溫、日長(zhǎng)、水分等)，勢(shì)必會(huì)提高遙感物候監(jiān)測(cè)的有效性和精度。

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