張少宇， 鄒時林， 余弦

(1.江西省地質礦產勘查開發(fā)局贛中地質大隊，江西 南昌 330000；2.東華理工大學 測繪工程學院，江西 南昌 330000)

干旱作為全球分布最廣、發(fā)生頻率最高的自然氣象災害之一，對農業(yè)耕種、經濟發(fā)展帶來巨大損失[1]。植被生長因缺水而受到影響和限制，對干旱具有非常高的敏感性，因此植被覆蓋變化已經成為干旱監(jiān)測的基本方法之一[2]。植被健康指數反映植被所處于的健康環(huán)境狀態(tài)，通過植被健康狀態(tài)可間接反映植被的干旱狀態(tài)[3]，牟伶俐[4]利用植被健康指數(VHI)進行了對于農業(yè)旱情遙感監(jiān)測指標研究。徐煥穎等[5]利用植被狀態(tài)指數(VCI)和VHI對華北平原進行干旱監(jiān)測，同時分析了空間、季節(jié)、年度的變化規(guī)律。根據VCI和VHI可以用來監(jiān)測植被的相互活動作用，但利用VCI和VHI來進行分析植被活動時要考慮植被的生長季節(jié)[6]。VHI對于植被活動具有非常大的相關性，由于溫度升高會對植被造成壓力，從而導致VHI值較低[7]。但Kogan等[8]利用基于VHI的AVHRR傳感器數據對全球2000年進行干旱研究，并認為VHI對于未來干旱研究具有非常大的潛力。

河南省是中國重要的糧食大省，干旱在河南省頻繁發(fā)生，對河南省農作物產生極大影響[9]。李治國等[10]利用河南省災害旱情資料分析了1950—2009年干旱災害的變化特征及成因，郝秀平等[11]利用標準降水指數對河南省不同尺度下不同干旱等級的時間和空間分布進行研究，認為河南省北部易發(fā)生干旱。針對河南省的干旱研究大多基于降水站觀測數據以及地面收集數據，無法做到小尺度及長時序的干旱監(jiān)測，本研究利用長時序遙感數據，采用EOF時空模型對河南省干旱時空特征進行研究，期望能夠更好地探索河南省的干旱趨勢以及植被健康變化。

Google Earth Engine(GEE)是一個集科學分析和地理信息數據的綜合性平臺，提供在線應用程序接口(API)和交互式的開發(fā)環(huán)境(IDE)，包含近40年來的主要公開遙感數據、經濟統(tǒng)計數據、氣候數據等眾多用于地理科學研究的數據[12]。Hansen等[13]首次利用GEE平臺計算了全球2001—2012年全球森林變化數據，并保持持續(xù)更新，由此打開了GEE的科研使用的大門。Chakraborty等[14]利用簡單的城市擴張算法從全球尺度上表征了熱島效應和植被控制的時空變異性。由于GEE處理數據的快捷性、大尺度的適用性、巨大的應用潛力，使得GEE成為當今遙感科研人員必不可少的工具。本研究將基于GEE對河南省的長時序植被干旱進行探究。

1 研究區(qū)概況與數據來源

1.1 研究區(qū)概況

河南省位于中國中部，東經110°21′—116°39′，北緯31°23′—36°22′之間，國土面積16.7×104km2[15]。河南省地形呈西高東低，西北和西部為太行山、伏牛山，中部和東部主要為平原地區(qū)[16]；地處黃河中下游，古稱天地之中，為中國第一農業(yè)大省、第一人口大省[17]。氣候溫和，冷熱交替明顯，年平均溫度12～16 ℃，年平均降水量500～900 mm，屬于北亞熱帶向暖溫帶過渡地帶，氣候區(qū)域特征明顯[18]。河南省共18個地級市，參考高延軍[19]研究以及本研究需要，將河南省劃分為豫北(安陽市、濮陽市、鶴壁市、新鄉(xiāng)市、焦作市、濟源市)，豫南(南陽市、駐馬店市、信陽市)，豫東(開封市、商丘市、周口市)，豫西(三門峽市、洛陽市、平頂山市、鄭州市、許昌市、漯河市)四個地區(qū)(如圖1所示)。

圖1 研究區(qū)域概況Figure 1 Overview of the study area

1.2 數據來源

植被干旱研究采用美國NOAA公司研發(fā)的全球每天歸一化植被指數產品，空間分辨率4 km，時間分辨率1 d，主要使用數據的其NDVI波段[20]。此外，另一個關鍵數據是全球地表反射率產品，空間分辨率4 km，時間分辨率1 d，主要使用數據的其亮溫波段[21]；上述兩個數據通過GEE在線調用最早可用1981年6月24日，本研究時間范圍為1982年1月1日至2018年12月31日。VHI的計算使用AVHRR傳感器的日觀測數據。

2 研究方法

2.1 植被健康指數(VHI)

植被健康指數由植被狀態(tài)指數(VCI)和溫度狀態(tài)指數(TCI)組成；NDVI經常被用作植物綠色或植物生長的代表[22]，VCI由NDVI進行構建。TCI由亮溫BT進行構建，詳細見下。

(1)

式(1)中NIR表示近紅外波段，RED表示紅波段。

(2)

VCI是一個非常重要的指數，可以用來檢測植被與濕度相關的變化，對于植被生長期旱情監(jiān)測效果較好，是旱情監(jiān)測的一個重要手段[4]。式(2)中，NDVI表示研究當前年份的NDVI周平均值[3]，NDVImax和NDVImin分別表示長時序范圍內各像元NDVI最大值和最小值的絕對值。

(3)

VHI=a×VCI+(1-a)×TCI

(4)

式(3)中，BT代表的是像元的亮溫，代表當前時間范圍內的周平均像元亮溫值；BTmax和BTmin代表長時間序列時間范圍內的各像元BT的最大值和最小值的絕對值。式(4)中a是一個系數，代表水分和溫度對于植被健康的相關性，本文中參考Kogan等[3]的相關研究，選取a為0.5；

VHI計算結果中取值范圍為0～100，0表示較高的壓力狀態(tài)，100表示完整的植被健康狀態(tài)；40～60表示中等健康狀態(tài)，60～100較好健康狀態(tài)[23]。此外VHI等于40為植被干旱的開始，0≤VHI≤10為極其干旱、10

2.2 EOF時空模型

經驗正交函數(Empirical orthogonal function,EOF)作為大氣科學研究中常用的研究某一變量的時空特征模型，被廣泛應用于氣象、農業(yè)、水文等研究領域[25]。EOF也稱為時空分解，即X=EOFi×j×PCj×i，首先對37年間河南省VHI結果數據進行矩平處理，將其合成為矩陣Xmn

(5)

(6)

Cm×m×Vm×m=Vm×m×Em×m

(7)

(8)

式(5)中表示在第i個像元上的第j年的VHI值,式(6)中Vm×m表示為Cm×m的特征向量，式(7)、式(8)中的Em×m為特征值；每一個特征值對應的特征向量即為EOF分解的第一模態(tài)，然后計算每一特征向量的方差貢獻率，方差貢獻率越大表明此模態(tài)的空間分布特征越強[26]。

(9)

式(9)中Rk表示的為第k個模態(tài)的方差貢獻率。

3 結果及分析

3.1 VHI季節(jié)性時間特征

根據中國季節(jié)性劃分，春季為3—5月、夏季為6—8月、秋季為9—11月、冬季為12—2月。在河南省1982—2018年春季期間，35%的年份VHI<40，表明植被在春季有35%的年份表現為干旱狀態(tài)；且發(fā)現河南省植被春季干旱主要發(fā)生在2000年之前，春季干旱較為嚴重的有1982、1994、2000年；同時河南省植被春季干旱呈減弱趨勢。夏季干旱狀態(tài)趨勢在37年中較為平穩(wěn)，37年中夏季植被存在21.6%的年份表現為干旱狀態(tài)。近幾年來，VHI值在春季和夏季都出現VHI>60，說明河南省植被在近幾年的春夏季達到較好的健康狀態(tài)，且出現逐漸上升的趨勢。在37年中，河南省植被干旱平均趨勢在秋季是逐漸加重的，51.35%的年份在秋季都屬于中等干旱，32.43%的年份在秋季屬于重度干旱；其中干旱最為嚴重的年份為2000年，屬于極其干旱；同時也是37年中最干旱的一個季節(jié)。冬季植被有43.24%的年份屬于輕度干旱，且干旱趨勢逐漸轉好(見圖2)。

此外，VHI除了能夠反映植被的干旱等級，同時也能夠反映植被的生長壓力以及健康等級；河南省植被在秋冬季的健康狀態(tài)要比春夏季較差(見圖2)。同時根據植被健康等級劃分，河南省植被在37年中的不同季節(jié)里，僅存在極少的年份和季節(jié)處于較好健康狀態(tài)，VHI值較高的季節(jié)為2010年春季、2016年夏季、1994年秋季、1995年冬季。從趨勢來看，河南省植被在春季、夏季、冬季是逐漸轉好的，而在秋季則呈現逐漸變差的趨勢。

圖2 1982—2018年河南省VHI值季節(jié)性變化趨勢圖Figure 2 The trend of VHI change of different season in Henan Province from 1982 to 2018

3.2 VHI區(qū)域性時間特征

3.2.1 各區(qū)域夏季VHI趨勢

河南省作為我國農業(yè)大省，干旱對于農業(yè)經濟影響巨大。小麥和玉米作為河南省農業(yè)的主要產物，秋玉米種植更多于春玉米種植，秋玉米生長季節(jié)主要在夏季。因此，以下選取了秋玉米生長季節(jié)作為研究期，并從不同區(qū)域評估每年夏季的干旱情況。1982—2017年期間河南省植被在夏季發(fā)生旱情最多的地區(qū)是豫南地區(qū)，發(fā)生旱情最少的地區(qū)是豫東地區(qū)，僅在1982、1988、1994、1999、2006年出現旱情，且旱情主要為中等干旱。四個地區(qū)整體發(fā)生干旱的程度主要以輕度干旱較多，VHI值呈現逐漸上升的趨勢；說明河南省在近37年來盡管存在個別干旱的年份，但整體干旱程度逐漸降低，植被健康狀態(tài)逐漸轉好。

四個地區(qū)的VHI值在2013年都相繼出現上升的趨勢，且較多年份出現了VHI>60；豫南地區(qū)在長期處于中等健康狀態(tài)的情況下也逐漸出現較好的健康狀態(tài)。尤其是豫北地區(qū)表現最為突出，在2010年后，VHI值出現明顯的增加趨勢，表明植被健康狀態(tài)等級逐漸提高，且在2013年后穩(wěn)步處于較好的健康狀態(tài)。四個不同區(qū)域中，VHI>60在豫東地區(qū)出現的年份較多；即在1982—2017年夏季期間，豫東地區(qū)植被健康狀態(tài)要明顯優(yōu)于其他三個地區(qū)(見圖3)。

圖3 1982—2018年河南省夏季VHI值區(qū)域性變化趨勢圖Figure 3 The trend of summer VHI change of different areas in Henan Province from 1982 to 2018

3.2.2 植被健康狀態(tài)

為了進一步地掌握河南省各市在1982—2018年各季節(jié)的植被干旱健康等級，以下根據研究結果統(tǒng)計了各市植被健康不同等級的年份數量。三門峽市、焦作市、周口市植被在37年中超過43.24%的年份在春季處于干旱狀態(tài)；18個地級市在夏季未出現重度干旱以及極其干旱年份，但在秋季都出現了至少一年的極其干旱狀態(tài)年份，由3.1可知是2000年。調查可知，2000年確為河南省干旱特重年份，且夏季干旱較為嚴重；根據VHI理論可知，VHI根據植被長期對于環(huán)境的反應，以及地表溫度獲得，因此可知具有一定的時間滯后性[27]。安陽市、濮陽市、信陽市植被在春季相對于其他市植被健康狀態(tài)較好，超過25年處于中等健康狀態(tài)。此外，平頂山市、濮陽市、許昌市、周口市干旱多發(fā)生秋冬季；洛陽市、三門峽市、鶴壁市植被在冬季超過24年處于中等以上健康狀態(tài)。河南省其他各市在四季中的具體健康狀態(tài)年份數量見圖4所示。

圖4 各市不同植被健康狀態(tài)年份統(tǒng)計Figure 4 The statistics of year on different vegetation health status in each city

3.3 植被活動變化趨勢

為了研究過去37年的河南省植被活動生長趨勢，以下研究采用了植被生長期間的VHI平均值作為基礎；參考Pei等[23]研究成果，河南省的植被生長期間在第31～41周。圖5a為1982年植被生長期間的VHI平均值，圖5b為河南省1982—2018年VHI變化線性回歸趨勢圖。1982年植被生長期間VHI平均值范圍為4～50，河南省51.71%的面積處于重度干旱，30.63%的面積屬于中等干旱，12.24%的面積屬于輕度干旱。

從空間趨勢上來看，河南省64.18%的地區(qū)呈現負向趨勢，表明河南省植被生長在大部分地區(qū)呈現衰弱趨勢，如圖5所示。河南省東部、中心部、西北部、西南部的VHI呈現下降趨勢，尤其是鄭州市、開封市、焦作市等各城市中心部呈現VHI急劇下降趨勢，表明植被生長在這些地區(qū)受到較大的限制。此外，在河南省西部、東南部及少量北部地區(qū)VHI值呈上升趨勢，說明植被生長受到外界干擾較小。相關研究表明，河南省植被減少主要發(fā)生在鄭州市、洛陽市、焦作市等市區(qū)，植被增長主要發(fā)生在南陽盆地[18,28]，植被減少的地區(qū)會抑制植被的生長，植被增加地區(qū)會有利于植被生長，本文研究結果與上述表示一致。

圖5 植被生長季節(jié)1982年VHI平均值與1982—2018年VHI變化趨勢Figure 5 The average value of VHI in vegetation season in 1982 and the trend of VHI change from 1982 to 2018

3.4 植被干旱EOF時空分布特征

為了更好地分析1982—2018年河南省植被健康指數VHI的空間變化特征，對每一年的VHI結果進行EOF分解分析，得到其對應的特征向量，每一特征向量對應每一個模態(tài)。每一個模態(tài)的方差貢獻值越大，表明在37年中此模態(tài)的空間分布越顯著。根據結果可知，河南省四季EOF第一模態(tài)的方差貢獻值分別為春季97.06%、夏季97.60%、秋季95.69%、冬季96.96%；說明EOF第一模態(tài)足以代表37年中VHI值的空間分布特征，河南省各季節(jié)EOF第一模態(tài)空間分布見圖6所示。

圖6 1982—2018年河南省VHI的EOF分析第一模態(tài)空間分布Figure 6 The first spatial distribution of EOF analysis on VHI in Henan Province from 1982 to 2018

河南省各季節(jié)VHI值在37年中呈現完全不同的四種空間分布特征；夏季和秋季干旱相較于春季和冬季發(fā)生較多，夏季干旱主要發(fā)生在豫南、豫北、豫西地區(qū)，秋季干旱主要發(fā)生在豫東地區(qū)，且秋季干旱空間分布較為集中。夏季VHI值EOF第一模態(tài)在空間上呈現VHI值從河南省南部向河南省中部、東部逐漸增加，駐馬店市南部、南陽市南部、信陽市南部以及濮陽市東部干旱面積較大，同時夏季VHI值以20

同時，在37年中除冬季之外的季節(jié)，河南省植被在其他季節(jié)都存在較大的壓力，尤其是夏季植被僅在河南省東部小部分區(qū)域處于較好健康狀態(tài)(4060)。冬季由于溫度較低，植被壓力受到溫度壓力較小，河南省植被在西部和北部地區(qū)處于較好健康狀態(tài)，中部以及東部地區(qū)處于良好的健康狀態(tài)。VHI能夠很好地反應植被所處于的壓力狀態(tài)以及農作物的生長狀態(tài)，河南省農業(yè)較多，森林植被等覆蓋較少，且河南省植被整體處于良好健康狀態(tài)。

由以上可知，四個季節(jié)第一模態(tài)的方差貢獻率都較高，因此所對應的時間系數都大于0。特征向量所對應的時間系數反應了當前模態(tài)隨時間的權重變化，數值越大說明當前模態(tài)在所對應的年份發(fā)生此模態(tài)的強度越大。總體來看，在四個季節(jié)所對應的第一模態(tài)的空間特征分布中春季和夏季較于秋季和冬季出現概率越大，空間特征表現力較強。春季、夏季和冬季第一模態(tài)所對應的時間系數，隨著時間呈現逐漸上升的趨勢，說明這三個季節(jié)第一模態(tài)的空間分布特征隨著時間變化越來越明顯，發(fā)生的概率越來越大。秋季所對應的時間系數各年份之間存在較大差異性，且呈現逐漸下降的趨勢；說明1982—2018期間河南省秋季植被干旱空間分布特征總體符合第一模態(tài)，各年份之間的空間分布特征差異較大、波動性較大，且秋季對應第一模態(tài)空間分布特征存在逐漸減弱趨勢。具體各年份所對應的第一模態(tài)的發(fā)生概率相對大小見圖7。

圖7 河南省1982—2018年VHI的EOF分析第一模態(tài)時間系數Figure 7 The time coefficient on first modal of EOF analysis on VHI in Henan Province from 1982 to 2018

4 結論與討論

本研究利用GEE平臺，結合VHI和EOF時空分析模型刻畫了1982—2018年河南省植被干旱時空變化特征以及植被健康狀態(tài)等級，主要結論如下：

(1)在1982—2018年期間，河南省春季干旱、夏季干旱趨勢逐漸減弱，即春季干旱和夏季干旱發(fā)生頻率逐漸減少，并且河南省植被健康狀態(tài)在春季、夏季呈現逐漸轉好趨勢。在1982—2018年夏季期間，豫東、豫西、豫南和豫北四個地區(qū)中，旱情發(fā)生最多的是豫南地區(qū)，旱情發(fā)生最少的是豫東地區(qū)。

(2)雖然河南省植被健康狀態(tài)在1982—2018年期間是逐漸轉好的，但河南省超過64%的地區(qū)植被生長受到抑制，尤其是城區(qū)較為嚴重。較為明顯的地區(qū)為河南省中部、東部城市。

(3)在1982—2018年期間，河南省干旱空間特征從南部、西南部逐漸向中部、東部、北部擴散；四個季節(jié)干旱空間分布特征第一模態(tài)方差貢獻率超過95%，空間分布特征極其具有代表性。此外，第一模態(tài)空間分布特征在春季、夏季和冬季的表現力逐漸增強，在秋季的表現能力逐漸減弱。

眾多學者利用氣象站點降水數據研究河南省干旱，但本文基于GEE平臺使利用VHI指數從大尺度、長時序監(jiān)測干旱成為可能，從而提高河南省植被干旱分布的空間分辨率和時間跨度。此外，本文將經典的EOF時空模型應用于遙感數據分析，根據長時序的監(jiān)測結果能夠更好的突出1982—2018年期間河南省植被干旱的空間分布特征。但是，如要更好地研究河南省植被健康等級變化仍需考慮更多因素，例如：光照、水分、氣候、濕度等。因此，在未來研究中，應當結合更多的影響因素對植被干旱及健康狀況進行相關研究。