基于SPOT－VGT NDVI的渾善達(dá)克沙地天然牧草時(shí)空動(dòng)態(tài)及氣溫、降水量的耦合效應(yīng)分析＊

烏蘭吐雅，高娃，吉木色，蘇布達(dá)，圖力古爾

（內(nèi)蒙古草原勘察規(guī)劃院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

渾善達(dá)克沙地處于祖國(guó)北部邊陲和京津唐地區(qū)的上風(fēng)口，生態(tài)環(huán)境脆弱，備受人們關(guān)注。研究該地區(qū)天然牧草動(dòng)態(tài)變化，及時(shí)掌握草地植被與氣溫、降水量的耦合效應(yīng)，不僅關(guān)系到草原的保護(hù)與建設(shè)，而且對(duì)牧民生產(chǎn)生活的提高以及該區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展都有很重要的戰(zhàn)略意義。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

數(shù)據(jù)下載于VEGETATION數(shù)據(jù)主要由瑞典的Kiruna地面站負(fù)責(zé)接收，由位于法國(guó)Toulouse的圖像質(zhì)量監(jiān)控中心負(fù)責(zé)圖像質(zhì)量并提供相關(guān)參數(shù)（如定標(biāo)系數(shù)），最終由位于比利時(shí)的VITO研究所的圖像處理與存檔中心負(fù)責(zé)全球VEGETATION數(shù)據(jù)存檔與用戶定單。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的系統(tǒng)誤差訂正并重采樣為經(jīng)緯網(wǎng)投影，像元分辨率lkm，像元亮度值是地物在大氣頂層的反射率。SPOT源數(shù)據(jù)的預(yù)處理包括大氣校正，輻射校正，幾何校正，生成了10d最大化合成的NDVI數(shù)據(jù)，并將－1到－0.1的值設(shè)置為－0.1，再通過(guò)公式Y(jié)DN＝（JNDVI＋0.1）／0.004轉(zhuǎn)換到0～250的YDN值。

1.2 研究區(qū)概況

渾善達(dá)克沙地又稱小騰格里沙地，研究區(qū)位于N41°41′—N44°36′，E111°30′—117°56′，地處錫林郭勒高原中部，東起大興安嶺南段分水嶺，最西可延伸到集寧—二連浩特鐵路沿線。分布區(qū)在行政區(qū)劃上屬于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟和赤峰市，主要分布在錫林郭勒盟的錫林浩特市、阿巴嘎旗、蘇尼特左旗、蘇尼特右旗、多倫縣、正藍(lán)旗、正鑲白旗、鑲黃旗、赤峰市的克什克騰旗（圖1）。

圖1 研究區(qū)范圍

渾善達(dá)克沙地是環(huán)境變化的敏感區(qū)和生態(tài)的脆弱區(qū)。平均海拔1 100—1 300m（內(nèi)蒙古植被，1985），該沙地地處半干旱的東亞季風(fēng)區(qū)，其年均溫為1.3～5.1℃，年降水量為185.2～392.1mm〔4〕，由東南向西北遞減。草原類(lèi)型渾善達(dá)克沙地草地地帶性草原有溫帶草甸草原類(lèi)、溫帶干旱草原類(lèi)、溫帶荒漠草原類(lèi)等。主要植被為貝加爾針茅（Stipa baicalensis Roshev）、羊 草 （Leymus chinensis）、大針茅 （Stipagrandis）、克氏針茅（Stipa krylovii Roshev）、 冷 蒿 （Artemisia frigida）、糙隱子草（Cleistogenes squarosa）、冰草（Agropyron cristatum）小葉錦雞兒 （Caragana microphylla）、差不嘎蒿（Artemisia hatodendron）、褐沙 蒿 （Artemisia intramongolica）、 興 安 蟲(chóng) 實(shí)（Corisperum chinganicum）、 沙 蓬 （Agriophyllum squarrosum）、沙鞭（Psammochloa villosa）、石生針茅（Stipa klemenzii）、短花針茅（Stipa breviflora）、沙生針茅（Stipaglarevsa）和無(wú)芒隱子草（Cleistogenes songorica）油 蒿 （Artemisia ordosica）、烏 柳 （Salix cheilophila）、檸條錦雞兒（Caragana korshinskii）、中間錦雞兒（Caragana intermedia）和狹葉錦雞兒（Caragana stenopylla）組成。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析方法

數(shù)據(jù)處理與分析中用了最大值合成法、均值法、回歸分析法。最大值合成法和均值法用于NDVI的處理，NDVI采用目前國(guó)際上通用的最大值合成法MVC，對(duì)旬和月的NDVI數(shù)據(jù)取最大值，進(jìn)一步消除云、大氣、太陽(yáng)高度角的干擾。為了降低特別高值和特別低值的影像，對(duì)研究區(qū)的NDVI值進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，算出均值。回歸分析法用于NDVI和降水量、氣溫?cái)?shù)據(jù)的回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 渾善達(dá)克沙地草原植被2007年旬植被指數(shù)的時(shí)間變化分析

2.1.1 返青期

根據(jù)NDVI數(shù)據(jù)看2007年3月下旬開(kāi)始反青，5月份快速生長(zhǎng)，到6月初基本全返青。NDVI平均數(shù)據(jù)從3月下旬的56.69逐漸上升到5月下旬的77.07。研究區(qū)NDVI最高值3月末開(kāi)始逐漸上升，到5月份提高很快。上旬的最高值從62.25到下旬77.02。標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)據(jù)4月下旬開(kāi)始逐漸提高。

2.1.2 生長(zhǎng)期

6、7月牧草快速生長(zhǎng)，從6月上旬NDVI平均數(shù)據(jù)81.64，到7月下旬NDVI平均數(shù)據(jù)達(dá)到93.3。這期間NDVI最高值變化不大，幾乎達(dá)到飽和狀態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)據(jù)波動(dòng)也很小，達(dá)到最高值。

2.1.3 成熟期

進(jìn)入8月上旬到9月上旬牧草進(jìn)入成熟期，NDVI平均數(shù)據(jù)1年中達(dá)到最大，NDVI平均數(shù)據(jù)達(dá)到104.98。NDVI平均值、NDVI最高值、標(biāo)準(zhǔn)偏差等數(shù)據(jù)波動(dòng)都很小。

2.1.4 枯萎期

9月份開(kāi)始進(jìn)入枯萎期，9月中旬的NDVI平均數(shù)據(jù)87.85到10月下旬下降到67.35牧草幾乎全部枯萎，這段期間NDVI最高值變化很大，從9月中旬的203下降到10月下旬的119；之后一直到第2年3月末都處于枯萎狀態(tài)，NDVI平均數(shù)據(jù)沒(méi)有太大變化，平均植被指數(shù)為42左右。NDVI最高值從114下降到81.5左右。

2.1.5 時(shí)間變化規(guī)律

圖2 NDVI值的36旬的動(dòng)態(tài)變化圖

1年當(dāng)中36個(gè)旬NDVI平均值來(lái)看，最高值出現(xiàn)在8月中旬，最低值出現(xiàn)在1月上旬。整體趨勢(shì)3月開(kāi)始逐漸提高到8月中旬達(dá)到頂峰，之后逐漸下降。NDVI旬最高值5月上旬到6月上旬提高最快，9月上旬到10月中旬快速下降，其余時(shí)間變化不大。

2.2 渾善達(dá)克沙地草原植被2007年旬植被指數(shù)的空間變化分析

2.2.1 NDVI空間變化分析

12月中旬到3月中旬，這時(shí)枯草被雪壓或被風(fēng)吹，植被指數(shù)幾乎沒(méi)有變化。植被指數(shù)從3月下旬開(kāi)始有明顯的變化，這時(shí)受到氣溫影響，積雪融化牧草枯落物出來(lái)，牧草地下部分開(kāi)始生長(zhǎng)。NDVI最早有變化的地方主要分布在研究區(qū)東部南部，克什克騰旗、正藍(lán)旗、多倫縣、正鑲白旗南部、阿巴嘎旗中部等地，之后往西北逐漸返青。4月下旬克什克騰旗柳條開(kāi)始返青，到5月下旬大部分地區(qū)都返青，其中植被指數(shù)分布規(guī)律為從東到西逐漸降低。6月上旬到8月中旬牧草長(zhǎng)勢(shì)階段，植被指數(shù)提高很快，8月中旬達(dá)到最大值。其中克什克騰旗、多倫縣、正藍(lán)旗、錫林浩特市南部、阿巴嘎旗局部地區(qū)的植被指數(shù)較高，達(dá)到135以上，植被指數(shù)最大值出現(xiàn)在克什克騰旗樺木溝，達(dá)到了237。8月中旬鑲黃旗西部、東蘇旗西北部、二連市、西蘇大部分地區(qū)植被指數(shù)低于83，東蘇、西蘇極個(gè)別地區(qū)植被指數(shù)低于63，這種地方植被蓋度、產(chǎn)量很低、甚至認(rèn)為裸地。其他地區(qū)植被指數(shù)值在83－134之間。

3月中旬

3月下旬

4月上旬

4月中旬

4月下旬

5月上旬

5月中旬

5月下旬

6月上旬

6月中旬

6月下旬

7月上旬

7月中旬

7月下旬

8月上旬

8月中旬

8月下旬

9月上旬

9月中旬

9月下旬

10月上旬

10月中旬

10月下旬

11月上旬

11月中旬

11月下旬

12月上旬

12月中旬

圖3 NDVI值3月中旬到12月中旬變化圖

2.2.2 變化規(guī)律

春天NDVI開(kāi)始變化的地方為研究區(qū)的東南方，逐漸往西北方向擴(kuò)展。夏天NDVI分布規(guī)律為東部最大，越往西越低。秋天NDVI值逐漸變低，最后還有變化的地區(qū)分布在研究區(qū)東部和中部。冬天整個(gè)研究區(qū)的NDVI值都低于62。

3 結(jié)論與討論

3.1 時(shí)間規(guī)律

天然草原牧草1年經(jīng)歷返青期、生長(zhǎng)期、成熟期、枯萎期4種時(shí)期。每個(gè)時(shí)期NDVI有不同的變化規(guī)律。

3.1.1 返青期

根據(jù)1年36個(gè)旬的NDVI平均數(shù)據(jù)來(lái)看，2007年3月下旬開(kāi)始東部地區(qū)的NDVI開(kāi)始發(fā)生變化，從3月下旬的NDVI平均值56.69逐漸上升到5月下旬的77.07。標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)據(jù)4月下旬開(kāi)始開(kāi)始逐漸提高。

3.1.2 生長(zhǎng)期

6、7月牧草快速生長(zhǎng)，從6月上旬NDVI平均數(shù)據(jù)81.64，到7月下旬NDVI平均數(shù)據(jù)達(dá)到93.3。這期間NDVI最高值變化不大，幾乎達(dá)到飽和狀態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)據(jù)波動(dòng)也很小，達(dá)到最高值。

3.1.3 成熟期

進(jìn)入8月上旬到9月上旬牧草進(jìn)入成熟期，NDVI平均數(shù)據(jù)1年中達(dá)到最大，NDVI平均數(shù)據(jù)達(dá)到104.98。NDVI平均值、NDVI最高值、標(biāo)準(zhǔn)偏差等數(shù)據(jù)波動(dòng)都很小。

3.1.4 枯萎期

9月份大部分地區(qū)開(kāi)始進(jìn)入枯萎期，9月中旬的NDVI平均數(shù)據(jù)87.85到10月下旬下降到67.35牧草幾乎全部枯萎，這段期間NDVI最高值變化很大，從9月中旬的203下降到10月下旬的119；之后一直到第2年3月末都處于枯萎狀態(tài)，NDVI平均數(shù)據(jù)沒(méi)有太大變化，平均植被指數(shù)為42左右。NDVI最高值從114下降到81.5左右。

3.1.5 時(shí)間變化規(guī)律

1年當(dāng)中36個(gè)旬NDVI平均值來(lái)看，最高值出現(xiàn)在8月中旬，最低值出現(xiàn)在1月上旬。整體趨勢(shì)3月開(kāi)始逐漸提高到8月中旬達(dá)到頂峰，之后逐漸下降。旬最高值5月上旬到6月上旬提高最快，9月上旬到10月中旬快速下降，其余時(shí)間變化不大。

3.2 空間規(guī)律

3.2.1 返青期及枯萎期

返青期植被指數(shù)最早發(fā)生變化地與枯萎期植被指數(shù)最后還有變化的地區(qū)相同，主要分布在研究區(qū)東部南部，克什克騰旗、正藍(lán)旗、多倫縣、正鑲白旗南部、阿巴嘎中部。

3.2.2 生長(zhǎng)期和成熟區(qū)

植被生長(zhǎng)旺季植被指數(shù)最高地方出現(xiàn)在克什克騰旗樺木溝，達(dá)到了237。植被指數(shù)達(dá)到135以上地區(qū)出現(xiàn)在克什克騰旗、多倫縣、正藍(lán)旗、錫林浩特市南部、阿巴嘎旗局部地區(qū)。植被指數(shù)整體規(guī)律是從東到西逐漸降低。

3.3 NDVI與氣候因子關(guān)系

首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。用了z－score標(biāo)準(zhǔn)化方法。這種方法基于原始數(shù)據(jù)的均值（mean）和標(biāo)準(zhǔn)差（standard deviation）進(jìn)行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化。將原始值x使用z－score標(biāo)準(zhǔn)化到x’。新數(shù)據(jù)＝（原數(shù)據(jù)－均值）／標(biāo)準(zhǔn)差。標(biāo)準(zhǔn)化的目的是：使得平均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為1，這樣可以使不同量綱的數(shù)據(jù)放在一個(gè)矩陣，這種叫做無(wú)量綱化處理，好處是可以將一些基數(shù)過(guò)大或者過(guò)小的序列按照一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，看起來(lái)很方便。

數(shù)據(jù)無(wú)量綱化處理主要解決數(shù)據(jù)的可比性。從圖上看降水量與氣溫?cái)?shù)據(jù)最高值都出現(xiàn)在7月，而NDVI數(shù)據(jù)最高值出現(xiàn)在8月，有滯后現(xiàn)象。標(biāo)準(zhǔn)化后的NDVI、降水量、氣溫?cái)?shù)據(jù)的1－12月的變化狀況圖。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)化的NDVI、降水量、氣溫變化圖

3.3.1 NDVI與降水量的回歸分析

NDVI（y）與降水量（x）進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)NDVI與降水量的關(guān)系符合二次曲線。y＝－0.491＋1.627x－0.500x2，R2＝0.702，p值小于0.01，若方程的檢驗(yàn)水平取a＝0.01，那么y與x的方程具有顯著性。

降水量與NDVI的擬合曲線上看，植被指數(shù)隨著降水量的提高而提高，達(dá)到一定數(shù)量后隨著降水量的提高而植被指數(shù)降低。

圖5 NDVI與降水量關(guān)系值擬合圖

3.3.2 NDVI與氣溫的回歸分析

NDVI（y）與氣溫（x）進(jìn)行回歸分析后發(fā)現(xiàn)符合線性回歸模型。y＝－0.039＋0.908x，R2＝0.819，p值小于0.01，若方程的檢驗(yàn)水平取a＝0.01，那么y與x的方程具有顯著性。

圖6 NDVI與氣溫關(guān)系值擬合圖

3.3.3 NDVI與氣溫與降水量的耦合效應(yīng)

氣溫降水量都作為變量時(shí)NDVI（Y）與氣溫（X1）降水量（X2）的關(guān)系如下：y＝－0.038＋0.872x1＋0.051x2，R2＝0.820，p值小于0.01，若方程的檢驗(yàn)水平取a＝0.01，那么y與x的方程具有顯著性。

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〔2〕陳云浩，李曉兵，史培軍 .基于遙感的NDVI與氣候關(guān)系圖式研究〔J〕.中國(guó)圖像圖形學(xué)報(bào)，2002，7（4）：332－336.

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〔5〕李志輝，羅平.SPSS for Windows統(tǒng)計(jì)分析教程〔M〕.電子工業(yè)出版社，2005.