不同高程下的NDVI變化及其與氣候因子的關系

余 琳， 姚 昆， 劉漢湖， 蒲松盛， 蔣瓊玉

(成都理工大學 國土資源部地學空間信息技術重點實驗室, 成都 610059)

不同高程下的NDVI變化及其與氣候因子的關系

余 琳， 姚 昆， 劉漢湖， 蒲松盛， 蔣瓊玉

(成都理工大學 國土資源部地學空間信息技術重點實驗室, 成都 610059)

利用2001年-2010年期間四川省MODIS NDVI月合成數據集，結合同期的氣象數據，研究不同高程下的NDVI變化，以及氣溫和降水對其的影響。成果表明：NDVI增長區域在低海拔和高海拔區均有分布，NDVI降低區域則主要分布在低海拔區；低海拔區與高海拔區NDVI年內最低值出現時間不同，且低海拔區相對高海拔區NDVI的年內變化更為曲折；降水和氣溫對不同高程的植被NDVI影響不同，同時降水對植被變化的影響較氣溫存在更為明顯的滯后性。

NDVI； 氣候因子； 不同高程； 相關性； 四川省

0 引言

植被是陸地生態系統的主體[1]，在生態系統中起著極為重要的作用，聯結著土壤、大氣和水[2]。植被指數反映地表植被覆蓋和生長情況，通過植被指數可以評價植被覆蓋 、生長狀況和生物量等[3]。其中歸一化植被指數(NDVI)較為廣泛地應用于各種研究，因為它不僅能反映植被空間分布密度，還能與一些參數建立定量關系。在NDVI計算公式 中，Rn為近紅外波段，Rr為紅外波段，取值范圍在-1.0～1.0，正值表示有植被覆蓋，且值越大植被覆蓋越好，負值則表示無植被覆蓋[3-5]。氣候作為植被活動的主要驅動力之一[6-7]，其影響著植物的生長狀態，探究氣候因子與NDVI的關系有助于揭示植被覆蓋變化對氣候變化的響應，為生態環境保護提供理論依據。目前已經有大量研究對氣候因子(主要為降水、氣溫)和NDVI的關系作了深入分析[3,5,11]，但大多主要是將二者與某個區域的整體NDVI進行相關分析，忽略了不同高程下的NDVI對氣候因子的具體響應特征，加之將四川作為研究區域進行該方向研究的文章偏少，因此筆者選取四川為研究區，將其高程劃分為5個等級，研究不同高程下NDVI對氣候因子的響應特征。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

四川省位于我國西南部，長江上游地區，介于東經97°21′～108°31′，北緯26°03′～34°19′，東西長1 075 km，南北寬921 km，面積約480 000 km2，全省地形復雜，西高東低，可大致分為川西高原和四川盆地兩部分。因受到復雜地形的影響，四川氣候類型多樣，東部盆地屬亞熱帶季風氣候，年均溫16 ℃～18 ℃，氣溫日差較小，年差較大，冬暖夏熱，無霜期230 d～340 d,雨量充沛，年降水量達1 000 mm～1 200 mm；西部高原海拔高差大，總體屬于寒溫帶氣候，冬暖夏涼,水熱不足，年均溫4 ℃～12℃，年降水量500 mm～900 mm。

1.2 數據來源

遙感數據來自中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站(http://w-ww.gscloud.cn)，選取的是2001年-2010年中國1 km植被指數(NDVI)月合成數據集，該數據集是利用TERRA星的MOD09GQ產品，經過拼接、切割、投影轉換、單位換算以及最大值合成等方法提取的。氣象數據來自地球系統科學數據共享平臺提供的2001 年-2010年中國1 km柵格年平均氣候要素數據集[8]，其數據集各要素通過建立NCEP/NCAR中國區域的再分析資料數據與植被指數、地形之間的回歸樹模型，降尺度得到，包括逐月平均氣溫數據集、降雨數據集、相對濕度數據集、風速數據集[9]，根據本文的需要選取了其中的平均氣溫數據集和降雨數據集。

1.3 數據處理與分析

氣象數據去除異常值和缺測值，利用ArcGIS10.2軟件求出相關區域的月均溫和月降水。同樣利用ArcGIS10.2對NDVI月合成數據進行最大化處理，得到最大化年NDVI數據，并求出相關區域的月NDVI和年NDVI值。此外，為得到NDVI的變化趨勢，運用ArcGIS10.2軟件的柵格計算器，計算數據集中所有像元的NDVI與時間的回歸斜率，根據回歸斜率Slope來判讀NDVI變化情況，其具體的計算公為式(1)：

(1)

為研究不同高程下的NDVI與氣候因子的相關關系，利用SPSS軟件計算NDVI與降水、氣溫之間的偏相關系數和復相關系數來進行相應的相關分析[11-14]。

2 結果和分析

2.1 不同高程的NDVI年內變化

將2001年-2010年各月NDVI值按不同高程進行平均，得到四川省不同高程的NDVI年內變化曲線圖(圖1)。通過觀察圖1可以得到，高程對NDVI值有所影響，4 000 m以下影響較小，4 000 m以上NDVI值急劇下降；不同高程的NDVI年內變化整體趨勢一致，從1月到12月NDVI都是先上升再下降，但在整體變化趨勢一致的情況下，各高程又有所差異。高程在1 000 m以下或1 000 m～2 000 m時，NDVI分別在1月和2月出現最低值，高程在2 000 m以上NDVI年內最低值則出現在3月；高程在1 000 m以下時，NDVI急劇上升有兩個階段，分別是1月～3月和5月～7月，高程在1 000 m以上時，3月～7月是NDVI急劇上升的階段；高程在2 000 m～3 000 m時，NDVI的整個年內變換較為平緩，波動不大，季節特征最不明顯；當高程在2 000 m以下時，NDVI從8月～10月開始急劇下降，并且在11月～12月期間繼續急劇下降，高程在3 000 m以上時，NDVI從7月～9月緩慢下降，從9月到11月開始急劇下降，但在11～12月期間，NDVI下降極緩。

圖1 不同高程的多年平均NDVI月變化Fig.1 Annual average monthly change of different elevation in Figure

2.2 NDVI的空間變化趨勢

圖2是利用最大化年NDVI與時間的線性回歸方程斜率(Slope)來代表2001年-2010年四川省的NDVI變化，斜率值為正代表NDVI增加，斜率值為負代表NDVI減少。根據NDVI變化趨勢斜率值并參照已有的植被指數退化劃分標準[10]，筆者將NDVI變化程度分為明顯退化區、輕度退化區、基本不變區、輕度改善區、明顯改善區(表1)。圖3是四川省地形分級。由圖2和圖3可以看出，四川地區2001年-2010年的整體NDVI呈上升趨勢，其中明顯改善區主要分布在4 000 m以上(由于明顯改善區分布范圍較小，在圖2和圖3中不能清晰顯示)，輕度改善區主要在1 000 m以下，明顯退化區則分布在1 000 m以下，輕度退化區在2 000 m以下和3 000 m～4 000 m之間都有所分布。

表1 NDVI變化情況

圖2 四川省2001年-2010年NDVI變化的空間分布Fig.2 Spatial distribution of NDVI in Sichuan province from 2001 to 2010

圖3 四川省高程分級圖Fig.3 Sichuan provincial level classification

2.3 不同高程下的NDVI變化與氣候因子的關系

為研究不同高程下的NDVI對氣候因子響應的具體特征，筆者采用SPSS軟件，針對分級得到的五個高程區間，對研究期內每月NDVI與當月、前兩個月、前三個月的氣候因子進行相關性分析(表2)。從復相關系數來看，NDVI與氣候因子的相關性隨著高程增加先降低再升高，在2 000 m～3 000 m時，相關性最低，但總體上相關性高，且均達到了顯著性水平(P<0.01)，各高程區間的NDVI與當月、前兩個月、前三個月氣溫和降水的復相關系數都依次減小，表明各高程區間的NDVI對氣候因子的響應不存在滯后。為了得到NDVI與某一氣象因子的真實相關關系，需求出NDVI分別與氣溫、降水的偏相關系數。從偏相關系數來看，五個高程區間進行對比，當高程在1 000 m～2 000 m、2 000 m～3 000 m時，NDVI與氣溫偏相關系數相對另外三個高程區間偏小，且各高程區間的NDVI與當月、前兩個月、前三個月氣溫偏相關系數逐漸減小，且隨著高程增加，NDVI與三個時期的氣溫偏相關系數差異在縮小，說明當高程在1 000 m以下或3 000 m以上時，NDVI受氣溫影響較大，高程在1 000 m～3 000 m時，NDVI受氣溫影響較小，各高程區間的NDVI變化對氣溫的響應滯后性不明顯，但高海拔區NDVI對氣溫的響應相對于低海拔區有一定的滯后；另外，當高程在1 000 m以下時，NDVI與前兩個月降水的偏相關系數最大，為0.315**，當高程在1 000 m～2 000 m時，NDVI又與前三個月降水的偏相關系數最大，為0.370**，當高程在2 000 m～3 000 m時，NDVI與降水沒有相關性，當高程在3 000 m～4 000 m之間或4 000 m以上時，NDVI都與前三個月降水的偏相關系數最大，分別為 -0.463**、-0.501**，由此說明高程在2 000 m以下，NDVI與降水呈正相關，且隨著高程增加，NDVI對降水的響應越滯后，而在2 000 m～3 000 m，NDVI與降水不相關，在3 000 m以上，則NDVI與降水呈負相關，隨著高程增加，相關性越高，對降水的響應也存在明顯的滯后性。從整體上看，NDVI與氣溫的相關指數都要比降水的高。

表2 四川地區不同高程下的NDVI與氣溫和降水的相關關系

*p<0.05 **p<0.01

3 結 論

四川地區整體植被生長呈增長趨勢，對比10年內不同等級的植被覆蓋變化趨勢面積及分布發現，明顯改善區和明顯退化區分別分布在4 000 m以上和1 000 m以下，輕度改善區和輕度退化區都主要分布在1 000 m以下，變化面積最大，這和人類活動有一定的關系。不同高程，植被年內變化存在一定差異。NDVI年內最低值，隨著高程增加其出現時間越推后；季節變化特征最不明顯的高程區間是2 000 m～3 000 m；低海拔區相對高海拔區的NDVI年內變化更為曲折。

不同高程下的NDVI與氣候因子的相關關系存在差異。其中與氣溫的相關關系， 高程在1 000 m～3 000 m時，NDVI與氣溫相關性相對偏小，但達到了顯著性水平(p<0.01)；與降水的相關關系，以2 000 m～3 000 m的高程區間為分界點，在此區間NDVI與降水沒有明顯相關性，而高程在2 000 m以下時，呈正相關，高程在3 000 m以上時，呈負相關。因此，在低海拔區，氣溫和降水同時促進植被生長，而在高海拔區，對植被起促進作用的主要是氣溫，降水反而起到抑制作用。氣溫對植被變化的影響沒有明顯的滯后性，但降水對植被變化的影響存在明顯的滯后性，且隨著高程增加，滯后性越明顯。

由于數據集時間序列較短，筆者沒有作NDVI年際變化分析。另外，忽略了人類活動對NDVI的影響，且不同高程，其影響大小差異，由此可能對研究結果產生一些影響，在今后的研究中，應考慮人類活動因素，進一步研究不同高程下的NDVI與氣候因子的相關關系。

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NDVI variation at different elevation and its relationship with climatic factors

YU Lin, YAO Kun, LIU Hanhu , PU Songsheng, JIANG Qiongyu

(Key Laboratory of Geosciences Spatial Information Technology, Ministry of land and resources of the P.R China , Chengdu University of Technology, Chengdu 610059， China)

By using a total of 120 synthetic MODIS NDVI dataset of Sichuan province from 2001 to 2010 and the same periods of meteorological data, we carried out a research on NDVI variation at different elevation, and analyzed the influence of temperature and precipitation on its. The results show that: the NDVI growth areas were located both in the lower altitude and the higher altitude regions. The NDVI lower areas was mainly located in the lower altitude regions; The annual minimum of NDVI at low and high altitude appeared in different time, and NDVI at lower elevation areas changes relatively more twists and turns to high altitude areas; precipitation and temperature had an different influence in NDVI at different elevation, while the influence of precipitation on vegetation existed relatively more obvious latency to temperature.

NDVI; climatic factors; different elevation; correlation; Sichuan province

2016-06-03 改回日期：2016-08-22

國家自然科學基金(41102225)

余琳(1990-),女,碩士,主要研究方向為3S技術與數字國土,E-mail：1196539521@qq.com。

1001-1749(2017)02-0296-05

K 930

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.02.22