歸一化植被指數(shù)對降水量變化的響應(yīng)研究

孫 倩，吉 麗，吳曉紅

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園藝學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆塔城地區(qū)托里縣林業(yè)局，新疆 托里 834500；3.新疆塔城地區(qū)托里縣老風(fēng)口林場，新疆 托里 834500)

【研究意義】歸一化植被指數(shù)(NDVI)的變化關(guān)系到全球環(huán)境和氣溫的變化，直接影響空氣質(zhì)量以及人類的生存環(huán)境?；谶b感技術(shù)對植被指數(shù)進行空間監(jiān)測是目前最先進的技術(shù)和研究手段，可以在大尺度上觀察植被動態(tài)，能夠進一步分析出植被變化的發(fā)展情況以及這種變化發(fā)生的原因等。在植被覆蓋變化研究中，NDVI能很好地反映植被覆蓋、生物量及生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)的變化[1]。NDVI與葉面積指數(shù)、植被覆蓋度以及生產(chǎn)力和生物量等性狀之間具有很好的關(guān)系[2-3]，廣泛應(yīng)用于大尺度植被活動的研究[4-5]?！厩叭搜芯窟M展】諸多國內(nèi)外學(xué)者通過不同時空分辨率和不同時序的遙感影像數(shù)據(jù)，對歸一化植被指數(shù)的動態(tài)變化特征進行了研究。從宏觀大尺度而言，分別針對北半球、非洲、北美大草原等地進行了基于NOAA/AVHRR-NDVI遙感影像數(shù)據(jù)的大尺度的植被覆蓋狀況的時空變化特征研究，獲得了良好的研究成果[6-8]。在區(qū)域尺度，以中國全國、我國南方丘陵地區(qū)、陜西省、黃河流域、新疆等地均采用MODIS NDVI數(shù)據(jù)進行了角度的分析，證明了該數(shù)據(jù)在區(qū)域尺度和流域尺度良好的適用性[9-14]。同時，也研究了全球尺度、區(qū)域尺度、流域尺度下，降水、溫度、濕度等諸多環(huán)境因子和氣象因子與NDVI之間的相互響應(yīng)和相關(guān)關(guān)系研究，不僅篩選出了對NDVI驅(qū)動性較好的氣象因子，證明降水量是對NDVI最直觀的影響因子之一，并且定量的探討了不同植被類型的NDVI對氣候因子的響應(yīng)[15-22]。 【本研究切入點】通過植被變化與降水量的關(guān)系研究，對分析植被生態(tài)系統(tǒng)在氣候變暖導(dǎo)致降水量發(fā)生變化背景下的變化響應(yīng)具有重要意義，而托里縣地處氣候變化的敏感區(qū)和生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，在歸一化植被指數(shù)與降水量變化響應(yīng)機制的研究方面具有地域上的典型性。【擬解決的關(guān)鍵問題】鑒于此，本文利用NDVI與TRMM衛(wèi)星降水量在5年間的逐月數(shù)據(jù)，分析多年間NDVI與TRMM衛(wèi)星降水量變化趨勢，探討降水對NDVI所產(chǎn)生的影響，以期為該區(qū)域植被應(yīng)對氣候變化帶來的影響提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

托里縣位于新疆維吾爾自治區(qū)西北部，準(zhǔn)噶爾盆地西側(cè)，塔額盆地東南部，與烏魯木齊市距離512 km，距塔城市123 km。地處北緯44°58′～46°24′，東經(jīng)82°28′～85°20′。地勢南高北低，呈階梯遞降，平均海拔1500 m。東西寬闊，南北狹窄，境內(nèi)屬準(zhǔn)噶爾臺地西緣折皺帶，由巴爾魯克、瑪依勒、加依爾三大平頂狀山脈組成。地處亞歐大陸地理內(nèi)心，屬溫帶大陸性半干旱氣候。冬季寒冷漫長，春季升溫快；夏季短促而涼爽，秋季降溫迅速。年平均氣溫4.3 ℃，極端最高氣溫37.9 ℃，極端最低氣溫-36.6 ℃，歷年無霜期為155 d，年均降水253 mm。

1.2 數(shù)據(jù)源

(1)歸一化植被指數(shù) NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)。NDVI是檢測植被生長狀態(tài)、植被覆蓋度和消除部分輻射誤差等的重要指標(biāo)。本研究所采用的NDVI數(shù)據(jù)為2011-2015年的MODND1M-NDVI數(shù)據(jù)集，來源于地理空間數(shù)據(jù)云，其空間分辨率為500 m，計算方法為月內(nèi)每天最大值。NDVI的計算公式為：

(1)

其中，NIR為近紅外波段的反射值，R為紅光波段的反射值。

NDVI的取值范圍為[-1，1]，負值表示地面覆蓋為云、水、雪等，對可見光高反射；0表示有巖石或裸土等，NIR和R近似相等；正值表示有植被覆蓋，且隨覆蓋度增大而增大；NDVI的局限性表現(xiàn)在用非線性拉伸的方式增強了NIR和R的反射率對比度。

(2)TRMM衛(wèi)星降水量。TRMM衛(wèi)星于1997年11月27日發(fā)射成功，2001年8月后，TRMM衛(wèi)星軌道高度提升到了403 km，所有儀器的探測范圍均有所增加。本研究所采用的TRMM衛(wèi)星降水量數(shù)據(jù)為2011-2015年的TRMM-3B4 3月數(shù)據(jù)集，空間分辨率為 0.25°×0.25°。

1.3 研究方法

(1)Slope趨勢變化計算。趨勢線分析法能模擬每個柵格的變化趨勢[23]，反映不同時期植被覆蓋變化趨勢的空間特征，本研究采用趨勢線分析模擬托里縣2011-2015年NDVI與TRMM衛(wèi)星降水量的變化趨勢，Slope計算公式如下:

(2)

式中，n為監(jiān)測年數(shù)；Aj為第j年NDVI或TRMM衛(wèi)星降水量的平均值；θslope為趨勢線的斜率，其中θslope> 0，說明NDVI或TRMM衛(wèi)星降水量在n年間的變化趨勢是增加的，反之則是減少。斜率為直線上任意兩點的重直距離與水平距離的比值，也就是回歸直線的變化率。它的優(yōu)點就是把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成趨勢圖，能更加明顯的體現(xiàn)出兩者之間的差異性。

(2)五點移動平滑。常用的平滑處理方法有平均法、樣條函數(shù)法和五點移動平滑法。其中五點移動平滑法利用多項式最小二乘逼近，來對采樣點實行平滑濾波，算法簡單，效果較好，利用五點移動平滑算法，可以將數(shù)據(jù)中的干擾成分消除，保持?jǐn)?shù)據(jù)的變化趨勢，從而增加可信度和提高精度。

(3)相關(guān)系數(shù)。對托里縣2011-2015年NDVI與TRMM衛(wèi)星降水量進行相關(guān)分析，得到5年NDVI與TRMM衛(wèi)星降水量的相關(guān)系數(shù)，采用F檢驗進行相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗。相關(guān)系數(shù)公式如下：

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 NDVI與降水量5年間的趨勢變化分析

θslope>0表示NDVI或TRMM衛(wèi)星降水量在n年間的這個區(qū)域呈現(xiàn)增加趨勢(圖1)，反之則呈現(xiàn)降低趨勢。2011-2015年，托里縣南部區(qū)域TRMM衛(wèi)星降水量與NDVI均呈現(xiàn)非常顯著的降低趨勢，而在西部區(qū)域也能呈現(xiàn)NDVI和TRMM衛(wèi)星降水量的增加趨勢，但是在北部NDVI的局部降低，降水量變化趨勢與之不同步。

5年間NDVI趨勢變化最高值為0.68，趨勢變化最低值為-0.01，整體呈現(xiàn)北部變化趨勢微弱，西部和東部曾呈現(xiàn)出良好的增加趨勢。NDVI變化趨勢最高的區(qū)域有6個自然村和1個鎮(zhèn)，分別是托里縣的旦木、阿克朔克闊臘斯、阿克朔克、庫蘭庫都克、薩爾加克、吐也賽自然村和托里鎮(zhèn)；NDVI變化趨勢顯著減少的區(qū)域有4個自然村和3個鄉(xiāng)，分別是航勒、加曼塔木、喀贊庫木、巴拉旦自然村，阿克別里斗鄉(xiāng)、多拉特鄉(xiāng)和烏雪特鄉(xiāng)。

同期TRMM衛(wèi)星降水量趨勢變化最高值為51.03，趨勢變化最低值為6.74，從北到南，變化趨勢逐步降低的分布特征?？藸柟_和托克散拜自然村降水量明顯具有增加趨勢，而托浪格巴斯陶、科克烏倫草場、加依勒瑪、阿克吐木蘇克、烏蘭布拉格和索爾托別自然村降水量均呈現(xiàn)逐步降低趨勢。

2.2 移動平滑時空分析

2011年NDVI最低值為-0.01(圖2)，表示這個區(qū)域的植被覆蓋程度很低，最高值為0.68，表示這個區(qū)域的植被覆蓋相對較好，沿著從南到北走向，植被NDVI呈現(xiàn)出逐步增加的分布特征，一直到最北面急劇減少。TRMM衛(wèi)星降水量的時空變化最低值為6.74，表明這個區(qū)域的降水較少，最高值為51.03，表示這個區(qū)域的降水較為充沛，并且與2012年NDVI的空間分布特征非常相似。2012年植被分布密集的區(qū)域有10個自然村、1個鄉(xiāng)和2個鎮(zhèn)，而3個自然村植被分布相對較為稀疏。TRMM衛(wèi)星的降水量分布特征與NDVI的分布特征和變化情況具有高度的一致性。

2013年TRMM衛(wèi)星降水量的時空變化，最低值為3.05，最高值為12.74，降水量最多的區(qū)域與次年NDVI的分布特征非常相似，均呈現(xiàn)出最北部數(shù)值較大，而隨著向南部逐步遞減的趨勢。2015年沿著從西到東走向，植被NDVI的數(shù)值呈現(xiàn)出逐步增加的態(tài)勢。與降水量的分布特征非常一致，植被分布密集的區(qū)域，降水量也相對較高。而克爾哈達、哈拉得爾和登格克自然村相對托里縣其他區(qū)域，降水量較低，且NDVI分布也較為稀疏。

2.3 NDVI與TRMM降水量隨時間的動態(tài)變化分析

計算托里縣2011-2015年的5年中NDVI與TRMM衛(wèi)星降水量數(shù)據(jù)月平均值，得到隨時間上的動態(tài)變化折線圖。旨在解讀DNVI 和TRMM降水量隨著時間推移而發(fā)生的動態(tài)變化，將TRMM衛(wèi)星降水量的月平均值單位mm/月?lián)Q算為dm/月。

5年間NDVI月平均值最大值均出現(xiàn)在每年的7-8月(圖3)，5-9月是植被的生長季節(jié)，NDVI增加趨勢明顯，NDVI從5月開始穩(wěn)步增加，6月增加迅速，7-8月達到最大值，從9月開始NDVI逐步呈現(xiàn)下降態(tài)勢，每年的1-4月和11-12月NDVI變化不大，植被覆蓋程度相對較低。托里縣TRMM衛(wèi)星降水量在同期的5年內(nèi)，降水量最高值出現(xiàn)在2015年7月，最低值出現(xiàn)在2014年1月。從2011年5月到2014年1月之間有顯著的降水量降低趨勢，而在2014年5月到2015年11月呈現(xiàn)顯著增加。

圖1 2011-2015年NDVI與TRMM衛(wèi)星降水量趨勢Fig.1 Trend of NDVI and TRMM satellite precipitation in 2011-2015

每年降水量和NDVI 的最大最小值大多時間較為同步，然而2011年中TRMM衛(wèi)星降水量月平均最高值在4月，NDVI月平均最高值在7月；2012年中TRMM衛(wèi)星降水量月平均最高值在2月，NDVI月平均最高值在7月；2013、2014、2015年中TRMM衛(wèi)星降水量月平均最高值均在8月，NDVI月平均最高值均在8月。而各年中NDVI月平均值最大值均出現(xiàn)在7-8月，TRMM衛(wèi)星降水量年最大值也相對集中在7-8月，只有2011和2012年TRMM衛(wèi)星降水量月平均值最高在4和2月。5年中隨著TRMM衛(wèi)星降水量月平均值的增加，NDVI的月平均值也隨之增加，與此同時，NDVI的增加也促使TRMM衛(wèi)星降水量的月平均值的增加。

圖2 2015年NDVI與TRMM衛(wèi)星降水量時空變化Fig.2 Temporal and spatial changes of precipitation of NDVI and TRMM satellites in 2015

圖3 2011-2015年NDVI與TRMM衛(wèi)星降水量動態(tài)變化Fig.3 Dynamic line chart of precipitation of NDVI and TRMM satellites from 2011 to 2015

2.4 相關(guān)性分析

為保證NDVI 與TRMM降水量數(shù)據(jù)在空間尺度上分辨率的統(tǒng)一性，對數(shù)據(jù)進行尺度預(yù)處理，用TRMM衛(wèi)星降水量作為基準(zhǔn)，提取出NDVI，使NDVI與TRMM衛(wèi)星降水量在地理空間上完全統(tǒng)一。利用SPSS 19.0與ArcGIS軟件，處理計算得到托里縣2011-2015年NDVI與TRMM衛(wèi)星降水量相關(guān)性圖。

在2011-2015年NDVI與TRMM衛(wèi)星降水量相關(guān)性圖的基礎(chǔ)上，選擇4個相關(guān)性具有顯著特點的區(qū)域作為進一步分析的對象(圖4)。其中，A、D區(qū)域相關(guān)性較低，B區(qū)域相關(guān)性較高，C區(qū)域相關(guān)性不顯著，在4個區(qū)域抽取數(shù)據(jù)進行分析。進一步得出每個區(qū)域NDVI與TRMM衛(wèi)星降水量春夏秋冬4個季節(jié)的具體變化(表1)。

圖4 2011-2015年NDVI與TRMM衛(wèi)星降水量相關(guān)性Fig.4 Correlation between NDVI and TRMM satellite precipitation from 2011 to 2015

相關(guān)系數(shù)的取值區(qū)間為[-1，1]。1表示2個變量完全線性相關(guān)，-1表示2個變量完全負相關(guān)，0表示2個變量不相關(guān)，數(shù)據(jù)越趨近于0表示相關(guān)關(guān)系越弱。

表1 NDVI與降水量的相關(guān)性分析

注：*指顯著相關(guān)，滿足0.05水平檢驗；**指極顯著相關(guān)，滿足0.01水平檢驗。

Note: * refers to meeting the 0.05 level test； ** refers to meeting the level of 0.01 test.

托里縣5年里NDVI與TRMM衛(wèi)星降水量相關(guān)性較為顯著。相關(guān)系數(shù)的最低值為-0.54785，表示在這個區(qū)域兩者的相關(guān)性呈負相關(guān)，呈負相關(guān)的區(qū)域面積較少，最高值為0.77622，表示在這個區(qū)域兩者的相關(guān)性成正相關(guān)，大部分區(qū)域都呈正相關(guān)。A、B、C、D區(qū)域的春夏秋冬4個季節(jié)的相關(guān)系數(shù)值均在范圍[0，1]，A區(qū)域的春季相關(guān)系數(shù)值為-0.06707，趨近于0說明相關(guān)關(guān)系越弱，忽略不計，表明NDVI與TRMM衛(wèi)星降水量之間的相關(guān)性呈正相關(guān)。B區(qū)域的春季與秋季滿足0.05水平檢驗呈顯著相關(guān)，r分別為0.51526、0.41514；C區(qū)域的春季和D區(qū)域的冬季均滿足0.01水平檢驗呈極顯著相關(guān)，r分別為0.37481、0.13745。

3 討 論

托里縣2011-2015年NDVI與TRMM衛(wèi)星降水量多年來趨勢變化具有較為顯著的規(guī)律，TRMM衛(wèi)星降水量變化趨勢增加的區(qū)域，NDVI變化趨勢也隨之增加，同樣，當(dāng)NDVI變化呈現(xiàn)增加趨勢時，也促使了TRMM衛(wèi)星降水量變化趨勢的增加。植被的明顯增強趨勢，隨著降雨量的增多對植被的生長加快具有促進作用[6]。但是在托里縣NDVI變化趨勢圖北面局部區(qū)域出現(xiàn)異常，隨著TRMM衛(wèi)星降水量變化趨勢的增加，NDVI變化趨勢反而降低，這是因為NDVI的變化不僅僅只有降水量才能影響，還有地表水、流域、地下水和其它氣候因子也對NDVI產(chǎn)生影響，降水量作為多種影響因素之一，并不能全面的解釋NDVI的動態(tài)變化趨勢。

利用五點平均移動方法，能較好地體現(xiàn)出2011-2015年每一年NDVI與TRMM降水量在空間分布特征和時間變化特征。2012年NDVI與TRMM空間分布特征一致，而2011年的降水量分布情況與次年NDVI的分布特征高度吻合。2014年NDVI的分布情況也與前一年的降水量分布情況非常相似。TRMM衛(wèi)星降水量能夠?qū)DVI產(chǎn)生影響，但不是產(chǎn)生影響的唯一因素。降水量的值與NDVI存在時間上的梯度關(guān)系，導(dǎo)致降水量越大，次年NDVI才會明顯增強。

從時間的變化角度而言，隨著TRMM衛(wèi)星降水量月平均值的增加，NDVI的月平均值也隨之增加，反之，NDVI的增加也促使TRMM衛(wèi)星降水量的月平均值的增加，植被生長除了必須的物質(zhì)以外，水分成為不可或缺的重要因子，植被的覆蓋程度對降水量變化的響應(yīng)具有時間上的滯后性。2011和2012年，TRMM衛(wèi)星降水量的月平均值最高的月份，NDVI的月平均值沒有達到最高值，這歸因于植被覆蓋程度的逐步變化受到降水量的影響，但是鑒于影響NDVI的氣候因子非常多元，并且降水量對NDVI的影響作用在時間上有典型的滯后規(guī)律。

托里縣5年里的NDVI與TRMM衛(wèi)星降水量相關(guān)性較為顯著。相關(guān)系數(shù)的最低值為-0.54785，在D區(qū)域兩者的相關(guān)性呈負相關(guān)，在B區(qū)域兩者的相關(guān)性成正相關(guān)，隨著降水量的增加NDVI也隨之增加。然而，呈現(xiàn)正相關(guān)的面積明顯遠遠大于負相關(guān)的面積。A、B、C、D區(qū)域的春夏秋冬四個季節(jié)的相關(guān)系數(shù)值，均表明NDVI與TRMM衛(wèi)星降水量之間的相關(guān)性呈正相關(guān)。B區(qū)域的春季與秋季滿足0.05水平檢驗呈顯著正相關(guān)，對于植被稀疏的干旱區(qū)植被而言，季節(jié)的變換可能間接提高了降水利用率[24]，從而促進了植被生長，促進NDVI數(shù)值的不斷增加。A、B、C、D區(qū)域雖然出現(xiàn)少許的負相關(guān)，但是正相關(guān)的區(qū)域面積遠遠大于負相關(guān)的面積。

4 結(jié) 論

本文基于托里縣2011-2015年MODIS-NDVI與TRMM衛(wèi)星降水量的數(shù)據(jù)，分析了NDVI與降水量多年來時空變化趨勢，實現(xiàn)了降水量與NDVI數(shù)據(jù)的移動移動平滑，探討了NDVI與降水量隨時間的動態(tài)變化，并對NDVI和降水量的相關(guān)性進行了討論，得到如下結(jié)論。

(1)在托里縣內(nèi)，TRMM衛(wèi)星降水量與NDVI兩者的趨勢變化是相輔相成的。從空間分布特征角度而言，TRMM衛(wèi)星降水量對NDVI產(chǎn)生影響，但不是產(chǎn)生影響的唯一因素。

(2)從時間角度來看，隨著時間的動態(tài)變化兩者都呈現(xiàn)出波動趨勢，并且波動趨勢極為相似。降水量能對NDVI產(chǎn)生影響，但是影響作用在時間上有典型的滯后性。

(3)5年里的NDVI與TRMM衛(wèi)星降水量相關(guān)性較為顯著。NDVI與TRMM衛(wèi)星降水量之間的相關(guān)性大多呈正相關(guān)，在D區(qū)域出現(xiàn)負相關(guān)，但是正相關(guān)的區(qū)域面積遠遠大于負相關(guān)的面積。