2010—2019年三亞市NDVI時空變化特征

曹俊濤，康 雄，楊 杰，王建雄

(1.云南農業大學水利學院，云南 昆明650201； 2.云南省高校農業遙感與精準農業工程研究中心，云南 昆明650201)

0 引言

植被覆蓋變化對于全球環境變化可持續發展研究具有重要影響，人類通過土地有關的自然資源活動對地面植被覆蓋狀況改變，其對于氣候、水資源、生物多樣性和環境質量的影響不僅局限于當地，更在全球范圍內產生著微妙的變化[1-2]。歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)對于植被的變化反應十分敏感，被廣泛應用于地表植被覆蓋和植被生長狀況的研究，同時可分析天氣及氣候事件對生物圈的影響[3-5]。許婧等[6]對西雙版納2001—2015年植被覆蓋變化進行研究分析，結果表明植被分布受到氣候和生態恢復等多重影響，植被指數變化特征與當地氣候變化特點基本吻合。余文洋等[7]對河南省2000—2015年歸一化植被指數時空變化與氣候因子的空間相關性進行分析，表明河南省年平均NDVI受降水的影響比氣溫的影響要顯著。趙舒怡等[8]基于MODIS/NDVI數據和地表氣象數據分析得到華北大部分區域內夏秋兩季干旱對植被覆蓋度有顯著影響。姚武韜等[9]采用植被指數分級、地表能量分級和植被—能量關系等指標，結合雨林垂直分帶和植被分布信息，探討了1987—2016年三亞市熱帶雨林環境的時空變化特征，結果表明近30年三亞市區域內植被覆蓋比例在90%左右，并呈現整體趨高態勢。張亞杰等[10]基于海南島18個國家氣象站1960—2017年逐日氣溫和降水資料，得出海南島范圍內季節干旱發生頻次和強度等均為春季最為嚴重，冬季次之，夏、秋季較弱。王永鋒等[11]對廣西1998—2012年NDVI時空變化與降水和氣溫進行分析，得出NDVI與前2個月降水量和前1個月溫度有顯著相關，并且NDVI對降水量和溫度最大響應的滯后期分別為2～3個月和1～2個月的結論。

三亞市植被種類繁多，物種豐富，目前對于三亞的研究主要在局部區域、氣溫降水和極端天氣的影響等，對于該區域的植被覆蓋變化研究較少，并且時間較早[10-13]。因此，本文從時間維度和多因素水平上分析2010—2019年三亞市NDVI變化趨勢，從降雨量與日照時數方面對三亞市NDVI變化進行闡述，以深入了解三亞市植被動態變化及成因，為三亞市生態建設及可持續發展提供參考。

1 研究區概況

三亞市位于海南島最南部，北緯18°09′34″～18°37′27″、東經108°56′30″～109°48′28″，屬熱帶海洋性氣候區，北靠高山，南臨大海，地勢由南至北逐漸傾斜，年均氣溫25.7 ℃，年均降水量1 417.5 mm，降水量西部比東部少，有明顯的多雨季和少雨季。

2 材料與方法

2.1數據來源

采用的MODIS NDVI影像數據集來源于美國航空航天局的MODIS網站，MODIS NDVI影像數據經ENVI投影空間參考為GCS_WGS_1984，空間分辨率為500 m，時間分辨率為16 d，2010—2018年年降水量與日照時數均來源于《三亞市統計年鑒》。

2.2數據處理方法

2.2.1最大值合成法

依據MODIS數據合成時間，將該月2個16 d數據集經最大值合成作為該月的NDVI值，若該月只有1個16 d數據集則直接作為該月的NDVI值。

2.2.2Pearson相關系數

Pearson相關系數可以用來檢驗兩個變量X、Y之間相關性的強弱關系，取值范圍為[-1，1]，在此區間衡量年降水量、年日照時數與年NDVI均值的相關性大小。Pearson相關系數適用于符合正態分布的數據，因此在用其檢測相關性大小之前應先進行正態分布的測試，如式(1)所示。

(1)

當ρ=0時，說明變量X與變量Y之間無相關性；當ρ=1時，表明變量X與變量Y之間完全線性相關；0<ρ<1，表明X與Y變量之間為正相關，-1<ρ<0，表明X與Y變量之間為負相關；ρ越接近1，則相關性越強。

3 結果與分析

3.1NDVI月變化

由圖1可知，三亞市2010—2019年NDVI月平均值整體呈現先下降后上升再下降的趨勢，其中月NDVI均值最大值出現在9月，為0.77。4月NDVI均值最小，為0.662 4。4—9月NDVI均值逐月上升，9月—次年4月NDVI均值逐月下降。

植物在生長過程中對于水分的需求是不可或缺的，三亞處于熱帶季風海洋性氣候區，有明顯的多雨和少雨季節，每年的5—10月為多雨季節，總降水量可達1 500 mm左右，占全年總降水量的70%～90%，NDVI月均值變化范圍在0.701 3～0.744 4。每年11月—次年4月為少雨季節，僅占全年降水量的10%～30%，少雨季節時干旱常常發生，NDVI月均值變化范圍在0.662 4～0.752 6，月NDVI均值的時間變化趨勢與降雨趨勢基本完全匹配。由圖2可知，雨季時的NDVI均值相較于旱季時期有明顯增大，且集中于三亞市中部區域，這一現象是由于三亞市北部為隆起的山脈，植被覆蓋量大且多為闊葉林區，對于水分的保持能力較強，中西部區域多為草原與農用地，對于水分的保持能力相對較弱，因此旱季時草原地區的NDVI比雨季時的NDVI有減少。城市居民區的植被覆蓋量較少，雨季和旱季時的NDVI無明顯變化。受降雨、溫度和光照等綜合影響，三亞市NDVI值先減小后增大再減小，1—2月，三亞市溫度最低，且多干旱少雨，植物生長受限，因此NDVI值呈下降趨勢。3月起，溫度逐漸升高，日照時數增加，但降水仍不充沛，NDVI值仍然下降，但減小速率變低。5月起三亞市進入雨季，范圍內降雨逐漸增多，植被生長所需水分充足，與此同時溫度逐漸升高，光合作用增強，植物生長環境適宜，因此NDVI值持續增加，9月NDVI值達到最大值。10月起隨著日照時數逐漸縮短，氣溫逐漸降低，植物生長受限，加之11月起三亞市進入旱季，降雨減少，且多有干旱，因此NDVI值呈現下降態勢。

3.2NDVI值年變化

由圖3可知，三亞市2010—2019年年平均NDVI值為0.721 9，最小值出現在2014年，為0.695 9，最大值出現在2017年，為0.736 8，總體呈現上升的 趨勢，每年上升0.002 4。其中2010—2013年NDVI值逐漸增大，2013—2014年NDVI均值出現較大波動，NDVI均值從0.726 9減小至0.696 5，減少了0.030 4，2014—2017年NDVI呈增長趨勢，由0.696 5增大至0.736 8，增大了0.040 3。2017—2019年NDVI值呈降低趨勢。三亞市年NDVI值雖有波動，但整體NDVI值仍處于較高水平，說明三亞市近10年植物生長狀況良好，當地生態環境無巨大變動。

3.3氣候因子與年均NDVI值關系

由圖4可知，2010—2018年降水量變化趨勢總體上與2010—2018年年均NDVI值變化趨勢相近，呈現先增大后減小，再增大，最后降低的趨勢。其中2014年三亞市降水量為849.6 mm，相比于多年年平均值1 417.5 mm減少了567.9 mm，更比2013年降水量1 930.7 mm減少了1 081.1 mm，水分對于植物生長至關重要，2014年的降水量驟減在一定程度上影響了當年植物的生長，也造成了2014年年均NDVI值相較于其他年份較少。

由圖5可知，三亞市2010—2018年日照時數均值為1 858.77 h，總體呈現先減小后增大，再減小，最后增加的趨勢，其趨勢與年NDVI值和總體呈現負相關。其中最多日照時數年2010年為2 181.3 h，日照時數最少年2014年為1 641.3 h。陽光對于植物生長必不可少，在低緯度區域帶其熱量也是十分可觀，更加大了植物的蒸騰作用，若超過一定限度，則會對植物生長產生一定的抑制作用。

經Pearson相關系數驗證，2010—2018年降水量和年日照時數與年均NDVI值相關系數分別為0.631和-0.593。

4 結束語

通過對三亞市2010—2019年基于時間序列的MODIS NDVI影像數據處理，利用方差評價法及相關性分析，得出以下結論。

(1)時間序列分析表明，2010—2019年間三亞市NDVI整體呈現上升趨勢。植物生長特征受到溫度、降雨與季節的影響，NDVI月變化與旱季和雨季有極大相關性。

(2)三亞市NDVI年變化受降雨量和日照時數等多重影響，豐沛的降雨量可為植物提供良好的理化條件，對植物生長起促進作用，而較多的日照時數則對植物生長有直接或間接的抑制作用。

本研究綜合分析評定了2010—2019年三亞市NDVI變化趨勢及變化原因，結合降水量和日照時數深入了解了三亞市NDVI變化特征。本文僅在年際尺度上研究了三亞市NDVI與降雨量和日照時數的關系，對于月際尺度的變化分析仍需進一步研究。