基于AVHRR时序数据的辽宁省植被变化监测*

卫亚星王莉雯

(1.辽宁师范大学海洋经济与可持续发展研究中心，辽宁 大连 116029;

2.辽宁师范大学自然地理与空间信息科学辽宁省重点实验室，辽宁 大连 116029; 3.辽宁师范大学城市与环境学院，辽宁 大连 116029)

基于AVHRR时序数据的辽宁省植被变化监测*

卫亚星1，2，3王莉雯3

(1.辽宁师范大学海洋经济与可持续发展研究中心，辽宁 大连 116029;

2.辽宁师范大学自然地理与空间信息科学辽宁省重点实验室，辽宁 大连 116029; 3.辽宁师范大学城市与环境学院，辽宁 大连 116029)

利用NOAA(美国国家海洋和大气局)卫星上搭载的AVHRR(甚高分辨率辐射计)对地观测的时间尺度长达20年的遥感数据，研究了辽宁省植被的动态变化和空间异质性。通过分析辽宁省20年来每月NDVI(归一化植被指数)的最小值、最大值、平均值、变化系数、标准化不规则值、动态平均值等指标，揭示了辽宁省植被的时空变化模式并发现异常现象。20年的数据表明，辽宁省NDVI的最大值出现在7月或8月，植被生长季的变化系数达到6%－14%的幅度，1984－1990年间植被绿度一致向上，1991－1998年间植被绿度趋势向下，植被绿度的摆动周期存在7到8年的规律，干旱季节NDVI的峰值在1991－1999年间比1982－1990年间高出20%－25%，辽宁省植被的这种变化模式是由于近20年来气候变化所造成。

甚高分辨率辐射计;归一化植被指数;厄尔尼诺;辽宁

近年来的气候模型研究当中，国外学者曾利用卫星数据来研究厄尔尼诺南方涛动(ENSO)与植被年际间变化的关系［1］。地处渤海湾的辽宁省的植被变化与海洋大气气候条件(ENSO的扰动)有着紧密的联系。气候研究和全球气候模型认为半干旱区是最容易受气候变化影响的生态景观［2］。辽宁省的植被群系很少被研究，该地区是最容易受天气变化影响的区域。

使用NOAA系列卫星上AVHRR传感器获取的NDVI时序数据监测陆地表面植被的研究很多［3］。大部分工作用AVHRR－NDVI时序数据研究半干旱热带地区的植被动态，很少详细地研究时空模式。一些学者研究评价了非洲植被活动的季节和空间变化［4］，采用的是降水量的函数，事实上该地区的所有研究，集中在厄尔尼诺－南方涛动与植被的关系。厄尔尼诺－南方涛动事件对辽宁省植被动态的影响，定性地说，与非洲景观相似。一些基于西非NDVI长时间序列数据的研究认为，地上植被的退化是由于人为造成的土地覆盖变化和周期性发生的干旱，这种变化在几年内是可逆的，通过降水量的回升和人类对土地的影响减少而逆转退化进程［5］。一项最近在巴西东北部展开的研究成功地发现了AVHRR－NDVI数据与降水量之间的关系，通过回归分析，发现研究区内几个地方的月NDVI与气象台站观测的月平均降水量有强相关关系。在自然植被上，NDVI和当月以及前一个月的累积降水量之间存在强相关关系［6］(r=0.80)。本文以20年为一个周期揭示植被对气候变化的响应，采用了NDVI的月平均值来研究辽宁省景观的空间异质性和变化。由于缺少空间连续的高分辨率降水量数据，我们选用从卫星获得的NDVI值作为降水量替代值。这种分析利用研究区的NDVI月平均值，生成了2 292个值构成的数据集，该数据是从1982－2001年间每月的数据提取出来的。对月NDVI值用了一系列的统计分析方法处理，来研究辽宁省植被的空间和时间变化模式。

1 研究区概况

辽宁省位于中国东北地区南部，面积15万km2，海岸带长达2 100 km。辽宁地势自东北西向中南部倾斜，山地、丘陵和平原各占23%、16%、61%。在气候区划上属于温带大陆型季风气候区，森林植被类型主要为温带针阔混交林，南部属暖温带落叶阔叶林。冬冷夏暖，无霜期4－7个月，始于四月中旬前后。年降水量500－1 000mm，辽东山区1 000mm以上。夏季降水占全年60%以上。

2 数据和方法

由于高分辨率的完整的时空信息对描述辽宁省景观的空间异质性和时相动态很重要，本文以NDVI数据集作为植被绿度的替代指标［7］。采用了NOAA系列卫星获得的NDVI产品，因为它有较高的时间分辨率和完整的空间记录，20年的数据记录可以反映时空变化。很多研究已经证明NDVI的月记录可以被用作月平均降水量的替代指标。绿色植被对可见光(红光)和近红外光的反射和吸收不同，从卫星获得的NDVI指数是基于电磁波谱的红光(低反射)和近红外(高反射)部分。NDVI是近红外和红光光谱反射的标准化比率(近红外—红光)/(近红外+红光)，并且与地上净初级生产力的大小和季节性紧密相关。它也和植被的生物物理参数存在强烈的相关关系，包括叶面积指数，绿叶生物量，叶子的光合作用活动情况。没有处理过的NDVI值是带小数的实数，范围在－1到+1之间，在定义土地覆盖类型时，它通常被限制到+0.1(沙漠)到+0.8(浓密的热带雨林)之间［8］。

我们提取了辽宁全省的2292个象元1982－2001年间(240个月)每年每月的NDVI值(见图1)，没有做空间内插和地形特征校正。整个辽宁省的NDVI时序数据被输入到一个2292行(空间)240列(时间)的矩阵，便于进行时间和空间的统计分析。通过计算出2292个点20年间每个月NDVI值的最小值、平均值、最大值、变化系数(CV)，进行时间分析。每个月的四个统计参数确定以后，求出所有像元每个月统计参数的空间平均值。这些值可以按12个月绘制在笛卡儿坐标系里面，生成四条时间统计曲线。提取和绘制NDVI极端值和变化系数的目的是研究辽宁省陆地生态系统对降水量大变动的反应，因为NDVI平均值对这种变动的反应不明显。

变化系数被用于反映NDVI相对于月平均值的变化，标准化的NDVI值(Z分)被用于消除季节信号，确定NDVI相对于月平均值的偏差。NDVI的月变化由以下公式计算:

上式表示了NDVI的Z分，空间(x=经度，y=纬度)，时间(i=月份，j=年份)，NDVI(x，y)i，j代表2292个点某年某月NDVI的空间平均值，mean NDVI(x，y)i，j代表12000个点从1982年到2001年某月NDVI的空间平均值，S.D.NDVI(x，y)i，j指某年某月2292个点的平均NDVI值的空间标准偏差。从月平均值算出的标准化NDVI值可以反映月值，该值与地面植被条件的湿润或干旱程度有关。所以，当NDVI为负值时，表示低于正常植被条件，表明干旱，当NDVI为正值时，表示高于正常植被条件，表明湿润。虽然这里考虑的是20年的时间，对于反映长期的平均条件(30年)来说不是足够长，但是在某种程度上值得关注。另外，由于采用了36个月的动态平均，起到了平滑标准化NDVI值(Z分)的月值的作用，这会在一定程度上降低辽宁省年际间的差异。动态平均是指简单平均36个月的值，即从1982年1月到1984年12月求平均，作为第1个月的平均值，然后，从1982年2月到1985年1月求平均，作为第2个月的平均值，以此类推。我们选择了很多学者广泛采用的36个月的长度，作为计算动态平均的时间跨度。

图1 概念框架的图示

为了评价以月为时间尺度的NDVI的空间变化模式，做了整个辽宁省从北到南，NDVI值随纬度变化的空间比较研究。这种分析的目的是可视化地评价以前的天气条件对辽宁省陆地表面植被变化的累积影响。由于在我们选择的研究年份(1982－2001)ENSO事件的频率和强度不同，我们将研究年份分为两个9年时期，即1982－1990和1991－1999。在这两个时期不寻常的厄尔尼诺活动很显著，特别是1991－1999年间气候很反常的热。1991年开始的厄尔尼诺几乎持续到了1995年，并在1997年重新出现，打破了历史纪录。而且，为了所作比较的时间尺度一致，同样选择了80年代的9年。为了达到这个目的，我们的分析是通过检查散点图表示的函数关系进行的，散点图是以辽宁省的纬度为x轴，分别以NDVI平均值和CV值为y轴做出来的。通过分析各个散点图可以看出NDVI的变化模式，以及在80年代(1982－1990)和90年代(1991－1999)所有9月份的NDVI变化情况，选择9月份是为了反映出生长期的结束。然后做了NDVI的统计分析，研究两个不同时期辽宁省从北到南横断面上是否存在显著差异。

3 结果和讨论

图2是沿着辽宁省的纬度方向横断面，比较平均NDVI

图2 1982－1990(a)年间和1991－1999 (b)年间干旱季节峰值(9月)沿着辽宁省纬度方向横断面平均NDVI值的空间分布比较

在1982－1990年间和1991－1999年间最干旱季节(9月)的空间分布。两个时期平均NDVI分布的形状差异，是由于1991－1999年间超长的干旱给研究区的植被所产生的累积效应。1982－1990年间也经历了干旱，这是由于1982－1983年间严重的厄尔尼诺的结果，1991－1999年间NDVI值的减少程度比1982－1990年间严重得多。1982－1990年间NDVI值的变化呈线性分布，而1991－1999年间NDVI值的空间分布不平滑呈sigma分布。特别是1991－1999年间，在7到10度之间NDVI值突然减少。突然减少发生的区域主要受ENSO状态的影响。在厄尔尼诺的不同阶段，降水和SST指数之间存在显著的关系，导致了降水量的减少。这意味着1991－1999年间NDVI值下降是由于干旱年份的频率和强度对研究区域陆地表面植被的影响造成的。

图3 沿着辽宁省纬度方向横断面1982－1990 (a)年间和1991－1999(b)年间干旱季节峰值(9月)时平均CV值的空间分布比较

图3和图2很相似，该图表示了1982－1990年间和1991－1999年间平均CV模式之间的差异，比较的不是平均NDVI值。通过对这两个时期平均CV值的可视化比较，表明从一个时期到另一个时期CV分布的一般形状没有显著改变，沿着1991－1999年间的横断面平均CV值略有增加。1991－1999年间的特征是，在4－8度区域较高的NDVI值沿着横断面明显向北移动，该区域气候对土地覆盖的影响最大，1982－1990年间的特征是较高的NDVI值朝12－16度区域明显南移。这些偏差表明1991－1999年间研究区域的植被状态的改变与天气变化和人类的活动有关系。

4 结论

从20年的AVHRR数据中，发现NDVI在春季开始缓慢上升，在夏季快速增加，7－8月达到最大值，秋季开始缓慢下降，冬季下降到最小值。辽宁省月平均NDVI的最大值和最小值之间的差异是0.18，植被生长期最高的平均CV值出现在最干旱的5月(10%)，最低的平均CV值出现在最湿润的8月(6%)，NDVI的波动幅度在干旱季节最大。36个月的动态平均值表明，辽宁省植被绿度在1982－1986年间呈下降趋势，在1993－1998年间呈上升趋势，这种变化周期是对气候长期极端干旱的反应。沿着辽宁省横断面，在干旱季节NDVI的空间变化程度较高，平均NDVI变化的相对比例在1991－1999年间比1982－1990年间高20%－25%。20年的NDVI分析结果表明，过去20年的植被绿度的上升和下降趋势，可能是由于极端气候造成，是该地区对海洋表面温度异常所做出的反应，20世纪90年代的下降趋势主要与ENSO的扰动造成的干旱期延长有关。与20世纪90年代相反，20世纪80年代向上的趋势与丰水期和干旱期的振荡有关，NDVI的异常反应出了这个趋势。这些结果也可以从1991年前与1991年后辽宁省横断面土地覆盖偏差的鲜明对照得到解释，20世纪90年代比20世纪80年代增加了20%－25%，导致NDVI值减少。

(编辑:田红)

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AbstractIn this paper，we used Normalized Difference Vegetation Index(NDVI)data derived from NOAA AVHRR sensor to analyze spatial heterogeneity and temporal dynamics of Liaoning Province during the past two decades.Various statistical analyses including minimum，mean and maximum values，coefficient of variation，standardized anomalies，and running mean were used to research spatial and temporal variations of vegetation of monthly NDVI values.In Liaoning Province，we found the strong seasonal oscillations during plants growing period，the maximum value of NDVI appeared in July-August，and seasonal variation ranged from 6%to 14%.Vegetation greenness kept upward trend from 1984 to 1990，but appeared downward trend from 1991 to 1998.Vegetation greenness followed an inter-annual oscillation period of 7－8 years.The NDVI peak were 20%－25%higher in 1991－1999 than in 1982－1990 in dry season across Liaoning Province.Patterns of vegetation variability in Liaoning Province were caused by enhanced climate change occurring over the last twenty years.

Key wordsAVHRR;NDVI;EI Nino;Liaoning Province

Study on Vegetation Variations over Liaoning Province Based on AVHRR Time Series Data

WEI Ya-xing1，2，3WANG Li-wen1，3
(1.Center for Marine Economic and Sustainable Development，Liaoning Normal University，Dalian Liaoning 116029，China; 2.Liaoning Key Laboratory of Physical Geography and Geomatics，Liaoning Normal University，Dalian Liaoning 116029，China; 3.College of Urban and Environmental Science，Liaoning Normal University，Dalian Liaoning 116029，China)

X144

A

1002－2104(2010)05专－0132－04

2010-05-24

卫亚星，副教授，博士后，主要研究方向为遥感和GIS的应用。

*教育部人文社会科学重点研究基地项目(编号:08JJD790142);辽宁省教育厅人文社会科学研究项目(编号:2007T095)。