基于遥感的植被物候学方法研究

摘要植物物候现象能够直观、综合地反映环境条件季节、年际变化及陆地生态系统短期变化的特征。基于遥感监测方法的植物物候研究已成为全球气候变化研究的一个热点课题。该研究基于植物光谱特征分析的原理，分别介绍了动态阈值法、滑动平均法、求导法、曲线拟合法和主分量分析法等幾种常见的植物物候遥感监测方法，并分别从植物物候与气候关系、植物物候与净初级生产量、植物物候与城市热岛、植物物候与土地覆盖、植物物候与农作物估产等方面综述了研究植物物候的主要应用，总结出植物物候的变化常常是气候和人类二者共同影响的结果。最后针对目前研究中存在的问题，对今后研究的主要方向作出了展望。

关键词遥感；物候；NDVI；气候；人类活动

中图分类号S126文献标识码

A文章编号0517-6611（2015）05-318-02

Study on the Method of Vegetation Phenology Based on Remote Sensing

LI Na（Liangshan Meteorological Administration，Jining，Shandong 272600）

Abstract Plant phenological phenomenon can be intuitive，comprehensively reflect the environmental conditions and seasonal，interannual variability and the features of short-term changes in terrestrial ecosystems.Plant phenology research based on remote sensing monitoring method has become a hotspot in the research of the global climate change.Based on the principle of plant spectrum characteristics analysis，the dynamic threshold method，moving average method，derivative method，curve fitting method and principal component analysis method and so on were introduced，and respectively from the relationship between plant phenology and climate，plant phenology and net primary production，plant phenology and urban heat island，plant phenology and land cover，plant phenology and crop yield estimation and so on，the main application research of plant phenology were reviewed，the changes of plant phenology often is the result of climate and human influence each other.Finally aiming at the problems existing in the research，the main directions of future research were forecasted.

Key words Remote sensing monitoring； Phonological； NDVI； Climate； Human activities

作者简介李娜（1989- ），女，陕西延长人，助理工程师，从事气象研究。

收稿日期2014-12-26

物候学是研究自然界植物和动物的季节性现象同环境的周期性变化之间的相互关系的科学，植被物候研究能够认识植物自然季节现象变化规律、分析其受气候变化或人为干扰等因素的影响。传统的物候学研究方法以野外观测为基础，简单易行，但耗费大量的人力物力，周期短，覆盖面小[1]。近年来，随着遥感技术和电子计算机的飞速发展，植被物候观测手段也取得了明显的进步。利用长时间序列的卫星数据获取的地表植被物候信息，与地面实测物候资料相结合，对全球和区域尺度植物物候变化进行研究。遥感物候学成为了全球气候变化与陆地生态系统动态研究的一个前沿领域。

1遥感数据源

从1972年第一颗地球资源卫星（Landsat）发射开始，遥感数据不断增多，数据的功能和用途也在不断变化。目前可用于监测植被动态的遥感数据有NOAA-AVHRR，SPOT-VGT，MERIS，MODIS，MSS、TM和ETM+，SPOT4和SPOT5，CBERS-1/2，ASTER，RADAR，IKONOS，Quick-Bird等。根据研究的目的、方法及精度要求的不同，可选择不同的遥感数据。低空间分辨率的数据，如NOAA-AVHRR、SPOT-VGT、MODIS等，可用于区域、大洲或全球尺度的植被监测；而高空间分辨率的数据，如QuickBird、IKONOS、SPOT-5、SPIN2、IRS-1C等，则常用于小尺度土地利用与覆盖变化分析、植被制图和精细农业调控等[2]。为精确提取植物物候信息提供更准确的数据源，高光谱遥感数据将成为植物物候研究的发展趋势[3]。

2植物物候遥感监测的基本原理

目前基于遥感的植被物候监测主要侧重于确定植物物候生长季开始和结束日期，这2个物候参量与其生长季光合作用过程密切相关。基于遥感的开始日期和结束日期指的是较大尺度宏观区域地表植物物候生长季开始和结束的日期[3]。绿色植物在可见光波段蓝光波段和红光波段有2个吸收带，反射率较低，在绿光波段 0.55 μm附近有一个小的反射峰，在近红外波段0.7 μm附近，反射率上升，至1.1 μm 附近有一峰值，形成植被的独有特征，中红外波段（1.3 ～2.5 μm），由于受到绿色植物含水量的影响，吸收率大增，反射率大大下降，尤其是在水的吸收带形成低谷。由于植物波谱具有上述的基本特征，所以可以利用植被的光谱曲线确定生长季开始和结束的日期。即可以通过NDVI曲线确定植物植物从一种状态转变到另一种状态的时间，从NDVI数据获取生长季始末时间的改变。

3植物物候遥感监测的方法

3.1阈值方法

阈值方法是通过设定阈值条件来实现对植被物候的监测。动态阈值法是将NDVI增长达到当年NDVI振幅一定百分比的时刻定义为生长季的开始时间，将NDVI降低到当年NDVI振幅一定比例的时刻定义为生长季的结束时间[4]。阈值方法充分考虑了研究区NDVI多时相曲线特征，通过设定阈值条件，可将植物物候相的评估限制在合理生育期内，从而提高计算的效率和准确性，但阈值的选择本身可能会受人为主观的影响，其结果会直接影响物候评估的准确性[3]。

3.2滑动平均方法

滑动平均方法是利用实际NDVI时序曲线与其滑动平均曲线的交叉来确定植物的物候相[3]。该方法能够使对NDVI时间序列数据的计算更加准确、稳定、可靠。

3.3求导方法

求导方法主要通过求导，并结合其他方法或条件共同推算出物候信息，在一定程度上，求导方法局限于经验阈值的限制[3]。

3.4拟合方法

拟合方法主要通过植物生长模型拟合的方法来求算物候信息，在逐个处理像素时不需要设置阈值或经验限制条件，具有全球适用性。分段式Logistic函数拟合方法，即利用拟合曲线曲率变化的特点，确定NDVI时序曲线上植物各物候转换期，从而反映植物物候年内变化情况。在逐像元处理时存在误差，考虑研究区植被特点和NDVI变化特征，采用分段多项式拟合和动态阈值法来提取区域植被物候特征参数。利用多项式拟合植被生长曲线的过程是：将时间序列划分成为逐渐增加和逐渐减少的2个序列，即把平滑后的序列影像分成2部分，前一段逐渐增加，后一段逐渐减少，然后基于多项式拟合每个像元的植物生长曲线，所用拟合函数的公式为：

y（t）=at2+bt+c

式中，t为从1月1日开始算起的天数；y是时间t时的NDVI值，a、b、c为拟合系数[4]。

4植物物候的相关应用

4.1植物物候与气候变化

就气候变化而言，物候是生态系统响应的感应器，物种之间的相互作用受到由气候驱动的植物动态变化的影响，从而生态系统的组成和结构、生物多样性也将受到这种变化的影响。目前，大多数的相关研究都集中在植物物候对气候变化的响应上。我国对植物物候遥感监测机理的研究不多，主要偏重于分析植被指数与气温、降水等气候因子的时空关系，或讨论生长季季相变化对气候的响应关系。利用遥感技术，一些国外学者不仅较为准确地监测出植物物候相及其变化模式，而且还从地区、大洲、全球等空间尺度建立了植物物候对全球气候的定量响应关系。

4.2植物物候与城市热岛

植物物候与温度状况相关密切，尤其在植物生长期各阶段的初期。随着城市化进程在全球的不断加快，城市热岛效应提供了一种独特的方法来评估气候变暖对植物物候的影响。Zhang等`使用MODIS数据，选取北美东部大于10 km2面积的城市地区，研究了植物物候转换期和地表温度的城乡差别。结果表明，城市气候对植物物候的影响范围大于城市土地覆盖的边缘，且随距离呈指数形式递减；城市气候的生态足迹约是城市土地利用的2～4倍，与未受热岛影响的周边农村地区相比，城市地區植物生长季长度实际增加了约15 d[5]。

4.3植物物候与土地覆盖土地覆盖状况是区域和全球尺度气候与生态系统过程模拟的重要参数。多光谱遥感分析表明，加入植物物候变化能够提供更详细的土地覆盖信息，同时土地利用和土地覆盖的变化也会影响到植物物候的变化。我国一些学者开展了利用植物物候信息进行土地覆盖分类的研究。通过观测不同时期温度无差异的两个灌溉农业区地表植物物候特征，得出土地覆盖类型有由农用地转向杂草地的趋势，这与人类活动和社会制度变迁有关；通过比较遥感数据所反映的植物物候变化，发现大面积砍伐森林与原始农作方式是导致热带森林大面积减少和土地退化的主要原因[2]。

4.4植物物候与农作物估产

农作物产量的大尺度和高精度遥感估测，可提高农田管理水平和农作物产量预报的准确性。农作物通常经历播种、营养生长、生殖生长和成熟等物候阶段，发育期变化对农作物的产量影响明显。目前，基于遥感数据和物候学原理的农作物估产主要集中在对小麦、大麦、水稻、玉米、棉花和大豆等产量的估算[3]。利用卫星数据估算农作物的产量，最初是从小麦开始的，此后扩展到其他农作物。我国学者张明伟等利用气候数据构建了作物物候指标模型来计算熟度指数，并选择季相差别最小的两时期遥感数据，采用图像差值法估算了北京顺义地区冬小麦播种的面积变化，结果表明，物候模型与遥感数据相结合是获取农作物播种面积的最佳方法之一[6]。

5未来物候研究发展趋势

综观全球，遥感平台多样化、传感器类型不断改进以及计算机技术高速发展将成为植物物候及其变化响应机制研究的技术基础，这也将成为今后发展的必然趋势。遥感手段可以帮助获得包括植物生长季节变化在内的连续观测数据，对区域、大洲甚至全球尺度的植被动态以及超过20 年以上的年际变化进行深入研究。针对我国的季风气候和地表植被的特征，今后应加强在植物物候遥感监测方法、遥感数据源的多样性、植物物候变化对农业的影响、植物物候对快速城市化的响应机理、物候变化和全球碳循环的关系等方面的研究，从而为揭示气候和人类活动与植物物候的内在关系、促进人地协调发展提供有力的科学依据[3]。

虽然基于遥感的物候学研究在国内外都取得了很大的进步，对现代物候学的发展也起了很大的推动作用，并成为研究陆地生态系统对全球气候变化快速响应的学术前沿，但是，作为一个新的研究领域，遥感物候学在研究工作中仍存在着一些问题与不足。选择合适的数学方法和模型，融合不同空间分辨率的各种遥感数据，有利于获取更准确、更详细和更长时段的遥感物候信息。利用遥感数据划分植物物候生长季节研究的是过去植物物候的时空格局，预测未来气候变化对植物物候的影响，也将成为遥感物候学研究的一个新方向[2]。

6结语

基于遥感监测方法的植物物候研究已成为全球气候变化研究的一个热点课题。该研究通过介绍国内外多个学者利用卫星遥感数据，采用多种遥感监测方法对植物物候进行的全面具体的研究分析，总结出遥感监测在植物物候中的应用，揭示了植物物候对气候和人类活动的响应，使读者对植物物候学与遥感监测的关系有了更深刻的了解，对植物物候遥感监测的未来发展趋势也有了更清楚的认识。今后植物物候遥感研究分析工作应注意：① 植物生长季始末时间的时空分布规律；②增强植物高光谱遥感研究的力度；③着重探讨植物生理和生态特征；④重视物候科普的普及、应用、科学研究等工作，加快物候工作的进展。

参考文献

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李明，吴正方，杜海波，等.基于遥感方法的长白山地区植被物候期变化趋势研究[J].地理科学，2011，31（10）： 1242-1248.

[2] 陈效逑，王林海.遥感物候学研究进展[J].地理科学进展，2009，28（1）： 33-40.

[3] 武永峰，李茂松，宋吉青.植物物候遥感监测研究进展[J].气象与环境学报，2008，24（3）： 51-58.

[4] 何月，樊高峰，张小伟，等.近10年浙江植被物候的遥感监测及时空动态[J].中国农学通报，2012，28（16）： 117-124.

[5] ZHANG X Y，FRIEDL M A，SCHAAF C B，et al.The footprint of urban climates on vegetation phenology [J].Geophysical Research Letters，2004，31（12）：12209.

[6] 张明伟，周清波，陈仲新，等.基于物候模型的作物种植面积变化监测方法[J].农业工程学报， 2006，22（10）： 139-144.

责任编辑徐丽华责任校对李岩