基于MODIS数据的伊犁河谷植被指数变化及其对气候的响应

陈爱京，肖继东，曹孟磊

(新疆维吾尔自治区气候中心，新疆 乌鲁木齐 830002)



基于MODIS数据的伊犁河谷植被指数变化及其对气候的响应

陈爱京，肖继东，曹孟磊

(新疆维吾尔自治区气候中心，新疆 乌鲁木齐 830002)

利用2006-2014年主要生长季(5-9月)的MODIS遥感数据，分析了2006-2014年的年平均NDVI和生长季月NDVI变化规律。同时，收集整理同期伊犁河谷地区的气温与降水资料，并对NDVI与当月、2个月滑动、3个月滑动和5个月滑动的平均气温、降水值进行了相关性分析。结果表明，NDVI与气温、降水都存在一定的相关性，NDVI受当月平均气温的影响最大；NDVI与当月降水和滑动平均降水的相关性都很好，但3个月滑动平均降水对NDVI的影响最大，并且通过了0.01的极显著性检验。

NDVI；MODIS数据；气候因子；伊犁河谷

植被是连接土壤、大气和水分的自然“纽带”，是陆地生态系统的重要组成部分[1]，对气候系统变化有着深远的影响，是影响生态变化的主要驱动因子[2]。植被变化主要是地球内部(土壤母质、土壤类型等)及外部(气温、降水等)综合作用的结果，所以在全球变化研究中充当着“指示器”[3]。气候是决定地球上植被类型及其分布的最主要因素，两者之间存在密不可分的联系，揭示植被与气候之间的关系是正确认识植被分布的前提和基础[4]。研究植被变化与气候因子(降水、气温)的关系可以在一定程度上了解当地生态环境与气候因子之间的关系，有利于开展生态环境动态变化的遥感研究。

目前，针对植被与气候因子的相互关系开展了较多研究。气温和降水被认为是影响江苏省NDVI的主要因素[5]；日照时间、降水和浅层地温是影响巴音布鲁克草原植被生长最主要的因素[6]；黄河三角洲当月NDVI对气温的响应较强，而降雨则对滞后1个月的NDVI的影响较大[7]；内蒙古自治区锡林郭勒草原NDVI主要受降水影响，相关系数高达0.83[8]； 4月的气温可能以积温的形式影响西藏怒江河谷流域牧草返青，而5、6、7月的气温影响牧草生长，这对草地放牧有一定的指导意义[9]。从上述研究可以看出，NDVI与气候因子有明显的相关性，但不同的区域相关性差别很大。

近年来，随着遥感技术的发展，多时相遥感数据为大面积植被覆盖变化的监测提供了技术支撑[10]。遥感技术获取的遥感影像具有多空间分辨率、多光谱分辨率等特点[11]，广泛应用于全球尺度和区域性植被覆盖变化的监测。MODIS的数据产品进行大气校正去除了云的影响，在空间分辨率和数据质量方面都有显著优势[12]。分辨率为250 m的第1波段(0.62-0.67 μm)、第2波段(0.841-0.876 μm)对植被比较敏感[13]，因此，中分辨率成像光谱仪MODIS卫星NDVI数据产品在地学综合研究中被广泛应用[14]。

伊犁河谷地区位于新疆西北部，气候温和湿润，是新疆最大的绿洲，也是新疆重要的农牧业生产基地。但是关于伊犁河谷地区植被变化情况及其与气候响应的研究较少[15-17]。因此，本研究利用2006-2014年主要生长季(5-9月)MODIS数据，采用最大合成法(MVC)合成月NDVI，分析NDVI的变化规律；同时，结合伊犁河谷地区的气温、降水资料，分析伊犁河谷地区植被变化情况与主要气候因子(温度、降水)的关系，揭示气候变化对该区域植被变化的影响，以期为该地区生态环境的恢复和持续利用提供科学依据。

1　研究区概况

伊犁河谷地处欧亚大陆中心，新疆天山最西部，位于42°14′16″-44°50′30″ N，80°09′42″-84°56′50″ E，河谷东西长360 km、南北最宽处275 km，面积5.53×104km2。行政区范围包括八县一市：伊宁市、伊宁县、霍城县、察布查尔锡伯自治县、尼勒克县、新源县、特克斯县、巩留县和昭苏县。伊犁地区三面环山，只有西面敞开，因此，西来的湿润气流可以直入伊犁河谷地，形成较多降水，是中亚干旱区的降水中心。其平原地区属于大陆性中温带干旱气候，山区属于高山气候[18]。“山谷-盆地-河谷平原”的独特地形地貌使得伊犁河谷降水充沛，年均降水量为200～800 mm，年均气温为2.9～9.1 ℃，年均日照时数为2 700～3 000 h[19]。

2　数据来源与处理

2.1MODIS数据处理

本研究所用MODIS遥感数据是由新疆维吾尔自治区气象局接收的时间序列为2006-2014年主要生长季(5-9月)、空间分辨率为250 m×250 m EOS/MODIS的上午星Terra13-14点的轨道数据，每月3旬的晴空图像，通过预处理和局地投影，得到分辨率和大小一样的图像。采用3S技术，对所有数据进行最大合成法(MVC)合成，得到每月的NDVI值，该处理的目的是为了减少大气的云、颗粒、阴影、视角以及太阳高度角的影响[20]。如果在一旬中没有晴空资料，就采用多天合成计算植被指数，用MVC 方法选择最佳像元。MVC计算公式为：

NDVIi=Max(NDVIj).

式中：i为年份；j为第i年的1，2，3，…，12月；NDVIi为第i年每个栅格的最大NDVI值。

2.2气象资料处理

将收集来的气象数据进行处理，考虑到后续讨论中的植被变化对气候变化存在滞后性，分别计算伊犁河谷地区9个气象台站2006-2014年主要生长季(5-9月)平均气温、平均降水量观测值的当月、2个月滑动平均值、3个月滑动平均值和5个月滑动平均值。

通过计算提取研究区9年主要生长季内的平均NDVI值，并结合2006-2014年同期的气温、降水资料，进行NDVI值与气候因子的相关性分析。

3　结果与分析

3.1NDVI变化特征分析

3.1.1NDVI年际变化特征分析对伊犁河谷地区主要生长季(5-9月)NDVI取平均值，得到伊犁河谷地区年NDVI值(图1)。2006-2014年，伊犁河谷地区的年NDVI值呈波动变化。NDVI值介于0.429～0.515，表明NDVI值比较稳定，变化不是很大。

图1　2006-2014年年NDVI值变化

3.1.2NDVI生长季变化特征分析2006-2014年的主要生长季(5-9月)内各月NDVI变化趋势大体一致，即从5月开始逐渐上升，7月份达到最大，然后又开始下降(图2)。2006年6月的NDVI值为0.423，比其它年份同期的低，其余年份6月NDVI值在0.488～0.558，2012年8月的NDVI达到0.522，为年内最大值，其余月份趋势基本一致，没有明显的差异。

3.2NDVI与气候因子的相关性分析

气候因子是影响植被生长状况的重要因子，本研究主要分析气温和降水对植被NDVI的影响。考虑到地表植被对气候因子的响应普遍存在滞后性，本研究不仅分析了当月的气候因子与NDVI平均值之间的关系，而且还分析了2个月滑动平均、3个月滑动平均和5个月滑动平均与当月NDVI的相关性。

3.2.1NDVI与气温的相关性分析NDVI变化受当月气温的变化影响最大，二者的变化趋势基本同步(图3)。随着气温的逐渐上升，NDVI也呈上升的趋势，随着气温的逐渐下降，NDVI也呈下降的趋势，温度在6、7、8月达到高值，NDVI也在每年的6、7、8月达到高值。但是，NDVI与2个月滑动平均(图4)、3个月滑动平均(图5)和5个月滑动平均气温(图6)变化不同步。相关分析表明，NDVI与当月的平均气温相关性最好，相关系数达到0.746(P<0.01)(表1)。NDVI值与2个月滑动平均气温呈正相关，相关系数为0.17(P>0.05)(表1)。NDVI值与3、5个月的滑动平均气温均呈负相关且不显著，所以当月气温对NDVI值具有决定性的影响，随着气温的变化NDVI值发生明显的变化。

图2　2006-2014年月NDVI值变化曲线

3.2.2NDVI与降水的相关性分析NDVI与当月(图7)、2个月滑动(图8)、3个月滑动(图9)、5个月滑动的平均降水均呈同步变化(图10)，其中与当月平均降水的相关系数达0.315(P<0.05)(表1)，与2个月滑动平均降水的相关系数达0.380(P<0.05)，与3个月滑动平均降水的相关系数达0.532(P<0.01)，与5个月的滑动平均降水的相关系数达0.372(P<0.05)。可以看出，NDVI受降水量的影响显著，其中NDVI受3个月滑动平均降水的影响最大。

图3　2006-2014年5-9月月NDVI与当月平均气温的相关性

图4　2006-2014年5-9月月NDVI与2个月滑动平均气温的相关性

图5　2006-2014年5-9月月NDVI与3个月滑动平均气温的相关性

图6　2006-2014年5-9月月NDVI与5个月滑动平均气温的相关性

气候因子Climatefactor气温Temperature降水量Precipitation当月平均Averageofthesamemonth0.746**0.315*2个月滑动平均Theslidingaverageoftwomonths0.1700.380*3个月滑动平均Theslidingaverageofthreemonths-0.0610.532**5个月滑动平均Theslidingaverageoffivemonths-0.2450.372*

注：**极显著相关(P<0.01)，*显著相关(P<0.05)。Note: ** and * mean significant correlation at 0.01 and 0.05 level, respectively.

图7　2006-2014年5-9月月NDVI与当月平均降水量的相关性

图8　2006-2014年5-9月月NDVI与2个月滑动平均降水量的相关性

图9　2006-2014年5-9月月NDVI与3个月滑动平均降水量的相关性

4　结论

伊犁河谷地区是一个生态脆弱带，干湿波动对伊犁河谷地区生态环境的变化影响极大，掌握植被变化的规律，对于该地区生态保护，制定减灾、防灾对策，资源的合理利用和开发，指导农牧业生产，实现人与自然和谐发展具有重要现实意义。本研究分析了2006-2014年主要生长季(5-9月)NDVI的变化趋势，从年际尺度看，NDVI变化相对稳定；从季节尺度看，年内NDVI值表现出从5月开始上升，7月份达到最高点，然后开始慢慢下降的趋势，年内周期变化趋势相似，但变化幅度会有不同，2006年6月的NDVI值明显小于其它年份同期的NDVI值。从NDVI与当月气候因子的影响关系来看，当月的气温和降水都对NDVI有较大的影响，当月平均气温对NDVI的影响最显著，其次是当月平均降水；从气候因子对NDVI的滞后性影响分析可以看出，降水对NDVI的影响比较明显，尤其是3个月滑动降水对NDVI的影响最大最明显，即降水量越大，植被长势越好，滑动气温对NDVI的影响很小甚至没有影响。

图10　2006-2014年5-9月月NDVI与5个月滑动平均降水量的相关性

本研究分析2006-2014年伊犁河谷地区主要生长季的植被变化情况与主要气候因子(气温、降水)的响应研究，不仅分析了当前植被与气候因子的变化，而且还研究了植被对气候变化的时滞效应，但没有考虑不同植被类型对气候变化的影响，因此在后续的研究中需加强这方面的研究工作。

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(责任编辑武艳培)

Research on change of vegetation index and response to climate in Yili River Valley based on MODIS data

Chen Ai-jing, Xiao Ji-dong, Cao Meng-lei,

(Xinjiang Climate Center, Urumqi 830002, China)

Based on MODIS remote sensing data of the main growing season (5-9 months) from 2006 to 2014, through to the remote sensing data preprocessing, local projection, the biggest synthesis, synthesis of the Yili river valley in 2006-2014 NDVI value, analyzes the average and more years growing season NDVI change rule. At the same time, the main climatic factors of Yili River Valley were collected and analyzed. The results show that the NDVI is influenced by average temperatures during the month, the largest passed 0.01 significance test, and the relationship with sliding average temperature is very small; Average NDVI and monthly precipitation and the correlation of moving average precipitation are good, reach the significance test of 0.05 above, but 3 months moving average precipitation had the greatest influence on NDVI, and passed the extremely significance test of 0.01.

NDVI; MODIS data; climatic factor; Yili River Valley

Xiao Ji-dongE-mail：xjd_xj@126.com

10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0682

2015-12-04接受日期：2016-05-30

2015年气候变化专项“伊犁河谷地区草地植被变化对气候变化的响应”项目(CCSF201534)

陈爱京(1980-)，女，湖南蓝山人，工程师，硕士，主要从事生态环境遥感应用研究工作。E-mail:caj206@126.com

肖继东(1961-)，男，湖北丹江口人，正研级高工，硕士，主要从事生态遥感研究工作。E-mail:xjd-xj@126.com

S812.1;S162.1

A

1001-0629(2016)8-1502-07

陈爱京，肖继东，曹孟磊.基于MODIS数据的伊犁河谷植被指数变化及其对气候的响应.草业科学,2016,33(8)：1502-1508.

Chen A J,Xiao J D,Cao M L.Research on change of vegetation index and response to climate in Yili River Valley based on MODIS data.Pratacultural Science，2016,33(8)：1502-1508.