郭磊, 王世東

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河南省近30年植被指數(shù)與氣象因子的相關性分析

郭磊, 王世東*

河南理工大學測繪與國土信息工程學院, 焦作 454000

GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù)因其具有半月合成及長時間序列的優(yōu)勢, 被國內外學者廣泛應用于植被指數(shù)研究。因此利用河南省1982—2013年該數(shù)據(jù)集和省內及周邊共32個氣象站點的逐月氣象數(shù)據(jù), 采用均值法、克里金插值和相關性分析等方法, 分析了河南省近30年來的植被指數(shù)與主要氣象因子(溫度、降雨量)的相關性。結果表明: (1)近30年來, 河南省年平均NDVI呈波動性上升趨勢, 其年增長率為0.002, 總體植被覆蓋增加; (2)在全球變暖的大環(huán)境下, 省內年均氣溫顯著增加, 其年平均增長率為0.038, 而降雨量則逐年減少, 其年下降率為2.151; (3)年平均NDVI與年平均溫度呈一般正相關, 兩者增減基本同步, 而與降雨量的年際變化則存在一定的滯后性, 體現(xiàn)在當年降雨增多作用于來年植被NDVI上升明顯。(4)在植被覆蓋較差的中部地區(qū), 植被NDVI與氣溫、降雨的相關性較高, 在植被覆蓋較好的東部和西部地區(qū), 其NDVI與氣溫、降雨的相關性相對較低, 該結果為土地遭破壞區(qū)域的生態(tài)恢復提供了理論參考。

歸一化植被指數(shù)(NDVI); 氣象因子; 相關性分析; 生態(tài)恢復

1 前言

近些年來, 我國受氣候變暖的影響日益劇增[1]。作為中原大地的河南省, 其植被生長變化與氣候的關系也越來越緊密。因此, 探討植被覆蓋變化與氣象因子之間的相互作用關系對植被保護、氣候變化和生態(tài)恢復等研究都有著重要的指示意義。但是, 受制于研究區(qū)面積和自然經濟條件, 傳統(tǒng)的常規(guī)觀測手段很難實現(xiàn)對大面積區(qū)域內的植被生長狀況進行觀測[2]。

遙感技術的發(fā)展實現(xiàn)了對某一地區(qū)的植被覆蓋變化進行動態(tài)觀測[3]。其中, GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù)因其時間跨度長、覆蓋范圍廣, 被越來越多的應用于植被與氣候變化研究。

NDVI(歸一化植被指數(shù))是表示植被生長狀況的系數(shù)[4], 是反映植被動態(tài)變化的有效指標[5]。學者們對NDVI與氣象因子的研究已取得顯著成果。例如, 在全國區(qū)域, 王茜等[6]利用GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)國內NDVI的年內變化顯著, 劉可等[7]發(fā)現(xiàn)近30年來我國東部季風區(qū)的農田和森林生態(tài)系統(tǒng)的植被活動顯著增強, 而西北的荒漠生態(tài)系統(tǒng)和東北的森林生態(tài)系統(tǒng)的植被活動顯著下降; 在西北地區(qū), 劉振元等[8]對青藏高原植被進行分區(qū), 發(fā)現(xiàn)不同區(qū)影響NDVI下降的氣候因子不同, 而趙紫薇[9]發(fā)現(xiàn)青藏高原植被有改善趨勢, 同時陸晴等[10]也發(fā)現(xiàn)高原草地生長季NDVI整體有增加趨勢; 在東北地區(qū), 王彥穎[11]發(fā)現(xiàn)植被在過去32年里NDVI趨勢以負向變化為主, 郭金停等[12]卻發(fā)現(xiàn)在凍土區(qū)植被生長季平均NDVI呈顯著增加趨勢; 在西南地區(qū), 張笑鶴[13]發(fā)現(xiàn)絕大部分地區(qū)NDVI與溫度呈正相關, 與降水以負相關為主, 而鄭朝菊等[14]卻發(fā)現(xiàn)年最大植被覆蓋度(FVC)與夏季均溫和秋季降雨的相關性最好。從以上的研究中可以發(fā)現(xiàn)影響NDVI的氣候因子具有空間異質性, 在不同地區(qū), 氣候因子對NDVI的響應程度不同, 然而針對我國腹地, 特別是以河南省為主的中原地區(qū)的NDVI與氣候因子的相關性研究相對較少。

因此, 為進一步了解我國中原地區(qū)的植被覆蓋變化特征, 本文利用1982—2013年GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù)和省內及周邊共32個氣象站點的逐月氣象資料(溫度、降雨量), 分析了河南省近30年來的NDVI生長季(4—9月)和年際(1—12月)變化規(guī)律, 同時進一步對溫度和降雨與NDVI的相關性進行了分析。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù)來自美國航天局全球監(jiān)測和模型研究組(Global Inventor Modeling and Mapping Studies, GIMMS)發(fā)布的半月合成數(shù)據(jù), 經最大合成法合成所得的月數(shù)據(jù)能最大限度的減少云層和氣溶膠的影響[15], 其空間分辨率為8km, 時間跨度為1982—2013年, 且該數(shù)據(jù)已經過投影轉換、輻射定標、幾何校正等一系列處理[16]。

氣象數(shù)據(jù)下載自中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)(http: //cdc.gov.cn/home.do)。根據(jù)河南省內及周邊區(qū)域篩選出32個氣象站點得到研究區(qū)1982—2013年逐月氣象數(shù)據(jù), 包括月平均溫度、月降水量2個主要氣象因子的數(shù)據(jù)資料。

2.2 數(shù)據(jù)分析

(1) NDVI

NDVI(歸一化植被指數(shù))是一種表示植被生長狀況的系數(shù)。其多光譜遙感數(shù)據(jù)主要是近紅外和紅光波段, 計算原理是根據(jù)植被的光譜反射特征來評價地表植被覆蓋度[17]。NDVI的計算公式為:

式中:是近紅外波段的數(shù)值,是紅光波段的數(shù)值。計算得到的NDVI值在[-1, 1]之間, 當?shù)乇碛兄脖桓采w時其值為正, 且覆蓋度越高值越大; 當?shù)乇肀辉茖踊蜓┱趽鯐r其值為負; 當?shù)乇頌槁懵稁r石或土壤時其值為零。

(2) GIMMS NDVI3g

GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù)集是相對標準的數(shù)據(jù), 其通過轉化公式可以將柵格單元的灰度值轉化成NDVI真實值[18]。對圖像進行旋轉、添加投影信息(WGS-84)后, 利用河南省的邊界矢量文件裁剪得到研究區(qū)圖像, 然后創(chuàng)建掩膜文件進行掩膜處理并進行歸一化, 歸一化完成之后可以進行信息提取, 最后對圖像進行最大合成法合成, 以上過程皆由IDL編程完成。河南省1982—2013年半月數(shù)據(jù)共768景, 合成月數(shù)據(jù)384景, 再由月數(shù)據(jù)合成季度數(shù)據(jù)128景, 最終由季度數(shù)據(jù)合成年數(shù)據(jù)32景。GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù)合成方法如下:

①半月合成:

式中:表示上半月,表示下半月,表示半月NDVI值。

②月合成:

式中:表示月最大NDVI值,、表示月份。

③季度合成:

式中:表示季度最大NDVI值,表示季度,表示月份。

④年合成:

式中:表示年最大NDVI值,表示年份,表示月份。

2.3 研究方法

2.3.1 克里金插值法

為使氣象數(shù)據(jù)和植被指數(shù)能進行空間計算, 本文對溫度和降雨數(shù)據(jù)進行克里金插值, 使離散的氣象站點數(shù)據(jù)轉化為連續(xù)的柵格數(shù)據(jù)[19], 得到河南省1982—2013年的年平均溫度柵格數(shù)據(jù)和年降雨量柵格數(shù)據(jù)。

2.3.2 均值法

為反映河南省近30年來的總體植被覆蓋變化特征, 本文采用年平均植被指數(shù)和生長季平均植被指數(shù)來對河南省植被NDVI的變化進行趨勢計算, 即計算相應時間區(qū)間內所有象元NDVI的平均值。同時, 對于氣象站點數(shù)據(jù), 本文所采用的生長季和年際劃分標準分別為4—9月份和1—12月份, 將由氣象站點所得的逐月氣象數(shù)據(jù), 對溫度累加求平均得生長季平均溫度和年平均溫度, 對降雨量累加除氣象站點個數(shù)得生長季降雨量和年降雨量。

2.3.3 相關性分析法

相關性分析是用來研究要素與要素之間相互作用強弱的關系量[20], 本文主要采用偏相關分析和復相關分析的方法。偏相關分析是指忽略其他因素影響, 僅考慮某一種要素對另一種要素作用時產生的影響程度, 其結果以偏相關系數(shù)的形式展現(xiàn), 偏相關系數(shù)越大, 表明這種要素對另一種要素的作用效果越強, 兩者間的相關性就越大。當要素類型多于兩個時, 會遇到考慮其中多種要素同時對某一種要素作用的情況, 這時就會用到復相關分析, 同理, 復相關系數(shù)越大, 表明它們之間的相關性越高。

本文在討論溫度和降雨與植被指數(shù)之間的響應關系時, 采用偏相關分析和復相關分析的方法, 通過討論單一氣象因子對植被指數(shù)的影響和兩個氣象因子同時對植被指數(shù)影響的方法來分析氣象因子與植被指數(shù)的相關性。其計算公式如下:

(1)偏相關分析

式中:k、k表示兩個變量,r表示兩個變量之間的相關系數(shù)。假如有三個變量、、,固定求變量與變量的偏相關系數(shù), 其計算公式為:

式中:r、r、r表示變量兩兩間的相關系數(shù),r表示變量、間的偏相關系數(shù)。

(2)復相關分析

式中:為因變量,、為自變量,r為k與、的復相關系數(shù)。

3 結果與分析

3.1 NDVI的時間變化特點

為研究河南省近30年來整體植被指數(shù)年際間的變化趨勢, 本文主要從植被生長季平均NDVI和年平均NDVI的變化特征進行分析。生長季是植被在全年里生長變化特征最明顯的時段, 分析生長季植被的NDVI可以預測該年植被的長勢, 而植被NDVI的年際變化可以反映出全年植被覆蓋的增減。如圖2所示, 近30年來河南省植被NDVI逐生長季變化顯著, 變化范圍在0.656—0.780之間, 其增長率為0.002, 在2011年達到峰值0.780。NDVI的逐年變化特性也呈現(xiàn)出波動性上升趨勢, 其年增長率為0.002, 變化范圍在0.717—0.820之間, 總體上與生長季NDVI的變化特性一致。由生長季平均NDVI和年平均NDVI都呈波動性上升趨勢, 表明河南省近30年來總體植被覆蓋度有所增加, 植被生長狀況逐漸得到改善。

圖1 河南省省內及周邊氣象站點分布圖

圖2 河南省1982—2013年生長季平均NDVI和年平均NDVI變化趨勢圖

3.2 NDVI的空間變化特點

圖3反映了河南省1982到2013年多年平均NDVI的空間分布狀況。從圖中可以看出, 植被覆蓋最高的地區(qū)在河南省洛陽、南陽和三門峽三市交界處的伏牛山地區(qū), 其NDVI為0.859—0.952; 其次是河南省東部的大部分地區(qū), 其NDVI為0.742—0.859; 植被覆蓋較差的地區(qū)主要分布在河南省中部的鄭州市、平頂山市, 北部的濟源市、焦作市, 以及洛陽北部和南陽南部等地區(qū), 其NDVI在0.551—0.742之間。

圖3 河南省1982—2013年平均NDVI空間分布圖

3.3 河南省氣候因子的時空變化特點

河南省1982到2013年的2種主要氣候因子(溫度和降雨量)在植被生長季和年際的變化狀況分別如圖4、圖5所示。在生長季(圖4), 平均溫度上升趨勢明顯, 增長率為0.035, 降雨量逐生長季也有輕微上升, 但遠沒溫度上升明顯, 大部分年份的生長季降雨量都保持在400 mm到800 mm之間; 而在年際(圖5), 平均溫度逐年明顯上升, 年增長率為0.038, 與生長季的溫度增長率十分相近, 而年降雨量則呈下降趨勢, 年減少率為2.151, 大部分年份的年降雨量保持在600 mm到1000 mm之間。

在空間上, 對32年溫度和降雨量逐象元求平均得圖6和圖7。由圖6可以看出, 高溫地區(qū)主要集中在河南省的南部, 年平均氣溫可達15 ℃以上, 低溫地區(qū)主要集中在西部和北部的部分地區(qū), 年平均溫度在13 ℃左右, 而中部地區(qū)的年平均溫度則介于兩者之間; 由圖7可得, 河南省年降雨量由南向北逐漸減少, 南部地區(qū)年降雨量較高, 在1000 mm左右, 中部處于過渡區(qū), 在600—1000 mm之間, 而北部地區(qū)則在600 mm以下。

圖4 1982—2013年生長季溫度和降雨變化曲線

Fig. 4 1982-2013 curve of growing season temperature and rainfall

圖5 1982—2013年年際溫度和降雨變化曲線

Fig. 5 1982-2013 curve of interannual temperature and rainfall

圖6 河南省1982—2013年平均溫度空間分布圖

3.4 NDVI對氣候因子的響應

3.4.1 NDVI與溫度和降雨的年際關系

圖8和圖9是河南省1982—2013年植被NDVI分別與溫度和降水的生長季和年際變化曲線。如圖8所示, 河南省近30年來植被NDVI在生長季和年際的變化趨勢都和相應時段溫度的變化趨勢相似, 兩者在大部分年份具有相同的增減性, 但也有少部分年份不符合這一特性。這一方面說明溫度的升高確實促進了植被生長, 但另一方面也表明溫度并不是影響植被NDVI變化的唯一限制因子。由圖9可以看出, NDVI在生長季和年際間的變化趨勢與相應時段的降雨量變化存在一定的滯后性, 大部分年份NDVI隨降雨量的增加呈現(xiàn)減小趨勢, 但作用于來年植被NDVI上升明顯, 這表明植被對降水更加敏感。

3.4.2 NDVI與溫度和降雨的空間關系

一般而言, 氣候變化和人類活動是影響植被覆蓋變化的主要因子, 其中, 氣候變化更是作為驅動力, 通過改變其自身的條件從而對植被產生影響[21–22], 然而僅在時序上討論其對NDVI的作用并不能反映出植被覆蓋變化的空間差異, 在空間上對其與NDVI的相互作用進行分析能更直接的反映出它們之間的相關性。因此, 本文對1982—2013年河南省植被NDVI與年平均溫度、年降雨量進行基于象元的偏相關性分析和復相關分析。由圖10可以看出, 河南省絕大部分區(qū)域的NDVI都與年平均溫度在空間上呈現(xiàn)正相關, 且在中部地區(qū)相關性最高, 達到0.8以上, 僅在西部的三門峽、洛陽和南陽三市交界處以及北部的安陽和南部的信陽的少量區(qū)域內呈現(xiàn)出負相關; 由圖11可以看出, NDVI與年降雨量呈正相關的區(qū)域也占了河南省的大部分面積, 但要少于溫度與NDVI呈正相關的區(qū)域面積, 降雨對NDVI影響最顯著的區(qū)域主要在河南省東北部的安陽市、濮陽市、新鄉(xiāng)市以及中部的鄭州、平頂山與洛陽三市交匯之地和南陽南部的部分地區(qū), 其相關系數(shù)達0.6以上, 而在信陽市北部和駐馬店南部以及周口西北部的NDVI顯示出與降雨量成明顯負相關; 圖12是NDVI與年平均溫度和年降雨量進行復相關分析的結果圖, 從圖中可以看出在, 在河南省中部地區(qū), NDVI與溫度和降雨的復相關系數(shù)較高, 其值在0.8左右, 而在東部和西部地區(qū)的復相關系數(shù)相對較低, 其值在0.5以下。

圖7 河南省1982—2013年年均降雨量空間分布圖

圖8 生長季和年際NDVI與溫度的變化曲線

圖9 生長季和年際NDVI與降雨量的變化曲線

綜上所述, 溫度和降雨與NDVI的相關性存在空間差異。在河南省內的絕大部分地區(qū), 兩種氣象因子與NDVI都呈現(xiàn)出正相關, 且NDVI與溫度相關性要高于NDVI與降雨的相關性。同時, 通過對溫度和降雨與NDVI進行偏相關分析與復相關分析, 結果表明在河南省植被覆蓋較好的東部和西部地區(qū), 其偏相關系數(shù)和復相關系數(shù)相對較小, 而在植被覆蓋較差的中部地區(qū), 其偏相關系數(shù)和復相關系數(shù)相對較大。

4 結論與討論

本文基于GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù), 結合1982—2013年氣象數(shù)據(jù), 利用多種分析和計算方法, 研究了河南省近30年來的NDVI時空變化規(guī)律, 并探討了溫度和降雨與NDVI的相關性, 所得結論如下:

圖10 河南省平均NDVI與平均溫度偏相關系數(shù)空間分布圖

圖11 河南省平均NDVI與年均降雨量偏相關系數(shù)空間分布圖

(1) 河南省近30年來, 在植被生長季和年際, 其NDVI都以0.002的增長率不斷上升, 表明總體植被覆蓋有所增加。NDVI的空間分布存在較明顯的區(qū)域差異, 總體上呈現(xiàn)出東、西高, 中部低的分布特點。

(2) 近30年來的氣象數(shù)據(jù)表明, 省內年均溫度在以0.038的增長率逐漸升高, 而年降雨量則以每年2.151的減少率在逐漸下降。在空間上表現(xiàn)為, 河南省東南地區(qū)的氣候條件要遠遠優(yōu)于中部以及西北地區(qū)。

(3) 通過對NDVI與氣象因子的相關性分析, 發(fā)現(xiàn)河南省植被NDVI變化是受這兩種氣象因子共同作用的結果。河南省大部分面積的NDVI與年平均溫度和年降雨量均呈較明顯的正相關關系, 與年平均溫度的正相關系數(shù)最高達0.811, 與年降雨量的正相關系數(shù)最高達0.673, 溫度和降雨共同對NDVI作用的復相關系數(shù)最高達0.859。可見, 河南省NDVI年際間0.002的增長率主要歸功于年平均溫度的升高, 同時降雨也促進了年平均NDVI的提升, 但其促進作用沒有溫度的促進效果大。

圖12 河南省年均NDVI與年均溫度和年均降雨量復相關系數(shù)空間分布圖

(4) 相關性分析結果表明, 在植被覆蓋較好的東部和西部地區(qū), 溫度和降雨與NDVI的復相關系數(shù)相對較低, 在0.002—0.489之間, 而在植被覆蓋較差的中部地區(qū), 其與NDVI的復相關系數(shù)相對較高, 在0.489—0.859之間。這表明, 在植被覆蓋較差區(qū)域, 溫度和降雨對植被生長起著決定性作用, 該結果為生態(tài)環(huán)境遭破壞區(qū)域的植被恢復提供了理論依據(jù)。

綜上所述, 本研究主要說明了河南省近30年來植被NDVI的時空變化特點, 闡述了其與溫度和降雨這兩種主要氣象因子的相關關系。但由于缺乏人類活動和自然災害數(shù)據(jù), 也未考慮其它氣象因子影響, 因而存在部分年份的變化規(guī)律不符現(xiàn)象。這些有待后續(xù)進一步研究, 為我國中原地區(qū)的植被恢復及生態(tài)重建提出合理建議。

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Correlation analysis of vegetation index and meteorological factors in Henan Province in the last 30 years

GUO Lei, WANG Shidong*

School of Surveying and mapping and land information engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China

GIMMS NDVI3gdata has been widely used by scholars both at home and abroad for the study of vegetation index because of its advantages of semilunar synthesis and long time series. This paper used the 1982-2013 year GIMMS NDVI3gdata set in Henan and the data of 32 meteorological stations in and around the province, andadopted many methodsabout average, Kriging interpolation, correlation analysis and so on toanalyze the correlation between the vegetation index and the main meteorological factors (temperature, rainfall) in Henan Province in the last 30 years. The results are as follows. (1) In the past 30 years, the average annual NDVI in Henan province was fluctuating upward trend, the annual growth rate of 0.002; the overall vegetation coverage increased. (2) In the environment of global warming, the annual average temperature increased significantly, with the average annual growth rate of 0.038; while the rainfall was decreasing year by year and it fell at an annual rate of 2.151. (3) The annual average NDVI was generally positively correlated with annual mean temperature change, and the annual variation of precipitation was lagging behind. (4) In the areas of poor vegetation cover, there was a high correlation between NDVI and temperature or rainfall.In the area of vegetation cover was good, the correlation between NDVI and temperature or rainfall was relatively low. The result can provide a theoretical reference for ecological restoration.

normalized vegetation index (NDVI); meteorological factors; correlation analysis; ecological restoration

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.05.014

S46

A

1008-8873(2018)05-102-11

2018-03-02;

2018-07-27

國家自然科學基金項目(41301617); 中國博士后科學基金(2016M590679); 河南省高等學校重點科研項目(17A420001); 河南省高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金(NSFRF1630); 河南理工大學創(chuàng)新性科研團隊項目(B2017-16); 河南省高?？萍紕?chuàng)新團隊支持計劃(18IRTSTHN008)資助

郭磊(1993—), 碩士生, 主要研究方向為國土資源遙感, E-mail: 1174283475@qq.com

通信作者:王世東(1978—), 副教授, 博士, 碩士生導師, 主要研究方向為國土資源信息化與遙感, 土地復墾, E-mail: wsd0908@163.com

郭磊, 王世東. 河南省近30年植被指數(shù)與氣象因子的相關性分析[J]. 生態(tài)科學, 2018, 37(5): 102-112.

GUO Lei, WANG Shidong. Correlation analysis of vegetation index and meteorological factors in Henan Province in the last 30 years[J]. Ecological Science, 2018, 37(5): 102-112.