張少宇， 鄒時(shí)林， 余弦

(1.江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局贛中地質(zhì)大隊(duì)，江西 南昌 330000；2.東華理工大學(xué) 測繪工程學(xué)院，江西 南昌 330000)

干旱作為全球分布最廣、發(fā)生頻率最高的自然氣象災(zāi)害之一，對農(nóng)業(yè)耕種、經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來巨大損失[1]。植被生長因缺水而受到影響和限制，對干旱具有非常高的敏感性，因此植被覆蓋變化已經(jīng)成為干旱監(jiān)測的基本方法之一[2]。植被健康指數(shù)反映植被所處于的健康環(huán)境狀態(tài)，通過植被健康狀態(tài)可間接反映植被的干旱狀態(tài)[3]，牟伶俐[4]利用植被健康指數(shù)(VHI)進(jìn)行了對于農(nóng)業(yè)旱情遙感監(jiān)測指標(biāo)研究。徐煥穎等[5]利用植被狀態(tài)指數(shù)(VCI)和VHI對華北平原進(jìn)行干旱監(jiān)測，同時(shí)分析了空間、季節(jié)、年度的變化規(guī)律。根據(jù)VCI和VHI可以用來監(jiān)測植被的相互活動作用，但利用VCI和VHI來進(jìn)行分析植被活動時(shí)要考慮植被的生長季節(jié)[6]。VHI對于植被活動具有非常大的相關(guān)性，由于溫度升高會對植被造成壓力，從而導(dǎo)致VHI值較低[7]。但Kogan等[8]利用基于VHI的AVHRR傳感器數(shù)據(jù)對全球2000年進(jìn)行干旱研究，并認(rèn)為VHI對于未來干旱研究具有非常大的潛力。

河南省是中國重要的糧食大省，干旱在河南省頻繁發(fā)生，對河南省農(nóng)作物產(chǎn)生極大影響[9]。李治國等[10]利用河南省災(zāi)害旱情資料分析了1950—2009年干旱災(zāi)害的變化特征及成因，郝秀平等[11]利用標(biāo)準(zhǔn)降水指數(shù)對河南省不同尺度下不同干旱等級的時(shí)間和空間分布進(jìn)行研究，認(rèn)為河南省北部易發(fā)生干旱。針對河南省的干旱研究大多基于降水站觀測數(shù)據(jù)以及地面收集數(shù)據(jù)，無法做到小尺度及長時(shí)序的干旱監(jiān)測，本研究利用長時(shí)序遙感數(shù)據(jù)，采用EOF時(shí)空模型對河南省干旱時(shí)空特征進(jìn)行研究，期望能夠更好地探索河南省的干旱趨勢以及植被健康變化。

Google Earth Engine(GEE)是一個(gè)集科學(xué)分析和地理信息數(shù)據(jù)的綜合性平臺，提供在線應(yīng)用程序接口(API)和交互式的開發(fā)環(huán)境(IDE)，包含近40年來的主要公開遙感數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、氣候數(shù)據(jù)等眾多用于地理科學(xué)研究的數(shù)據(jù)[12]。Hansen等[13]首次利用GEE平臺計(jì)算了全球2001—2012年全球森林變化數(shù)據(jù)，并保持持續(xù)更新，由此打開了GEE的科研使用的大門。Chakraborty等[14]利用簡單的城市擴(kuò)張算法從全球尺度上表征了熱島效應(yīng)和植被控制的時(shí)空變異性。由于GEE處理數(shù)據(jù)的快捷性、大尺度的適用性、巨大的應(yīng)用潛力，使得GEE成為當(dāng)今遙感科研人員必不可少的工具。本研究將基于GEE對河南省的長時(shí)序植被干旱進(jìn)行探究。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

河南省位于中國中部，東經(jīng)110°21′—116°39′，北緯31°23′—36°22′之間，國土面積16.7×104km2[15]。河南省地形呈西高東低，西北和西部為太行山、伏牛山，中部和東部主要為平原地區(qū)[16]；地處黃河中下游，古稱天地之中，為中國第一農(nóng)業(yè)大省、第一人口大省[17]。氣候溫和，冷熱交替明顯，年平均溫度12～16 ℃，年平均降水量500～900 mm，屬于北亞熱帶向暖溫帶過渡地帶，氣候區(qū)域特征明顯[18]。河南省共18個(gè)地級市，參考高延軍[19]研究以及本研究需要，將河南省劃分為豫北(安陽市、濮陽市、鶴壁市、新鄉(xiāng)市、焦作市、濟(jì)源市)，豫南(南陽市、駐馬店市、信陽市)，豫東(開封市、商丘市、周口市)，豫西(三門峽市、洛陽市、平頂山市、鄭州市、許昌市、漯河市)四個(gè)地區(qū)(如圖1所示)。

圖1 研究區(qū)域概況Figure 1 Overview of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

植被干旱研究采用美國NOAA公司研發(fā)的全球每天歸一化植被指數(shù)產(chǎn)品，空間分辨率4 km，時(shí)間分辨率1 d，主要使用數(shù)據(jù)的其NDVI波段[20]。此外，另一個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)是全球地表反射率產(chǎn)品，空間分辨率4 km，時(shí)間分辨率1 d，主要使用數(shù)據(jù)的其亮溫波段[21]；上述兩個(gè)數(shù)據(jù)通過GEE在線調(diào)用最早可用1981年6月24日，本研究時(shí)間范圍為1982年1月1日至2018年12月31日。VHI的計(jì)算使用AVHRR傳感器的日觀測數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 植被健康指數(shù)(VHI)

植被健康指數(shù)由植被狀態(tài)指數(shù)(VCI)和溫度狀態(tài)指數(shù)(TCI)組成；NDVI經(jīng)常被用作植物綠色或植物生長的代表[22]，VCI由NDVI進(jìn)行構(gòu)建。TCI由亮溫BT進(jìn)行構(gòu)建，詳細(xì)見下。

(1)

式(1)中NIR表示近紅外波段，RED表示紅波段。

(2)

VCI是一個(gè)非常重要的指數(shù)，可以用來檢測植被與濕度相關(guān)的變化，對于植被生長期旱情監(jiān)測效果較好，是旱情監(jiān)測的一個(gè)重要手段[4]。式(2)中，NDVI表示研究當(dāng)前年份的NDVI周平均值[3]，NDVImax和NDVImin分別表示長時(shí)序范圍內(nèi)各像元NDVI最大值和最小值的絕對值。

(3)

VHI=a×VCI+(1-a)×TCI

(4)

式(3)中，BT代表的是像元的亮溫，代表當(dāng)前時(shí)間范圍內(nèi)的周平均像元亮溫值；BTmax和BTmin代表長時(shí)間序列時(shí)間范圍內(nèi)的各像元BT的最大值和最小值的絕對值。式(4)中a是一個(gè)系數(shù)，代表水分和溫度對于植被健康的相關(guān)性，本文中參考Kogan等[3]的相關(guān)研究，選取a為0.5；

VHI計(jì)算結(jié)果中取值范圍為0～100，0表示較高的壓力狀態(tài)，100表示完整的植被健康狀態(tài)；40～60表示中等健康狀態(tài)，60～100較好健康狀態(tài)[23]。此外VHI等于40為植被干旱的開始，0≤VHI≤10為極其干旱、10

2.2 EOF時(shí)空模型

經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(Empirical orthogonal function,EOF)作為大氣科學(xué)研究中常用的研究某一變量的時(shí)空特征模型，被廣泛應(yīng)用于氣象、農(nóng)業(yè)、水文等研究領(lǐng)域[25]。EOF也稱為時(shí)空分解，即X=EOFi×j×PCj×i，首先對37年間河南省VHI結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行矩平處理，將其合成為矩陣Xmn

(5)

(6)

Cm×m×Vm×m=Vm×m×Em×m

(7)

(8)

式(5)中表示在第i個(gè)像元上的第j年的VHI值,式(6)中Vm×m表示為Cm×m的特征向量，式(7)、式(8)中的Em×m為特征值；每一個(gè)特征值對應(yīng)的特征向量即為EOF分解的第一模態(tài)，然后計(jì)算每一特征向量的方差貢獻(xiàn)率，方差貢獻(xiàn)率越大表明此模態(tài)的空間分布特征越強(qiáng)[26]。

(9)

式(9)中Rk表示的為第k個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率。

3 結(jié)果及分析

3.1 VHI季節(jié)性時(shí)間特征

根據(jù)中國季節(jié)性劃分，春季為3—5月、夏季為6—8月、秋季為9—11月、冬季為12—2月。在河南省1982—2018年春季期間，35%的年份VHI<40，表明植被在春季有35%的年份表現(xiàn)為干旱狀態(tài)；且發(fā)現(xiàn)河南省植被春季干旱主要發(fā)生在2000年之前，春季干旱較為嚴(yán)重的有1982、1994、2000年；同時(shí)河南省植被春季干旱呈減弱趨勢。夏季干旱狀態(tài)趨勢在37年中較為平穩(wěn)，37年中夏季植被存在21.6%的年份表現(xiàn)為干旱狀態(tài)。近幾年來，VHI值在春季和夏季都出現(xiàn)VHI>60，說明河南省植被在近幾年的春夏季達(dá)到較好的健康狀態(tài)，且出現(xiàn)逐漸上升的趨勢。在37年中，河南省植被干旱平均趨勢在秋季是逐漸加重的，51.35%的年份在秋季都屬于中等干旱，32.43%的年份在秋季屬于重度干旱；其中干旱最為嚴(yán)重的年份為2000年，屬于極其干旱；同時(shí)也是37年中最干旱的一個(gè)季節(jié)。冬季植被有43.24%的年份屬于輕度干旱，且干旱趨勢逐漸轉(zhuǎn)好(見圖2)。

此外，VHI除了能夠反映植被的干旱等級，同時(shí)也能夠反映植被的生長壓力以及健康等級；河南省植被在秋冬季的健康狀態(tài)要比春夏季較差(見圖2)。同時(shí)根據(jù)植被健康等級劃分，河南省植被在37年中的不同季節(jié)里，僅存在極少的年份和季節(jié)處于較好健康狀態(tài)，VHI值較高的季節(jié)為2010年春季、2016年夏季、1994年秋季、1995年冬季。從趨勢來看，河南省植被在春季、夏季、冬季是逐漸轉(zhuǎn)好的，而在秋季則呈現(xiàn)逐漸變差的趨勢。

圖2 1982—2018年河南省VHI值季節(jié)性變化趨勢圖Figure 2 The trend of VHI change of different season in Henan Province from 1982 to 2018

3.2 VHI區(qū)域性時(shí)間特征

3.2.1 各區(qū)域夏季VHI趨勢

河南省作為我國農(nóng)業(yè)大省，干旱對于農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)影響巨大。小麥和玉米作為河南省農(nóng)業(yè)的主要產(chǎn)物，秋玉米種植更多于春玉米種植，秋玉米生長季節(jié)主要在夏季。因此，以下選取了秋玉米生長季節(jié)作為研究期，并從不同區(qū)域評估每年夏季的干旱情況。1982—2017年期間河南省植被在夏季發(fā)生旱情最多的地區(qū)是豫南地區(qū)，發(fā)生旱情最少的地區(qū)是豫東地區(qū)，僅在1982、1988、1994、1999、2006年出現(xiàn)旱情，且旱情主要為中等干旱。四個(gè)地區(qū)整體發(fā)生干旱的程度主要以輕度干旱較多，VHI值呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢；說明河南省在近37年來盡管存在個(gè)別干旱的年份，但整體干旱程度逐漸降低，植被健康狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)好。

四個(gè)地區(qū)的VHI值在2013年都相繼出現(xiàn)上升的趨勢，且較多年份出現(xiàn)了VHI>60；豫南地區(qū)在長期處于中等健康狀態(tài)的情況下也逐漸出現(xiàn)較好的健康狀態(tài)。尤其是豫北地區(qū)表現(xiàn)最為突出，在2010年后，VHI值出現(xiàn)明顯的增加趨勢，表明植被健康狀態(tài)等級逐漸提高，且在2013年后穩(wěn)步處于較好的健康狀態(tài)。四個(gè)不同區(qū)域中，VHI>60在豫東地區(qū)出現(xiàn)的年份較多；即在1982—2017年夏季期間，豫東地區(qū)植被健康狀態(tài)要明顯優(yōu)于其他三個(gè)地區(qū)(見圖3)。

圖3 1982—2018年河南省夏季VHI值區(qū)域性變化趨勢圖Figure 3 The trend of summer VHI change of different areas in Henan Province from 1982 to 2018

3.2.2 植被健康狀態(tài)

為了進(jìn)一步地掌握河南省各市在1982—2018年各季節(jié)的植被干旱健康等級，以下根據(jù)研究結(jié)果統(tǒng)計(jì)了各市植被健康不同等級的年份數(shù)量。三門峽市、焦作市、周口市植被在37年中超過43.24%的年份在春季處于干旱狀態(tài)；18個(gè)地級市在夏季未出現(xiàn)重度干旱以及極其干旱年份，但在秋季都出現(xiàn)了至少一年的極其干旱狀態(tài)年份，由3.1可知是2000年。調(diào)查可知，2000年確為河南省干旱特重年份，且夏季干旱較為嚴(yán)重；根據(jù)VHI理論可知，VHI根據(jù)植被長期對于環(huán)境的反應(yīng)，以及地表溫度獲得，因此可知具有一定的時(shí)間滯后性[27]。安陽市、濮陽市、信陽市植被在春季相對于其他市植被健康狀態(tài)較好，超過25年處于中等健康狀態(tài)。此外，平頂山市、濮陽市、許昌市、周口市干旱多發(fā)生秋冬季；洛陽市、三門峽市、鶴壁市植被在冬季超過24年處于中等以上健康狀態(tài)。河南省其他各市在四季中的具體健康狀態(tài)年份數(shù)量見圖4所示。

圖4 各市不同植被健康狀態(tài)年份統(tǒng)計(jì)Figure 4 The statistics of year on different vegetation health status in each city

3.3 植被活動變化趨勢

為了研究過去37年的河南省植被活動生長趨勢，以下研究采用了植被生長期間的VHI平均值作為基礎(chǔ)；參考Pei等[23]研究成果，河南省的植被生長期間在第31～41周。圖5a為1982年植被生長期間的VHI平均值，圖5b為河南省1982—2018年VHI變化線性回歸趨勢圖。1982年植被生長期間VHI平均值范圍為4～50，河南省51.71%的面積處于重度干旱，30.63%的面積屬于中等干旱，12.24%的面積屬于輕度干旱。

從空間趨勢上來看，河南省64.18%的地區(qū)呈現(xiàn)負(fù)向趨勢，表明河南省植被生長在大部分地區(qū)呈現(xiàn)衰弱趨勢，如圖5所示。河南省東部、中心部、西北部、西南部的VHI呈現(xiàn)下降趨勢，尤其是鄭州市、開封市、焦作市等各城市中心部呈現(xiàn)VHI急劇下降趨勢，表明植被生長在這些地區(qū)受到較大的限制。此外，在河南省西部、東南部及少量北部地區(qū)VHI值呈上升趨勢，說明植被生長受到外界干擾較小。相關(guān)研究表明，河南省植被減少主要發(fā)生在鄭州市、洛陽市、焦作市等市區(qū)，植被增長主要發(fā)生在南陽盆地[18,28]，植被減少的地區(qū)會抑制植被的生長，植被增加地區(qū)會有利于植被生長，本文研究結(jié)果與上述表示一致。

圖5 植被生長季節(jié)1982年VHI平均值與1982—2018年VHI變化趨勢Figure 5 The average value of VHI in vegetation season in 1982 and the trend of VHI change from 1982 to 2018

3.4 植被干旱EOF時(shí)空分布特征

為了更好地分析1982—2018年河南省植被健康指數(shù)VHI的空間變化特征，對每一年的VHI結(jié)果進(jìn)行EOF分解分析，得到其對應(yīng)的特征向量，每一特征向量對應(yīng)每一個(gè)模態(tài)。每一個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)值越大，表明在37年中此模態(tài)的空間分布越顯著。根據(jù)結(jié)果可知，河南省四季EOF第一模態(tài)的方差貢獻(xiàn)值分別為春季97.06%、夏季97.60%、秋季95.69%、冬季96.96%；說明EOF第一模態(tài)足以代表37年中VHI值的空間分布特征，河南省各季節(jié)EOF第一模態(tài)空間分布見圖6所示。

圖6 1982—2018年河南省VHI的EOF分析第一模態(tài)空間分布Figure 6 The first spatial distribution of EOF analysis on VHI in Henan Province from 1982 to 2018

河南省各季節(jié)VHI值在37年中呈現(xiàn)完全不同的四種空間分布特征；夏季和秋季干旱相較于春季和冬季發(fā)生較多，夏季干旱主要發(fā)生在豫南、豫北、豫西地區(qū)，秋季干旱主要發(fā)生在豫東地區(qū)，且秋季干旱空間分布較為集中。夏季VHI值EOF第一模態(tài)在空間上呈現(xiàn)VHI值從河南省南部向河南省中部、東部逐漸增加，駐馬店市南部、南陽市南部、信陽市南部以及濮陽市東部干旱面積較大，同時(shí)夏季VHI值以20

同時(shí)，在37年中除冬季之外的季節(jié)，河南省植被在其他季節(jié)都存在較大的壓力，尤其是夏季植被僅在河南省東部小部分區(qū)域處于較好健康狀態(tài)(4060)。冬季由于溫度較低，植被壓力受到溫度壓力較小，河南省植被在西部和北部地區(qū)處于較好健康狀態(tài)，中部以及東部地區(qū)處于良好的健康狀態(tài)。VHI能夠很好地反應(yīng)植被所處于的壓力狀態(tài)以及農(nóng)作物的生長狀態(tài)，河南省農(nóng)業(yè)較多，森林植被等覆蓋較少，且河南省植被整體處于良好健康狀態(tài)。

由以上可知，四個(gè)季節(jié)第一模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率都較高，因此所對應(yīng)的時(shí)間系數(shù)都大于0。特征向量所對應(yīng)的時(shí)間系數(shù)反應(yīng)了當(dāng)前模態(tài)隨時(shí)間的權(quán)重變化，數(shù)值越大說明當(dāng)前模態(tài)在所對應(yīng)的年份發(fā)生此模態(tài)的強(qiáng)度越大?？傮w來看，在四個(gè)季節(jié)所對應(yīng)的第一模態(tài)的空間特征分布中春季和夏季較于秋季和冬季出現(xiàn)概率越大，空間特征表現(xiàn)力較強(qiáng)。春季、夏季和冬季第一模態(tài)所對應(yīng)的時(shí)間系數(shù)，隨著時(shí)間呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，說明這三個(gè)季節(jié)第一模態(tài)的空間分布特征隨著時(shí)間變化越來越明顯，發(fā)生的概率越來越大。秋季所對應(yīng)的時(shí)間系數(shù)各年份之間存在較大差異性，且呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢；說明1982—2018期間河南省秋季植被干旱空間分布特征總體符合第一模態(tài)，各年份之間的空間分布特征差異較大、波動性較大，且秋季對應(yīng)第一模態(tài)空間分布特征存在逐漸減弱趨勢。具體各年份所對應(yīng)的第一模態(tài)的發(fā)生概率相對大小見圖7。

圖7 河南省1982—2018年VHI的EOF分析第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)Figure 7 The time coefficient on first modal of EOF analysis on VHI in Henan Province from 1982 to 2018

4 結(jié)論與討論

本研究利用GEE平臺，結(jié)合VHI和EOF時(shí)空分析模型刻畫了1982—2018年河南省植被干旱時(shí)空變化特征以及植被健康狀態(tài)等級，主要結(jié)論如下：

(1)在1982—2018年期間，河南省春季干旱、夏季干旱趨勢逐漸減弱，即春季干旱和夏季干旱發(fā)生頻率逐漸減少，并且河南省植被健康狀態(tài)在春季、夏季呈現(xiàn)逐漸轉(zhuǎn)好趨勢。在1982—2018年夏季期間，豫東、豫西、豫南和豫北四個(gè)地區(qū)中，旱情發(fā)生最多的是豫南地區(qū)，旱情發(fā)生最少的是豫東地區(qū)。

(2)雖然河南省植被健康狀態(tài)在1982—2018年期間是逐漸轉(zhuǎn)好的，但河南省超過64%的地區(qū)植被生長受到抑制，尤其是城區(qū)較為嚴(yán)重。較為明顯的地區(qū)為河南省中部、東部城市。

(3)在1982—2018年期間，河南省干旱空間特征從南部、西南部逐漸向中部、東部、北部擴(kuò)散；四個(gè)季節(jié)干旱空間分布特征第一模態(tài)方差貢獻(xiàn)率超過95%，空間分布特征極其具有代表性。此外，第一模態(tài)空間分布特征在春季、夏季和冬季的表現(xiàn)力逐漸增強(qiáng)，在秋季的表現(xiàn)能力逐漸減弱。

眾多學(xué)者利用氣象站點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)研究河南省干旱，但本文基于GEE平臺使利用VHI指數(shù)從大尺度、長時(shí)序監(jiān)測干旱成為可能，從而提高河南省植被干旱分布的空間分辨率和時(shí)間跨度。此外，本文將經(jīng)典的EOF時(shí)空模型應(yīng)用于遙感數(shù)據(jù)分析，根據(jù)長時(shí)序的監(jiān)測結(jié)果能夠更好的突出1982—2018年期間河南省植被干旱的空間分布特征。但是，如要更好地研究河南省植被健康等級變化仍需考慮更多因素，例如：光照、水分、氣候、濕度等。因此，在未來研究中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合更多的影響因素對植被干旱及健康狀況進(jìn)行相關(guān)研究。