基于MODIS NDVI時序數據的丹江口庫區物候格局研究*

胡硯霞，黃進良，王立輝

(1．中國科學院測量與地球物理研究所，武漢 430077;2．中國科學院研究生院，北京 100049)

物候是指自然界的植物、動物和環境條件 (氣候、水文、土壤條件)以年為準周期變化的現象［1］。隨著全球氣候變暖，植物物候也發生相應變化，植物物候變化又反過來影響到氣候系統，加劇氣候變化。物候作為指示氣候與自然環境變化的綜合指標，已被國際上的許多環境變化影響評價項目廣泛采用［2～3］。農諺、積溫、田間觀測和物候觀測站是傳統獲取物候信息的主要途徑。但物候資料常常缺乏或不完善，特別是在沒有物候觀測站的地區。物候的變化有一定的規律性，于是有研究者試圖利用緯度、經度和高度計算物候隨地理位置分布的普遍模式，如霍普金司生物氣候定律等，其所得結果是大范圍內物候分布的平均情況，對于地形復雜的小區域、小地形引起的物候差異并不適用，但對人們認識物候分布規律和物候分布模式起到推動作用，在科研和生產上均有一定意義。

計算機技術和遙感技術的發展為物候學研究提供了新的方法。利用遙感數據，特別是高時間分辨率遙感影像提取物候信息大大提升了物候研究的空間尺度和時間尺度，可以克服傳統定點物候觀測區域有限的缺點。利用遙感影像獲取的歸一化植被指數 (NDVI)能在大范圍內較準確地反映出植被的季節變化和年際變化，以及植被綠度、光合作用強度和植物代謝強度等，可應用于植被的變化監測、分類和物候分析［4～5］。利用NDVI時間序列數據監測物候，主要是監測植被綠葉期、落葉期或生長季節開始和結束的時間，常采用的方法有:NDVI閾值法［2］、時序值后向移動平均法［6］、NDVI曲線最大上升速率判斷法［7］、經驗公式法［8］、Logistic模型擬合法等。利用Logistic模型擬合法能有效估計植被的生長季特征［9］。該文將采用Logistic模型擬合法對丹江口庫區植被物候格局進行研究。丹江口庫區物候格局研究的結果有助于認識庫區土地覆被的季節變化規律，將用于監測庫區土地利用/土地覆被的狀況，進而評價庫區土地利用變化的生態環境效應及可持續發展能力。

1 研究區概況

丹江口庫區位于 32°11＇34″～33°52＇40″N，109°23＇7″～111°57＇55″E，行政區劃上包括湖北省十堰市所屬的丹江口市、鄖縣、鄖西、十堰市轄區 (張灣區、茅箭區)和河南省南陽市所屬的淅川和西峽。庫區植被區劃屬北亞熱帶常綠闊葉混交林地帶，實際分布以夏綠闊葉、針葉林及針闊葉混交林和農業植被為主。地形地貌上，丹江口庫區大部分屬低海拔中小起伏山地，漢庫沿線及丹庫西側屬低海拔丘陵，丹庫東側為低海拔洪積臺地，淅庫沿線屬低海拔沖積洪積平原，整個庫區東北部、西部、西南部均為中海拔中高起伏或大起伏山地。

2 數據來源

該研究使用的數據主要是2002～2010年MODIS 250m地表反射率8天合成產品 (MOD09Q1)，選用的水平軌道號和垂直軌道號為h27v05的MODIS影像全覆蓋丹江口庫區，共414景 (MOD09Q1產品2000年只有40景，2001年只有45景，數據不連續，故未采用)。用MRT工具 (MODIS Reprojection Tool)將9年數據由Sinusoidal投影轉為Albers投影，再乘以轉換系數得到真實的地表反射率，并用丹江口庫區矢量文件進行子區截取。

歸一化植被指數NDVI是最常用的植被指數，它通過近紅外通道與紅光通道的反射率計算得到。公式為:NDVI=ρnir-ρred/ρnir+ρred，其中ρ指反射率，nir為近紅外通道，對應MODIS的1通道;red為紅光通道，對應MODIS的2通道。將計算得到的NDVI影像逐時相疊加，得到9年414個時相的MODIS NDVI時序數據。

地面樣點數據參考2000年全國1:10萬土地利用數據庫［10］的丹江口庫區部分，該數據由中國科學院資源環境科學數據中心提供。由于MODIS影像1、2波段空間分辨率為250m，在TM影像上選取樣區的原則是每個樣區至少是從9×9的純象元區域中心選取，再轉為MODIS對應的ROI，這樣可盡量避免尺度轉換的誤差。對于樣區選擇出現的錯選漏選情況，利用ENVI提供的N維可視化編輯器 (N-Dimensional Visualizer)進行ROI交互式提純。

3 研究方法

對于多光譜影像，隨著植物的生長，葉綠素吸收能力增強，近紅外波段的值逐漸增加，紅波段的值逐漸減少，NDVI值隨之增加，當葉面積指數達到最大時，NDVI值達到最大，隨著植物進入成熟期，葉子開始變黃，葉綠素吸收能力減弱，紅波段值增加，近紅外波段的值逐漸減小，NDVI值隨之減小，因此時序NDVI數據可以表征植物的生長軌跡。NDVI曲線理論上應是一條平滑連續的曲線，然而由于一些外部因素 (如大氣，觀測視角和太陽角、云等)和內在的非植被因素的影響，NDVI曲線總有明顯的突升和突降;另一方面，我國南方地區多云雨，物候關鍵期內常難以獲取質量較好的遙感影像［11］，故首先需對數據進行去噪平滑處理用以獲得高質量連續的NDVI數據，并且用多年數據補益減噪對結果的影響，再進行物候參數的提取。

3.1 Logistic模型擬合時序NDVI曲線

Logistic模型是由Beck等于2006年提出的一種新的算法，它與高斯模型類似，兩者具有相同的一般形式。Beck曾指出，相比于基于傅立葉變換的濾波算法，Logistic模型對植被生長季的估計更加準確。武永峰等曾通過構建基于NDVI累積頻率曲線的Logistic擬合模型來求算植被綠度始期［12］。Logistic模型是一種局部擬合函數，它可以有效擬合時間序列中的最大值和最小值之間的區間，通過Logistic模型的參數設置可以平滑時序NDVI曲線。該研究采用雙Logistic曲線擬合，公式為:

式中t指時間;g(t;x1，…，x4)指隨時間t的NDVI擬合值;x1，x2，x3，x4均為擬合參數，是大于零的常數。

3.2 物候參數提取

借助于Logistic模型擬合時序NDVI曲線的指數函數特征，在拐點處對物候進行定義，由此可提取出生長始期和生長末期，關鍵物候參數定義如圖1所示，其中，a表示生長始期，b表示生長末期，c表示生長季長度。

該文利用TIMESAT［13］對2002～2010年丹江口庫區進行Logistic模型擬合，并在拐點處提取出生長始期和生長末期，每一個波形表示所選像元一年的植被生長軌跡，由46個8天合成的NDVI構成，NDVI增長和降低的拐點分別定義為生長始期和末期。圖2分別是一柑橘林和旱地樣點的擬合曲線，可以看出，Logistic模型擬合時序NDVI曲線良好，較直觀地顯示出了物候的年際變化。以此方法得出的丹江口庫區2004～2009年物候空間格局見圖3。(Logistic擬合模型的前兩年和最后一年數據只是輔助擬合，不能輸出擬合過程圖。由擬合曲線也可得知，2002年和2010年未定義始期和末期，2003年擬合結果不平穩。)

圖1 關鍵物候參數

圖2 2002～2010年丹江口市NDVI時序數據Logistic擬合結果 (a．柑橘林;b．旱地)

圖3 2004～2009年丹江口庫區物候格局

4 結果分析

4.1 物候空間格局

由圖3的擬合結果，整體上，丹江口庫區大部分地區生長始期為3月上旬至4月上旬，生長末期為11月中旬至12月下旬。

丹江口庫區的物候空間格局有如下特征:(1)生長始期，庫區南部 (丹江口市)最早，約3月中上旬;東北部 (西峽縣)最晚，約3月下旬、4月上旬。(2)生長末期，庫區東北部 (西峽縣)最早，約11月中下旬;南部 (丹江口市)最晚，約12月中下旬。(3)西部生長始期和末期均介于南部和東北部之間，分別為3月中下旬和12月中上旬。(4)生長季長度，庫區南部最長，東北部最短。(5)相較于庫區大部分地區，位于庫區邊界的東北沿線、西北角、西南角物候期不同，表現為生長始期偏晚，生長末期偏早。

以上物候空間格局特征符合物候隨地理位置分布的一般規律。物候在地理分布上表現為隨經緯度的變化和隨高度的變化。一般緯度愈高，生長季愈短，即春季達到植物生長的界限溫度日期愈晚，而秋季達到植物停止生長的日期愈早。所以位于庫區南部的丹江口市生長始期最早，生長末期最晚，生長季最長;而位于東北部的西峽縣生長始期最晚，生長末期最早，生長季最短。隨高度的差異是因為對流層中氣溫隨高度降低，使得平原的物候在春季總是早于山上。丹江口庫區邊界的東北沿線和西南角屬中高海拔大起伏山地，西北角屬中海拔大起伏山地，因而這些地區生長始期偏晚，生長末期偏早。此外，丹江口大部地區屬低海拔丘陵和低海拔中起伏山地，水庫周圍是低海拔的沖積平原和洪積臺地，且受水庫小氣候的影響，庫區年溫差較小，夏季較涼，冬季較暖，且濕度較大，可緩解果樹凍害。另一方面，山區冬春季的早晨常存在逆溫層，山腰近地層的氣溫反而高于山麓，使得山腰的物候在春季反而早于山麓，故水庫附近多種植不耐寒的果樹 (主要是柑橘)，特別是南向中坡的地方，遭受霜凍的機會較少。

4.2 物候年際差異

同一地區、同種植被的物候期在年際間可能有提前、滯后或是長短變化。物候的年際變化反映了植被生長環境 (氣候、水文、土壤條件等)的變化對植被的影響，也可指示一些極端天氣事件，如霜凍、寒潮、干旱等。整體上，丹江口庫區物候的年際差異表現為:(1)生長始期:2009年最晚，2008年最早。(2)生長末期:2004年最晚，2006年最早。

庫區不同地區物候的年際差異也不盡相同。就丹江口市來說，2004年和2007年最晚，2006年和2009年最早。該文選取丹江口市一片柑橘林作為樣地，2009年其NDVI曲線的生長末期處下降速率較大 (參考圖2a)，且生長季較往年短，主要反映了長勢不及其他年份，相應的收獲期也比其他年份要早。這與2009年的11月上旬庫區大范圍雨雪天氣有關，導致植被較往年提前停止生長。據報道，11月8日驟然降溫出現的寒潮天氣使丹江口市尚未采摘的1億多千克柑橘遭雪災凍害。實際上，丹江口市柑橘從成熟、采收到休眠期是從9月下旬到12月中下旬，時間與Logistic模型擬合結果大體一致。且據報道，2009年丹江口市柑橘成熟期較往年提前，因而銷售價格略有提高。

5 結論與討論

該文基于MODIS NDVI時間序列數據，采用Logistic模型擬合時序NDVI曲線提取了生長始期和生長末期兩個關鍵物候參數，以此獲取了丹江口庫區的物候空間格局和近幾年物候的年際差異，且依據物候隨地理分布的一般規律對丹江口庫區物候空間格局進行了解釋，并依據相關年份實際情況對物候年際差異進行了對比驗證。從理論上和估算的結果來看，此方法是可行且有效的，但同時也存在一些問題:

(1)丹江口庫區無同步的物候觀測數據，該研究結果難以進行較精確的驗證。

(2)受遙感影像空間分辨率的限制以及混合象元的影響，森林樹種或作物類別的識別較困難，只能對某一大類別或是大宗作物進行遙感物候監測。此外，通過遙感手段得出的物候信息忽略了很多細節特征，是一個綜合、概括的結果。

(3)物候變化規律的獲取需要長期數據的支持，該文選取的9年MODIS NDVI數據反映的是物候的年際波動，尚難以推知丹江口庫區物候的變化規律。

(4)通過時序遙感數據反演出植被的某些生物學物候特征，或是輔助控制物候的一些因子 (如積溫、日長、水分等)，勢必會提高遙感物候監測的有效性和精度。

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