基于MODIS的天山山區草地類型植被指數變化特征及其與氣候因子的關系

馮志敏，趙玲，安沙舟，楊青

（1.新疆氣候中心，新疆烏魯木齊 830002；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊 830002；3.新疆農業大學草業與環境科學學院，新疆草地資源與生態重點實驗室，新疆烏魯木齊 830052）

基于MODIS的天山山區草地類型植被指數變化特征及其與氣候因子的關系

馮志敏1，趙玲2，3*，安沙舟3，楊青2

（1.新疆氣候中心，新疆烏魯木齊 830002；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊 830002；3.新疆農業大學草業與環境科學學院，新疆草地資源與生態重點實驗室，新疆烏魯木齊 830052）

基于MODIS的天山山區草地類型植被指數，分析其變化特征及其與氣候因子的關系，結果表明：天山山區NDVI分布北部大，南部小；西部大，東部小。降水是影響天山山區NDVI的主要因子。2000—2009年4—9月天山山區NDVI年平均值為0.35，溫度呈上升趨勢，降水呈減少趨勢，對植被的生長不利，NDVI呈現出減小趨勢，但減小不明顯。天山山區NDVI最大值的年份，降水并不是最多的，說明植被的長勢需要水分和熱量匹配。1961—2009年天山山區的氣候變化有利于草地NDVI的增加。天山山區4—9月平均溫度上升0.1℃，面雨量增加10%的情況下，NDVI增加2.5%。

草地植被；天山山區；NDVI；MODIS

草地是比較脆弱的生態系統，對氣候和人類的影響比較敏感。草地的現狀及變化趨勢反映出人們對草地的利用是否科學合理，是生態環境保護與畜牧業可持續發展的焦點。天然草地在干旱、半干旱地區是重要的可更新資源，它不僅是草地畜牧業的物質載體，而且在維持區域生態環境具有重大意義。

新疆是中國三大牧區之一，其天然草地資源豐富，面積遼闊，經營畜牧業歷史悠久，已成為中國主要的草地農牧業生產基地之一，同時也是中國典型的干旱半干旱綠洲農業地區之一。天山山區草地是其重要組成部分，植被具有明顯的垂直和水平地帶性分布規律，而且也是新疆重要的季節放牧場，牧草種類繁多，植被類型豐富，放牧家畜載畜量高，結構穩定，是生態學家和草地工作者從事植物生態學和草地經營利用研究的理想場所[1-2]。然而，受常規的監測方法和手段的局限，天山山區草地資源信息的獲取依靠手工或半自動化方法，效率低并且往往因耗時過長而達不到及時、準確和快速監測的目的；草地生態環境破壞情況調查需要到現場去操作，尤其在數據動態采樣時難以實時、快速、準確地定位，監測結果與實際存在較大誤差；對用途廣、更新快的高分辨率遙感圖像支持不夠，系統數據不能及時更新，利用率不高；不能為草地資源生態環境管理和決策提供高效的支持。

隨著遙感技術的發展，遙感信息成為生態環境研究的主要信息來源，同時又為生態環境動態監測提供了技術和成果精度保證。目前利用遙感技術對草地動態監測的方法已經比較成熟[3-6]，但前人的研究大都是利用NOAA/AVHRR資料所進行的，由于AVHRR的分辨率比較低，在星下點只有1.1 km，使得草地生產力監測的精確度受到制約，難以再有明顯的提高。EOS/MODIS波長范圍0.4～14.4 um，有36個通道，分辨率為250～1 000 m，在光譜分辨率、空間分辨率、時間分辨率上都大大超過了NOAA/ AVHRR的數據資料，其對于監測全球植被具有重大意義。

本文以新疆天山山區草地為重點研究區，利用2000—2009年4—9月MODIS資料，應用最大值合成法（Maximum Value Composites）合成月、年NDVI分布圖，分析草地植被的生長狀況，為進一步研究各個氣象要素與不同類型草地的生長狀況之間的關系打下基礎，同時為該地區的生態保護與生態建設提供依據。

1 資料與方法

1.1 數據來源

本研究用到的數據主要是新疆維吾爾自治區草地類型圖、土地利用現狀圖、行政區劃圖、數字高程圖以及新疆氣象局提供的氣象站點信息。中低分辨率遙感數據來源于美國地球資源觀測系統（Each Resources Observation System，EROS）數據中心提供的MODIS影像計算合成的16dNDVI產品，空間分辨率為1 km，考慮植被生長季主要在4—9月，遙感數據的時間為2000—2009年4—9月。對研究范圍相關的數據進行遙感預處理，包括投影變換最大合成、研究區域提取。通過實驗分析，在天山附近選取海拔高度≥1 500 m的區域為天山山區比較合適。考慮到伊犁河谷地處天山之中，氣候特征相近，雖然有部分地區海拔高度＜1 500 m，但仍將其劃入天山山區。在天山與昆侖山交接處以直線分割；在天山最東段也以直線分割。

1.2 資料的處理方法

1.2.1 NDVI的計算

植被指數的定義是：利用遙感衛星探測數據的線性或非線性組合而形成的能反映綠色植被生長狀況和分布的特征指數[7]。

NDVI計算公式為：

其中，Ch1、Ch2分別對應MODIS數據的第1（紅光）通道和第2（近紅外）通道。由于單個時相的數據很難排除云霧等造成的影響，因此要考慮用某一時間段內的植被指數合成一個反映這一時間段內植被狀況的植被指數圖像。為盡可能地消除云、霧、水汽等對NDVI數值的影響[8]，選用最大值合成法。其基本假設是云層的位置是不斷變化的，在一定時段內，任何一個位置的點都存在沒有被云層所覆蓋的晴天（即這一時段內的最大值）。通過最大值合成法方法可以在一定程度上去除云和大氣的干擾，公式如下：

式中：NDVIi為第i月NDVI影像，NDVIj為兩個16 d NDVI影像。而且目前人們所接收的NDVI合成產品，一般的處理方法都采用最大值合成方法，考慮本次研究的時間序列為近10 a的植被生長季的情況選擇以月為時間單位，對歸一化植被指數數據做每月的最大值合成，以此作為這個月的NDVI數據。通過Arcgis軟件實現44個站點對應的NDVI數據提取。

考慮到溫度降水數據與NDVI的對應，文中提到的NDVI、降水、溫度的年值都是當年4—9月該值的平均。

1.2.2 數據標準化處理

由于NDVI、氣溫、降水是不同的要素，它們的變異程度不同，單位也不同。NDVI的值比較小在0.3～0.4之間，降水和溫度的值比它大1～2個數量級，而且不同的單位常使系數的實踐解釋發生困難。不同變量自身具有相差較大的變異時，會使在計算出的關系系數中，不同變量所占的比重大不相同。為了消除量綱影響和變量自身變異大小和數值大小的影響，故在分析NDVI與降水、氣溫的關系時將數據標準化。本文采用標準差標準化的方法，即某變量中的觀察值減去該變量的平均數，然后除以該變量的標準差。經過標準差標準化后，各變量將有約一半觀察值的數值小于0，另一半觀察值的數值大于0，變量的平均數為0，標準差為1。經標準化的數據都是沒有單位的純數量。對變量進行的標準差標準化可以消除量綱（單位）影響和變量自身變異的影響。

1.2.3 回歸分析

用二元線性回歸分析溫度、降水和NDVI的關系。回歸方程：

式中，yi代表植被指數NDVI；Ti代表溫度；Ri代表降水；ai為回歸常數；bi為回歸系數，所建線性回歸方程是否有意義，能不能指導實踐，關鍵在于回歸是否達到顯著水平，因此對相關系數變化趨勢進行顯著性t檢驗[9]。

在對站點的各月的溫度、降水、NDVI相關關系分析時，為了消除趨勢影響，用距平變量回歸方程；在分析NDVI及其與溫度降水的關系時，先建立標準化變量回歸方程，分析影響因子，然后做實值回歸方程，重建歷史的NDVI，分析其變化特征。

2 天山山區NDVI分布及變化

2.1 天山山區NDVI分布特征

圖1為2000—2009年天山山區NDVI分布圖。從圖上可以看出天山NDVI基本上呈現北部大南部小，西部大東部小。NDVI高值區主要位于天山山區中西段。伊犁河谷的NDVI最大，在中天山、東天山也有零星的高值區。天山80°E以西的地區NDVI值最小。

圖2為2000—2009年天山山區的NDVI的年變化。2000—2009年天山山區NDVI年平均值為0.347，呈現出減少的趨勢，線性相關系數為0.56，沒有通過0.05顯著性水平檢驗，說明NDVI減少不明顯。NDVI變異系數為0.06，說明NDVI值變化不大。

2001年NDVI比2000年小，2002年NDVI明顯變大，2003—2006年NDVI逐漸減小，2007年NDVI比2006年有稍大。2007年NDVI比2008年稍大，但仍小于多年平均值。NDVI最大年份出現在2002年，為0.394，說明2002年是植物長勢最好的一年。最小年份為2009年，為0.324，最大和最小值相差0.03，2009年植物長勢最差。從圖2可以看出2000年、2002年、2003年的NDVI大于平均值，2001年、2004年、2005年、2006年、2007年、2008年、2009年的NDVI小于平均值。從圖3中看出2002年NDV增加最明顯，比平均值增加了13.5%，2009年NDVI減少最明顯，比平均值減少了6.6%。

2.2 2000—2009年不同草地類型NDVI的變化特征

2.2.1 不同草地類型NDVI年變化特征

圖4為2000—2009年不同草地類型的NDVI。從各草地類型NDVI的多年平均值看，草原草地的最大，其次是荒漠，再次是草甸草原；荒漠草原和高寒草原的比較接近；高寒草甸的最小。草原、荒漠、草甸草原的NDVI多年平均值大于各草地類型的多年平均，高寒草原、荒漠草原NDVI的多年平均值與各草地類型值的多年平均值比較接近，草原化荒漠NDVI的多年平均值略小于各草地類型值的多年平均值。2000—2009年草原草地的年平均NDVI呈現出減小趨勢，荒漠草地的年平均NDVI呈現出增加趨勢，草甸草原、高寒草原、荒漠草原的年平均NDVI呈現出減小趨勢，草原化荒漠和高寒草甸的年平均NDVI變化不明顯，但各草地類型的相關系數均未通過顯著性檢驗，說明各草地類型變化趨勢不顯著。

天山山區一般4月冰雪開始融化，植被進入返青期，10月大多開始降雪，選取2000—2009年4—9月生長季各草地類型的NDVI進行分析，發現各草地類型按2000—2009年生長季的年平均NDVI大小的排序與按2000—2009年年平均NDVI的排列順序相同。選取2000—2009年夏季（6—8月）各草地類型的NDVI進行分析，發現各草地類型按2000—2009年夏季的年平均NDVI大小的排序與按2000—2009年年平均NDVI的排列順序相同。這說明在年、生長季、夏季不同的時間尺度上各草地類型的年平均NDVI大小順序一致。

2.2.2 不同草地類型NDVI的月變化特征

圖5是2000—2009年4—9月各月不同草地類型NDVI變化曲線圖。從圖5中看出所有草地類型的NDVI都存在明顯的月變化規律，荒漠、荒漠草原、高寒草甸的NDVI在8月達到最大值，草原化荒漠、草原、高寒草原的NDVI在7月達到最大值，只有草甸草原的NDVI在6月達到最大值。草甸草原在7月、8月較上一個月都有比較明顯的減少。

為了更好地分辨各草地類型各月NDVI的變率，以4月為基礎值，用下一個月減去上一個月的NDVI，看NDVI的變化量（圖6）。從圖6中可以看出荒漠草原5～7月NDVI增加量相當。草原化、草原、高寒草原5～7月NDVI增加量逐漸減少。荒漠草原5—7月NDVI的增加量不斷增大。5月草原的NDVI增加最大，6月草甸草原與草原的增加量最大、7月荒漠的NDVI增加量最大。7月只有草甸草原的NDVI較上月有所減少。8月荒漠、荒漠草原、高寒草甸的NDVI表現為增加，草原化荒漠、草原、草甸草原表現為減少，其中草甸草原減少的最多。9月各草地類型的NDVI較上月都有所減少，其中草原減少的最多。

從上面的分析看出，雖然各類型草場在各月NDVI總體變化趨勢差別不大，但就每個月的增加量來說還是有很大的差異。

3 天山山區NDVI分布特征與降水溫度的關系

圖7為標準化后天山山區2000—2009年NDVI、溫度、降水的年變化。2000—2009年天山山區平均溫度為3.8℃，從圖7可以看出呈現出上升趨勢，經分析，線性相關系數為0.69，通過了0.05的顯著性檢驗，上升趨勢明顯。2000—2009年天山山區平均面雨量1 365.4×108m3，呈現出減少趨勢，經分析，線性相關系數為0.18，說明減少趨勢不明顯。

為了說明降水、溫度對天山山區NDVI的影響，對標準化后的NDVI、溫度、降水做相關分析。表1為標準化后溫度與NDVI、降水與NDVI及溫度降水與NDVI的復相關系數及回歸方程。標準化后溫度、降水與NDVI的復相關系數為0.68，通過了0.05的顯著性水平檢驗，說明溫度降水與NDVI的相關性很好。溫度與NDVI呈負相關，溫度升高，NDVI減小；降水與NDVI呈正相關，降水減少，NDVI減小。在二元回歸方程中降水的相關系數明顯大于溫度的，說明降水是影響天山山區植被長勢的主要因子。

綜合來看，天山山區2000—2009溫度呈上升趨勢，降水呈減少趨勢，這對植被的生長不利。

從圖7中還可以看出2000年的降水量與2007年相當，但2007年的溫度要明顯高于2002年，從NDVI表現上看，2007年的NDVI明顯大于2007年，NDVI的最大值和降水的最大值不都是匹配的，說明植被的長勢需要水分和熱量匹配。

在分析天山山區NDVI和溫度、降水關系的基礎上，建立溫度、面雨量與NDVI的二元回歸方程：

式中T代表溫度/℃），R代表面雨量/108m3。

經過重建后天山山區1961—2009年年平均NDVI為0.35，呈現出上升趨勢。天山山區年平均NDVI的相關系數為0.20，未通過信度檢驗，說明年平均NDVI上升不明顯。綜合來看天山山區1961—2009年在年平均氣溫顯著上升，降水增加不明顯的情況下，NDVI呈現出上升趨勢，但趨勢不顯著。

為了更直觀的說明天山山區氣候變化對NDVI的影響，根據實值二元回歸方程計算天山山區在溫度±0.5℃，面雨量±50%情況下，天山山區年平均NDVI變化的百分率（表2）。

4 結論

在研究影響草地形成與發展的主要氣候因子時，溫度、降水量是必不可少的，這些氣象因子對草地的形成和演替均有影響，且各因子的影響程度因地域不同而有差異。本文就天山山區MODIS植被NDVI及其與降水和溫度的相關關系進行分析。

（1）天山山區NDVI分布北部大南部小，西部大東部小。NDVI高值區主要位于天山山區中西段。伊犁河谷的NDVI最大，在中天山、東天山也有零星的高值區。天山80°E以西的地區NDVI值最小。2000—2009年天山山區NDVI年平均值為0.35，呈現出減小趨勢，但減小不明顯。NDVI變異系數為0.06。2002年是植物長勢最好的一年。

（2）各草地類型NDVI的多年平均值看，草原草地的最大，其次是荒漠，再次是草甸草原；荒漠草原和高寒草原的比較接近；高寒草甸的最小。各類型草場多年各月平均NDVI各月NDVI總體變化趨勢差別不大，但就每個月較上一個月的NDVI的增加量各草地類型的差異較大。

（3）天山山區NDVI的最大值的年份，降水并不是最多的，說明植被的長勢需要水分和熱量匹配。

（4）天山區年平均溫度、年平均降水與年平均NDVI的復相關系數為0.68，通過了0.05的顯著性水平檢驗，降水是影響天山山區植被長勢的主要因子。天山山區2000—2009年溫度呈上升趨勢，降水呈減少趨勢，對植被的生長不利。

（5）天山山區1961—2009年年平均NDVI為0.35，呈現出上升趨勢，但上升不明顯。綜合來看天山山區1961—2009年在年平均氣溫顯著上升，降水增加不明顯的情況下，NDVI呈現出上升趨勢，但趨勢不顯著。天山山區在4—9月溫度上升0.1℃，面雨量增加20%情況下，NDVI增加2.5%。

IPCC認為我國北部整體上溫度升高、降水量加大，這樣的氣候變化應該有利于草原的生長。我國很多學者認為草原氣候變化不規則的變化，特別是連續的急劇的氣候變化加劇了草原退化的進程，草原退化的原因中人類活動是起決定性的因素之一。本研究發現基于溫度和降水重建的1961—2009年天山山區草地的NDVI呈增加趨勢，各草地類型中除了高寒草甸的NDVI呈現減小趨勢外，其余各草地類型的NDVI都呈現出增加趨勢，說明1961—2009年天山山區的氣候變化有利于草地NDVI的增加。由于天然草場產草量與氣候條件密切，因此，畜牧業生產部門可以根據長期天氣預報，作出天然草場產草量的年景預報，為解決草畜不平衡矛盾、規劃放牧和保護草場提供科學依據。

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Change Characteristics of MODIS NDVI and Its Relations to Climate Factors in the Tianshan Mountains

FENG Zhimin1，ZHAO Ling2，3，AN Shazhou3，YANG Qing2
（1.Xinjiang Climate Center，Urumqi 830002；China；2.Institute of Desert Meteorology，China Meteorology Administration，Urumqi 830002，China；3.College of Grassland and Environment Science；Xinjiang Agricultural University，Key Laboratory of Grassland Resources and Ecology of Xinjiang,Urumqi 830052，China）

Grassland is an important land resource and also a kind of renewable natural resource, which has very important ecological and economic functions and values.The Tianshan mountains are the most important grassland areas in Xinjiang.Effective and accurate monitoring of the grassland vegetation biomass changes will not only directly related to the decision-making of grassland animal husbandry management,but also indirectly affect the sustainable development of economy and society of minorities.Based on the analysis of the regional characteristics of the climate change in Tianshan mountains,the effects of climate change on the MODIS NDVI were comprehensively studied in the paper.The results are as follow.（1）The high value area of NDVI in Tianshan mountains mainly distributed in the west and middle areas of Tianshan mountains.The variation of NDVI is similar to temperature.（2）After the correlation analysis among temperature, precipitation and NDNI,we found that the impact of precipitation on NDVI is greater than that of temperature on NDVI.Climate change over Tianshan mountains is favourable to growth of grass.

Rangeland vegetation；Tianshan Mountains；NDVI；MODIS

P407

B

1002-0799（2015）02-0057-6

馮志敏，趙玲，安沙舟，等.基于MODIS的天山山區草地類型植被指數變化特征及其與氣候因子的關系[J].沙漠與綠洲氣象，2015，9（2）：57-62.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.02. 009

2013-06-13；

2013-09-26

中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金（IDM201006）、中國沙漠氣象科學研究基金（Sqj2011002）共同資助。

馮志敏（1976-），女，高級工程師，現主要從事遙感、農業氣象災害監測等方面的工作。E-mail：fzm3721@sina.com

趙玲（1978-），女，副研究員，現主要從事氣候變化與水資源領域研究。E-mail：Zhaoling@idm.cn