淮河流域NDVI與降水的關系研究

【摘 要】以淮河流域為研究區域，以NDVI遙感數據為基礎，結合氣象站發布的降水數據，利用統計學中相關分析的方法，研究從2002到2006年之間淮河流域植被NDVI與降水之間的關系。

【關鍵詞】NDVI；降水；淮河流域

0.引言

歸一化植被指數（NDVI）是遙感影像的近紅外波段（NIR）和紅外波段（R）反射率的比值參數，是目前表征植被覆蓋特征應用最廣泛的指標，相關分析是研究現象之間是否存在某種依存關系，并對具體有依存關系的現象探討其相關方向以及相關程度，研究隨機變量之間的相關關系的一種統計方法。

淮河流域介于長江和黃河兩流域之間地處東亞季風區，水年際變化明顯，受特殊的氣候和地理要素影響，旱澇災害頻繁。降水是該地區影響植被覆蓋度的最主要的氣候因子之一，研究降水與NDVI之間的關系對于該地的生態環境建設有重要的價值。

1.研究綜述

1.1 NDVI與降水的簡單相關分析

對降水與NDVI的簡單分析，對于研究降水與NDVI之間簡單的線性相關關系很有價值，而且具有一定的真實性，這種分析方法的原理是采用趨勢分析方法對時間段內平均NDVI變化趨勢進行分析，以時間為自變量對NDVI、平均氣溫、年降水量進行回歸分析。

于此相似的結論還有：李震等[1]對中國西北地區植被指數變化的分析認為NDVI與降水間存在正相關關系，而與溫度變化的關系不明顯。于伯華等[2]在對中亞植被指數與降水之間的關系分析時，得出了NDVI與降水量相關性大于與年均氣溫相關性的結論。趙玉萍[3]等人用這種方法對20年來藏北高原草地生態系統及氣候因子進行分析時發現藏北高原NDVI與濕度和月降水量都成正相關關系。

可見，不同區域的植被和降水的關聯性不是完全相同的。一般而言：NDVI與氣溫和降水基本成正相關關系，在完全靠灌溉的干旱區綠洲，NDVI與降水量的正相關性最低，在有些地區由于人類活動、病蟲害和土壤條件等其他因素，NDVI與降水之間的相關性不明顯，在個別區域NDVI與降水甚至呈負相關關系。

1.2 NDVI與降水的時滯性分析進展

何大明[4]等在對紅河流域進行研究時，運用這一方法指出紅河流域植被對溫度和降水變化的響應具有“時滯效應”。韓濤[5]等在研究隴東地區植被指數NDVI與降水的關系時，發現降水對植被的影響不是立刻就出現的，而是在時間上有一定滯后性。張永恒[6]等研究西南地區植被變化與降水的時滯關系時，發現降水一段時間后，植被的覆蓋率顯著增加。可見NDVI對降水的響應具有明顯的滯后性。這種現象可以通俗理解為：水分到達植物根部后再輸送到葉部，從而影響到葉的色素和結構，這一過程需要一定的時間。

1.3 NDVI與降水的偏相關分析

偏相關分析的實現過程是對NDVI和氣候因素進行標準化，分別以不同組合來與NDVI的關系進行偏相關分析，通過計算氣候要素的偏相關系數，消除因素之間的相互影響，然后用的相關系數數據對NDVI與降水量之間的關系做進一步研究。

劉少軍[7]等采用偏相關分析法研究海南島的植被與氣候之間的關系，得出的結論是在海南島溫度對植被變化起主導作用，月平均溫度對植被指數的影最為顯著。

2.淮河流域NDVI與降水的關系研究

2.1數據源

研究數據主要來源于淮河流域2002年到2006年中月最大化SPOTVGT-DN數據。以及淮河流域氣象站發布的2002到2006的降水數據。

2.2研究方法和步驟

本文在研究中主要運用簡單相關分析和時滯相關分析，具體步驟：

（1）淮河流域NDVI和降水序列生成。利用公式NDVI=DN×0.004-0.1對DN數據進行恢復，得到不經拉伸的淮河流域2002到2006的各月的1km分辨率的NDVI空間數據。

（2）淮河流域NDVI和降水時間相關分析考慮到NDVI對降水可能有一定的滯后響應，所以分別對月平均降水和各月的NDVI數據進行相關分析。

（3）淮河流域NDVI和降水空間相關分析。根據各氣象站點2006年旬平均NDVI降水的相關系數，對各個氣象站點最大相關系數及對應的滯后期進行空間顯示和地區差異性分析。

3.研究結果與分析

3.1淮河流域NDVI與降水的空間分布狀況分析

查閱淮河流域2006年的NDVI分布圖，可以利用2006年的NDVI數據進行處理得到當地的平均NDVI分布情況。從空間變化趨勢上可以看出淮河流域平均的NDVI都在0.6以上，說明了淮河流域的植被的覆蓋狀況比較好，其中江蘇大部分地區，山東地區，河南中部與南部，湖北西部地區和安徽大部分地區指數在0.6至0.8左右。從時間變化的趨勢上來看，這個時間段內的淮河流域的NDVI指數值出現了波動，總體上淮河流域植被覆蓋指數呈減小趨勢，但變化的不太明顯。

3.2淮河流域NDVI與降水的時間性相關分析

3.2.1 NDVI與降水的年際變化

我查閱了從2002到2006年中8月份的NDVI與同月降水量之間的年際變化。可以明顯得出結論植被生長對水分因子比較敏感，NDVI值與當月降水量息息相關。

從年際降水變化和NDVI數值改變之間的相關系數上來分析，降水與NDVI之間的相關系數在0.5左右，屬于弱正相關。其他對淮河流域的研究也有相似結論：陳云浩[8]等采用偏相關分析法研究氣候與降水對中國植被NDVI的影響時，結果表明在平原地區，影響NDVI變化的主要因素是氣溫。

3.2.2 NDVI與降水的時滯相關分析

圖1是以2006年淮河流域月份的NDVI為時間軸分別計算的植被指數與降水的超前9個旬的相關系數圖。由圖可見，在降水超前植被指數的時候，NDVI指數與超前0-9個旬的降水呈正相關關系，其中與超前3個旬即一個月時的相關系數最大，通過了顯著性0.10水平檢驗。可以得出結論：整個淮河流域，植被對降水的響應持續的時間較長。

圖1 NDVI與超前旬降水相關系數圖

3.3淮河NDVI與降水的空間性相關分析

為了研究與降水空間性的關系，我們先選取出淮河流域內比較有代表性的降水量的收集站點，然后以3km2空間范圍內的平均NDVI數值作為當地平均的NDVI數值，最后求出NDVI數值與降水量之間的相關系數，分析這個相關系數的空間分布情況。

圖2給出了淮河流域內各個省較大的氣象站點在夏季的NDVI與降水量的相關系數，從圖上可以看出，淮河流域植被NDVI與降水量的最大響應在空間上總體表現為北部大，南部和中部低。在山東境內的NDVI與降水的最大相關系數在0.3左右，在河南、湖北、安徽和江蘇境內的NDVI與降水的最大相關系數大多在0.2左右，江蘇南部的部分地區NDVI與降水的最大相關系數甚至為負數。

在上面的研究中已經指出植被對降水的響應具有滯后效應，具體分析方法為：先計算分別選取點NDVI與前9旬降水量的相關系數，找出相關系數最大的時間，根據這些選取點在淮河流域的分布情況分析得出植被NDVI對降水的響應滯后期的地理分布。

4.結論

（1）淮河流域植被的NDVI與降水之間存在相互關系，降水影響著植被的生長，降水量多的年份植被NDVI數值大于降水量較少年份的同期值。

（2）植被NDVI對降水的響應在時間上有滯后效應，具體表現為在降水超前NDVI的情況下，植被NDVI數值與超前一個月時的降水的相關系數最大，而且降水對植被造成的影響持續時間比較長。

（3）植被NDVI對降水的最大響應和響應滯后期具有地域性差異，隨著緯度的降低，淮河流域植被的NDVI對降水的最大響應也隨著減弱。具體表現為從北向南逐漸延長，即越往南滯后期越長。

【參考文獻】

[1]李震，閻福禮.中國西北地區NDVI變化及其與溫度和降水的關系[J].植物生態學報，2005.3（6）：6-8.

[2]于伯華，王正興.中亞地區1982年至2002年植被指數與氣溫和降水的相關性分析.[J].植物生態學報.2006.31（8）：422-1429.

[3]趙玉萍，張憲洲，王景升.1982年至2003年藏北高原草地生態系統NDVI與氣候因子的相關分[J].遙感學報，2009.31（11）：1988-1998.

[4]何大明，李運剛.紅河流域NDVI時空變化及其與氣候因子的關系[J].地理學報，2009，27（3）：333-340.

[5]韓濤，郭妮，劉世祥.隴東地區植被NDVI與降水的關系研究[J].生態學報，2009，27（6）：248-250.

[6]張永恒，王永立，黃先倫等.植被變化與氣溫及降水關系的初步分析[J].生態學報，2009.29（1）：7-9.

[7]劉少軍，王景升.海南島植被指數變化與其驅動因子的關系[J].植物生態學報，2009，25（6）：255-263.

[8]陳云浩，李曉兵，史培軍.1983年到1992年中國陸地NDVI變化的氣候因子驅動分析[J].植物生態學報，2001，25（6）：716-720.