基于遙感的植被物候學方法研究

摘要植物物候現象能夠直觀、綜合地反映環境條件季節、年際變化及陸地生態系統短期變化的特征。基于遙感監測方法的植物物候研究已成為全球氣候變化研究的一個熱點課題。該研究基于植物光譜特征分析的原理，分別介紹了動態閾值法、滑動平均法、求導法、曲線擬合法和主分量分析法等幾種常見的植物物候遙感監測方法，并分別從植物物候與氣候關系、植物物候與凈初級生產量、植物物候與城市熱島、植物物候與土地覆蓋、植物物候與農作物估產等方面綜述了研究植物物候的主要應用，總結出植物物候的變化常常是氣候和人類二者共同影響的結果。最后針對目前研究中存在的問題，對今后研究的主要方向作出了展望。

關鍵詞遙感；物候；NDVI；氣候；人類活動

中圖分類號S126文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2015）05-318-02

Study on the Method of Vegetation Phenology Based on Remote Sensing

LI Na（Liangshan Meteorological Administration，Jining，Shandong 272600）

Abstract Plant phenological phenomenon can be intuitive，comprehensively reflect the environmental conditions and seasonal，interannual variability and the features of short-term changes in terrestrial ecosystems.Plant phenology research based on remote sensing monitoring method has become a hotspot in the research of the global climate change.Based on the principle of plant spectrum characteristics analysis，the dynamic threshold method，moving average method，derivative method，curve fitting method and principal component analysis method and so on were introduced，and respectively from the relationship between plant phenology and climate，plant phenology and net primary production，plant phenology and urban heat island，plant phenology and land cover，plant phenology and crop yield estimation and so on，the main application research of plant phenology were reviewed，the changes of plant phenology often is the result of climate and human influence each other.Finally aiming at the problems existing in the research，the main directions of future research were forecasted.

Key words Remote sensing monitoring； Phonological； NDVI； Climate； Human activities

作者簡介李娜（1989- ），女，陜西延長人，助理工程師，從事氣象研究。

收稿日期2014-12-26

物候學是研究自然界植物和動物的季節性現象同環境的周期性變化之間的相互關系的科學，植被物候研究能夠認識植物自然季節現象變化規律、分析其受氣候變化或人為干擾等因素的影響。傳統的物候學研究方法以野外觀測為基礎，簡單易行，但耗費大量的人力物力，周期短，覆蓋面小[1]。近年來，隨著遙感技術和電子計算機的飛速發展，植被物候觀測手段也取得了明顯的進步。利用長時間序列的衛星數據獲取的地表植被物候信息，與地面實測物候資料相結合，對全球和區域尺度植物物候變化進行研究。遙感物候學成為了全球氣候變化與陸地生態系統動態研究的一個前沿領域。

1遙感數據源

從1972年第一顆地球資源衛星（Landsat）發射開始，遙感數據不斷增多，數據的功能和用途也在不斷變化。目前可用于監測植被動態的遙感數據有NOAA-AVHRR，SPOT-VGT，MERIS，MODIS，MSS、TM和ETM+，SPOT4和SPOT5，CBERS-1/2，ASTER，RADAR，IKONOS，Quick-Bird等。根據研究的目的、方法及精度要求的不同，可選擇不同的遙感數據。低空間分辨率的數據，如NOAA-AVHRR、SPOT-VGT、MODIS等，可用于區域、大洲或全球尺度的植被監測；而高空間分辨率的數據，如QuickBird、IKONOS、SPOT-5、SPIN2、IRS-1C等，則常用于小尺度土地利用與覆蓋變化分析、植被制圖和精細農業調控等[2]。為精確提取植物物候信息提供更準確的數據源，高光譜遙感數據將成為植物物候研究的發展趨勢[3]。

2植物物候遙感監測的基本原理

目前基于遙感的植被物候監測主要側重于確定植物物候生長季開始和結束日期，這2個物候參量與其生長季光合作用過程密切相關。基于遙感的開始日期和結束日期指的是較大尺度宏觀區域地表植物物候生長季開始和結束的日期[3]。綠色植物在可見光波段藍光波段和紅光波段有2個吸收帶，反射率較低，在綠光波段 0.55 μm附近有一個小的反射峰，在近紅外波段0.7 μm附近，反射率上升，至1.1 μm 附近有一峰值，形成植被的獨有特征，中紅外波段（1.3 ～2.5 μm），由于受到綠色植物含水量的影響，吸收率大增，反射率大大下降，尤其是在水的吸收帶形成低谷。由于植物波譜具有上述的基本特征，所以可以利用植被的光譜曲線確定生長季開始和結束的日期。即可以通過NDVI曲線確定植物植物從一種狀態轉變到另一種狀態的時間，從NDVI數據獲取生長季始末時間的改變。

3植物物候遙感監測的方法

3.1閾值方法

閾值方法是通過設定閾值條件來實現對植被物候的監測。動態閾值法是將NDVI增長達到當年NDVI振幅一定百分比的時刻定義為生長季的開始時間，將NDVI降低到當年NDVI振幅一定比例的時刻定義為生長季的結束時間[4]。閾值方法充分考慮了研究區NDVI多時相曲線特征，通過設定閾值條件，可將植物物候相的評估限制在合理生育期內，從而提高計算的效率和準確性，但閾值的選擇本身可能會受人為主觀的影響，其結果會直接影響物候評估的準確性[3]。

3.2滑動平均方法

滑動平均方法是利用實際NDVI時序曲線與其滑動平均曲線的交叉來確定植物的物候相[3]。該方法能夠使對NDVI時間序列數據的計算更加準確、穩定、可靠。

3.3求導方法

求導方法主要通過求導，并結合其他方法或條件共同推算出物候信息，在一定程度上，求導方法局限于經驗閾值的限制[3]。

3.4擬合方法

擬合方法主要通過植物生長模型擬合的方法來求算物候信息，在逐個處理像素時不需要設置閾值或經驗限制條件，具有全球適用性。分段式Logistic函數擬合方法，即利用擬合曲線曲率變化的特點，確定NDVI時序曲線上植物各物候轉換期，從而反映植物物候年內變化情況。在逐像元處理時存在誤差，考慮研究區植被特點和NDVI變化特征，采用分段多項式擬合和動態閾值法來提取區域植被物候特征參數。利用多項式擬合植被生長曲線的過程是：將時間序列劃分成為逐漸增加和逐漸減少的2個序列，即把平滑后的序列影像分成2部分，前一段逐漸增加，后一段逐漸減少，然后基于多項式擬合每個像元的植物生長曲線，所用擬合函數的公式為：

y（t）=at2+bt+c

式中，t為從1月1日開始算起的天數；y是時間t時的NDVI值，a、b、c為擬合系數[4]。

4植物物候的相關應用

4.1植物物候與氣候變化

就氣候變化而言，物候是生態系統響應的感應器，物種之間的相互作用受到由氣候驅動的植物動態變化的影響，從而生態系統的組成和結構、生物多樣性也將受到這種變化的影響。目前，大多數的相關研究都集中在植物物候對氣候變化的響應上。我國對植物物候遙感監測機理的研究不多，主要偏重于分析植被指數與氣溫、降水等氣候因子的時空關系，或討論生長季季相變化對氣候的響應關系。利用遙感技術，一些國外學者不僅較為準確地監測出植物物候相及其變化模式，而且還從地區、大洲、全球等空間尺度建立了植物物候對全球氣候的定量響應關系。

4.2植物物候與城市熱島

植物物候與溫度狀況相關密切，尤其在植物生長期各階段的初期。隨著城市化進程在全球的不斷加快，城市熱島效應提供了一種獨特的方法來評估氣候變暖對植物物候的影響。Zhang等`使用MODIS數據，選取北美東部大于10 km2面積的城市地區，研究了植物物候轉換期和地表溫度的城鄉差別。結果表明，城市氣候對植物物候的影響范圍大于城市土地覆蓋的邊緣，且隨距離呈指數形式遞減；城市氣候的生態足跡約是城市土地利用的2～4倍，與未受熱島影響的周邊農村地區相比，城市地區植物生長季長度實際增加了約15 d[5]。

4.3植物物候與土地覆蓋土地覆蓋狀況是區域和全球尺度氣候與生態系統過程模擬的重要參數。多光譜遙感分析表明，加入植物物候變化能夠提供更詳細的土地覆蓋信息，同時土地利用和土地覆蓋的變化也會影響到植物物候的變化。我國一些學者開展了利用植物物候信息進行土地覆蓋分類的研究。通過觀測不同時期溫度無差異的兩個灌溉農業區地表植物物候特征，得出土地覆蓋類型有由農用地轉向雜草地的趨勢，這與人類活動和社會制度變遷有關；通過比較遙感數據所反映的植物物候變化，發現大面積砍伐森林與原始農作方式是導致熱帶森林大面積減少和土地退化的主要原因[2]。

4.4植物物候與農作物估產

農作物產量的大尺度和高精度遙感估測，可提高農田管理水平和農作物產量預報的準確性。農作物通常經歷播種、營養生長、生殖生長和成熟等物候階段，發育期變化對農作物的產量影響明顯。目前，基于遙感數據和物候學原理的農作物估產主要集中在對小麥、大麥、水稻、玉米、棉花和大豆等產量的估算[3]。利用衛星數據估算農作物的產量，最初是從小麥開始的，此后擴展到其他農作物。我國學者張明偉等利用氣候數據構建了作物物候指標模型來計算熟度指數，并選擇季相差別最小的兩時期遙感數據，采用圖像差值法估算了北京順義地區冬小麥播種的面積變化，結果表明，物候模型與遙感數據相結合是獲取農作物播種面積的最佳方法之一[6]。

5未來物候研究發展趨勢

綜觀全球，遙感平臺多樣化、傳感器類型不斷改進以及計算機技術高速發展將成為植物物候及其變化響應機制研究的技術基礎，這也將成為今后發展的必然趨勢。遙感手段可以幫助獲得包括植物生長季節變化在內的連續觀測數據，對區域、大洲甚至全球尺度的植被動態以及超過20 年以上的年際變化進行深入研究。針對我國的季風氣候和地表植被的特征，今后應加強在植物物候遙感監測方法、遙感數據源的多樣性、植物物候變化對農業的影響、植物物候對快速城市化的響應機理、物候變化和全球碳循環的關系等方面的研究，從而為揭示氣候和人類活動與植物物候的內在關系、促進人地協調發展提供有力的科學依據[3]。

雖然基于遙感的物候學研究在國內外都取得了很大的進步，對現代物候學的發展也起了很大的推動作用，并成為研究陸地生態系統對全球氣候變化快速響應的學術前沿，但是，作為一個新的研究領域，遙感物候學在研究工作中仍存在著一些問題與不足。選擇合適的數學方法和模型，融合不同空間分辨率的各種遙感數據，有利于獲取更準確、更詳細和更長時段的遙感物候信息。利用遙感數據劃分植物物候生長季節研究的是過去植物物候的時空格局，預測未來氣候變化對植物物候的影響，也將成為遙感物候學研究的一個新方向[2]。

6結語

基于遙感監測方法的植物物候研究已成為全球氣候變化研究的一個熱點課題。該研究通過介紹國內外多個學者利用衛星遙感數據，采用多種遙感監測方法對植物物候進行的全面具體的研究分析，總結出遙感監測在植物物候中的應用，揭示了植物物候對氣候和人類活動的響應，使讀者對植物物候學與遙感監測的關系有了更深刻的了解，對植物物候遙感監測的未來發展趨勢也有了更清楚的認識。今后植物物候遙感研究分析工作應注意：① 植物生長季始末時間的時空分布規律；②增強植物高光譜遙感研究的力度；③著重探討植物生理和生態特征；④重視物候科普的普及、應用、科學研究等工作，加快物候工作的進展。

參考文獻

[1]

李明，吳正方，杜海波，等.基于遙感方法的長白山地區植被物候期變化趨勢研究[J].地理科學，2011，31（10）： 1242-1248.

[2] 陳效逑，王林海.遙感物候學研究進展[J].地理科學進展，2009，28（1）： 33-40.

[3] 武永峰，李茂松，宋吉青.植物物候遙感監測研究進展[J].氣象與環境學報，2008，24（3）： 51-58.

[4] 何月，樊高峰，張小偉，等.近10年浙江植被物候的遙感監測及時空動態[J].中國農學通報，2012，28（16）： 117-124.

[5] ZHANG X Y，FRIEDL M A，SCHAAF C B，et al.The footprint of urban climates on vegetation phenology [J].Geophysical Research Letters，2004，31（12）：12209.

[6] 張明偉，周清波，陳仲新，等.基于物候模型的作物種植面積變化監測方法[J].農業工程學報， 2006，22（10）： 139-144.

責任編輯徐麗華責任校對李巖