科爾沁沙地典型地區流動沙丘NDVI 與TCI 關系

高翯 施冬*

（長江大學地球科學學院,湖北 武漢430100）

1 研究區概況和方法

1.1 研究區概況和數據來源

本文所選擇的研究區位于內蒙古自治州通遼市東南部的科爾沁左翼后旗：科爾沁沙地的邊緣地區,是大興安嶺西南部丘陵區向西遼河平原過渡區和我國農牧業交錯的東部地帶,流動沙丘較為廣泛的分布在該區域內部。研究區屬于溫帶大陸性季風氣候,年平均氣溫大約為5.8℃～6.4℃；年平均降水量大約為343mm～451mm,并且降水量的分布很不均勻,7 月～9 月的年降水量占全年降水量的一半以上；年蒸發量大約為1500mm～2500mm,4 月～7 月的年蒸發量占全年蒸發量的一半以上。

沙地內交錯分布著固定沙丘、半固定沙丘、流動沙丘、面積不相等的緩平沙地以及低洼地,植被的數目和種類很少。本次的研究地選擇為科爾沁沙地的流動沙丘。流動沙丘的特征是：沙丘地表植被類型和數量較少,植被覆蓋度低于20%。流動沙丘的形狀更是為典型[1]。

本次研究選取2013-2017 年5 月到10 月的Landsat8 OLI的MSS 和TM云量近似為0 的影像為信息源,由于選取的這5個月植被生長情況相對可觀,因此可以增強數據的可比性,比較容易得出相關性分析結果。

1.2 研究方法

本文研究主要采用ENVI5.3 和ARCGIS10.2 兩種軟件,先利用ENVI5.3 對影像進行空間分析,利用支持向量機的監督分類方法解譯出影像中的流動沙丘區域創建出訓練樣本的感興趣區,流動沙丘在整幅圖像中的遙感數據解譯特征為：流動沙丘整體呈明亮的白色,很少有紅點、淡黃色、乳白色、單灰色或灰白色。它是鱗片狀的,帶有波浪狀或蜂窩狀的沙丘線和清晰的波紋。再利用ARCGIS10.2 將分類后的結果圖疊加在原始影像上進行比對判斷分類精度并裁剪出5 個流動沙丘所占比重較大的區域得到5 個結果圖。計算得出研究區域的NDVI（歸一化植被指數）,接著利用大氣校正法反演出研究區域的LST（地表溫度）,在得出的LST 基礎上計算得出研究區域的TCI[2]。

歸一化植被指數,是一種用來對植被進行生長狀況的測量和監測的系數。通過遙感傳感器獲取到的多光譜數據,進行線性和非線性的組合處理,得出各種對植被具有一定指示作用的數值,是表示地表植被數量分布和生長狀況,生長質量是最好的指標。

NDVI 的計算公式：NDVI=（ρNIR-ρRED）/（ρNIR+ρRED）

公式中ρNIR 為近紅外波段（Band 4）、ρRED 為紅外波段（Band 5）[3-4]。

地表溫度,就是陸地表面的溫度（ ℃）。當太陽的熱能輻射到地面之后,輻射被分為兩部分：一部分輻射被地面所吸收,另一部分輻射被地表反射到空中。由于地表吸收了一部分能量,使得地表熱量增加,此時對陸地表面進行溫度測量的數值就是地表溫度。

衛星傳感器所觀測到的熱輻射包括地表所接受的經過大氣作用后的熱輻射強度以及地表的熱輻射強度。首先推測地表所接收的熱輻射受大氣作用的影響程度,接著把這部分在總量中除去,剩余的部分就是地表的熱輻射強度,最后地表溫度由地表的熱輻射強度通過計算得到。

具體實現為大氣本身向上的輻射亮度、被地面反射到衛星傳感器的大氣向下輻射的能量、衛星傳感器所接收的經過大氣衰減的地面真實輻射亮度的能量,這三部分能量共同構成了衛星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值。

條件溫度指數,是被用來確定與溫度有關的植被壓力并估算植被狀況中的貢獻,以及因為潮濕過度所引起的壓力,其數值處于（0,1）,但是,這個表達式只適用于代表植被對溫度的不同響應。

TCI 的計算公式：TCI=（LSTmax-LST）/（LSTmax-LSTmin）

公式中LSTmax 是溫度LST 指數的最大值,LSTmin 是LST指數的最小值,通過對溫度進行像元值的快速統計方式來獲得LST 指數的最大值和最小值[5]。

最后得出各研究區域的NDVI 和TCI 數值（表1）并對其進行相關性分析,得出結論,做出相關性的散點圖。

表1 各研究區NDVI 與TCI 數值

2 NDVI 與TCI 的關系

NDVI 被廣泛應用在植被遙感中,植被要比裸露的土壤,云層和水的NDVI 值高的多。生長茂盛的健康植被具有最大的NDVI 值。因為具備這些特性,NDVI 成為了一種主要的工具用來描述植被物候,大陸的土地覆蓋程度,植被的分類,植被的生長動態以及農作物種植結構方法,這些應用程序延續至今。植被覆蓋度作為學科領域所采用的一個重要參數指標,可以對所研究區域的環境狀況、天氣狀況、農作物產量、牧場產量進行描述,為了能夠得到比較精確的植被覆蓋度的信息,多個學科領域共同提高植被覆蓋度的精確監測成為必然趨勢。

對于科爾沁沙地流動沙丘的條件溫度指數（TCI）而言,不考慮其他因素對條件溫度指數（TCI）的影響,只研究歸一化植被指數（NDVI）的影響。通常NDVI 的數據值處于（-1,+1）的區間內,但對于流動沙丘,由于流動沙丘內植被種類以及數目很少,所以流動沙丘的NDVI 數值低于0.2,本文所選擇的相近年份的5月份-10 月份植被相對穩定茂盛月份的NDVI 和TCI 的數據表明,NDVI 的平均取值為0.154,由于所選擇的數據時間月份處于夏季和秋季,夏季植被生長比較旺盛所以植被覆蓋度比較高,秋季植被進入負增長狀態所以植被覆蓋度比較低,因此NDVI 的取值浮動為±0.014（圖1）。

圖1 NDVI 變化

因為植被表面具有蒸騰作用,可以降低植被溫度以及植被周圍的溫度,所以隨著NDVI 值每增大0.018,溫度會相應降低5.152 ℃,同時TCI 也相應降低0.18。可見,隨著NDVI 值的增大,TCI 值呈下降趨勢。由此可以推定,在其他年份和月份中,不考慮其他影響因素,在科爾沁沙地典型地區流動沙丘內,TCI 與NDVI 呈明顯的負相關關系（圖2）。

圖2 NDVI 與TCI 關系

3 結論

本文運用歸一化植被指數和條件溫度指數,以科爾沁沙地2013-2017 年5-10 月份的遙感影像為基礎,分析了歸一化植被指數和條件溫度指數的關系,條件溫度指數隨著歸一化植被指數的增加呈下降趨勢。研究結果有助于植被覆蓋度與溫度的相關性研究,對研究條件溫度指數的影響因素具有一定的意義。