黃河流域ndvi時(shí)空變化特征

黃河流域ndvi時(shí)空變化特征

ndvi（歸一化植物指數(shù)）是反映植物吸收的有效光譜輻射比例的重要指數(shù)，通常由光線和近紅外段的反射率確定。NDVI對(duì)植被的生長勢和生長量非常敏感,NDVI可以很好地反映地表植被的繁茂程度,在一定程度上能代表地表植被覆蓋變化。因此NDVI常用來描述植被生長狀況,估測土地覆蓋面積的大小、植被光合能力、葉面積指數(shù)(LAI)、現(xiàn)存綠色生物量和植被生產(chǎn)力等,還可以用來估算區(qū)域蒸散量、土壤水和旱情分析等。近年來,針對(duì)NDVI與氣候要素(溫度、降水)的關(guān)系研究在全球變化研究中占有舉足輕重的地位。我國許多學(xué)者也利用NDVI研究中國植被與溫度、降水變化的關(guān)系,如陳云浩等計(jì)算了中國NDVI與氣溫、降水的偏相關(guān)系數(shù),探討氣溫、降水對(duì)NDVI的驅(qū)動(dòng)作用;李曉兵等與張遠(yuǎn)東等分別分析了我國典型植被類型和荒漠綠洲的NDVI與氣候或水文因子的關(guān)系;謝力等分析了我國NDVI對(duì)降水季節(jié)性和年際變化的敏感性;李本綱等也研究了我國NDVI與氣候因子的相關(guān)性。黃河流域處于我國半干旱半濕潤地區(qū),多年平均降水量在200~600mm之間,天然徑流量為580億m3,水資源短缺十分嚴(yán)重,生態(tài)環(huán)境也相對(duì)脆弱。隨著自然因素和人類活動(dòng)的影響,流域下墊面發(fā)生改變,其中植被覆蓋變化即能反映流域生態(tài)環(huán)境變化趨勢,也對(duì)流域降水徑流等有一定響應(yīng),探討黃河流域植被覆蓋變化與降水、徑流和泥沙等之間的關(guān)系是水文學(xué)關(guān)注的焦點(diǎn)之一。目前,對(duì)黃河流域NDVI空間變化及其與降水的相關(guān)性研究有了一定進(jìn)展,如孫睿、楊勝天等對(duì)黃河流域NDVI與降水、溫度關(guān)系進(jìn)行了探討。但這些研究多是分析NDVI與降水、氣溫的相關(guān)性,還沒有文獻(xiàn)對(duì)區(qū)域NDVI與徑流變化的相關(guān)性進(jìn)行研究。事實(shí)上,流域水資源利用具有區(qū)域性特征,研究每個(gè)水資源利用分區(qū)的NDVI變化特征及其與區(qū)域降水、徑流的相關(guān)性,探討區(qū)域NDVI對(duì)降水、徑流響應(yīng)的區(qū)域差異,更具有重要的現(xiàn)實(shí)意義?；邳S河流域水資源條件的區(qū)域差異性和河流體系的完整性,并考慮到水資源分區(qū)利用特征,本文首先把黃河流域(含內(nèi)流區(qū))劃分為16個(gè)分區(qū)(圖1),然后獲取黃河流域各分區(qū)NDVI和降水、徑流系列(1982~1998年)資料,詳細(xì)分析各分區(qū)NDVI時(shí)空變化特征,最后研究這些變化與降水、徑流和徑流系數(shù)等之間的相關(guān)關(guān)系。1數(shù)據(jù)來源和處理1.1原始逐季ndvi遙感數(shù)據(jù)處理本文NDVI來自于Pathfinder(探路者)的AVHRR-NDVI資料,分辨率為8km×8km,時(shí)間尺度為1982~1998年。獲得的NDVI資料是從3~253的整數(shù),使用前需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換成為介于-1~+1的數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)換公式為轉(zhuǎn)換值=(原始值-128)×0.008(1)為了獲得黃河流域1982~1998年NDVI的逐月變化,對(duì)原始逐旬NDVI遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行以下處理:以月為單位,對(duì)每月3旬的NDVI值通過國際通用的MVC(最大值合成)法處理,可以消除云、大氣、太陽高度角等部分干擾,保證NDVI反映的是每月地表植被覆蓋狀況,方法如下:NDVIi=max(NDVIij)(2)其中,NDVIi是第i月的NDVI值,NDVIij是第i月第j旬的值。該資料每年只有3~10月的NDVI(11~2月為冬季未進(jìn)行處理),而且1994年缺9~10月資料,本文采用相鄰年平均插補(bǔ)得到。在ARCVIEW軟件支持下,本文分別計(jì)算了黃河流域各分區(qū)逐月平均NDVI,然后以區(qū)域?yàn)閱卧M(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。1.2逐月降水量統(tǒng)計(jì)及分析根據(jù)黃河流域及其周邊區(qū)域共827個(gè)降水測站逐月監(jiān)測數(shù)據(jù),在ARCVIEW空間分析模塊支持下,采用Kriging球函數(shù)法插值方法得到黃河流域逐月降水量Grid圖,統(tǒng)計(jì)得到16個(gè)區(qū)域1982~1998年逐月降水量。各分區(qū)天然徑流量數(shù)據(jù)來自黃河水利委員會(huì)統(tǒng)計(jì)資料。年徑流系數(shù)由相應(yīng)區(qū)域的年降水、徑流得到。2歐洲洛流ndvi的時(shí)空變化2.1黃河流域的季節(jié)性變化計(jì)算黃河流域各分區(qū)1982~1998年平均NDVI逐月變化。圖2是黃河流域各區(qū)域平均NDVI年內(nèi)變化曲線?？梢娬麄€(gè)黃河流域和其中大部分區(qū)域多年平均從3月份開始逐漸升高,到8月份到達(dá)峰值(部分區(qū)域?yàn)?月),然后開始下降;其中黃河中下游部分區(qū)域如伊洛河流域、三花干流區(qū)間、沁河流域、龍三干流區(qū)間、北洛河流域、汾河流域在5月份之后下降,然后再逐漸增加;黃河下游則在3月份下降,到7月之后開始上升。引起這種現(xiàn)象的原因可能是受降水逐月變化的影響。2.2ndvi的周期選取黃河流域上游龍羊峽以上、蘭河干流區(qū)間、中游涇河流域、渭河流域和龍三干流區(qū)間、伊洛河流域、黃河下游以及整個(gè)黃河流域等8個(gè)典型區(qū)域,研究各區(qū)域NDVI年平均值的多年變化(圖3)。8個(gè)區(qū)域中,NDVI最高的為伊洛河流域和渭河流域,最低的為蘭河干流區(qū)間;從多年變化看,各區(qū)域NDVI表現(xiàn)出相似的波動(dòng),分別在1984、1987、1990、1993和1998年為峰值,1982、1986、1988、1992和1995年為谷值,表現(xiàn)出3年左右的周期性。計(jì)算各區(qū)域1982~1998年的8月、年平均NDVI平均增長趨勢(表2)。可見,17年平均,除了龍羊峽以上和三花干流區(qū)間8月份NDVI為下降趨勢外,其余區(qū)域8月份和年平均NDVI都呈增長趨勢。8月份增長趨勢最大的是蘭河干流區(qū)間(50×10-4/年),最小的為汾河流域(5×10-4/年);年平均NDVI增長趨勢最大的是黃河下游(56×10-4/年),最小的為龍羊峽以上(12×10-4/年)。這說明局部區(qū)域平均植被覆蓋下降,生態(tài)環(huán)境有惡化趨勢,如龍羊峽以上區(qū)域(8月份);但從整體上看,黃河流域植被覆蓋呈現(xiàn)上升趨勢,黃河流域生態(tài)環(huán)境有所改善。2.3ndvi的時(shí)空分布從圖2和圖3可知,各分區(qū)年NDVI值較大的區(qū)域是洮河流域、伊洛河流域和渭河流域,較小的區(qū)域是內(nèi)流區(qū)和蘭河干流區(qū)間,各分區(qū)存在明顯的差異。以1998年NDVI最大值8月份像元為例說明黃河流域NDVI的空間變化(見圖版1,圖4)?？梢钥闯?黃河流域上游阿尼瑪卿山(白河-黑河流域)、大坂山、烏拉山、呂梁山、秦嶺北坡、太行山西坡-太岳山、中條山、熊耳山、崤山、華山、子午嶺、黃龍山、六盤山-隴山、泰山等山區(qū)NDVI值較高,植被類型屬于森林和灌叢;葫蘆河上游河谷、寧蒙河套平原、毛烏素沙地、庫布奇沙地、鄂爾多斯高原最小,基本上為沙地、戈壁及部分灌區(qū);河源區(qū)、黃土高原大部、汾渭谷地、龍門-花園口之間干流河谷兩側(cè)、黃河下游等介于二者之間,屬于草地和農(nóng)田。對(duì)比黃河流域降水等值線圖,發(fā)現(xiàn)NDVI分布與降水量分布在大部分區(qū)域是一致的。樸世龍等分析中國1982~1999年的NDVI變化,發(fā)現(xiàn)NDVI減少地區(qū)主要在西北地區(qū)和青藏高原,而且上世紀(jì)90年代下降趨勢較80年代為大,這與西北沙塵暴頻發(fā),植被惡化有關(guān),如黃河流域的蒙陜寧長城沿線是沙塵暴的通道;NDVI增加地區(qū)主要在東部。楊勝天等研究也發(fā)現(xiàn)黃河流域各季節(jié)NDVI值總體上呈上升趨勢,春季上升速率最大(0.87%),汛期0.29%,伏旱期為0.38%,說明黃河流域植被覆蓋度逐漸增大,黃河流域平均增長0.58%。空間上,在鄭州以下黃河流域、黃土高原北部、毛烏素沙漠東部、蘭州-銀川之間以及阿尼瑪卿山一帶增長最快;黃土高原中部、晉陜峽谷中部、龍羊峽水庫周圍和河源區(qū)則下降,可能與干旱或人為破壞有關(guān)。3河流區(qū)域內(nèi)ndvi與降水和地表徑流之間的相關(guān)分析3.1ndvi與降水的相關(guān)性3.1.1ndvi與降水的相關(guān)分析分析黃河流域各分區(qū)逐月NDVI與逐月降水變化趨勢(圖略),發(fā)現(xiàn)除個(gè)別區(qū)域外,一般8月份NDVI達(dá)到最大值,而降水7月份達(dá)到最大值,總體上NDVI峰值要比降水峰值滯后1個(gè)月。以1982~1998年平均值為例,計(jì)算黃河流域各區(qū)域年內(nèi)逐月降水與NDVI的線性相關(guān)和對(duì)數(shù)(指數(shù))相關(guān)系數(shù),相關(guān)系數(shù)介于0.55~0.96之間,顯然黃河流域各區(qū)域平均NDVI與平均降水之間存在顯著的正相關(guān)。對(duì)整個(gè)黃河流域而言,平均線性相關(guān)系數(shù)為0.92,對(duì)數(shù)相關(guān)系數(shù)為0.95,表現(xiàn)出很高的相關(guān)性。3.1.2降水對(duì)草地植被的生長和年際變化的影響繪制黃河流域各區(qū)域NDVI平均值(3~10月)的距平值和降水平均值的距平值變化圖(圖略)。發(fā)現(xiàn)總體上NDVI波動(dòng)趨勢與降水具有一致性,而且有一定的滯后,在上游區(qū)域表現(xiàn)得更為明顯,說明植被對(duì)降水的反應(yīng)比較敏感,而且中上游區(qū)域主要以草地植被為主,草地對(duì)降水的反應(yīng)敏感。計(jì)算表明它們之間的相關(guān)系數(shù)相對(duì)較低,如蘭河干流區(qū)間相關(guān)系數(shù)最大,僅為0.56。孫睿等研究了黃河流域NDVI動(dòng)態(tài)變化與降水的關(guān)系,表明近年來黃河流域平均植被覆蓋度有增加趨勢(青藏高原例外),汛期降水量的多少對(duì)地表植被的年際變化起到主要作用,影響最顯著的是草原區(qū),森林和農(nóng)灌區(qū)則相對(duì)較小。而且發(fā)現(xiàn)黃土高原大部分地區(qū)、鄂爾多斯高原、河套平原以北以及青藏高原阿尼瑪卿山以北地區(qū)年降水與NDVI正相關(guān)系數(shù)比較大,因?yàn)檫@些區(qū)域天然草地植被對(duì)降水依賴程度高。森林區(qū)、農(nóng)田區(qū)則相關(guān)系數(shù)小。在源頭區(qū)等則出現(xiàn)負(fù)相關(guān),可能與融雪有關(guān)。3.2ndvi與徑向流的相關(guān)性3.2.1不同覆蓋度下天然徑流的變化計(jì)算黃河流域各分區(qū)1982~1998年逐月天然徑流量與NDVI平均值變化趨勢。各區(qū)域NDVI逐月變化與徑流量的變化趨勢相似,說明就年內(nèi)變化而言,植被覆蓋度的增加并沒有大幅度減少徑流量,因?yàn)閺搅髁康脑黾又饕c降水有關(guān),植被覆蓋對(duì)徑流的影響相對(duì)于降水的影響微乎其微。計(jì)算分析表明,各個(gè)區(qū)域的年內(nèi)天然徑流量與NDVI相關(guān)程度各不相同。以龍羊峽以上區(qū)域和黃河流域?yàn)槔?它們年內(nèi)天然徑流量與NDVI變化關(guān)系見圖5,二者線性相關(guān)較好,相關(guān)系數(shù)分別為0.94、0.92。3.2.2ndvi與孔徑的變化計(jì)算黃河流域各分區(qū)1982~1998年3~10月的月平均徑流量與月平均NDVI變化及其相關(guān)性(圖略)。結(jié)果表明NDVI變化趨勢與徑流量變化在某些時(shí)段變化趨勢相同,而且NDVI有一定的滯后。我們認(rèn)為這是因?yàn)閺搅髁亢蚇DVI都受降水影響,徑流量變化對(duì)降水變化反應(yīng)明顯而對(duì)植被覆蓋變化的反應(yīng)敏感程度稍低。對(duì)整個(gè)黃河流域而言,徑流量呈減少趨勢,NDVI卻為增加趨勢,但二者負(fù)相關(guān)性程度較差。3.3流域兩個(gè)區(qū)域ndvi變化的相關(guān)性植被覆蓋變化對(duì)徑流的影響還表現(xiàn)在對(duì)徑流系數(shù)變化的影響。以龍羊峽以上和黃河流域2個(gè)區(qū)域?yàn)槔?計(jì)算1982~1998年它們年徑流系數(shù)的變化和年平均NDVI的變化的相關(guān)關(guān)系,發(fā)現(xiàn)二者不具有明顯的相關(guān)性(圖略),說明植被覆蓋變化僅是影響徑流量系數(shù)的因素之一,NDVI的小幅度波動(dòng)對(duì)徑流系數(shù)變化影響不大。4ndvi與年際變化NDVI能大體反映地表植被覆蓋狀況。本文分析了黃河流域16個(gè)分區(qū)NDVI變化的時(shí)空特征,研究了這些變化與區(qū)域降水、徑流和徑流系數(shù)之間的相關(guān)性,主要結(jié)論如下:(1)黃河流域各區(qū)域NDVI年內(nèi)變化一般在7月或者8月達(dá)到峰值;17年平均,除了龍羊峽以上和三花干流區(qū)間8月份NDVI呈下降趨勢外,其余區(qū)域8月份和年平均NDVI都為增長趨勢,說明黃河流域的部分區(qū)域有惡化趨勢,但整體上植被覆蓋率呈現(xiàn)上升態(tài)勢,黃河流域生態(tài)環(huán)境有所改善。(2)各分區(qū)年NDVI值較大的區(qū)域是洮河流域、伊洛河流域和渭河流域,較小的區(qū)域是內(nèi)流區(qū)和蘭河干流區(qū)間,各分區(qū)存在明顯的差異。年NDVI與年降水的空間變化在黃河流域大部分區(qū)域是一致的,而且不同分區(qū)17年平均變化幅度不同。(3)從年內(nèi)變化看,