基于长时序遥感的京津冀森林物候特征分析.pdf

：引用格式：张王宽，孙永华，成星露，等基于长时序遥感的京津冀森林物候特征分析无线电工程，（）：，（）：基于长时序遥感的京津冀森林物候特征分析张王宽，孙永华，成星露，王一涵，王衍昭，曹许悦，（首都师范大学 水资源安全北京实验室，北京；首都师范大学 资源环境与旅游学院，北京；首都师范大学 城市环境过程与数字模拟国家重点实验室培育基地，北京；教育部三维信息获取与应用重点实验室，北京）摘要：森林是全球生态系统的重要组成部分，由于植被物候对于气候变化具有一定的敏感性，在全球气候变暖背景下，研究森林物候变化对深入理解陆地生态系统对全球气候变化响应方式具有重要意义。研究基于长时间数据，采用动态阈值法提取了京津冀地区年森林物候期参数，分析了近年来京津冀地区森林物候变化时空变化特征，利用同期降水和气温数据，进一步探讨了森林物候对气候要素变化响应。结果如下：京津冀地区森林物候具有明显的纬向空间分布特征，即纬度每上升，生长季开始时间（）、生长季结束时间（）和生长季长度（）分别推迟 、提前 和缩短 。为，为，为 ；年森林年际变化率为 ，年际变化率为 ，年际变化率为 ；海拔每上升，推迟 ，提前 ，缩短 ；平原地区的森林物候变化幅度比在其他地貌的变化幅度更大；森林受冬季（次年月）降水和温度影响，主要受到月温度和降水的影响。关键词：京津冀地区；植被物候；气候变化；时空变化；中图分类号：文献标志码：开放科学（资源服务）标识码（）：文 章 编 号：（），（，；，；，；，）：，：，（），（）（），收稿日期：基金项目：北京市卓越青年科学家计划（）；国家重点研发项目（，）：（）；（，）专题：长时序定量遥感产品重建与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期 ，（）；，；（），：；引言植被物候包括发芽、叶片膨胀、开花、叶片变色和落叶，是指受环境因素和人类活动影响的一年生自然现象。植被物候与植被本身的生存和繁殖密切相关，对维持物种群落的生态多样性具有关键作用。植被物候作为气候变化的重要指标，能够影响陆地和大气之间的碳和水的交换，对于指导农事以及安排农业生产等活动具有重要意义。近年来，全球气候变化剧烈，由于植被物候能够有效提供关于全球气候变化以及气候变化引起的植被周期变化的相关信息，研究者们开始关注气候驱动和植被物候反应之间的关系。目前，植被物候监测方法主要分为人工监测和遥感监测种。人工监测依赖于人工野外观察并且记录单株植物的物候信息，虽然操作简单但是需要耗费大量的人力和物力，同时难以实现大面积长期监测，而遥感监测能够有效克服这些问题，并且实现对植被物候观测的对象从单株植物到区域的植被生态系统，进一步加强人们对于生物圈和大气圈之间相互作用机制的认识，更加全面地了解全球变化和陆地生态系统之间的关系，有效弥补了传统人工检测的不足。目前已经有大量学者通过遥感监测的方式进行大范围植被物候变化研究。如王莹莹等利用数据提取中国温带地区植被物候，研究物候变化对总初级生产力的影响；丛楠等利用归一化差值指数反演北半球中高纬地区植被春季物候开始日期，并进一步探讨植被物候变化的气候驱动因素；邓晨晖等通过遥感数据反演秦岭山地植被物候变化时空特征和南北差异，进一步揭示了不同类型植被在不同海拔地区物候变化规律。国外学者通过遥感方式对大面积农业区域植被物候进行反演，解释了耕地种植物对气候变化的响应方式。京津冀地区是我国北方重要的经济中心，随着京津冀地区一体化进程加快，地区生态环境建设越来越重要。在全球气候变暖背景下，研究京津冀地区森林物候变化以及对气候变化相应方式能够对京津冀地区的生态环境保护、生态安全评价和如何应对气候变化提供有效决策。因此，本文研究的主要目标是：分析年期间京津冀地区森林物候变化的时空特征；研究京津冀地区森林在不同地貌和海拔的物候变化规律；探讨影响京津冀地区森林物候变化的关键因素。研究区和数据来源 研究区域京津冀地区位于中国华北平原北部（，），整个区域的总面积约为 万，拥有大约 万常住人口。京津冀地区主要包括北京市、天津市和河北省，区域内海拔在 以下，地形起伏较大，西北部地区地貌以山地为主，东南地区则大多数为平原，呈现出西北高、东南低的空间分布格局。由于受到半湿润干旱大陆性气候的影响，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥。年平均降水累积量为 ，平均气温为。西北部地区土地利用类型主要以林地和草地为主，东南部则以耕地为主。数据来源研究使用 产品作为监测遥感物候变化的数据源，该产品的空间分辨率为，周期为，全年划分为个时段。该数据集包括个植被指数：归一化差异植被指数（）和增强植被指数（），实验选取年提取京津冀地区森林物候特征。研究使用了年的土地利用数据集，该数据来自于，时间分辨率为年，空间分辨率为，共包括种土地利用类型。实验把数据集中常绿阔叶林、常绿针叶林等土地利用类型合并为森林。为了消除土地利用类型变化对森林物候特征提取结果造成的影响，以及其他类型植被的影响，实验选取年间具有相同类别的森林像元，利用重分类后的数据对获取的 产品进行掩膜处理，以提取研究区林地。专题：长时序定量遥感产品重建与应用 研究使用的气候数据包括降水量和气温数据。气温数据来自数据集，该数据集的空间分辨率为，时间分辨率为个月。降水数据使用，因为该降水产品具有更高的空间分辨率（），且已经被验证能够更好地反映中国区域的干湿状况和变化特征，适用性更强，其时间分辨率为个月。地貌数据来自于资源环境科学中心与数据中心的中国万地貌类型空间分布数据。高程数据来源于的，空间分辨率为。研究方法 时间序列数据的预处理 产品已经对数据进行了预处理，但遥感数据采集时由于云、雪和冰的污染造成大量噪声仍然保留，导致植被指数时间序列曲线的周期性变化趋势不明显。因此，需要采用曲线平滑的方法对植被指数时间序列进行去噪和平滑处理。常用的时序数据重建方法有滤波（滤波）、非对称高斯（）、双逻辑蒂斯（）等。与其他方法相比，使用滤波重建后的时序数据能更好地反映时序数据中的波峰和波谷特征，因此研究采用滤波方法对时间序列进行平滑处理。滤波计算如下：，（）式中：为重建后的时序数据，为原始的时序数据，为滤波系数，为滑动窗口。植被物候期提取目前，植被物候指标提取的方法主要可分为阈值法、曲线特征法和数学分析法三大类。其中，阈值法利用植被指数到达某一阈值时的日期作为植被物候期；曲线特征法通过数据曲线变化特征来提取植被物候期；数学分析法采用数学模型来提取植被物候。研究以生长季开始（，）、生长季结束（，）以及生长季长度（，）作为植被物候特征的识别指标。用儒略历（）计算法对植被的物候期进行统计分析。与其他物候特征提取方法相比，动态阈值法更适用于提取具有显著不同物候参数的大尺度区域中的植被物候特征，因此，实验采用动态阈值法提取植被物候参数。动态阈值法公式如下：（），（）式中：为阈值，为上升阶段的最大值，为递减阶段最小值，为系数。根据相关研究，和的系数均设置为，则为与之间的日期差值。植被物候特征趋势分析研究采用斜率估计法计算京津冀地区年的森林物候变化趋势，结合（）趋势检验法对变化趋势进行显著性检验。斜率估计法与趋势检验相结合已广泛应用于植被长时间序列分析。与线性回归分析的方法相比，斜率估计法不需要遵循特定的分布，可以有效避免异常数据的影响。因此，选用该方法来计算植被的物候变化趋势。斜率估计法计算如下：()，（）式中：为植被物候变化趋势，、分别为第年和第年的物候特征值。检验是一种单调趋势的非参数方法，用于评估物候趋势的显着性，公式如下：（槡），（槡），（）式中：（），（），（）（）（），为时间序列的长度，取值（，），在给定显著性水平下，当 ，时，拒绝原假设，即趋势显着；相反，则意味趋势不显着。在研究中，设定为。相关性分析通过参考相关学者的研究结果，分别选取植被的和前个月的气温和降水量作为气候因子，采用斯皮尔曼秩相关分析法来研究不同类型植被物候变化的驱动力。具体而言：评价了前一年月、当年月气温和降水量与的相关性；评价了当年月的气温和降水量与的相关性。计算如下：专题：长时序定量遥感产品重建与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期 （）（）（）（）槡，（）式中：为第年的气候数据，为第年的物候参数。按大小划分为：不相关（）、弱相关（）、中等相关（）和强相关（）。采用检验物候参数和气候因子相关性的显著性。结果 植物物候多年均值的空间分布特征根据中国生态系统研究网络植被物候观测数据集以及相关学者提供的观测资料和研究成果，通过北京站点的木本植被物候观测数据确定森林为第 ，为第 。研究提取森林为第 ，为第 ，与上述验证数据基本一致。根据京津冀地区物候特征多年计算结果可知，京津冀地区森林物候自南向北随纬度而变化，但是由于不同区域的地形和气候差异，森林物候特征表现出明显的空间差异性。研究区内森林的、和分别呈现明显的从南往北逐渐推迟、提前和缩短的纬向空间分布特征。纬度每上升，约推迟，提前，缩短。全区森林主要发生在 ，平均为。但是，在北京的北部和河北南部地势较为平缓地区的森林早于，约占 的森林总面积；而在河北北部纬度和地势较高地区的森林则晚于，约占的森林总面积。区域内森林主要发生在 ，平均为。其中，森林晚于发生的区域与森林早于的区域基本一致。全区森林集中在 ，平均为，明显呈现出西北短、东南长的空间特征。少部分森林小于 发生在纬度和海拔较高的山区，约占森林总面积。森林物候年际变化特征图是京津冀地区森林物候参数年际变化时间特征。年间，全区森林呈现提前趋势，平均速率为 ；呈现延迟趋势，平均速率为 ；呈现延长趋势，平均速率为 。京津冀地区在年间森林物候年际变化存在明显的空间分布特征。其中，全区森林变化趋势以提前为主，占森林总面积，大部分区域森林提前 和 ，分别占和。经过显著性检验分析，森林变化趋势达到显著性区域仅占。其中，显著提前趋势占（，下同），主要位于北京和河北的平原和山地区域；显著推迟趋势仅占，且集中在海拔较高的地区。全区森林变化趋势以推迟为主，占。其中，以推迟 的为主，占，其次为推迟 ，占。森林变化趋势达到显著性的区域占，发生区域与显著提前趋势相似，且以显著推迟为主。变化趋势以延长为主，占总面积，大部分区域延长 ，占。具有显著变化趋势的区域占，且基本为显著延长。显著延长发生区域与显著提或显著推迟区域相似，还有小部分发生在丘陵地区。图森林物候参数年际变化特征 森林物候在不同地貌和沿海拔梯度变化特征京津冀地区地貌以平原和山地为主。图展示了不同地貌森林物候参数年际变化特征。由图可以看出，近年来，京津冀地区不同地貌森林物候变化趋势基本一致。森林在不同地貌区域均呈现提前趋势，年际变化率最快的是平原地区（），其他地貌依次为丘陵（）、台地（）和山地（）。在所有地貌均呈现显著延迟趋势，其中平原和丘陵地区年际变化率均是 ，其次为台地（）和山地（）。在所有地貌均呈现延长趋势，年际变化变化率依次为平原（）、丘陵（）、台地（）和山地（）。这表明，年间京津冀地区平原地区森林物候变化幅度比其他地貌更大。京津冀地区森林物候参数随海拔升高呈现明显专题：长时序定量遥感产品重建与应用 的规律性变化，如图所示。随着海拔的升高，、和分别呈现显著的推迟、提前和缩短趋势。海拔每上升，推迟 ，提前 ，缩短 。同时，个物候参数在海拔小于，以及海拔大于 的地区随海拔变化规律性并不明显，这可能是因为海拔低的区域受城市热岛效应影响，而海拔高的区域气温常年较低且多强风，气候变化不稳定。（）不同地貌年际变化特征（）不同地貌年际变化特征（）不同地貌年际变化特征图不同地貌森林物候参数年际变化特征 （）森林多年均值与海拔关系（）森林多年均值与海拔关系（）森林多年均值与海拔关系图森林物候参数多年均值与海拔关系 森林物候变化与季前气候因子的相关性分析森林受到不同季前气候因子的影响具有明显的差异性，如图（）所示。可以看出，主要受到当年、月以及前一年月的温度的影响，三者与相关系数分别为、。同时，前一年、月以及当年、月的降水量对也有一定的影响，相关系数分别为 、。上述结果表明，该地区内的专题：长时序定量遥感产品重建与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期 植被容易受到季前月内的温度和降水的影响，该时间段内温度升高和降水增多均容易引起植被的提前。森林受到季前气候因子影响也不尽相同，如图（）所示。主要受到月和月气温影响，相关系数分别为 和，月气温（相关系数）也有一定影响。除此之外，夏季（月）的降雨量对有明显的影响，相关系数分别为 和，月降雨量（相关系数）影响较弱。上述结果表明，该地区植被的变化主要受到夏季（月）和月气温和降水影响，该时间段内温度的升高和降水增多均容易导致的延迟。（）森林与季前气候因子相关性（）森林与季前气候因子相关性图森林和与降水温度之间的相关系数 讨论年间京津冀区域提前、延迟和延长，这与全球大环境背景下、和的变化趋势是一致的，与该地区内的气候因素和大环境下的气候因素对于植被物候变化影响方式有关。同时，全球尺度下，、和的年际变化率分别为 、和 ，三者年际变化率均比研究区内的森林物候参数年际变化率要小，这表明京津冀地区的森林相比全球背景下的植被在年间受到气候因素的影响程度较大，物候变化幅度也较大。与其他研究结果一致，季前温度是影响植被物候的主要因素之一。但是，研究结果表明，在京津冀地区，季前降水对于植被物候变化同样起着重要的作用。这是由于降水对于植物物候期的影响在热带和干旱地区更明显，而北方地区降水量少，干旱会导致植物物候期延迟，因此当干旱发生时，植物无法利用光、热等条件，进而导致降水成为植物物候的重要因素。此外，由于不同区域内不同植被对于降水的需求的不同，在南方降水较多区域，植被在潮湿条件下可以茁壮成长发育；而北方地区植被较为耐旱。因此，无论降水量或多或少都会对植被和产生影响。这些结果均表明，物候变化对于气候变化的响应是复杂，影响物候变化的因素因地区而异，且控制植被物候的气候因素在不同地区也不尽相同。研究综合利用土地利用数据、数据等，分析了年京津冀地区森林物候的时空变化特征和驱动因素。研究仍然存在一些问题，气候因素，包括气温、降水和日照时长等均可以用来解释植被物候的变化，其中降水和温度被广泛认为对物候变化起关键作用。因此，研究仅对降水和温度对研究区内森林物候的影响进行了分析。但实际上，除了自然因素外，人为因素也对植被物候变化产生一定的影响，例如由于城市化引起的人口密度增加、二氧化碳浓度上升以及城市热岛效应等。因此，除了自然因素外，在后续的工作中将进一步关注在全球变化背景下，植被物候对自然环境变化和人类活动的综合响应，研究城市化进程包括城市空间扩张、人口变化等因素对城市周围植被物候的影响机制。结论京津冀地区森林物候具有明显的纬向分布专题：长时序定量遥感产品重建与应用 特征，主要表现为随纬度每上升，、和分别推迟 、提前 和缩短 。研究区森林集中在月下旬月下旬（，平均为第）；则集中在月（，平均为第）；集中在 ，平均为。年间，京津冀森林物候变化趋势具有明显的空间分布特征。时间上，全区平均呈现提前趋势，年际变化速率为 ；呈现推迟趋势，年际变化速率为 ；呈现延长趋势，年际变化速率为 。空间上，提前区域占全区，延迟区域占，延长区域占。随海拔上升，森林物候变化呈现明显的规律性。海拔每上升，、和分别推迟 、提前 和缩短 。森林在海拔较低的平原地区比在其他地貌区域变化得更加明显。通过斯皮尔曼秩相关分析，结果表明京津冀地区森林物候受季前温度影响明显，同时也受到季前降水变化影响。提前主要受到冬季（次年月）温度升高的影响，同期降水增多对提前也有一定促进作用；延迟主要是由于月气温上升，以及同期降水增多引起。?参考文献竺可桢，宛敏渭物候学长沙：湖南教育出版社，莫非，赵鸿，王建永，等全球变化下植物物候研究的关键问题生态学报，（）：，（）：，：王莹莹，袁金国，张莹，等中国温带地区植被物候期时空变化特征及对总初级生产力的影响遥感技术与应用，（）：丛楠，沈妙根 年基于卫星数据的北半球中高纬地区植被春季物候动态及其与气候的关系应用生态学报，（）：邓晨晖，白红英，马新萍，等 年秦岭山地植被物候变化特征及其南北差异生态学报，（）：，（）：刘良云，张肖 年全球米地表覆盖精细分类产品（）：，?，：，（）：，（）：肖潇，邱新法，徐金勤基于数据集的年中国干湿气候变化特征长江科学院院报，（）：王乾坤，于信芳，舒清态，等 时序数据重建方法及拟合分析地球信息科学学报，（）：项铭涛，卫炜，吴文斌植被物候参数遥感提取研究进展评述中国农业信息，（）：马新萍，白红英，贺映娜，等基于的秦岭山地植被遥感物候及其与气温的响应关系 以陕西境内为例地理科学，（）：，（）：，：，：，（）：，（）：蔡博峰，于嵘基于遥感的植被长时序趋势特征研究进展及评价遥感学报，（）：专题：长时序定量遥感产品重建与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期 宋创业，张琳，吴冬秀，等 年植物物候观测数据集中国科学数据，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：王连喜，陈怀亮，李琪，等植物物候与气候研究进展生态学报，（）：，（）：，：，（）：，：作者简介张王宽男，（），硕士研究生。主要研究方向：生态遥感。（通信作者）孙永华男，（），博士，副教授。主要研究方向：高光谱遥感、城市遥感和软件工程。成星露女，（），硕士研究生。主要研究方向：遥感地物分类。王一涵女，（），博士研究生。主要研究方向：湿地遥感。王衍昭男，（），硕士研究生。主要研究方向：遥感技术与应用。曹许悦女，（），硕士研究生。主要研究方向：软件开发与应用。专题：长时序定量遥感产品重建与应用