珠江流域植被NDVI对陆地水储量的响应分析.pdf

第25卷第1期2023年3月测绘技术装备Geo ma tic s Tec h n o l o gy a n d Eq u ipmen tVo l.25 Nr.1Ma e.2023珠江流域植被NDVI对陆地水储量的响应分析陈昇#，付亚梁2（1.梅州市地质环境监测站，广东梅州514000；2.梅州市国土空间规划编制研究中心，广东梅州514200）摘 要摘 要：本文基于GIMMS与重力恢复和气候实验%Gr a v ity Rec o v er y An d Cl ima te Ex per imen t,GRACE）卫星遥感数据，利用相关分析和自回归模型等方法分析了 2002 2015年珠江流域归一 化差值植被指数 No r ma l ized Differ en c e Vegeta tio n In d ee,NDVI）变化特征及其对陆地水储量的响 应。研究表明,2002 2015年珠江流域NDVI年均值为0.67，总体上呈缓慢波动上升趋势，增速 为0.21%/a,流域整体植被覆盖较好。珠江流域大部分地区的NDVI表现出缓慢上升趋势，植被覆 盖度较高的地区主要分布在流域的北部和中部及海南岛等，较低区域主要分布在流域的西部和东 南部等，植被绿度下降区域零星、碎片化分布于流域东北部及西部等区域。植被NDVI和陆地水储 量距平值 Ter r estr ia l Wa ter Sto r a ge An o ma iy，TWSA）的相关性整体较高，呈显著正相关的面积占比 为88.12%，主要分布在珠江中部和西北部地区；海南岛和流域的东北部地区植被NDVI和TWSA 相关性较弱。珠江流域43.2%的植被像素表现出较强的恢复力稳定性，而68.3%的植被像素对 TWSA的抵抗力稳定性较强。植被对TWSA的抵抗力稳定性表现显著的较强区域主要分布在流域 东部、中部和北部等地区，而珠江流域的西部、西北部和西南部等区域的植被则对TWSA变化较 敏感。关键词关键词：归一化差值植被指数；陆地水储量距平值；时空变化;相关分析;珠江流域中图分类号中图分类号:P964DOI：10.20006/j.c n k i.61-1363/P.2023.01.003Response of veget at ion NDVI t o t errest rial wat er st orage in t he Pearl River BasinCHEN Sh eng1,FU Yaliang2（1.Meizh o u Gec-en v ir o n men ta l Mo n ito r in g Sta tio n,Meizh o u,Gu a n gd o n e 514000,Ch in a；2.Meizh o u La n d Spa tia i Pl a n n in g&Resea r c h Cen tr e,Meizh o u,Gu a n gd o n e 514200,Ch in a）Abst rac t：Th is pa pee,ba sed o n GIMMS a n d GRACE sd il l ite r emo te sen sin g d a te,u ses c o fel a tio n a n a l ysis a n d a u to r ec r essiv e mo d et to a n a l yee th e c h a n ge c h a r a c ter istic t o f NDVI a n d its r espo n se to l a n d wa ieesio ea geo n ih ePea eeRo eeeBa so n teo m 2002 io 2015.Th e eesu eis sh o wed ih a iih ea eeea gea n n u a e NDVI v v l u e is 0.67 in th e Ba sin fr o m 2002 to 2015,wh ic h gen er a l ty sh o wed a sl o w a n d fl u c tu a tin g u p tr en d,with a gr o wth r a te o f 0.21%/a.Th e Ba sio a s a wh o l e h a s go o d v eeeta tio n c ev er a ge.NDVI io mo st a r ec s o f th e Ba sin sh o wed a sl o w u p tr en d.Th e a r ec s with gr egter v eeeta tio n c ev er a a e a r e mtn l y d istr ibu ted in Uic n o r th er n a n d c en tr a a pa r ts o f th e Ba sin a n d Ha in a n Isl a n d,a n d Uic l o wee a r ea s a r e ma in ey d istr ibu ted in th e wester n a n d so u tUec stem pa r ts o f Uic Ba sin,th e d ec l in in g v eeeta tio n gr een n r s a r ec s a r e sc a tter ed in th e n o r th ec st a n d west o f th e Ba sio.Th e c o v el a tio n between v eeeta tio n NDVI a n d TWSA is gen er a l iy h igh,a n d th e po sitiv e c o v el a tio n a r es a c c o u n ts fo r 88.12%o f th e to ta i a r es,ma in iy d istr ibu ted in th e c en tr a i a n d n o r tUwestem pa r ts o f th e Pec r t Riv ee.Wh iie it is po o r in Ha in a n Isl a n d a n d th e n o r th e stc n pa r t o f th e Ba sin.In tUe Ba sin,43.2%o f v eeeta tio n pix el s sh o wed str o n g r esil ien c e stabil ity,wh iie 68.3%o f v egeta tio n pix eis sh o wed str o n g r esista n c e sta bil ity to TWSA.Th e sign ific c n t stabil ity o f v eeeta tio n r esista n c e to TWSA wer e ma in iy d istr ibu ted I th e ysWm,c en tr a i a n d n o itUer n pa r ts收稿日期：2021-12-13第一作者简介:陈昇，工程师，主要从事“3S”集成与应用方面的工作 12测绘技术装备第25卷o f Wv Pea r C Riv a c Ba sin,wh il e th e v ea eta tio n in th e wester n,n o r th west a n d so u th wester n pa r ts o f th a Basin wer e mo r e sen sitiv e to TWSA c h a n ges.Keywords：NDVI;TWSA；spa tia l-Wmpo r a i d istr ibu tio n；c o r r el a tio n a n a l ysis;Pea iC Riv a c Ba sin1引言植被对自然生态系统和人类生产生活具有极其 重要的作用。目前，对长时序的植被变化监测及其 对环境要素的响应分析已成为全球变化研究中的热 点内容（1-2打水分条件是植被健康生长的先决条 件，因此，探索植被覆盖度和水分条件之间的响应机 制对理解生态系统碳循环具有重要意义，并可为流 域生态可持续发展提供技术支撑大量研究表明，影响植被变化的水分条件主要有 降水、土壤水分、冰雪融水和地下水等（3-5。降水是 最常用的指标，然而降水只能体现植被变化与水分条 件之间响应关系的间接信息，植被所利用的水分非常 有限，大部分降水以径流或土壤蒸发的形式从生态系 统中流失，只有根区的土壤水分得到植被的有效利 用。因此相比之下，土壤水分对植被生长变化有直接 影响。然而，根区土壤水分的检测存在较大的不确定 性，通过地表模型的估计也受到准确性的制约（6打 最近的许多研究发现，植被生长变化对陆地水储量较 敏感,陆地水储量可以捕捉到植被NDVI的季节变化 和年际变化信息（I通过现场调查可以获得高精 度的陆地水储量监测值,但是这种方式耗费大量的人 力和物力，无法实现大范围监测。GRACE卫星可有 效弥补上述方法的不足,能够监测区域甚至全球尺度 陆地水储量的时空变化。GRACE卫星量化陆地水储 量的遥感机理是通过推算地球表面的重力场密度变 化,陆地区域重力场密度变化主要是由水储量的变化 导致的，将这种变化转化为等效水柱的高度变化。所 以，从水文学角度看，陆地水储量包括地下水、土壤 水、地表水和植被冠层含水量。由GRACE卫星得到 的陆地水储量通过处理可以得到TWSA信息。TWSA 通常被应用于局部地区或全球尺度的水储量变化评 估、干旱监测、地下水监测、海平面变化评估等（10%相比于水分条件的调查与监测，植被信息遥感监测具 有相对成熟的技术和方法，本文利用最常用的甚高分 辨率扫描辐射计（Ad v en c ed Ver a High Reso l u tio n Ra-d io meter,AVHRR）NDVI对珠江流域植被信息变化进 行监测以往对珠江流域植被NDVI的变化研究多局限 于对气候要素的响应分析目前，国内外学者利用 长时序数据探究植被变化与TWSA的响应关系较 少，难以为珠江流域生态环境保护提供可靠的理论 支撑因此，本文利用TWSA作为指标研究植被信 息变化与水分条件的响应关系,并针对GRACE数 据存在的周期性数据缺失和粗空间分辨率的缺点,利用基于模型的降尺度研究方法对GRACE数据进 行降尺度处理，得到连续的、更精细化的时序数据，进一步分析全球变化背景下该区域内植被变化特征 及其对TWSA的响应，为珠江流域科学、可持续发 展提供理论支撑2数据和方法2.1研究区研究区珠江流域面积为453 700 k m2，地势由西北向东 南逐渐递减流域地处热带、亚热带季风区,气候温 和且降水充沛主要的植被类型有热带、亚热带常 绿针叶林,栽培植被和稀树灌木草原等 2.2遥感数据及预处理遥感数据及预处理本文采用GIMMS NDVI遥感产品数据，此数据 集空间分辨率为8 k m,重访周期为15 d%文中采用 最大值合成方法将GIMMS NDVI数据合成月时间 序列数据集本文使用的陆地水储量数据为喷气推 进实验室利用GRACE重力卫星生成的2002 2015年月平均TWSA数据，其数据空间分辨率为 1,距平基线为20042009年月平均陆地水储量 对原始空间分辨率为1的TWSA数据进行降尺度 处理，以0.25的GLDAS_ No a h陆地水文模型为依 据对TWSA数据进行降尺度处理，降尺度后TWSA 的空间分辨率由1精细化到0.25%最后利用 Ar c GIS模型工具将GIMMS NDVI时间序列数据统一 重采样到0.25,实现多源数据空间分辨率的统一 2.3研究方法研究方法2.3.1 GRACE降尺度方法对 GRACE 数据周期 数据缺失 间分辨 率低的缺点，本文利用WAN等11基于模型降尺度 的方法对GRACE数据进行降尺度处理，得到连续 的空间分辨率为0.25的月TWSA时序数据集2.3.2 相关分析法本文利用Pea r so n相关分析方法量化植被NDVI 与TWSA之间的相关程度，通过计算相关系数可以第1期陈昇，等:珠江流域植被NDVI对陆地水储量的响应分析13有效地 两者之间的响应程度。2.3.3自回归模型当 植被对影响要 化的短期 时，应 长期 季节成分的 首，通过月测值与月 值之间的差值，NDVI的月距值;其次，将NDVI和TWSA的月 数据进行z-s c ore标准化;最后，将上 量 自回归模，量化珠江流域。本文将模型中的气象要 量替换为TWSA 12o通 I型以 力 指标力 指标#，式：?=r?_1+#r TWSA,+$6式中：？为t时刻植被NDVI序列数据,TWSA,为t时 TWSA序列数据，和#为稳定性指标，其表达含 1所不。表1 植被稳定性度量指标的意义Tab.1 Signidc anc c of t he veget at ion st abil it y measurement index度量指标系数对值的义 的义绝对值越大恢复力越低,说明植被从之 正值表征NDVI变化与之前时刻的变化相似前的扰动中恢复较慢 负值表征NDVI变化与之前时刻的变化相似，但趋势相反正值表征TWSA大于均值，引起正的NDVI响应绝对值越大代表对TWSA变化的抵抗力较低负值 TWSA小于 值，负的NDVI响应表示生态系统的恢复力稳定性。越大，当 前的NDVI变化值与之前的NDVI变化值 强的，的 力 越低，植被恢，之 然。#NDVI变化对TWSA的 力。#对值越大,植被对影响要:化的响应越敏感，力 越低，反之然。3结果及分析3.1珠江流域植被NDVI时空分布及变化特征3.1.1 NDVI时间变化特征对珠江流域月NDVI时序影像数据逐像元求均 值 年NDVI均值随时间变化的分布图(图1)%20022015年珠江流域的NDVI均值分布在0.63 0.69之间，值为0.67，植被 度处于较高水 平。NDVI总体上 出 上升的趋势，增速为 0.21%/，年际出 大波动。20022015年 珠江流域植被NDVI出现2 的减少时间段(20042005年和20112012年)，近14年珠江流 域植被 转好,NDVI值在2015年值。3.1.2 NDVI空间变化特征按照前人的研究并结合研究区的特点，本文将 研究区植被覆盖划分为无植被覆盖区(NDVI#0.2)、极低植被 区(0.3 NDVI 0.4)、低植被 覆盖区(0.4 NDVI 0.5)、中植被覆盖区(0.5 NDVI 0.6)、高植被覆盖区(0.6 NDVI 0.005为增加趋势,S -0.005为减%珠江流域植被NDVI在绝大多数地区都表 现出上升的趋势，变化斜率处于-0.01 0.02之 间。植被NDVI上升区域主要分布在珠江流域的中 部、西 部 等大部分地区，区域仅零星、碎片化分布于流域 部及西部等小部分区域，流域植被 度，14年14测绘技术装备第25卷珠江流域 植被覆盖水平逐年提高，生态环境不善。3.3$TWSA NDVI3.3.1$TWSA间分布上，珠江流域的陆地水储量 上呈出以北部和中部为中心向外递减分布的 流域的北部和中部等地区陆地水储量，多年距值较高;西部 部及 等地区陆地水储量较低，多年 值为负值。在像元尺度上对20022015年珠江流域植被 TWSA进行 分析。珠江流域的陆地水储量变化规，20022015年 珠江流域TWSA都 出 的趋势，而北部地区 出快速增长，流域的南部和西部地区 出 长%为:快速增长的区域主要分布在流域的部 部等地区，最大变化率约为0.86 mm/a,南部和西部地区TWSA 长，变化率均大于 0.3 mm/a%3.3.2 植被NDVI与TWSA的关系图2表示月NDVI距平值与月TWSA随时间的 变化%从化曲线中可以看出,20022015年 珠江流域NDVI和TWSA.的季节性变化规，都 出先上升后 的，其中最大值出现在夏季 20022015年珠江流域TWSA 出先后上升的，NDVI 出 上升的，两者的变化过程 似，说 植被NDVI的年际和年 化特点与TWSA 致性,为%3202702201701207020-30-80口 TWSAO NDVI0.500.450.400.350.300.250.200.150.100.050.000 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 20022015年累积月份图2 20022015年珠江流域月NDVI距平值与TWSA的变化曲线Fig.2 Change c urves of NDVI anomal y and TWSA in t he Pearl River Basin from 2002 t o 2015逐像元计算20022015年珠江流域植被NDVI 与TWSA之间的相关系数，发现NDVI与TWSA的 响应 的空间 数分布在00.91之间，植被NDVI与TWSA 正 的面积占总面积的88.12%，表明研究区大部分区域植 被NDVI与TWSA 强的,TWSA对植被生长的影响显著,主要分布在珠江中部和西北部 地区，区域TWSA对植被生长 积极的作 用 小的区域主要分布在 流域的部地区，地区的TWSA对植被生长影响较小,植被 长 于 TWSA%3.3.3 珠江流域植被生态系统的稳定性恢复力 度量指标越大，当前的NDVI变化与之前的NDVI变化 强的，生态系的 力 越低，植被 越 珠江流域43.2%的植被像素显示出强烈的恢复力稳，植被 的度量指标在南部、北部和部等地区表现出较强 力，而在 部的大部分区域 出较弱的 力稳%主要是由于珠江流域 水充沛，部分地区植被四季常绿，前一时间段的植被与当前 的植被 高，植被 效应明显，导致 系力 低%力 度量指标#越大,植被对环境变 量变化的响应越敏感，植被 力 越弱珠江流域68.3%的植被像素对TWSA的抵抗力稳定 强,植被对TWSA的 力 区域主要分布在珠江流域 部、中部 部等地区%植被对 TWSA 力 弱的区域主要分布在珠江流域的西部、西 部 西 部地区%是 于流 第1期陈昇，等:珠江流域植被NDVI对陆地水储量的响应分析15域东部、中部等区域降雨充沛,主导这些区域植被生 长的水分条件是降水，所以这些区域对TWSA的变 化不敏感。珠江流域的西部、西北部等地区分布有 大量的林区灌木,降水相对较少,植被生长主要依靠 地下水、土壤水分等，这些区域对TWSA的变化则 高度敏感。4结束语20022015年珠江流域植被NDVI总体上呈缓 慢增加的趋势，表明区域植被覆盖度不断增加,生态 环境逐年改善。流域大部分地区植被NDVI与 TWSA相关性较高，只有少数地区相关性较弱。珠 江流域90.2%的植被像素显示出较强的恢复力稳 定性，而87%的植被像素则对TWSA的抵抗力稳定 性显著。植被抵抗力稳定性显著区域主要分布在流 域东部、中部和北部等地。不同地区植被NDVI对TWSA的响应是复杂 的，人为活动,例如农业灌溉、水资源调度等都会影 响这种响应机制。目前，对两者之间的响应还缺乏 大量系统的分析和研究，之前的研究多集中于流域 植被NDVI与降水的响应分析，没有考虑到其他可 用性水指标的影响,例如非降水源(土壤水、地下水 和地表径流等)。本文选取TWSA数据，揭示了珠 江流域植被 NDV 对 TWSA 的响应，对植被 NDVI与水热条件响应研究进行补充。参考文献(1 KONG D,ZHANG Q,SINGH V P,el a i.Sea so n a i Vey-eia io o n Reipo n ie io Cio ma ie Ch a n ye o n ih e No eih een Hemisph er o(1982-2013)J.Gl o ba i a n d Pl a n eta r y Ch a n ye,2017!148#:1-8.2 LONG D,YANG Y T,WADA Y,et a i.Der iv in y Sc a l in y Fa eio e iUio n ya Gio ba iHyd eo io yo ea iMo d eiio Reiio ee GRACETo ia iWa ieeSio ea yeCh a n yeio o eCh o n a a iYa n yiee Riv er Ba sin J.Remo te Sen sin y o f En v ir o n men t,2015(168):177 193.3 金凯,王飞，韩剑桥，等.19822015年中国气候变化 和人类活动对植被NDVI变化的影响J 地理学报,2020,75(5):961-974.4 SUN W,SONG X,MU X,et a i.Spa tio tempo r a l Veo eta tio n Co eeo Va o o a io o n iAiio eo a ied wo ih Cio ma ie Ch a n ye a n d Resto r a tio n in th e Lo ess Pl a tea u J.Agr ic u l-tu r a i a n d Fo r est Meteo r o l o v 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