基于MODIS的天山山区草地类型植被指数变化特征及其与气候因子的关系

冯志敏，赵玲，安沙舟，杨青

（1.新疆气候中心，新疆乌鲁木齐 830002；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐 830002；3.新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆草地资源与生态重点实验室，新疆乌鲁木齐 830052）

基于MODIS的天山山区草地类型植被指数变化特征及其与气候因子的关系

冯志敏1，赵玲2，3*，安沙舟3，杨青2

（1.新疆气候中心，新疆乌鲁木齐 830002；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐 830002；3.新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆草地资源与生态重点实验室，新疆乌鲁木齐 830052）

基于MODIS的天山山区草地类型植被指数，分析其变化特征及其与气候因子的关系，结果表明：天山山区NDVI分布北部大，南部小；西部大，东部小。降水是影响天山山区NDVI的主要因子。2000—2009年4—9月天山山区NDVI年平均值为0.35，温度呈上升趋势，降水呈减少趋势，对植被的生长不利，NDVI呈现出减小趋势，但减小不明显。天山山区NDVI最大值的年份，降水并不是最多的，说明植被的长势需要水分和热量匹配。1961—2009年天山山区的气候变化有利于草地NDVI的增加。天山山区4—9月平均温度上升0.1℃，面雨量增加10%的情况下，NDVI增加2.5%。

草地植被；天山山区；NDVI；MODIS

草地是比较脆弱的生态系统，对气候和人类的影响比较敏感。草地的现状及变化趋势反映出人们对草地的利用是否科学合理，是生态环境保护与畜牧业可持续发展的焦点。天然草地在干旱、半干旱地区是重要的可更新资源，它不仅是草地畜牧业的物质载体，而且在维持区域生态环境具有重大意义。

新疆是中国三大牧区之一，其天然草地资源丰富，面积辽阔，经营畜牧业历史悠久，已成为中国主要的草地农牧业生产基地之一，同时也是中国典型的干旱半干旱绿洲农业地区之一。天山山区草地是其重要组成部分，植被具有明显的垂直和水平地带性分布规律，而且也是新疆重要的季节放牧场，牧草种类繁多，植被类型丰富，放牧家畜载畜量高，结构稳定，是生态学家和草地工作者从事植物生态学和草地经营利用研究的理想场所[1-2]。然而，受常规的监测方法和手段的局限，天山山区草地资源信息的获取依靠手工或半自动化方法，效率低并且往往因耗时过长而达不到及时、准确和快速监测的目的；草地生态环境破坏情况调查需要到现场去操作，尤其在数据动态采样时难以实时、快速、准确地定位，监测结果与实际存在较大误差；对用途广、更新快的高分辨率遥感图像支持不够，系统数据不能及时更新，利用率不高；不能为草地资源生态环境管理和决策提供高效的支持。

随着遥感技术的发展，遥感信息成为生态环境研究的主要信息来源，同时又为生态环境动态监测提供了技术和成果精度保证。目前利用遥感技术对草地动态监测的方法已经比较成熟[3-6]，但前人的研究大都是利用NOAA/AVHRR资料所进行的，由于AVHRR的分辨率比较低，在星下点只有1.1 km，使得草地生产力监测的精确度受到制约，难以再有明显的提高。EOS/MODIS波长范围0.4～14.4 um，有36个通道，分辨率为250～1 000 m，在光谱分辨率、空间分辨率、时间分辨率上都大大超过了NOAA/ AVHRR的数据资料，其对于监测全球植被具有重大意义。

本文以新疆天山山区草地为重点研究区，利用2000—2009年4—9月MODIS资料，应用最大值合成法（Maximum Value Composites）合成月、年NDVI分布图，分析草地植被的生长状况，为进一步研究各个气象要素与不同类型草地的生长状况之间的关系打下基础，同时为该地区的生态保护与生态建设提供依据。

1 资料与方法

1.1 数据来源

本研究用到的数据主要是新疆维吾尔自治区草地类型图、土地利用现状图、行政区划图、数字高程图以及新疆气象局提供的气象站点信息。中低分辨率遥感数据来源于美国地球资源观测系统（Each Resources Observation System，EROS）数据中心提供的MODIS影像计算合成的16dNDVI产品，空间分辨率为1 km，考虑植被生长季主要在4—9月，遥感数据的时间为2000—2009年4—9月。对研究范围相关的数据进行遥感预处理，包括投影变换最大合成、研究区域提取。通过实验分析，在天山附近选取海拔高度≥1 500 m的区域为天山山区比较合适。考虑到伊犁河谷地处天山之中，气候特征相近，虽然有部分地区海拔高度＜1 500 m，但仍将其划入天山山区。在天山与昆仑山交接处以直线分割；在天山最东段也以直线分割。

1.2 资料的处理方法

1.2.1 NDVI的计算

植被指数的定义是：利用遥感卫星探测数据的线性或非线性组合而形成的能反映绿色植被生长状况和分布的特征指数[7]。

NDVI计算公式为：

其中，Ch1、Ch2分别对应MODIS数据的第1（红光）通道和第2（近红外）通道。由于单个时相的数据很难排除云雾等造成的影响，因此要考虑用某一时间段内的植被指数合成一个反映这一时间段内植被状况的植被指数图像。为尽可能地消除云、雾、水汽等对NDVI数值的影响[8]，选用最大值合成法。其基本假设是云层的位置是不断变化的，在一定时段内，任何一个位置的点都存在没有被云层所覆盖的晴天（即这一时段内的最大值）。通过最大值合成法方法可以在一定程度上去除云和大气的干扰，公式如下：

式中：NDVIi为第i月NDVI影像，NDVIj为两个16 d NDVI影像。而且目前人们所接收的NDVI合成产品，一般的处理方法都采用最大值合成方法，考虑本次研究的时间序列为近10 a的植被生长季的情况选择以月为时间单位，对归一化植被指数数据做每月的最大值合成，以此作为这个月的NDVI数据。通过Arcgis软件实现44个站点对应的NDVI数据提取。

考虑到温度降水数据与NDVI的对应，文中提到的NDVI、降水、温度的年值都是当年4—9月该值的平均。

1.2.2 数据标准化处理

由于NDVI、气温、降水是不同的要素，它们的变异程度不同，单位也不同。NDVI的值比较小在0.3～0.4之间，降水和温度的值比它大1～2个数量级，而且不同的单位常使系数的实践解释发生困难。不同变量自身具有相差较大的变异时，会使在计算出的关系系数中，不同变量所占的比重大不相同。为了消除量纲影响和变量自身变异大小和数值大小的影响，故在分析NDVI与降水、气温的关系时将数据标准化。本文采用标准差标准化的方法，即某变量中的观察值减去该变量的平均数，然后除以该变量的标准差。经过标准差标准化后，各变量将有约一半观察值的数值小于0，另一半观察值的数值大于0，变量的平均数为0，标准差为1。经标准化的数据都是没有单位的纯数量。对变量进行的标准差标准化可以消除量纲（单位）影响和变量自身变异的影响。

1.2.3 回归分析

用二元线性回归分析温度、降水和NDVI的关系。回归方程：

式中，yi代表植被指数NDVI；Ti代表温度；Ri代表降水；ai为回归常数；bi为回归系数，所建线性回归方程是否有意义，能不能指导实践，关键在于回归是否达到显著水平，因此对相关系数变化趋势进行显著性t检验[9]。

在对站点的各月的温度、降水、NDVI相关关系分析时，为了消除趋势影响，用距平变量回归方程；在分析NDVI及其与温度降水的关系时，先建立标准化变量回归方程，分析影响因子，然后做实值回归方程，重建历史的NDVI，分析其变化特征。

2 天山山区NDVI分布及变化

2.1 天山山区NDVI分布特征

图1为2000—2009年天山山区NDVI分布图。从图上可以看出天山NDVI基本上呈现北部大南部小，西部大东部小。NDVI高值区主要位于天山山区中西段。伊犁河谷的NDVI最大，在中天山、东天山也有零星的高值区。天山80°E以西的地区NDVI值最小。

图2为2000—2009年天山山区的NDVI的年变化。2000—2009年天山山区NDVI年平均值为0.347，呈现出减少的趋势，线性相关系数为0.56，没有通过0.05显著性水平检验，说明NDVI减少不明显。NDVI变异系数为0.06，说明NDVI值变化不大。

2001年NDVI比2000年小，2002年NDVI明显变大，2003—2006年NDVI逐渐减小，2007年NDVI比2006年有稍大。2007年NDVI比2008年稍大，但仍小于多年平均值。NDVI最大年份出现在2002年，为0.394，说明2002年是植物长势最好的一年。最小年份为2009年，为0.324，最大和最小值相差0.03，2009年植物长势最差。从图2可以看出2000年、2002年、2003年的NDVI大于平均值，2001年、2004年、2005年、2006年、2007年、2008年、2009年的NDVI小于平均值。从图3中看出2002年NDV增加最明显，比平均值增加了13.5%，2009年NDVI减少最明显，比平均值减少了6.6%。

2.2 2000—2009年不同草地类型NDVI的变化特征

2.2.1 不同草地类型NDVI年变化特征

图4为2000—2009年不同草地类型的NDVI。从各草地类型NDVI的多年平均值看，草原草地的最大，其次是荒漠，再次是草甸草原；荒漠草原和高寒草原的比较接近；高寒草甸的最小。草原、荒漠、草甸草原的NDVI多年平均值大于各草地类型的多年平均，高寒草原、荒漠草原NDVI的多年平均值与各草地类型值的多年平均值比较接近，草原化荒漠NDVI的多年平均值略小于各草地类型值的多年平均值。2000—2009年草原草地的年平均NDVI呈现出减小趋势，荒漠草地的年平均NDVI呈现出增加趋势，草甸草原、高寒草原、荒漠草原的年平均NDVI呈现出减小趋势，草原化荒漠和高寒草甸的年平均NDVI变化不明显，但各草地类型的相关系数均未通过显著性检验，说明各草地类型变化趋势不显著。

天山山区一般4月冰雪开始融化，植被进入返青期，10月大多开始降雪，选取2000—2009年4—9月生长季各草地类型的NDVI进行分析，发现各草地类型按2000—2009年生长季的年平均NDVI大小的排序与按2000—2009年年平均NDVI的排列顺序相同。选取2000—2009年夏季（6—8月）各草地类型的NDVI进行分析，发现各草地类型按2000—2009年夏季的年平均NDVI大小的排序与按2000—2009年年平均NDVI的排列顺序相同。这说明在年、生长季、夏季不同的时间尺度上各草地类型的年平均NDVI大小顺序一致。

2.2.2 不同草地类型NDVI的月变化特征

图5是2000—2009年4—9月各月不同草地类型NDVI变化曲线图。从图5中看出所有草地类型的NDVI都存在明显的月变化规律，荒漠、荒漠草原、高寒草甸的NDVI在8月达到最大值，草原化荒漠、草原、高寒草原的NDVI在7月达到最大值，只有草甸草原的NDVI在6月达到最大值。草甸草原在7月、8月较上一个月都有比较明显的减少。

为了更好地分辨各草地类型各月NDVI的变率，以4月为基础值，用下一个月减去上一个月的NDVI，看NDVI的变化量（图6）。从图6中可以看出荒漠草原5～7月NDVI增加量相当。草原化、草原、高寒草原5～7月NDVI增加量逐渐减少。荒漠草原5—7月NDVI的增加量不断增大。5月草原的NDVI增加最大，6月草甸草原与草原的增加量最大、7月荒漠的NDVI增加量最大。7月只有草甸草原的NDVI较上月有所减少。8月荒漠、荒漠草原、高寒草甸的NDVI表现为增加，草原化荒漠、草原、草甸草原表现为减少，其中草甸草原减少的最多。9月各草地类型的NDVI较上月都有所减少，其中草原减少的最多。

从上面的分析看出，虽然各类型草场在各月NDVI总体变化趋势差别不大，但就每个月的增加量来说还是有很大的差异。

3 天山山区NDVI分布特征与降水温度的关系

图7为标准化后天山山区2000—2009年NDVI、温度、降水的年变化。2000—2009年天山山区平均温度为3.8℃，从图7可以看出呈现出上升趋势，经分析，线性相关系数为0.69，通过了0.05的显著性检验，上升趋势明显。2000—2009年天山山区平均面雨量1 365.4×108m3，呈现出减少趋势，经分析，线性相关系数为0.18，说明减少趋势不明显。

为了说明降水、温度对天山山区NDVI的影响，对标准化后的NDVI、温度、降水做相关分析。表1为标准化后温度与NDVI、降水与NDVI及温度降水与NDVI的复相关系数及回归方程。标准化后温度、降水与NDVI的复相关系数为0.68，通过了0.05的显著性水平检验，说明温度降水与NDVI的相关性很好。温度与NDVI呈负相关，温度升高，NDVI减小；降水与NDVI呈正相关，降水减少，NDVI减小。在二元回归方程中降水的相关系数明显大于温度的，说明降水是影响天山山区植被长势的主要因子。

综合来看，天山山区2000—2009温度呈上升趋势，降水呈减少趋势，这对植被的生长不利。

从图7中还可以看出2000年的降水量与2007年相当，但2007年的温度要明显高于2002年，从NDVI表现上看，2007年的NDVI明显大于2007年，NDVI的最大值和降水的最大值不都是匹配的，说明植被的长势需要水分和热量匹配。

在分析天山山区NDVI和温度、降水关系的基础上，建立温度、面雨量与NDVI的二元回归方程：

式中T代表温度/℃），R代表面雨量/108m3。

经过重建后天山山区1961—2009年年平均NDVI为0.35，呈现出上升趋势。天山山区年平均NDVI的相关系数为0.20，未通过信度检验，说明年平均NDVI上升不明显。综合来看天山山区1961—2009年在年平均气温显著上升，降水增加不明显的情况下，NDVI呈现出上升趋势，但趋势不显著。

为了更直观的说明天山山区气候变化对NDVI的影响，根据实值二元回归方程计算天山山区在温度±0.5℃，面雨量±50%情况下，天山山区年平均NDVI变化的百分率（表2）。

4 结论

在研究影响草地形成与发展的主要气候因子时，温度、降水量是必不可少的，这些气象因子对草地的形成和演替均有影响，且各因子的影响程度因地域不同而有差异。本文就天山山区MODIS植被NDVI及其与降水和温度的相关关系进行分析。

（1）天山山区NDVI分布北部大南部小，西部大东部小。NDVI高值区主要位于天山山区中西段。伊犁河谷的NDVI最大，在中天山、东天山也有零星的高值区。天山80°E以西的地区NDVI值最小。2000—2009年天山山区NDVI年平均值为0.35，呈现出减小趋势，但减小不明显。NDVI变异系数为0.06。2002年是植物长势最好的一年。

（2）各草地类型NDVI的多年平均值看，草原草地的最大，其次是荒漠，再次是草甸草原；荒漠草原和高寒草原的比较接近；高寒草甸的最小。各类型草场多年各月平均NDVI各月NDVI总体变化趋势差别不大，但就每个月较上一个月的NDVI的增加量各草地类型的差异较大。

（3）天山山区NDVI的最大值的年份，降水并不是最多的，说明植被的长势需要水分和热量匹配。

（4）天山区年平均温度、年平均降水与年平均NDVI的复相关系数为0.68，通过了0.05的显著性水平检验，降水是影响天山山区植被长势的主要因子。天山山区2000—2009年温度呈上升趋势，降水呈减少趋势，对植被的生长不利。

（5）天山山区1961—2009年年平均NDVI为0.35，呈现出上升趋势，但上升不明显。综合来看天山山区1961—2009年在年平均气温显著上升，降水增加不明显的情况下，NDVI呈现出上升趋势，但趋势不显著。天山山区在4—9月温度上升0.1℃，面雨量增加20%情况下，NDVI增加2.5%。

IPCC认为我国北部整体上温度升高、降水量加大，这样的气候变化应该有利于草原的生长。我国很多学者认为草原气候变化不规则的变化，特别是连续的急剧的气候变化加剧了草原退化的进程，草原退化的原因中人类活动是起决定性的因素之一。本研究发现基于温度和降水重建的1961—2009年天山山区草地的NDVI呈增加趋势，各草地类型中除了高寒草甸的NDVI呈现减小趋势外，其余各草地类型的NDVI都呈现出增加趋势，说明1961—2009年天山山区的气候变化有利于草地NDVI的增加。由于天然草场产草量与气候条件密切，因此，畜牧业生产部门可以根据长期天气预报，作出天然草场产草量的年景预报，为解决草畜不平衡矛盾、规划放牧和保护草场提供科学依据。

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Change Characteristics of MODIS NDVI and Its Relations to Climate Factors in the Tianshan Mountains

FENG Zhimin1，ZHAO Ling2，3，AN Shazhou3，YANG Qing2
（1.Xinjiang Climate Center，Urumqi 830002；China；2.Institute of Desert Meteorology，China Meteorology Administration，Urumqi 830002，China；3.College of Grassland and Environment Science；Xinjiang Agricultural University，Key Laboratory of Grassland Resources and Ecology of Xinjiang,Urumqi 830052，China）

Grassland is an important land resource and also a kind of renewable natural resource, which has very important ecological and economic functions and values.The Tianshan mountains are the most important grassland areas in Xinjiang.Effective and accurate monitoring of the grassland vegetation biomass changes will not only directly related to the decision-making of grassland animal husbandry management,but also indirectly affect the sustainable development of economy and society of minorities.Based on the analysis of the regional characteristics of the climate change in Tianshan mountains,the effects of climate change on the MODIS NDVI were comprehensively studied in the paper.The results are as follow.（1）The high value area of NDVI in Tianshan mountains mainly distributed in the west and middle areas of Tianshan mountains.The variation of NDVI is similar to temperature.（2）After the correlation analysis among temperature, precipitation and NDNI,we found that the impact of precipitation on NDVI is greater than that of temperature on NDVI.Climate change over Tianshan mountains is favourable to growth of grass.

Rangeland vegetation；Tianshan Mountains；NDVI；MODIS

P407

B

1002-0799（2015）02-0057-6

冯志敏，赵玲，安沙舟，等.基于MODIS的天山山区草地类型植被指数变化特征及其与气候因子的关系[J].沙漠与绿洲气象，2015，9（2）：57-62.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.02. 009

2013-06-13；

2013-09-26

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金（IDM201006）、中国沙漠气象科学研究基金（Sqj2011002）共同资助。

冯志敏（1976-），女，高级工程师，现主要从事遥感、农业气象灾害监测等方面的工作。E-mail：fzm3721@sina.com

赵玲（1978-），女，副研究员，现主要从事气候变化与水资源领域研究。E-mail：Zhaoling@idm.cn