2010—2019年三亚市NDVI时空变化特征

曹俊涛，康 雄，杨 杰，王建雄

(1.云南农业大学水利学院，云南 昆明650201； 2.云南省高校农业遥感与精准农业工程研究中心，云南 昆明650201)

0 引言

植被覆盖变化对于全球环境变化可持续发展研究具有重要影响，人类通过土地有关的自然资源活动对地面植被覆盖状况改变，其对于气候、水资源、生物多样性和环境质量的影响不仅局限于当地，更在全球范围内产生着微妙的变化[1-2]。归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)对于植被的变化反应十分敏感，被广泛应用于地表植被覆盖和植被生长状况的研究，同时可分析天气及气候事件对生物圈的影响[3-5]。许婧等[6]对西双版纳2001—2015年植被覆盖变化进行研究分析，结果表明植被分布受到气候和生态恢复等多重影响，植被指数变化特征与当地气候变化特点基本吻合。余文洋等[7]对河南省2000—2015年归一化植被指数时空变化与气候因子的空间相关性进行分析，表明河南省年平均NDVI受降水的影响比气温的影响要显著。赵舒怡等[8]基于MODIS/NDVI数据和地表气象数据分析得到华北大部分区域内夏秋两季干旱对植被覆盖度有显著影响。姚武韬等[9]采用植被指数分级、地表能量分级和植被—能量关系等指标，结合雨林垂直分带和植被分布信息，探讨了1987—2016年三亚市热带雨林环境的时空变化特征，结果表明近30年三亚市区域内植被覆盖比例在90%左右，并呈现整体趋高态势。张亚杰等[10]基于海南岛18个国家气象站1960—2017年逐日气温和降水资料，得出海南岛范围内季节干旱发生频次和强度等均为春季最为严重，冬季次之，夏、秋季较弱。王永锋等[11]对广西1998—2012年NDVI时空变化与降水和气温进行分析，得出NDVI与前2个月降水量和前1个月温度有显著相关，并且NDVI对降水量和温度最大响应的滞后期分别为2～3个月和1～2个月的结论。

三亚市植被种类繁多，物种丰富，目前对于三亚的研究主要在局部区域、气温降水和极端天气的影响等，对于该区域的植被覆盖变化研究较少，并且时间较早[10-13]。因此，本文从时间维度和多因素水平上分析2010—2019年三亚市NDVI变化趋势，从降雨量与日照时数方面对三亚市NDVI变化进行阐述，以深入了解三亚市植被动态变化及成因，为三亚市生态建设及可持续发展提供参考。

1 研究区概况

三亚市位于海南岛最南部，北纬18°09′34″～18°37′27″、东经108°56′30″～109°48′28″，属热带海洋性气候区，北靠高山，南临大海，地势由南至北逐渐倾斜，年均气温25.7 ℃，年均降水量1 417.5 mm，降水量西部比东部少，有明显的多雨季和少雨季。

2 材料与方法

2.1数据来源

采用的MODIS NDVI影像数据集来源于美国航空航天局的MODIS网站，MODIS NDVI影像数据经ENVI投影空间参考为GCS_WGS_1984，空间分辨率为500 m，时间分辨率为16 d，2010—2018年年降水量与日照时数均来源于《三亚市统计年鉴》。

2.2数据处理方法

2.2.1最大值合成法

依据MODIS数据合成时间，将该月2个16 d数据集经最大值合成作为该月的NDVI值，若该月只有1个16 d数据集则直接作为该月的NDVI值。

2.2.2Pearson相关系数

Pearson相关系数可以用来检验两个变量X、Y之间相关性的强弱关系，取值范围为[-1，1]，在此区间衡量年降水量、年日照时数与年NDVI均值的相关性大小。Pearson相关系数适用于符合正态分布的数据，因此在用其检测相关性大小之前应先进行正态分布的测试，如式(1)所示。

(1)

当ρ=0时，说明变量X与变量Y之间无相关性；当ρ=1时，表明变量X与变量Y之间完全线性相关；0<ρ<1，表明X与Y变量之间为正相关，-1<ρ<0，表明X与Y变量之间为负相关；ρ越接近1，则相关性越强。

3 结果与分析

3.1NDVI月变化

由图1可知，三亚市2010—2019年NDVI月平均值整体呈现先下降后上升再下降的趋势，其中月NDVI均值最大值出现在9月，为0.77。4月NDVI均值最小，为0.662 4。4—9月NDVI均值逐月上升，9月—次年4月NDVI均值逐月下降。

植物在生长过程中对于水分的需求是不可或缺的，三亚处于热带季风海洋性气候区，有明显的多雨和少雨季节，每年的5—10月为多雨季节，总降水量可达1 500 mm左右，占全年总降水量的70%～90%，NDVI月均值变化范围在0.701 3～0.744 4。每年11月—次年4月为少雨季节，仅占全年降水量的10%～30%，少雨季节时干旱常常发生，NDVI月均值变化范围在0.662 4～0.752 6，月NDVI均值的时间变化趋势与降雨趋势基本完全匹配。由图2可知，雨季时的NDVI均值相较于旱季时期有明显增大，且集中于三亚市中部区域，这一现象是由于三亚市北部为隆起的山脉，植被覆盖量大且多为阔叶林区，对于水分的保持能力较强，中西部区域多为草原与农用地，对于水分的保持能力相对较弱，因此旱季时草原地区的NDVI比雨季时的NDVI有减少。城市居民区的植被覆盖量较少，雨季和旱季时的NDVI无明显变化。受降雨、温度和光照等综合影响，三亚市NDVI值先减小后增大再减小，1—2月，三亚市温度最低，且多干旱少雨，植物生长受限，因此NDVI值呈下降趋势。3月起，温度逐渐升高，日照时数增加，但降水仍不充沛，NDVI值仍然下降，但减小速率变低。5月起三亚市进入雨季，范围内降雨逐渐增多，植被生长所需水分充足，与此同时温度逐渐升高，光合作用增强，植物生长环境适宜，因此NDVI值持续增加，9月NDVI值达到最大值。10月起随着日照时数逐渐缩短，气温逐渐降低，植物生长受限，加之11月起三亚市进入旱季，降雨减少，且多有干旱，因此NDVI值呈现下降态势。

3.2NDVI值年变化

由图3可知，三亚市2010—2019年年平均NDVI值为0.721 9，最小值出现在2014年，为0.695 9，最大值出现在2017年，为0.736 8，总体呈现上升的 趋势，每年上升0.002 4。其中2010—2013年NDVI值逐渐增大，2013—2014年NDVI均值出现较大波动，NDVI均值从0.726 9减小至0.696 5，减少了0.030 4，2014—2017年NDVI呈增长趋势，由0.696 5增大至0.736 8，增大了0.040 3。2017—2019年NDVI值呈降低趋势。三亚市年NDVI值虽有波动，但整体NDVI值仍处于较高水平，说明三亚市近10年植物生长状况良好，当地生态环境无巨大变动。

3.3气候因子与年均NDVI值关系

由图4可知，2010—2018年降水量变化趋势总体上与2010—2018年年均NDVI值变化趋势相近，呈现先增大后减小，再增大，最后降低的趋势。其中2014年三亚市降水量为849.6 mm，相比于多年年平均值1 417.5 mm减少了567.9 mm，更比2013年降水量1 930.7 mm减少了1 081.1 mm，水分对于植物生长至关重要，2014年的降水量骤减在一定程度上影响了当年植物的生长，也造成了2014年年均NDVI值相较于其他年份较少。

由图5可知，三亚市2010—2018年日照时数均值为1 858.77 h，总体呈现先减小后增大，再减小，最后增加的趋势，其趋势与年NDVI值和总体呈现负相关。其中最多日照时数年2010年为2 181.3 h，日照时数最少年2014年为1 641.3 h。阳光对于植物生长必不可少，在低纬度区域带其热量也是十分可观，更加大了植物的蒸腾作用，若超过一定限度，则会对植物生长产生一定的抑制作用。

经Pearson相关系数验证，2010—2018年降水量和年日照时数与年均NDVI值相关系数分别为0.631和-0.593。

4 结束语

通过对三亚市2010—2019年基于时间序列的MODIS NDVI影像数据处理，利用方差评价法及相关性分析，得出以下结论。

(1)时间序列分析表明，2010—2019年间三亚市NDVI整体呈现上升趋势。植物生长特征受到温度、降雨与季节的影响，NDVI月变化与旱季和雨季有极大相关性。

(2)三亚市NDVI年变化受降雨量和日照时数等多重影响，丰沛的降雨量可为植物提供良好的理化条件，对植物生长起促进作用，而较多的日照时数则对植物生长有直接或间接的抑制作用。

本研究综合分析评定了2010—2019年三亚市NDVI变化趋势及变化原因，结合降水量和日照时数深入了解了三亚市NDVI变化特征。本文仅在年际尺度上研究了三亚市NDVI与降雨量和日照时数的关系，对于月际尺度的变化分析仍需进一步研究。