遥感技术在对比植物差异之间的利用

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1、 遥感技术在对比植物差异之间的利用资工 11204 方世祥 1 引言 遥感技术是从远距离感知目标反射或自身辐射的电磁波、可见光、红外线、对目标行探测和识别的技术。例如航空摄影就是一种遥感技术。人造地球卫星发射成功，大大推动了遥 感技术的发展。现代遥感技术主要包括信息的获取、传输、存储和处理等环节。完成上述功能的全套系统称为遥感系统，其核心组成部分是获取信息的遥感器。遥感器的种类很多，主要有照相机、电视摄像机、多光谱扫描仪、成像光谱仪、微波辐射计、合成孔径雷达等。传输设备用于将遥感信息从远距离平台(如卫星 )传回地面站。信息处理设备包括彩色合成仪、图像判读仪和数字图像处理机等。遥感技术是从人造卫

2、星、飞机或其他飞行器上收集地物目标的电磁辐射信息，判认地球环境和资源的技术。它是 60 年代在航空摄影和判读的基础上随航天技术和电子计算机技术的发展而逐渐形成综合性感测技术。任何物体都有不同的电磁波反射或辐射特征。航空航天遥感就是利用安装在飞行器上的遥感器感测地物目标的电磁辐射特征，并将特征记录下来，供识别和判断。把遥感器放在高空气球、飞机等航空器上进行遥感，称为航空遥感。把遥感器装在航天器上进行遥感，称为航天遥感。完成遥感任务的整套仪器设备称为遥感系统。 航空和航天遥感能从不同高度、大范围、快速和多谱段地进行感测，获取大量信息。航天遥感还能周期性地得到实时地物信息。因此航空和航天遥感技术在国

3、民经济和军事的很多方面获得广泛的应用。例如应用于气象观测、资源考察、地图测绘和军事侦察等。物候学是研究自然界以年为周期重复出现的各种生物现象的发生时间，及其与环境条件(气候、水文和土壤)周期性变化相互关系的科学,其中植物物候是其重要组成部分。物候现象对环境条件，比如温度、湿度、光照等，反应灵敏。大量的地面观测研究表明，自 20世纪 80 年代初以来，由于气候变暖，春季物候趋于提前，秋季物候趋于推迟(仲舒颖等，2010)，并且发现春季物候对降温的响应比对升温的响应敏感另有研究表明，植物物候不仅受温度显著影响，而且还受湿度(水分条件) 和光照的影 n 向。比如，中国西安木本植物的叶物候与之前一个月

4、的降水量有显著相关关系(白沽等，2010)，半干旱地区草地花期主要受降水量的影响，温度是次要因素，在亚马孙地区太阳辐射是植物物候的主要影响因子。城市化是人类改变地表最深刻的形式之一。19802000 年中国城市建成区面积以850 km2年的 速度直线递增(谈明洪等，2003) ，19972007 年东部 地区地级及以上城市建成区面积由 6685 km2 增加到 14677 km2, 北京市建成区面积在 19842007 年之间以4712 kin2年的速率增加，位居 全国之首，其中 20002007 年的增速高达 6809 km2年(匡文慧等，2009)。 城市化不仅意味着下垫面类型的转变，即建

5、筑 物及与之配套的绿地取代自然植被或者人工林和 农田，更重要的是对大气和水文环境也造成了重大影响，比如城市热岛效应、空气污 染使得天空变暗(太阳辐射减弱 )、城市照明打乱了自然的白昼一黑夜光周期、地表透水性能差导致地 表水文变化等。并且，城市绿地主 要由人工栽培植物组成，生物特性不同于乡村地区的乡土植物物种，同时浇水、施肥、防虫害等人类活 动的强度较大。上述诸多变化对植物物候产生的影响已经引起学术界的重视。利用 MODIS NDVI 资料，发现美国大城市( 城市面积超 过 10 km2)城区的生长季比毗邻的乡村多 15 天，并且城市热岛效应对植物物候的影响以指数函数的 形式衰减。用 SPOT

6、NDVI对中国长三角地区植物物候进行研究后发现，城市化导 致城区内植被始绿期提前、终绿期推后、生长期变 长。同样的，利用地面观测资料关于欧洲地区植物 物候的研究发现，城区春季物候早于乡村地区，关于美国凤凰城(Phoenix)的分析表明城区的春季植物物候大多比临近乡村地区 偏早。综观已有研究，关于北京地区城市环境对植物 物候影响的研究尚不多见。本文拟利用高分辨率 植被遥感数据，从空间格局和时间演变两个角度， 采用生长季开始日、 结束日和总日数 3 个指标，刻画城市环境对植物物候的影响；以期揭示北京市城市环境对植物物候的影响，为研究人类活动的生态环境效应提供新的科学依据。2 数据与方法21 数据来

7、源 本文采用的是 MODIS NDVI 系列产品中的 MODl3A2，由美国宇航局(NASA)提供。该数据集 的空间分辨率为 1 km，时间间隔为 8 天。为了消除 非植被因素的干扰，原始数据经过了消除云污染、 投影变换等处理。从辐射和植物生理两个角度对 MODIS NDVI 进行 了评估，指出 MODIS NDVI 能够较好的捕捉植被动态特征。关于 AVHRR NDVI 和 MODIS NDVI 的对比分析发现，两者具有较高的一 致性，并且北半球的一致性明显高于南半球。目 前，MODIS NDVI 已被广泛地用于研究地生态系统的变化( 南颖等，2010；张清雨等，2013)。22 分析方法

8、本文研究时段为 20022009 年，研究区为北京城区及周边地区(3943。-40420N，116850115 86。 E，图 1)，排除了低植被覆盖像元 (20022009 年平均 的 NDVI 季节循环序列中最大值小于 015 的像元) 。基于卫星遥感植被指数数据的生长季始、末的 定义有很多种(陈效逑等，2009) ，根据其数学描述可 归纳为两类：阈值法和斜率法。阈值法一般以是否达到某一阈值来判断生长 季的开始和结束，其优点在于计算简单，缺点在于 受环境背景的影响较大，更重要的是阈值的定义依 赖于先验知识。 斜率法是基于对 NDVI 季节变化形式的认识， 采用某种连续函数拟合离散的 NDF

9、I季节变化序列，然后对该函数进行一阶微分，求解一阶微分方 程的极大值和极小值，极大值对应于春季 NDFI 增 加速率最大的日期，极小值则对应于秋季 NDVI 降低速率最大的期(图 2)。该方法的优点在于准 确、客观、物理意义明确，缺点主要是计算量大。本研究采用斜率法。本研究利用 6 次多项式对原始的 NDVI 时间序列进行拟合，然后 对 6 次多项式进行一阶微分(求导)，并在 3l180 日 (日序，下同 )的范围内寻找其最大值，在181330 日 的范围内寻找其最小值。需要说明的是，利用斜率法计算得到的生长季 起、止日期与基于地面植株观测的生长季起、止日 期可能存在差异。严格来说，通过斜率法

10、得到的是 从冬至夏地表绿度增加最快的阶段，其物理意义是 一个生长季之中植被生长最为迅速的一个阶段。 基于地面植株观测的生长季开始的关键指标一般 是植株发芽，未必与植被生长最为迅速是同一阶 段。另外，遥感象元一般是混合象元，基于遥感植 被指数得到的是象元尺度平均的状况，与基于地面 植株观测的空间尺度不同。因此，基于遥感植被指 数计算得到的植物物候期与地面植株观测结果可 能存在差异。3 结果分析31 物候期的空间分布 图 1 展示了研究区 20022009 年平均的年最大 NDVI 和土地利用的空间分布。由此可以看出，城市区域的 NDVI 明显小于周边非城市区域，建筑用 地占主导的(1 kmxl

11、km)像元的分布范围与 045 NDVI 等值线圈定的空间范围基本一致，因而年最 大 NDVI 的O45 等值线可以近似看作是城区的边界 线。由此边界向城市内部延伸，NDVI 仍然呈现降 低的趋势。在城区北部，五环路( 五环以内基本被 认为是城市核心区)与 035 NDVI 等值线基本一 致。因此，在本研究中将年最大 NDVI 大于 045 的区域定义为乡村，年最大 NDVI 介于 035 和 045 的 区域定义为城市边缘区，年最大彻玎小于 035 的 区域定义为城市核心区。图 3 展示了 20022009 年平均生长季开始日(SOG)、结束日(EOG) 和总日数(TD)的空间分布。 由此看

12、出，由乡村向城区 SOG 逐渐提前，EOG 逐渐推迟，由此造成 TD 逐渐增加，其空间分布呈现出明 显的环状结构。远离城区的乡村地区 SOG 大多在 145 日 f5 月 25 日) 前后，城区周边的乡村提前至131135 日(5 月 1115 日 )，边缘城区进一步提前至 126130 日(5 月 610 日) ，城市核心区则在 111 一 115 日(4 月 2125 日)。表明城市核心区的 SOG 比城区周边的乡村地 区提前大致 20 天，比远离城区的乡村地区提前大 约 30 天。根据对榆树始花期、山桃始花期和洋槐 始花期的观测，延庆松山的春季物候比玉渊潭公园大约推迟 2030 天( 杨

13、国栋等，1995)，这与本研究利 用卫星遥感估算的结果基本相同。 远离城区的乡村地区 EOG 大致出现在 290 日 (10 月 17 日) 前后，城区周边的乡村地区推迟至 301310 日(10 月 28 日一 11 月 6 日) ，边缘城区进一步 推迟至 306310 日(11月 2-6 日) ，核心城区则推迟至 316325 日(11 月 1221 日) 。这说明城市核心区的 EOG比城区周边的乡村地区大致推迟 15 天，比远 离城区的乡村地区大约推迟 25 天，这与地面物候 观测发现的城区比乡村进入秋季的时间大约偏晚 20 天的现象基本一致。远离城区的乡村地区的 TD 大约为 150

14、天左 右，城市周边区为 170 天左右，边缘城区增加至 180 天左右，核心城区则增至 200 天左右。32 物候期的时间演变20022009 年问核心城区、边缘城区和乡村地区生长季开始日(SOG)、结束日(E063和总日数 (TD)变化如图 4 所示。可以看出，城市化水平不同 的地区物候期的年际相对变化具有一定的相似 性。对于 SOG 而言，乡村地区 SOG 的一阶差序列 与城市核心区和城市边缘区 SOG 的一阶差序列的相关系数分别为 056、064；对于 EOG 而言，乡村地 区 EOG 的一阶差序列与城市核心区和城市边缘区 EOG 的一阶差序列的相关系数分别为045、063。 然而，不同

15、地区物候期 20022009 年的变化趋 势截然不同，城区的 SOG 呈现出推迟的趋势特征， EOG 呈现出提前的趋势特征；乡村地区的 SOG 和 EDG 则分别呈现出提前和推迟的趋势。具体而言， 20022009 年，核心城区和边缘城区的 SOG 具有明 显的推迟趋势，其中核心城区的推迟趋势尤为明 显，其推迟速率达 24 天年，边缘城区的推迟速率 仅为 08 天年。乡村地区的 SOG 的变化趋势则呈 现出提前趋势，其提前速率为 12 天年。20022009 年，EOG 的变化趋势与 SOG 相反。核心城区与边 缘城区的 EDG 趋于提前，其中核心城区的提前速 率最大，为 15 天年，边缘城区

16、的提前速率为 12 天年；乡村地区的 EOG 却呈现推迟的趋势，其速率为 11 天年。马丽等(2006)利用地面站点观测数据发现，北 京植物园桃花盛花期 (代表早春植物物候，平均为 4 月 7 日)在 20022005 年呈明显推迟的趋势，这与本 文边缘城区的变化趋势基本一致。由于城乡 SOG 和 EOG 变化趋势的差异，城乡 TD 的变化趋势相 反。城区TD 的变化呈减少的趋势，核心城区与边 缘城区的减少速率分别是 39 天年和 20 天年；乡村 TD 的变化趋势则与之相反，呈逐渐增加的趋势， 增加速率为 23 天年。 另外，城区物候期的年际变率远远大于乡村，20022009 年核心城区与边缘城区SOG 的变异系数 分别为 012、006，乡村地区仅为 003，核心城区与 边缘城区EOG 变异系数分别为 001 和 002，乡村地区为 001