基于MODIS NDVI时序数据的丹江口库区物候格局研究*

胡砚霞，黄进良，王立辉

(1．中国科学院测量与地球物理研究所，武汉 430077;2．中国科学院研究生院，北京 100049)

物候是指自然界的植物、动物和环境条件 (气候、水文、土壤条件)以年为准周期变化的现象［1］。随着全球气候变暖，植物物候也发生相应变化，植物物候变化又反过来影响到气候系统，加剧气候变化。物候作为指示气候与自然环境变化的综合指标，已被国际上的许多环境变化影响评价项目广泛采用［2～3］。农谚、积温、田间观测和物候观测站是传统获取物候信息的主要途径。但物候资料常常缺乏或不完善，特别是在没有物候观测站的地区。物候的变化有一定的规律性，于是有研究者试图利用纬度、经度和高度计算物候随地理位置分布的普遍模式，如霍普金司生物气候定律等，其所得结果是大范围内物候分布的平均情况，对于地形复杂的小区域、小地形引起的物候差异并不适用，但对人们认识物候分布规律和物候分布模式起到推动作用，在科研和生产上均有一定意义。

计算机技术和遥感技术的发展为物候学研究提供了新的方法。利用遥感数据，特别是高时间分辨率遥感影像提取物候信息大大提升了物候研究的空间尺度和时间尺度，可以克服传统定点物候观测区域有限的缺点。利用遥感影像获取的归一化植被指数 (NDVI)能在大范围内较准确地反映出植被的季节变化和年际变化，以及植被绿度、光合作用强度和植物代谢强度等，可应用于植被的变化监测、分类和物候分析［4～5］。利用NDVI时间序列数据监测物候，主要是监测植被绿叶期、落叶期或生长季节开始和结束的时间，常采用的方法有:NDVI阈值法［2］、时序值后向移动平均法［6］、NDVI曲线最大上升速率判断法［7］、经验公式法［8］、Logistic模型拟合法等。利用Logistic模型拟合法能有效估计植被的生长季特征［9］。该文将采用Logistic模型拟合法对丹江口库区植被物候格局进行研究。丹江口库区物候格局研究的结果有助于认识库区土地覆被的季节变化规律，将用于监测库区土地利用/土地覆被的状况，进而评价库区土地利用变化的生态环境效应及可持续发展能力。

1 研究区概况

丹江口库区位于 32°11＇34″～33°52＇40″N，109°23＇7″～111°57＇55″E，行政区划上包括湖北省十堰市所属的丹江口市、郧县、郧西、十堰市辖区 (张湾区、茅箭区)和河南省南阳市所属的淅川和西峡。库区植被区划属北亚热带常绿阔叶混交林地带，实际分布以夏绿阔叶、针叶林及针阔叶混交林和农业植被为主。地形地貌上，丹江口库区大部分属低海拔中小起伏山地，汉库沿线及丹库西侧属低海拔丘陵，丹库东侧为低海拔洪积台地，淅库沿线属低海拔冲积洪积平原，整个库区东北部、西部、西南部均为中海拔中高起伏或大起伏山地。

2 数据来源

该研究使用的数据主要是2002～2010年MODIS 250m地表反射率8天合成产品 (MOD09Q1)，选用的水平轨道号和垂直轨道号为h27v05的MODIS影像全覆盖丹江口库区，共414景 (MOD09Q1产品2000年只有40景，2001年只有45景，数据不连续，故未采用)。用MRT工具 (MODIS Reprojection Tool)将9年数据由Sinusoidal投影转为Albers投影，再乘以转换系数得到真实的地表反射率，并用丹江口库区矢量文件进行子区截取。

归一化植被指数NDVI是最常用的植被指数，它通过近红外通道与红光通道的反射率计算得到。公式为:NDVI=ρnir-ρred/ρnir+ρred，其中ρ指反射率，nir为近红外通道，对应MODIS的1通道;red为红光通道，对应MODIS的2通道。将计算得到的NDVI影像逐时相叠加，得到9年414个时相的MODIS NDVI时序数据。

地面样点数据参考2000年全国1:10万土地利用数据库［10］的丹江口库区部分，该数据由中国科学院资源环境科学数据中心提供。由于MODIS影像1、2波段空间分辨率为250m，在TM影像上选取样区的原则是每个样区至少是从9×9的纯象元区域中心选取，再转为MODIS对应的ROI，这样可尽量避免尺度转换的误差。对于样区选择出现的错选漏选情况，利用ENVI提供的N维可视化编辑器 (N-Dimensional Visualizer)进行ROI交互式提纯。

3 研究方法

对于多光谱影像，随着植物的生长，叶绿素吸收能力增强，近红外波段的值逐渐增加，红波段的值逐渐减少，NDVI值随之增加，当叶面积指数达到最大时，NDVI值达到最大，随着植物进入成熟期，叶子开始变黄，叶绿素吸收能力减弱，红波段值增加，近红外波段的值逐渐减小，NDVI值随之减小，因此时序NDVI数据可以表征植物的生长轨迹。NDVI曲线理论上应是一条平滑连续的曲线，然而由于一些外部因素 (如大气，观测视角和太阳角、云等)和内在的非植被因素的影响，NDVI曲线总有明显的突升和突降;另一方面，我国南方地区多云雨，物候关键期内常难以获取质量较好的遥感影像［11］，故首先需对数据进行去噪平滑处理用以获得高质量连续的NDVI数据，并且用多年数据补益减噪对结果的影响，再进行物候参数的提取。

3.1 Logistic模型拟合时序NDVI曲线

Logistic模型是由Beck等于2006年提出的一种新的算法，它与高斯模型类似，两者具有相同的一般形式。Beck曾指出，相比于基于傅立叶变换的滤波算法，Logistic模型对植被生长季的估计更加准确。武永峰等曾通过构建基于NDVI累积频率曲线的Logistic拟合模型来求算植被绿度始期［12］。Logistic模型是一种局部拟合函数，它可以有效拟合时间序列中的最大值和最小值之间的区间，通过Logistic模型的参数设置可以平滑时序NDVI曲线。该研究采用双Logistic曲线拟合，公式为:

式中t指时间;g(t;x1，…，x4)指随时间t的NDVI拟合值;x1，x2，x3，x4均为拟合参数，是大于零的常数。

3.2 物候参数提取

借助于Logistic模型拟合时序NDVI曲线的指数函数特征，在拐点处对物候进行定义，由此可提取出生长始期和生长末期，关键物候参数定义如图1所示，其中，a表示生长始期，b表示生长末期，c表示生长季长度。

该文利用TIMESAT［13］对2002～2010年丹江口库区进行Logistic模型拟合，并在拐点处提取出生长始期和生长末期，每一个波形表示所选像元一年的植被生长轨迹，由46个8天合成的NDVI构成，NDVI增长和降低的拐点分别定义为生长始期和末期。图2分别是一柑橘林和旱地样点的拟合曲线，可以看出，Logistic模型拟合时序NDVI曲线良好，较直观地显示出了物候的年际变化。以此方法得出的丹江口库区2004～2009年物候空间格局见图3。(Logistic拟合模型的前两年和最后一年数据只是辅助拟合，不能输出拟合过程图。由拟合曲线也可得知，2002年和2010年未定义始期和末期，2003年拟合结果不平稳。)

图1 关键物候参数

图2 2002～2010年丹江口市NDVI时序数据Logistic拟合结果 (a．柑橘林;b．旱地)

图3 2004～2009年丹江口库区物候格局

4 结果分析

4.1 物候空间格局

由图3的拟合结果，整体上，丹江口库区大部分地区生长始期为3月上旬至4月上旬，生长末期为11月中旬至12月下旬。

丹江口库区的物候空间格局有如下特征:(1)生长始期，库区南部 (丹江口市)最早，约3月中上旬;东北部 (西峡县)最晚，约3月下旬、4月上旬。(2)生长末期，库区东北部 (西峡县)最早，约11月中下旬;南部 (丹江口市)最晚，约12月中下旬。(3)西部生长始期和末期均介于南部和东北部之间，分别为3月中下旬和12月中上旬。(4)生长季长度，库区南部最长，东北部最短。(5)相较于库区大部分地区，位于库区边界的东北沿线、西北角、西南角物候期不同，表现为生长始期偏晚，生长末期偏早。

以上物候空间格局特征符合物候随地理位置分布的一般规律。物候在地理分布上表现为随经纬度的变化和随高度的变化。一般纬度愈高，生长季愈短，即春季达到植物生长的界限温度日期愈晚，而秋季达到植物停止生长的日期愈早。所以位于库区南部的丹江口市生长始期最早，生长末期最晚，生长季最长;而位于东北部的西峡县生长始期最晚，生长末期最早，生长季最短。随高度的差异是因为对流层中气温随高度降低，使得平原的物候在春季总是早于山上。丹江口库区边界的东北沿线和西南角属中高海拔大起伏山地，西北角属中海拔大起伏山地，因而这些地区生长始期偏晚，生长末期偏早。此外，丹江口大部地区属低海拔丘陵和低海拔中起伏山地，水库周围是低海拔的冲积平原和洪积台地，且受水库小气候的影响，库区年温差较小，夏季较凉，冬季较暖，且湿度较大，可缓解果树冻害。另一方面，山区冬春季的早晨常存在逆温层，山腰近地层的气温反而高于山麓，使得山腰的物候在春季反而早于山麓，故水库附近多种植不耐寒的果树 (主要是柑橘)，特别是南向中坡的地方，遭受霜冻的机会较少。

4.2 物候年际差异

同一地区、同种植被的物候期在年际间可能有提前、滞后或是长短变化。物候的年际变化反映了植被生长环境 (气候、水文、土壤条件等)的变化对植被的影响，也可指示一些极端天气事件，如霜冻、寒潮、干旱等。整体上，丹江口库区物候的年际差异表现为:(1)生长始期:2009年最晚，2008年最早。(2)生长末期:2004年最晚，2006年最早。

库区不同地区物候的年际差异也不尽相同。就丹江口市来说，2004年和2007年最晚，2006年和2009年最早。该文选取丹江口市一片柑橘林作为样地，2009年其NDVI曲线的生长末期处下降速率较大 (参考图2a)，且生长季较往年短，主要反映了长势不及其他年份，相应的收获期也比其他年份要早。这与2009年的11月上旬库区大范围雨雪天气有关，导致植被较往年提前停止生长。据报道，11月8日骤然降温出现的寒潮天气使丹江口市尚未采摘的1亿多千克柑橘遭雪灾冻害。实际上，丹江口市柑橘从成熟、采收到休眠期是从9月下旬到12月中下旬，时间与Logistic模型拟合结果大体一致。且据报道，2009年丹江口市柑橘成熟期较往年提前，因而销售价格略有提高。

5 结论与讨论

该文基于MODIS NDVI时间序列数据，采用Logistic模型拟合时序NDVI曲线提取了生长始期和生长末期两个关键物候参数，以此获取了丹江口库区的物候空间格局和近几年物候的年际差异，且依据物候随地理分布的一般规律对丹江口库区物候空间格局进行了解释，并依据相关年份实际情况对物候年际差异进行了对比验证。从理论上和估算的结果来看，此方法是可行且有效的，但同时也存在一些问题:

(1)丹江口库区无同步的物候观测数据，该研究结果难以进行较精确的验证。

(2)受遥感影像空间分辨率的限制以及混合象元的影响，森林树种或作物类别的识别较困难，只能对某一大类别或是大宗作物进行遥感物候监测。此外，通过遥感手段得出的物候信息忽略了很多细节特征，是一个综合、概括的结果。

(3)物候变化规律的获取需要长期数据的支持，该文选取的9年MODIS NDVI数据反映的是物候的年际波动，尚难以推知丹江口库区物候的变化规律。

(4)通过时序遥感数据反演出植被的某些生物学物候特征，或是辅助控制物候的一些因子 (如积温、日长、水分等)，势必会提高遥感物候监测的有效性和精度。

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