基于FY-3的海南岛橡胶NDVI时空变化规律研究

杜函函,张京红,刘少军,余云龙,毕华

(1.海南师范大学地理与旅游学院,海南 海口 571158;2.海南省气象科学研究所,海南 海口 570203;3.南海气象防灾减灾重点实验室,海南 海口 570203)

基于FY-3的海南岛橡胶NDVI时空变化规律研究

杜函函1,2,3,张京红2,3,刘少军2,3,余云龙1,毕华1

(1.海南师范大学地理与旅游学院,海南 海口 571158;2.海南省气象科学研究所,海南 海口 570203;3.南海气象防灾减灾重点实验室,海南 海口 570203)

为了研究海南橡胶的生长态势,分析橡胶的归一化植被指数的变化规律,选取海南岛2008—2011年的FY-3A MERSI遥感进行去噪处理,运用风云三号遥感系统和ENVI得到相关数据,将遥感数据结合最大合成法分析橡胶的空间分布特征、年内及年际变化规律,得到海南岛橡胶年生长周期及变化规律.结论表明在2009—2012年四年间海南岛90%以上的橡胶NDVI值均保持在0.6以上,平均值呈现日益增加的趋势,每年2月和8月为极小值和极大值,2—8月为增长趋势,8—10月为下降趋势,10—11月有小幅度的增长,11月至次年2月呈下降趋势.

FY-3A MERSI;橡胶;NDVI

0 引言

海南是我国最大的天然橡胶生产基地,橡胶产业是海南兴农的基础产业、支柱产业和优势产业.截至2008年海南岛天然橡胶种植面积40.22万hm2,占全国51.8%,其中海南农垦25.53万hm2;干胶产量27万t,占全国50.2%,其中海南农垦17.1万t[1].到2010年末海南省橡胶种植面积达到49.04万hm2,开割面积34.31万hm2,产量34.64万t[2].橡胶的生长态势决定了其生产量,橡胶的NDVI反映了其生长态势.

随着遥感技术的发展及数据精度的提高,归一化植被指数(NDVI,normalized difference vegetation index)是指示植被覆盖和植被生长状态的最佳指示因子,被广泛应用于区域植被活动监测中[3-4];能很好地消除数据之间高阶冗余,便于提取有效信息[5];而且归一化植被指数具有空间覆盖范围广、植物检测灵敏度高、数据稳定性高等优点,目前已经作为一种遥感手段广泛应用于植被监测[6]、土地覆盖变化[7-8]、荒漠化研究[9]、净第一性植被生产力[10]等方面.大量植被生长态势、植被灾害监测、植被覆盖度[11]等研究运用归一化植被指数.陈小敏等[12]利用遥感分析海南省的橡胶MODIS/INDVI值,应用于监测橡胶寒害、受害面积和动态监测橡胶生长情况.王庆等[13]利用TM影像的植被NDVI值用于植被覆盖变化遥感监测.本文中以海南岛为研究区,通过对该区2008年至2012年风云三号气象卫星数据处理,分析该区橡胶归一化植被指数NDVI,研究该区橡胶的空间分布特征、年内及年际变化规律,探讨海南岛橡胶年生长周期及变化规律,从而增强对海南橡胶种植长势变化规律的分析,为其种植生产提供有利的条件,也为后期进一步开发橡胶动态监测和灾害影响评估提供基础资料.

1 研究区概况

海南岛地处热带,属热带季风气候,位于东经108°37′～111°05′,北纬3°30′～20°18′,年平均气温23～27 ℃,最低气温为1月平均17～24 ℃,最高气温为7月平均26～29 ℃,年均降水量639 mm.海南岛地势中间高耸,四周低平,以五指山、尖峰岭为隆起核心,向外围逐级下降.海南岛热带农作物品种繁多,橡胶是海南农业的主要产业之一,海南也是全国最大的橡胶生产基地.海南岛独特的热带气候为橡胶提供了良好的生长环境,橡胶生长期的每阶段除了受到不同的气候条件影响,台风、暴雨等严重气象灾害对橡胶产业也会造成一定的经济损失.

2 数据与方法

2.1数据来源本文中所使用的数据来自由国家卫星影像中心提供的空间分辨率为250 m的FY-3A MERSI遥感数据,其中2008年11月至2011年10月资料来源于国家卫星影像中心,2011年10月至2012年12月资料来源于海南省气象局研究所提供的ARPS单站接收系统FY-3A MERSI,共150幅海南岛遥感影像图.

风云三号(FY-3)气象卫星是我国的第二代极轨气象卫星,是我国今后遥感监测的主要应用性卫星系列[14].FY-3卫星数据进一步提高了云区和地表特征遥感能力,从而能够获取全球、全天候、三维、定量、多光谱的大气、地表和海表特性参数.因此选用FY-3卫星数据较EOS/MODIS卫星数据信息量大,遥感质量更为优越.

2.2方法与分析

1) 风云三号遥感图像预处理.利用风云三号遥感应用系统对每幅原始影像进行轨道拼接、几何校正、切片投影、转换格式[2,14],得到海南岛区域的风云三号遥感影像图.

2) 海南岛植被归一化指数NDVI提取,将得到的海南岛遥感影像图进行产品交互分析,执行云检测,计算并保存NDVI,得到每幅的海南岛NDVI分布图.再利用ENVI遥感软件将LDF格式文件转换成TIFF格式,便于后续在GIS中进行相应的处理操作.

图1 提取橡胶NDVI技术路线图

3) 海南岛橡胶NDVI提取.利用TM影像的海南岛橡胶种植分布图层在GIS中进行掩膜提取全岛橡胶NDVI值[2].在GIS中运用Spatial Analyst分析计算进行每月橡胶NDVI值最大合成,以及每年的橡胶NDVI值最大合成,并完成相应的制图,得出海南岛年际和年变化规律.选取儋州一区域做橡胶重点监测区,对其相应的四年内月橡胶NDVI值进行提取、分级、统计、分析,得出橡胶生长的年变化规律.

4) 采用最大合成法MVC(maximum value composites)获取月最大NDVI(MNDVI),该方法可进一步消除云、大气、太阳高度角等的部分干扰[10].公式为:MNDVIi=Max(N1,N2,N3,N4)式中:i为月序号,取值范围为1～12;MNDVIi为第i月的NDVI值;N1,N2,N3,N4分别为2009年、2010年、2011年、2012年的NDVI值.同样采用MVC方法获取年最大NDVI(YNDVI),作为年NDVI值,计算公式为YNDVIi=Max(N1,N2,N3,N4).

3 海南岛橡胶时空变化规律分析

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R),其中,R为可见光红波段的反射值,NIR为近红外波段的反射值.对2009—2012年的海南岛橡胶NDVI影像图进行每年最大合成,将每年的橡胶NDVI分为5级:<0.4,0.4～0.5,0.5～0.6,0.6～0.7,>0.7;并对每年各级别进行相应的面积统计,得出2009—2012年橡胶NDVI分级分布图(如图2)及分布表(如表1).

图2 2009—2012年海南岛橡胶NDVI分级分布图

表1 2009—2012年橡胶NDVI分级分布表 %

根据全岛年橡胶NDVI分布图及NDVI分级统计分析,2009年海南岛橡胶NDVI值整体较高,NDVI>0.7的橡胶面积占全岛橡胶面积的60.4%,主要集中位于海南岛中部,白沙西北部、儋州东南部、琼海西南部、万宁西北部、琼中、五指山呈零星分布;NDVI位于0.6～0.7之间的橡胶面积占全岛橡胶面积的36.9%,主要分布于沿海各市县,集中于文昌、定安、琼海、海口四市县接壤处.2010年橡胶NDVI值平均较2009年呈下降趋势,NDVI>0.7的橡胶面积仅占全岛橡胶面积的30%,儋州、白沙橡胶NDVI值下降最多;相应的NDVI值在0.6～0.7的橡胶面积增加至占全岛橡胶面积的65.5%.2011年橡胶整体NDVI值较2010年增加,NDVI>0.7的橡胶面积增加了8.6%.2012年橡胶NDVI值有显著提高,NDVI>0.7的橡胶面积比值增加至67.4%,NDVI在0.6～0.7之间的橡胶面积比值增加至30.9%.总体上,在2009—2012年四年间海南岛90%以上的橡胶NDVI值均保持在0.6以上,平均值呈现日益增加的趋势.

根据对海南岛整体的NDVI进行分级分布描述,对海南岛区域的橡胶NDVI进行提取统计分析,对4年的1—12月NDVI求最大值合成,得出其年生长橡胶NDVI值变化趋势图.可以看出全年2月份值最低为0.591 4,可见当月长势较差;8月份值最高为0.772 4,可见当月长势最好.2月到8月呈上升趋势,其中2—3月的月差值最大,上升最快,说明2—3月橡胶生长较快,该阶段的温度及降水等气候条件对橡胶的生长有利;8—10月为下降趋势,10—11月值有所回升,11月至次年2月为下降趋势.

4 结果与结论

对海南岛2008年至2012年的150幅250 m的FY-3A MERSI晴空的遥感进行橡胶NDVI分析,得到海南岛橡胶的时空分布规律:

图3 海南岛橡胶NDVI各月分级分布图

1) 对年际变化的分析得出,全岛橡胶分布主要集中位于海南岛中部,白沙西北部、儋州东南部、琼海西南部、万宁西北部,琼中、五指山呈零星分布.自2009年至2012年海南岛橡胶NDVI逐年增加,呈上升趋势,每年90%橡胶NDVI大于0.6.说明海南岛橡胶长势呈现较好的增长态势.

2) 对年内的橡胶NDVI最大值合成分析得出海南岛橡胶NDVI年变化趋势线,2月和8月为极小值和极大值,2—8月为增长趋势,8—10月为下降趋势,10—11月有个小幅度的增长,11月至次年2月呈下降趋势.说明橡胶在2月份长势最差,8月份长势最好;在每年的10月左右,由于台风等气象灾害及当月气候的影响,橡胶长势出现短期下降,台风等热带气旋过境后,橡胶植被长势出现短暂短期上升趋势;后期在温度、降水、日照等因素影响下,11月至次年1月橡胶长势逐渐降低.

[1] 王一新.海南天然橡胶产业发展思路[C]//第五届衍生品市场论坛天然橡胶国际会议.海口:[出版者不详].

[2] 刘少军,张京红,何政伟,等.基于面向对象的橡胶分布面积估算研究[J].广东农业科学,2010(1):168-170.

[3] 田庆久,闵祥军.植被指数研究进展[J].地球科学进展,1998,13(4):327-333.

[4] 罗修岳,郑柯.脆弱生态环境植被指数和植被盖度数字图像的编制及其应用研究-以晋陕蒙地区为例[M]//晋陕蒙接壤地区脆弱生态系统遥感监测与管理研究.北京:宇航出版社,1994:24-35.

[5] 李明明,周可法,孙莉,等.基于ICA的遥感蚀变信息提取方法的研究[J].干旱区理,2011,34(2):309-316.

[6] 殷守敬,陈晓玲,吴传庆,等.基于时序NDVI的江西省植被覆盖时空变化分析[J].华中师范大学学报:自然科学报,2013,47(1):129-135.

[7] 刘勇洪,牛铮,徐永明,等.基于MODIS数据设计的中国土地覆盖分类系统与应用研究[J].农业工程学报,2006,22(5):99-104.

[8] 王三,赵伟,黄春芳.基于遥感的重庆市土地利用动态变化研究[J].中国农学通报,2010,26(2):250-256.

[9] 刘爱霞,王长耀,王静,等.基于MODIS和NOAA/AVHRR的荒漠化遥感监测方法[J].农业工程学报2007,23(10):145-150.

[10] 郑凌云,张佳华.草地净第一性生产力估算的研究进展[J].农业工程学报,2007,23(1):279-285.

[11] 苗正红,刘志明,王宗明,等.基于MODIS NDVI的吉林省植被覆盖度动态遥感监测[J].遥感技术与应用,2010,25(3):387-393.

[12] 陈小敏,陈汇林,陶忠良,等.2008年初海南橡胶寒害遥感监测初探[J].自然灾害学报,2013,22(1):25-28.

[13] 王庆,王娜,曹雪峰.基于TM影像的区域植被覆盖变化遥感监测[J].人民黄河,2013,35(2):70-71.

[14] 杨军,董超华,卢乃锰,等.新一代极轨气象卫星-风云三号[J].气象学报,2009,67(4):501-509.

(责任编辑 游俊)

RubberNDVIspace-timechangelawbasedonFY-3inHainan

DU Hanhan1,2,3,ZHANG Jinghong2,3,LIU Shaojun2,3,YU Yunlong1,BI Hua1

(1. Institute of Geography and Tourism, Hainan Normal University, Haikou 571158, China;2. Meteorological Research Institute of Hainan, Haikou 57020, China;3. Key Laboratory of Meteorological Disaster Preventing and Reducing of South China Sea, Haikou 570203, China)

The study of the growth situation of Hainan rubber and the analysis of the change rule of normalized difference vegetation index of rubber in Hainan were reported in this paper. FY-3A MERSI data from 2008 to 2011 were acquired. The related data was obtained by the use of the 3 remote sensing system and ENVI. Analyzed the spatial distribution characteristics of rubber, years and interannual variation law through the maximum synthesis and got the rubber annual growth cycle and change rule in Hainan. The conclusion showed that from 2009 to 2012, 90% or more rubber were kept at value above 0.6 in Hainan, average presented the increasing trend: the value in February and August for the minimum and maximum, from February to August as the growth trend, from August to October as the downward trend, there was a small amplitude from October to November, and then a downward trend from November to the next February in Hainan.

FY-3A MERSI; rubber; normalized difference vegetation index

2013-10-27

国家自然科学基金(41161091)和风云三号气象卫星在橡胶监测中的应用示范子系统项目资助

杜函函(1988-),女,硕士生;毕华,通信作者,教授,博士生导师,E-mail:bh@hainnu.edu.cn

1000-2375(2014)05-0401-05

Q948.2;P208

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2014.05.003