科尔沁沙地典型地区流动沙丘NDVI 与TCI 关系

高翯 施冬*

（长江大学地球科学学院,湖北 武汉430100）

1 研究区概况和方法

1.1 研究区概况和数据来源

本文所选择的研究区位于内蒙古自治州通辽市东南部的科尔沁左翼后旗：科尔沁沙地的边缘地区,是大兴安岭西南部丘陵区向西辽河平原过渡区和我国农牧业交错的东部地带,流动沙丘较为广泛的分布在该区域内部。研究区属于温带大陆性季风气候,年平均气温大约为5.8℃～6.4℃；年平均降水量大约为343mm～451mm,并且降水量的分布很不均匀,7 月～9 月的年降水量占全年降水量的一半以上；年蒸发量大约为1500mm～2500mm,4 月～7 月的年蒸发量占全年蒸发量的一半以上。

沙地内交错分布着固定沙丘、半固定沙丘、流动沙丘、面积不相等的缓平沙地以及低洼地,植被的数目和种类很少。本次的研究地选择为科尔沁沙地的流动沙丘。流动沙丘的特征是：沙丘地表植被类型和数量较少,植被覆盖度低于20%。流动沙丘的形状更是为典型[1]。

本次研究选取2013-2017 年5 月到10 月的Landsat8 OLI的MSS 和TM云量近似为0 的影像为信息源,由于选取的这5个月植被生长情况相对可观,因此可以增强数据的可比性,比较容易得出相关性分析结果。

1.2 研究方法

本文研究主要采用ENVI5.3 和ARCGIS10.2 两种软件,先利用ENVI5.3 对影像进行空间分析,利用支持向量机的监督分类方法解译出影像中的流动沙丘区域创建出训练样本的感兴趣区,流动沙丘在整幅图像中的遥感数据解译特征为：流动沙丘整体呈明亮的白色,很少有红点、淡黄色、乳白色、单灰色或灰白色。它是鳞片状的,带有波浪状或蜂窝状的沙丘线和清晰的波纹。再利用ARCGIS10.2 将分类后的结果图叠加在原始影像上进行比对判断分类精度并裁剪出5 个流动沙丘所占比重较大的区域得到5 个结果图。计算得出研究区域的NDVI（归一化植被指数）,接着利用大气校正法反演出研究区域的LST（地表温度）,在得出的LST 基础上计算得出研究区域的TCI[2]。

归一化植被指数,是一种用来对植被进行生长状况的测量和监测的系数。通过遥感传感器获取到的多光谱数据,进行线性和非线性的组合处理,得出各种对植被具有一定指示作用的数值,是表示地表植被数量分布和生长状况,生长质量是最好的指标。

NDVI 的计算公式：NDVI=（ρNIR-ρRED）/（ρNIR+ρRED）

公式中ρNIR 为近红外波段（Band 4）、ρRED 为红外波段（Band 5）[3-4]。

地表温度,就是陆地表面的温度（ ℃）。当太阳的热能辐射到地面之后,辐射被分为两部分：一部分辐射被地面所吸收,另一部分辐射被地表反射到空中。由于地表吸收了一部分能量,使得地表热量增加,此时对陆地表面进行温度测量的数值就是地表温度。

卫星传感器所观测到的热辐射包括地表所接受的经过大气作用后的热辐射强度以及地表的热辐射强度。首先推测地表所接收的热辐射受大气作用的影响程度,接着把这部分在总量中除去,剩余的部分就是地表的热辐射强度,最后地表温度由地表的热辐射强度通过计算得到。

具体实现为大气本身向上的辐射亮度、被地面反射到卫星传感器的大气向下辐射的能量、卫星传感器所接收的经过大气衰减的地面真实辐射亮度的能量,这三部分能量共同构成了卫星传感器接收到的热红外辐射亮度值。

条件温度指数,是被用来确定与温度有关的植被压力并估算植被状况中的贡献,以及因为潮湿过度所引起的压力,其数值处于（0,1）,但是,这个表达式只适用于代表植被对温度的不同响应。

TCI 的计算公式：TCI=（LSTmax-LST）/（LSTmax-LSTmin）

公式中LSTmax 是温度LST 指数的最大值,LSTmin 是LST指数的最小值,通过对温度进行像元值的快速统计方式来获得LST 指数的最大值和最小值[5]。

最后得出各研究区域的NDVI 和TCI 数值（表1）并对其进行相关性分析,得出结论,做出相关性的散点图。

表1 各研究区NDVI 与TCI 数值

2 NDVI 与TCI 的关系

NDVI 被广泛应用在植被遥感中,植被要比裸露的土壤,云层和水的NDVI 值高的多。生长茂盛的健康植被具有最大的NDVI 值。因为具备这些特性,NDVI 成为了一种主要的工具用来描述植被物候,大陆的土地覆盖程度,植被的分类,植被的生长动态以及农作物种植结构方法,这些应用程序延续至今。植被覆盖度作为学科领域所采用的一个重要参数指标,可以对所研究区域的环境状况、天气状况、农作物产量、牧场产量进行描述,为了能够得到比较精确的植被覆盖度的信息,多个学科领域共同提高植被覆盖度的精确监测成为必然趋势。

对于科尔沁沙地流动沙丘的条件温度指数（TCI）而言,不考虑其他因素对条件温度指数（TCI）的影响,只研究归一化植被指数（NDVI）的影响。通常NDVI 的数据值处于（-1,+1）的区间内,但对于流动沙丘,由于流动沙丘内植被种类以及数目很少,所以流动沙丘的NDVI 数值低于0.2,本文所选择的相近年份的5月份-10 月份植被相对稳定茂盛月份的NDVI 和TCI 的数据表明,NDVI 的平均取值为0.154,由于所选择的数据时间月份处于夏季和秋季,夏季植被生长比较旺盛所以植被覆盖度比较高,秋季植被进入负增长状态所以植被覆盖度比较低,因此NDVI 的取值浮动为±0.014（图1）。

图1 NDVI 变化

因为植被表面具有蒸腾作用,可以降低植被温度以及植被周围的温度,所以随着NDVI 值每增大0.018,温度会相应降低5.152 ℃,同时TCI 也相应降低0.18。可见,随着NDVI 值的增大,TCI 值呈下降趋势。由此可以推定,在其他年份和月份中,不考虑其他影响因素,在科尔沁沙地典型地区流动沙丘内,TCI 与NDVI 呈明显的负相关关系（图2）。

图2 NDVI 与TCI 关系

3 结论

本文运用归一化植被指数和条件温度指数,以科尔沁沙地2013-2017 年5-10 月份的遥感影像为基础,分析了归一化植被指数和条件温度指数的关系,条件温度指数随着归一化植被指数的增加呈下降趋势。研究结果有助于植被覆盖度与温度的相关性研究,对研究条件温度指数的影响因素具有一定的意义。