遥感技术在对比植物差异之间的利用

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。1980．2000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) ，1997—2007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 1984．2007年之间以47．12 kin2／年的速率增加，位居 全国之首，其中2000—2007年的增速高达68．09 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 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

2．1数据来源

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A VHRR 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) 。

2．2分析方法

本文研究时段为2002—2009年，研究区为北京城区及周边地区(39．43。-40．420N ，116．850～115．86。 E ，图1) ，排除了低植被覆盖像元(2002．2009年平均 的NDVI 季节循环序列中最大值小于0．15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NDFI 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3l ～180日 (日序，下同) 的范围内寻找其最大值，在181～330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

3．1物候期的空间分布

图1展示了研究区2002—2009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 km)像元的分布范围与0．45 NDVI等值线圈定的空间范围基本一致，因而年最 大NDVI 的O ．45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0．35 NDVI等值线基本

一 致。因此，在本研究中将年最大NDVI 大于0．45的

区域定义为乡村，年最大NDVI 介于0．35和0．45的 区域定义为城市边缘区，年最大彻玎小于0．35的 区域定义为城市核心区。

图3展示了2002．2009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131—135日(5月 11．15日) ，边缘城区进一步提前至126—130日(5月6．10日) ，城市核心区则在111一115日(4月21．25 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20～30天(杨国栋等，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301—310日(10月28日一11月6日) ，边缘城区进一步 推迟至306．310日(11月2-6日) ，核心城区则推迟至 316—325日(11月12．21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。

3．2物候期的时间演变

2002—2009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0．56、0．64；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0．45、0．63。 然而，不同地区物候期2002．2009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， 2002—2009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2．4天／年，边缘城区的推迟速率 仅为0．8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1．2天／年。2002—2009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1．5天／年，边缘城区的提前速率为1．2天／年；乡村地区的EOG 却呈现推迟的趋势，其速率为 1．1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2002—2005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3．9天／年和2．0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2．3天／年。

另外，城区物候期的年际变率远远大于乡村，2002．2009年核心城区与边缘城区SOG 的变异系数 分别为0．12、0．06，乡村地区仅为0．03，核心城区与 边缘城区EOG 变异系数分别为0．01和0．02，乡村地区为0．01。

4结论与讨论

上述分析表明，2002—2009年间，北京地区城市 与乡村植物物候存在明显差异：①城区春季物候 早于乡村，城区的生长季开始日(SOG)比乡村偏早 20-30天；城区的秋季物候晚于乡村，城区的生长季 结束日(EOG)比乡村偏晚大约15～25天；两者综合 影响使得城区的生长季总日数(m)多于乡村的，生 长季大约延长了1～2个月。②城区物候的时间演 变特征与乡村有明显差异，2002—2009年乡村地区 的春季物候呈现提前的趋势，秋季物候呈现推迟的趋势，而城区的物候期变化却呈现出完全相反的变 化趋势，即春季物候趋于推迟，秋季物候趋于提前， 并且城区物候的年际变率远远大于乡村地区。

城区与乡村物候的差异得到了来自地面观测数据的证实(杨国栋等，1995) 。城乡物

候差异可 能与城市热岛效应有关。由于城市热岛效应，城区 的温度比乡村高，因而使得春季物候提前，秋季物 候推迟，绿色植被覆盖总日数偏多。同时，此现象 也可能与城市污染有关，污染使得城市大气中气溶 胶浓度比乡村高，使得达到地表的太阳辐射中散射 成分偏多，散射光比直射光有利于增强绿色植物的 光合作用，由此导致SOG 提前。另外，城乡海拔高 度造成的温度差异，也是导致城、乡物候差异，尤其 是西部和北部地区与城区物候差异的原因之一。

关于城区与乡村物候时间演变特征相反及城 区物候年际变率大于乡村地区的现象，在此前的研 究中较少发现，其中的原因尚不明晰。从影响植物物候的环境要素推断，有可能与城市夜间照明有 关。城市夜间照明扰乱了自然的光周期，这可能造 成植物物候期具有很大的年际变率。另外，可能与 空气污染有关，空气污染使得城市大气成分和紫外 线辐射强度不同于乡村地区；也可能与城市下垫面 的水、热通量及其日变化、季节变化特征不同于乡村地区有关(Neil et al，2006) ；还有可能与城市区域 一般是园林景观植被，植物种类不同于城市外围的 乡土物种，并且受人工干扰(比如浇水、施肥、剪枝 等) 较大有关。当然，也可能存在其他尚不清晰的 因子，值得进一步研究。

本文从实证的角度，利用卫星遥感数据量化了 城市与乡村物候期的差异，揭示了城市环境对植物 物候的影响。研究结果不仅进一步证实了此前研 究的结果，而且发现了此前少有报道的现象，因而为探讨人类活动的生态环境效应提供新的科学依 据。当然，上述部分研究结果尚待进一步验证，例 如利用本研究提取SOG 和EOG 的方法，得到的城市和乡村之间物候期在有些年份相差甚大，其中 2002年SOG 相差达55天，这在一定程度上可能夸 大了城乡之间的差异；又如，城区SOG 日期的年际 变率远远大于乡村地区，其部分原因可能是提取 SOG 方法应用于低植被覆盖区会使其结果不稳 定。因此，本研究一方面需要其他物候期提取方法 的印证，另一方面也需要来自地面更多的观测资料 和其他卫星传感器(如SPOT VGT)数据分析的验证。

1 [百度文库 引言，遥感技术定义等]

2 『白洁，戴君虎，葛全胜，等．2010．西安木本植物物候与气候要素的关系．植物生态学报，34(11)：1274-1282．】

3 [谈明洪，李秀彬，吕昌河．2003．我 国城市用地扩张的驱动力分析．经济地理，23(5)： 635-639．]

4 [南颖，刘志锋，董叶辉，等．2010．2000．2008年长白山地区植被覆盖变化对气候的响应研究．地理科学，30(6)：921—928．]