基于MODIS数据的额济纳植被物候对气候变化和调水的响应

摘要 基于2001—2021年的16 d合成Terra MODIS 250 m NDVI时间序列数据，利用Savitzky-Golay滤波法和动态阈值方法，提取、分析额济纳绿洲植被生长季开始日期（SOS）、结束日期（EOS）、生长季长度（LOS）及NDVI最大值（MAX）4种植被物候参数的时空变化，并通过2011—2013年的实地观测数据对提取的植被物候参数进行验证；同时，结合同期的温度、降水量、径流和地下水位埋深的观测数据，分析额济纳植被物候参数对气候变化和调水的响应关系。结果表明，SOS和EOS分别为第120～160天和第256～320天。近21年植被MAX有所增长，LOS延长趋势明显，变化趋势为4.65 d/10 a，植被SOS整体呈提前趋势，变化趋势为2.05 d/10 a，EOS整体上呈推迟趋势，变化趋势为2.60 d/10 a。物候参数与气候因子和调水的相关分析表明，气温的升高对SOS提前有促进作用，对EOS推迟有促进作用，径流和地下水位埋深对SOS和MAX起到促进作用，前一年的径流和地下水位埋深对MAX值增加和SOS提前有显著影响。

关键词 植被物候；气候变化；调水；物候；MODIS；额济纳

中图分类号 X173  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2023）13-0064-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.13.016

Response of Vegetation Phenology in Ejina to Climate Change and Water Transfer Based on MODIS Data

LAN Xiao-ying1，WU Lan2，LIU Yu-ming3

（1.Shanghai Weizhi Zhuoxin Information Technology Co.， Ltd.， Shanghai 200000;2.School of Ecology and Environment， Hainan University， Haikou， Hainan 570100;3.31016 Troops，Beijing 100000）

Abstract Based on the 16 days synthetic Terra MODIS 250 m NDVI time series data from 2001 to 2021， the Savitzky Golay filtering method and dynamic threshold method were used to extract and analyze the temporal and spatial changes of four vegetation phenological parameters in Ejina Oasis， including the start of growing season （SOS），the end of growing season （EOS），the length of growing season （LOS） and maximum value of NDVI，and the extracted vegetation phenological parameters were validated through field observation data from 2011 to 2013. At the same time， combined with observation data of temperature， precipitation， runoff and groundwater depth during the same period， the response relationship of vegetation phenological parameters to climate change and water diversion in Ejina was analyzed.The results showed that the SOS and the EOS were mainly occurred from the day of year （DOY） 120-160 and DOY 256-320， respectively. In the past 21 years， the vegetation MAX had increased， and LOS had shown a significant trend of prolongation， with a trend of 4.65 d/10 a. The overall vegetation SOS showed an advanced trend， with a trend of 2.05 d/10 a. The overall EOS showed a delayed trend， with a trend of 2.60 d/10 a.The correlation analysis between phenological parameters， climate factors and water regulation showed that an increase in temperature had a promoting effect on the advance of SOS and a promoting effect on the delay of EOS. Runoff and groundwater burial depth had a promoting effect on SOS and MAX. The previous year’s runoff and groundwater burial depth had a significant impact on the increase of MAX value and the advance of SOS.

Key words Vegetation phenology;Climate change;Water transfer;Phenology;MODIS;Ejina

作者简介 兰小莹（1990—），女，内蒙古包头人，工程师，硕士，从事GIS与资源环境等方面的研究。

收稿日期 2023-02-06

植被物候学是研究植被与环境条件（气候、水文、土壤）的周期性变化（萌发、开花、结果、落叶）的科学［1］。陆地生态系统中植被的变化是对气候、水文条件和人类活动等的响应［2-4］。植被物候与气候变化关系的研究对预测植被动态变化、改善生态环境有重要作用［5］。遥感监测方法能连续长期观测，为气候响应［6-7］、农业生产管理［8-9］、生物量估算［10-11］等领域研究提供了有力的手段。植被指数作为植被变化的指示参数，近年来，MODIS植被指数产品归一化植被指数（NDVI）、增强植被指数（EVI）、比值植被指数（RVI）、绿度植被指数（GVI）等在大尺度范围分析植被物候研究得到广泛开展［12-14］。一般来说，基于MODIS植被指数时间序列数据提取植被物候参数需要2个步骤，即重构植被指数时间序列数据和提取植被物候参数。首先，由于遥感监测过程中受到云、大气和传感器本身性能等因素的影响，使得观测值存在干扰信息［15-16］。为了得到真实的植被观测值，大量学者提出了BISE法、分段式Logistic函数拟合法、非对称高斯法、Savitzky-Golay（S-G）滤波等［16-19］方法对植被指数时间序列数据进行降噪处理并重建一个新的植被指数时间序列用于分析。其次，针对植被物候参数提取，不同的学者也提出了不同的方法，如固定阈值法［20］、动态阈值法［19］、延迟移动平均法［21］、物候学累积频率法等［22］。其中，S-G滤波法能充分考虑到NDVI最大值和最小值，可以较好地保留NDVI的微妙变化，因此该研究选择利用TIMESAT软件中的S-G滤波法和动态阈值法进行额济纳绿洲研究区域植被物候参数的提取及植被物候变化特征分析。

内蒙古额济纳胡杨林国家级自然保护区是集自然动植物保护、生产、科学研究、教育和旅游等多功能于一体的保护区。自20世纪90年代以来，额济纳绿洲的自然植被明显减少，但在2000年我国政府实施生态引水工程（EWDP）后，加大了额济纳绿洲径流量和地下水存储量，植被覆盖度有所改善。额济纳丰富的径流和地下水使其成为研究物候参数对水文条件响应的合理选择。该地区先前的研究主要集中于气候因素，然而，关于额济纳绿洲植被物候对气候变化和对调水响应研究甚少。因此，该研究选取黑河下游额济纳旗绿洲作为研究对象，采用遥感和GIS技术，基于MODIS NDVI长时间序列数据，利用Savitzky-Golay滤波法和动态阈值法获取降噪拟合的时间序列数据并提取植被物候参数信息，分析2001—2021年额济纳绿洲植被物候参数的年际变化趋势和空间上的分布格局，探索植被物候参数信息与气候因素（气温、降水量）和调水后的水文数据（径流、地下水位埋深）之间的相关关系，分析植被物候变化对气候、调水等因素的响应，以期为当地生态环境建设、额济纳绿洲保护提供有利依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区最西端黑河下游额济纳河三角洲，地理位置为97°10′～103°07′E、39°52～42°47′N，面积约11.46 km2。陆地表面海拔为820～1 127 m，平均坡度小于3°。研究区属于大陆性干旱气候，具有干旱少雨（年降水量37 mm，年均气温8.3 ℃）、蒸发量大（年蒸发量3 800 mm）、风沙多（年均≥8级以上大风日数44 d）等特点。研究区包括以农田和人工林为主的人工植被和以胡杨、柽柳、苦豆子等为主的各类天然植被（图1），天然植被不仅用于畜牧业，其胡杨林自然保护区对旅游业发展也有很重要作用。

1.2 数据来源

1.2.1

MODIS NDVI数据。该研究中使用的是由美国航空局（NASA）提供的覆盖内蒙古额济纳研究区行列号为h25v04的 MOD13Q1v005 16 d合成250 m分辨率的陆地产品数据。该研究下载了2001—2021年共483幅影像，影像为正弦投影（WGS84基准）。基于需要对影像进行投影转换、NDVI数据提取、图像裁剪等处理，形成可用于植被物候参数信息提取的NDVI时间序列数据。

1.2.2

实地物候观测数据。该研究利用研究区额济纳绿洲植被物候日期的实地观测数据来验证基于MODIS数据提取的植被物候参数。实地物候观测数据由首都师范大学王乐教授课题组提供。额济纳实地物候观测数据包括2011—2013年的数据，每年分别在4—6月和9—11月2个不同时期对额济纳植被进行实地观测，并通过测量结果计算SOS、EOS、NDVI。

1.2.3

气象和水文数据。该研究使用气象和水文数据来分析物候变化背后的驱动因素。研究区域内的气象、水文数据、地下水位埋深监测数据均由国家冰川冻土沙漠科学数据中心（http：//www.ncdc.ac.cn）提供，获取1957—2016年的逐月逐年降水量、平均气温、径流及1990—2015年黑河流域下游地下水位埋深监测数据。

1.3 研究方法

1.3.1 MODIS NDVI 时间序列重构。MODIS NDVI时间序列数据降噪处理是提取植被物候参数的关键点，合理的降噪算法能有效去除各种噪声对植被物候参数提取的影响。该研究利用S-G滤波法对NDVI时间序列数据进行重构得到光滑稳定的曲线。S-G利用移动窗口附近值的线性组合来替代原始数据yi，达到平滑数据和剔除异常值的目的。基于S-G滤波原理，NDVI时间序列数据滤波公式如下：

Y*j=nj=-n（cjyi+j）（1）