基于植被状态指数的中国干旱演变特征及遥相关驱动研究

干旱会引发植被绿度下降、农作物减产、生物栖息地破坏等诸多问题,对人类和自然环境均具有显著影响。以植被状态指数作为干旱指标,利用极点对称模态分解EPSMD方法对1999~2019年全国植被状态指数序列进行周期与趋势识别,采用网格化趋势检验法揭示网格化的干旱趋势特征,运用多变量小波相干方法探讨干旱与多种遥相关因素的内在关系。结果表明,1999~2019年基于植被状态指数的全国干旱大体呈减轻趋势,植被状态指数的线性倾向率为0.044/10a;不同分区的干旱变化特征各不相同,其中黄土高原区的干旱减轻趋势最为明显,植被状态指数线性倾向率为0.215/10a;网格尺度的植被状态指数趋势特征Z均值在春季、夏季、秋季、冬季分别为0.41、0.79、0.50、0.11,各季度旱情均呈减轻态势;遥相关因素组合PNA-ENSO对全国干旱的影响最为明显。未来可将PNA、ENSO作为干旱预警输入因子提高干旱预报精度。

基于植被状态指数的县域冬小麦干旱时空变化特征分析

[目的]分析县域冬小麦干旱的时空异质性,为抗旱减灾提供辅助决策支持。[方法]基于GF1,Landsat,Sentinel-2等中高分辨率遥感数据,选取植被状态指数(Vegetation Condition Index,VCI)作为干旱监测指标,计算2011—2021年禹州市冬小麦VCI,逐年分析禹州市冬小麦干旱分布情况,并通过变异系数、线性趋势法、重心迁移和标准差椭圆等方法,对禹州市冬小麦干旱的稳定性、变化趋势、时空变化等特征进行了多维度分析。[结果](1)空间上,2011—2021年禹州市冬小麦干旱主要分布在北部和西部的山岗丘陵区,干旱面积和干旱强度由平原区向山岗区逐渐延展扩大;变异系数与变化百分率均值分别为0.62,13.12%,冬小麦干旱稳定性与变化趋势空间分布一致性高;重心迁移轨迹总距离和标准差椭圆扁率从无旱到重旱逐渐变小,标准差椭圆面积逐渐变大,表明干旱空间分布由集中趋于分散;(2)时间上,禹州市冬小麦每年都有轻旱发生,中旱和重旱平均2~4年发生一次,2012—2014年连续3年旱情较重,中旱和重旱总占比均超过35%,其次为2016年和2018年。[结论]近11年来禹州市冬小麦干旱总体上呈现向好的发展态势,大部分区域冬小麦旱情改善较为明显,对于旱情严重且不稳定区域需加强防控力度。

基于植被状态指数的全国干旱遥感监测试验研究(Ⅰ)——资料分析与处理部分

在收集处理了了 1981～ 1994年连续 5 0 4旬的由NOAAAVHRR第 1、2通道的反射率计算得的NDVI时间系列数据 ,以及 1980～ 1994年全国 10 2个固定农气观测站的旬土壤湿度资料 (- 2 0cm)和相应测站的田间持水量资料基础上 ,分析了全国NDVI及植被状态指数VCI的时空变化特征 ,发现NDVI值随季节 (旬 )分别表现为“双峰型”和“单峰型”的变化 ,在第 17～ 2 7旬之间达到极大值 ,并与作物生长有关 ,VCI的变化与NDVI的变化呈相反趋势 ;对资料因站点的分布和密度以及时序位相等差异可能影响资料代表性的探讨认为 :因旱情发展有一个过程 ,故NDVI、SHI的时空特性应该不会影响其分析结果的代表性。综合分析了资料的时空代表性 ,为干旱遥感监测模型的建立作准备。

基于植被状态指数的土壤湿度遥感方法研究

利用1981-1994年连续504旬的NOAAAVHRR8km分辨率的NDVI时间系列数据,以及对应时段全国102个固定农气观测站(-20cm深度)的旬土壤湿度资料,建立了植被状态指数IVC与土壤湿度之间的统计模型,由旬IVC值来换算出每旬的土壤湿度,用以反映全国的逐旬土壤水分分布。对模型进行的统计检验表明,模型都通过了置信度为α=0.05的统计检验。试验结果表明,这种方法在作物生长期内可应用于全国大范围的土壤湿度遥感监测,简便易行。

植被状态指数和温度条件指数的提取方法

NDVI最大值最小值和地表温度最大值最小值分别是计算植被状态指数(VCI)和温度条件指数(TCI)的关键参数。本文在介绍国内外提取四个参数的研究应用情况的基础上,充分考虑了各地区温度、地形等的影响,提出了新的提取方法,以适应全国范围内的旱情监测。针对各影响因子的分析表明,本文提出的参数提取方法是合理可行的。

基于植被状态指数的全国干旱遥感监测试验研究(Ⅱ)——干旱遥感监测模型与结果分析部分

通过利用1981～1994年连续504旬的由NOAAAVHRR8km分辨率的NDVI时间系列数据,以及对应时段的全国102个固定农气观测站的旬土壤湿度资料(-20cm),建立了植被状态指数(VCI)与土壤湿度之间的统计模型,由土壤湿度旱情等级标准来换算出每旬用VCI进行干旱遥感监测的旱情等级标准,以确定出全国的逐旬旱情分布。对模型进行的统计检验表明,模型都通过了置信度为α=0.05统计检验。监测试验结果表明,这种方法在作物生长期内应用于大范围旱情遥感监测,有效且简便易行。

2003-2021年黄河流域逐月1 km分辨率VCI和TCI干旱指数数据集

黄河流域地跨干旱、半干旱和半湿润气候带,其多年平均水资源总量为719.4亿立方米,占全国水资源总量的2.5%,是中国各大流域中受干旱影响最为严重的流域。随着全球气候变化,黄河流域的干旱变化成为研究的热点。本文基于MODIS植被指数产品(MYD13A2,V6)和地表温度辐射产品(MYD11A2,V6),采用Kogan在1995年提出的VCI和TCI指数计算方法,分别生产了黄河流域2003–2021年逐月1 km分辨率VCI和TCI干旱指数数据集。数据经过去云处理、填补缺值和滤除背景噪声等数据质量控制操作,以确保数据集能够满足研究人员使用。通过数据共享,期望为全球变化背景下黄河流域的干旱监测及研究提供重要数据支撑。

基于植被状态指数的甘肃省2000-2019年干旱时空特征分析

农业发展受干旱影响极为敏感。为了为制定科学的应对措施和干旱缓解措施提供科学依据,利用NDVI作为基础数据,将植被状态指数(VCI)作为表征干旱的指标,通过分析VCI的变化趋势、计算干旱频率和干旱面积占比、分析VCI与降水量的相关性,探讨2000—2019年不同空间尺度甘肃省干旱的时空分布特征,并且结合土地利用类型分析了不同用地类型发生不同程度旱情的可能性。结果表明:甘肃省农业干旱高发于春季,其次是秋季;空间上以全域性干旱为主,即研究时段内甘肃省干旱面积占比大于50%为主,并呈现西北高东南低的空间格局;植被状态指数与当月降水量的相关系数最大,达到了0.827;林地和草地发生干旱的比例最低,未利用地发生干旱的比例最高。综上,甘肃省旱情以全域性干旱为主,且时空分布不均,整体旱情呈现逐渐缓解的趋势。

基于植被指数的作物产量监测方法研究

在作物收获以前进行大范围的作物长势评价与作物产量估测,对粮食供需平衡、贸易、农业政策制定非常重要。该文收集了1984年到2002年的NOAA卫星和农业统计资料,计算耕地范围的植被状态指数VCI、温度状态指数TCI和植被生长状态指数VHI,分析了遥感植被指数与作物产量间的相关关系,分别建立了基于植被指数的线性回归模型和非线性回归模型。结果表明,遥感植被指数与作物产量间存在较好的相关性,其非线性回归模型在拟合精度上高于线性回归模型。研究目的是利用卫星资料得出应用于监测作物长势的植被指数,建立作物产量监测模型,应用于农作物遥感监测业务化运行系统。

植被状况指数的改进及在西北干旱监测中的应用

干旱是全球分布最广、发生频率最高、持续时间最长、影响范围最大、造成的经济损失最为严重的一种自然灾害,干旱也是所有自然灾害中影响因子最为复杂、人类了解最少、监测最为困难的一种自然灾害,干旱监测是世界性的难题。干旱可以发生在任何气候带上,但干旱、半干旱地区是全球干旱灾害发生最频繁的地区。干旱发生特征和规律因地区的不同会有很大的差异,不同地区对干旱监测方法不同。目前,世界各国干旱监测主要利用基于气象、水文、农业和卫星遥感等观测资料建立的各种干旱指数开展,已经有150多种干旱指数。植被状况指数VCI是应用最为广泛的一种卫星监测干旱的指数,研究和业务应用结果表明,VCI对全球各地的干旱均有较好的反映,已经应用在美国国家大气海洋局(NOAA)日常干旱监测业务中,中国国家卫星气象中心干旱卫星遥感监测服务产品也是以VCI为基础。我国干旱半干旱地区主要分布在新疆、甘肃、青海、陕西、宁夏以及内蒙古自治区的中西部,这里降水少且不稳定,降水变率大,是中国干旱发生频率最高的地区。干旱严重制约着当地经济发展和人类生活质量的提高,使本身非常脆弱的生态环境趋于恶化。为了了解条件植被指数VCI对西北地区不同气候区干旱的监测能力,以上述6省(区)为研究区,利用1982—2003年22年NDVI数据,计算了研究区域22年来逐月的VCI,对比分析了不同气候区VCI与降水距平的关系。结果表明,VCI在空间和时间上较好地反映了西北大部分气候干旱发生、发展和空间分布,是干旱监测的较好指标,但在干旱和极端干旱地区,VCI经常出现异常偏高现象,不能反映干旱气候区常年干旱的基本特点。通过对西北不同生态系统之间NDVI特点和各生态系统间NDVI年变化及其年际变化规律的研究,设计了VCI改进方案,提出了改进的条件植被指数RVCI。通过对22年来逐月RV-CI与VCI的对比,RVCI客观地反映了干旱气候区常年干旱特点,较VCI有显著改进。

地表温度-归一化植被指数特征空间干旱监测方法的改进及应用研究

地表温度-归一化植被指数(Ts-NDVI)特征空间干旱监测方法易受到监测期地表湿度、植被覆盖状况和卫星观测质量的影响,导致特征空间干、湿边不稳定,在基于长时间、大范围卫星观测资料的基础上对Ts-NDVI特征空间方法进行改进,将其称为通用特征空间方法。首先基于某观测时段,单独构建每年基于该单一年份单一时段卫星观测数据的Ts-NDVI特征空间,然后在已构建的各单一时段特征空间的干、湿边地表温度中,分别用最大值、最小值合成法提取各植被指数对应的多年最大、最小地表温度,分别构成各年通用的Ts-NDVI特征空间的干、湿边地表温度,最后通过线性拟合,获得通用特征空间的干、湿边方程。选择中分辨率成像光谱仪的归一化植被指数(NDVI)和地表温度(Ts)数据在中国主要粮食产区黑龙江省进行干旱监测试验,对改进前、后特征空间的植被温度状态指数进行对比分析,并用10、20cm土壤相对湿度和降水量进行检验。结果表明:通用特征空间方法合成的Ts-NDVI特征空间三角形结构特征显著,干、湿边明晰,比改进前更接近特征空间的理论边界,增强了特征空间干、湿边的稳定性,提高了干旱监测结果的精度,当单一时段特征空间稳定性较差时,改进效果最明显。通用特征空间对浅层土壤湿度更加敏感,与监测同期及前期总体降水都密切相关,且对降水的响应更敏感。

基于VCI指数的青藏地区春旱时空动态变化分析

有关春旱的时空特征信息对于许多农业应用和决策都至关重要。本研究利用NOAA/AVHRR的植被状态指数(vegetation condition index,VCI)产品,对1995—2010年间青藏地区的植被干旱情况进行了全面的时空分析。针对VCI作为干旱指标的特点,采用了多种方法,其中包括干旱的频率分析、趋势分析和Mann-Kendall实验。研究表明青藏地区受季风影响较小,横断山脉和祁连山地区干旱发生的频率比较低,且多为轻中旱。根据分析表明,该地区干旱的趋势并不是单向变化的,可以将其分为2个阶段:2000年以前VCI指数较高,且波动相对较大;2000年之后VCI指数相对较低,且相对稳定。

基于VCI的内蒙古生长季干旱变化及对气候响应

为有效开展内蒙古干旱监测及抗旱减灾工作,基于2000—2021年5—9月逐月MODIS植被长势产品,计算植被状态指数(vegetation condition index,VCI),结合内蒙古118个气象站的生长季气温、降水数据,利用Sen趋势分析法、偏相关系数法等分析内蒙古生长季干旱时空变化及其与气象要素的关系.分析结果表明,研究期内内蒙古生长季的VCI整体呈上升趋势,主要上升区位于内蒙古的东南部农牧交错带和西部草原与荒漠过渡区,在人类的正向干扰下这些地区的植被抗旱能力明显提升.变异系数分析可知,春末夏初内蒙古东部地区的干旱风险相对较高,随着夏季到来,干旱高风险区向西移动至内蒙古中部地区,秋季干旱风险范围增大但强度相对减小.降水偏少是内蒙古干旱发生的决定性气象因素,而高温主要与草原干旱的发生密切相关.基于VCI的干旱分析可有效反映区域抗旱能力的提升,为干旱的精细化管理提供科学参考.

基于星载遥感技术的森林资源与森林生态状态监测应用综述

随着生态文明建设的深入开展,我国对森林资源和森林生态状态的重视程度日益提高,对森林资源与森林生态状态监测评价的时效性、连续性、多元性等要求也不断提升,从而为星载遥感技术在森林资源和森林生态状态监测中的应用提供了更好的发展契机。如今,星载遥感技术作为一种高效的森林资源与森林生态状态监测手段已被广泛应用于森林资源调查、森林生态环境监测评价、森林资源经营管理等多个方面,其获取的森林生态信息可以为森林资源管理提供长时间序列且空间连续的详细数据和参考依据。本文根据已有遥感研究,将森林资源与森林生态状态监测中的星载遥感技术归纳为光学遥感、微波遥感、热红外遥感3类,从后向散射系数、极化SAR(合成孔径雷达)技术、InSAR(合成孔径雷达干涉测量)技术、差分InSAR技术、极化干涉InSAR技术5个方面探究基于SAR的森林资源参数提取方法、原理及其应用,并介绍了运用星载遥感技术进行森林生态状态时空变化规律分析的关键界面(林冠大气界面)和代表性参数(归一化植被指数)。研究结果表明:1)从指标体系构成的科学性、合理性,以及指标反演的可行性等方面出发,构建森林遥感生态指数指标体系对于准确反映森林生态系统的生态状况至关重要;2)通过集成各种监测系统优势,构建空天地遥感一体化的森林生态系统智能监测平台,可以提高对森林资源参数的反演精度;3)使用星载遥感技术获取的森林生态监测信息能够为森林资源碳汇管护提供基础数据与重要参考;4)精准取得森林树冠、森林地表的相位,建立森林树高补偿模型是未来树高反演课题的重要研究方向。

半干旱黄土区退耕还林十年植被恢复变化分析——以陕西吴起县为例

黄土高原退耕还林(草)政策实施已逾10 a,了解植被恢复变化状况及存在的问题,对于制定和完善生态环境治理方略具有重要意义。以吴起县为例,基于实地调查及遥感等数据,对退耕还林(草)以来植被覆盖度、主要植被类型变化及不同立地条件下植被恢复变化的差异进行了定量分析。结果表明:2000年至2009年,植被覆盖度大于30%的面积在全县总面积中的比例由不足1%上升至91.96%;其中缓坡立地类型上的乔灌林地类型面积增长最为显著,而阳向陡坡等恶劣生境下的植被恢复缓慢;有林地、灌木林地及疏林地均呈现规模增大趋势,属扩张状态;中覆盖度草地、低覆盖度草地、坡耕地及耕地呈现规模减少趋势,属缩减状态。

不同卫星遥感干旱指数在黑龙江的对比应用

采用MODIS的1 km×1 km分辨率数据,以我国黑龙江为研究区,对基于植被指数的植被状态指数(I_(VC))、基于地表温度的温度状态指数(I_(TC))和基于植被指数-地表温度特征空间的植被温度状态指数(I_(VTC))与10 cm,20 cm土壤相对湿度、降水量的关系、3种指数监测结果及其相互关系进行了对比分析。结果表明:I_(VTC)相对于I_(TC),I_(VC)更适于反映土壤湿度的变化,对浅层土壤湿度更加敏感;I_(VTC)相对于I_(TC),I_(VC)对降水更敏感,与监测时段的降水和前期总体降水都密切相关;在生长季早期,I_(VTC)和I_(TC)用于干旱监测的适用性明显优于I_(VC);不同区域间,I_(VTC)的可比性较好,I_(VC)和I_(TC)则较差;I_(VTC)所反映的地表温度信息对干旱的直接指示作用最强,所反映的植被信息对干旱的直接指示作用较弱。

遥感手段及气象干旱指数在新疆干旱监测过程中的应用

利用由国家气象中心提供的新疆50个气象测站2003—2010年逐日降水、气温资料,结合中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站MODIS合成影像逐月归一化植被覆盖指数及国家自然科学基金委员会"中国西部环境与生态科学数据中心"提供的2005年全国土地利用类型数据,对比分析了遥感手段及气象干旱指数在新疆干旱监测工作中的应用,分析了新疆物侯期植被状态指数及气象干旱指数间的相关性,进一步探讨新疆植被生长状况与气象干旱的发生、发展情况。植被长势对降水、气温等气候因素变化的响应存在一定滞后性,生长季气象干旱指数与植被状态指数之间的相关性在时间尺度上同样存在滞后效应。植被状况指数(Vegetation Condition Index,VCI)与标准化降水指数(Standardized Precipitation Index,SPI)及标准化蒸散发指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI)相关性较好,其中SPEI综合考虑了降水、气温对干湿变化的影响。时间尺度上,耕地类型区、林地类型区VCI与SPI24、SPEI24相关性最好,草地类型区VCI与基于短时间尺度(3个月、6个月)的SPI、SPEI相关性最好;空间尺度上,SPEI24与VCI相关程度最高。总体上,全疆基于24个月时间尺度SPEI与基于植被状况指数的干旱监测效果相关性较好。文章旨在为今后新疆干旱监测工作及进一步探讨植被长势对干湿事件的响应提供重要理论依据,为合理有效地安排农作物生产及植被保护、植被恢复工作提供一定的理论指导。

退化高寒草甸暖季休牧恢复过程中植被和土壤特性

为探讨暖季休牧恢复过程中退化高寒草甸植被和土壤恢复特性,本研究对泽库县退化高山嵩草草甸暖季休牧样地不同恢复阶段植被和土壤特性进行调查,结果显示植被高度、地上生物量、土壤含水量、土壤有机碳含量等生态功能属性随自然恢复时间的延长不断得到改善(P<0.05),在恢复末期(9—10年)恢复最好;植被盖度、地下生物量、多样性、土壤容重等恢复效果逐渐增强,并在恢复后期、恢复末期趋于稳定;随着休牧时间的延长,垂穗披碱草(Elymus nutans)生存状态指数逐渐增大,在恢复末期达到了10.27,而植被退化的指示物种黄帚橐吾(Ligularia virgaurea)和瑞苓草(Saussurea nigrescens)生存状态指数逐渐减小,从较高的优势物种逐渐被垂穗披碱草等物种所替代。对草地质量进行综合评价发现,暖季休牧样地草地质量在恢复末期的草地质量评分最好。本研究为推广实施暖季休牧来恢复退化高寒草甸提供了理论基础。

淮河上游植被对气象干旱的响应

淮河流域是我国重要的农业基地之一,探究植被对气象干旱的响应规律有助于指导该地区的农业生产及生态保护。基于标准化降水蒸散指数(SPEI)和植被状态指数(VCI),采用线性趋势法探讨了淮河上游王家坝以上流域2000—2014年气象干旱及植被时空变化,并通过年最大相关系数(YRmax)和季最大相关系数(SRmax)分析了植被在年际和不同季节对气象干旱的响应特征。结果表明:(1)研究区SPEI整体以-0.089/a速率呈非显著干旱化趋势,淮河以北地区干旱化趋势相对明显;(2)研究区VCI整体以0.053/a速率呈显著上升趋势,整体植被状况逐渐好转,VCI显著下降的区域多分布于城镇附近;(3)年际上,78.4%的区域内VCI与SPEI显著相关,不同植被受气象干旱影响程度和敏感性整体差异不大;(4)春季和冬季植被受气象干旱影响的面积较广,分别有68.9%和64.8%的区域内VCI与SPEI显著相关,分布于流域西南、南部、北部和东部。夏季和秋季分别有31.3%和15.0%的区域内VCI与SPEI显著相关,夏季集中分布于流域中部,而秋季分布则比较零散;(5)春季和冬季不同植被的SRmax整体差异较小,春季冬小麦和草地对气象干旱比较敏感,而冬季各类植被的敏感性差异不大。夏季和秋季各类植被的SRmax整体上存在一定差异,但均未表现出显著相关性,植被普遍对4个月以下尺度的气象干旱敏感。2000—2014年淮河上游地区植被对气象干旱响应特征的空间差异性较大,研究结果可为变化环境下的农业生产和生态保护政策制定提供理论支撑。

基于VCI的2003—2017年广东省干旱时空变化特征分析

为了研究近年来广东省干旱情况的时空变化特征,利用8天250 m分辨率的MODIS地表反射率数据,计算了2003—2017年广东省植被状态指数(Vegetation Condition Index,VCI),并以VCI为干旱指标,采用趋势分析、频率分析和MK检验等方法,对全省干旱的时空特征和趋势进行了分析.结果表明:广东省2003—2017年间的VCI整体呈现显著的上升趋势,80.3%以上区域的VCI变化趋势倾向率为正值,表示全省大部分地区旱情逐年减轻;全省大部分区域发生干旱的频率在0.2~0.6之间,以中旱为主(发生频率:0.2~0.4),重旱较少出现(发生频率:0~0.2);广东省总体干旱面积占比逐年降低,中旱和重旱面积占比也呈现下降的趋势;2017年与2003年相比,总体干旱面积占比减少了39.5%;总体上看,广东省近年来干旱严重程度在逐年减轻,干旱面积也逐年减少.