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摘 要
植被是陸地生態系統的重要組成部分，能夠對陸地生態系統的所有變化做出響應，在能量交換中也起著至關重要的作用，是表現和衡量生態環境狀況的主要指標。植被覆蓋度是衡量植被生長情況的一個重要指標，而植被的生長受外界因素影響很大，尤其是降水、溫度等氣候因素，反過來，植被的生長也能夠一定程度地反映氣候特徵。
為分析山東省植被覆蓋度變化及其與降水量、溫度等氣候因子變化的相關性，該文采用2005—2015年的NDVI、降水量和溫度數據，利用重心模型和相關係數法，進行了植被覆蓋度與降水、溫度的月動態變化和季度動態變化分析。研究結果顯示，在2005—2015年的10年間，山東省植被覆蓋度在整體上呈現增長趨勢，植被覆蓋度與氣候因子無論是在月動態變化還是季動態變化都表現出不同程度的正相關性，植被NDVI的季度走向與降水和溫度的季動態變化趨勢幾乎一致，並且溫度對植被生長的影響大於降水對植被生長的影響。本文的研究驗證了植被覆蓋度的變化與氣候因子的變化有一定的關係。
引用格式
宋鵬飛，季民，劉澤群，等.山東省植被覆蓋度變化與氣候因子相關性分析[J].測繪科學,2020,45(03):81-86.
正文
1 數據與方法
1.1 研究區概況
山東省地處我國東部沿海地區，位於34°22′ ~38°23′ N，114°19′~ 122°43′ E之間，東臨黃海，與朝鮮半島相望，隔東海與日本相望。山東省屬於溫帶季風氣候，降水特徵為夏季多雨,春季少雨，年降水量大於480 mm，全省溫度在11~14.5 ℃之間。
1.2 數據來源與預處理
本次研究使用的數據是全球MOD13A3提供的16 d覆蓋全月的1 km月產品數據，從美國國家航空航天局（NASA）網站上一共下載了132張影像。氣象數據來源於中國氣象網，在其網站下載2005—2015年的降水和溫度數據(表1)。
表1 數據詳情
數據類型
來源
年份
處理後數據
分辨率/m
影像數據
NASA網站
2005—2015
年均、月均、季均NDVI數據
1 000
降水數據
中國氣象網
2005—2015
月均、季均降水數據
溫度數據
中國氣象網
2005—2015
月均、季均溫度數據
影像預處理：首先進行投影座標轉換，將座標系轉換為WGS-1984-Albers；然後進行影像裁剪與地圖代數計算，將閾值調整為[—1,1]；最後進行分區統計，提取出山東省內柵格數據的NDVI值。
氣象數據預處理：首先將數據分別整理成降水和溫度的月均值數據和季度均值數據，裁剪出山東省區域；然後使用克里金法對數據進行空間插值，獲取到山東省內的氣象數據；最後通過ArcGIS對數據進行區域分析與統計，整理為數據集以供後期使用。
2 結果與分析
2.1月動態變化分析
本次研究為揭示山東省植被覆蓋度在月空間分佈和時間序列上的動態變化，以及降水、溫度對植被生長的影響，結合重心模型計算月植被、降水和溫度的空間重心座標。其中，降水和溫度的重心計算同樣是根據監測站點的分佈將研究區劃分為19個區域，以站點座標為中心點座標，月均降水量和溫度作為“重量”Mi計算重心座標，伴隨連續的時間變化得到變化的重心座標，以此來反映植被在空間分佈上的動態變化。為反映植被覆蓋度的逐月變化以及植被在月生長變化和氣候因子的相關性，將植被的月NDVI、降水量和溫度的變化趨勢圖進行對比分析。
2.1.1月空間分佈上的重心遷移對比分析
為得到連續變化的月均空間座標，需要近十年的相同月份的NDVI、降水量和溫度數據進行相加和求平均值，得到該月份的NDVI、降水量和溫度的均值，然後分別進行每月的NDVI、降水、溫度的空間重心座標計算。1—12月的月重心座標如表2所示。
表2 1—12月NDVI、降水量、溫度空間分佈重心座標
月份
NDVI座標
降水座標
溫度座標
X/（°E）
Y/（°N）
X/（°E）
Y/（°N）
X/（°E）
Y/（°N）
1
118.107
36.184
118.878
36.341
117.915
36.559
2
118.110
36.165
118.264
36.087
118.001
35.792
3
117.970
36.111
118.603
36.149
118.092
36.224
4
117.935
36.116
118.360
36.203
118.176
36.263
5
118.045
36.164
118.325
36.221
118.215
36.282
6
118.205
36.247
118.258
36.186
118.199
36.284
7
118.141
36.242
118.333
36.245
118.254
36.281
8
118.126
36.246
118.361
36.233
118.305
36.281
9
118.129
36.249
118.413
36.139
118.333
36.284
10
118.333
36.281
118.455
36.241
118.335
36.273
11
118.185
36.276
118.382
36.145
118.449
36.245
12
118.123
36.223
119.012
36.210
121.007
35.168
將每組月NDVI數據、降水數據和溫度數據生成月變化軌跡圖，如圖1所示，然後將NDVI與降水和溫度的變化軌跡做對比。
(a)NDVI重心遷移軌跡（b）降水量重心遷移軌跡 （c）溫度重心遷移軌跡
圖1 1—12月NDVI與降水量和溫度的重心遷移軌跡對比
為了方便分析NDVI和兩種氣候因子在空間變化上的相關性，根據圖2將NDVI和降水、溫度在遷移方向上的變化和相關性做成表格，見表3和表4。
1）NDVI與降水量的重心遷移軌跡對比。圖1、表3和表4顯示了基於重心模型計算的2005—2015年山東省1—12月NDVI重心和降水重心的移動軌跡，結果表明：其中3—4月、9—10月共兩個階段的NDVI重心遷移方向與降水重心遷移方向完全一致；10—11月的NDVI重心遷移方向與降水重心遷移方向非常相近，在經線方向上保持一致；1—2月、3—4月、4—5月共3個階段的NDVI重心遷移方向與降水重心遷移方向非常相近，在緯線方向上保持一致。以上結果表明，山東地區1—12月NDVI重心遷移軌跡與降水重心遷移軌跡在方向上具有很大的相關性，山東省植被覆蓋度在很大程度上受到降水變化的影響。同時，存在其他因素影響植被覆蓋度變化，主要表現為2—3月、5—6月、6—7月、7—8月、8—9月、11—12月的重心遷移軌跡在方向上呈現完全相反的狀態，可能是由溫度變化導致。
表3 1—12月NDVI與月均降水、溫度的重心遷移軌跡對比
月份
重心遷移方向
植被NDVI
降水
溫度
1—2
東南
西南
東南
2—3
西南
東北
東北
3—4
西北
西北
東北
4—5
東北
西北
東北
5—6
東北
西南
東北
6—7
西南
東北
東南
7—8
西北
東南
東南
8—9
西北
東南
東北
9—10
東北
東北
東南
10—11
西北
西南
東南
11—12
西南
東北
東南
2）NDVI與溫度的重心遷移軌跡對比。將2005—2015年山東地區1—12月NDVI重心和溫度重心的遷移軌跡進行對比分析，結果表明：其中1—2月、4—5月、5—6月共3個階段的NDVI重心遷移方向與溫度重心遷移方向完全一致；9—10月的植被重心遷移方向與溫度重心遷移方向非常相近，在經線方向上保持一致；3—4月、6—7月、8—9月、11—12月共4個階段的植被NDVI重心遷移方向與溫度重心遷移方向非常相近，在緯線方向上保持一致。以上結果表明，山東省1—12月NDVI重心遷移軌跡與溫度重心遷移軌跡在方向上具有很大的相關性，山東省植被覆蓋度變化在很大程度上受到溫度變化的影響。同時，還有其他因素也對植被覆蓋度產生較大的影響，主要表現為2—3月、7—8月、10—11月的重心遷移軌跡在方向上呈現完全相反的狀態。
表4 NDVI與降水、溫度的重心遷移相關性對比
月份
重心遷移方向
降水
溫度
1—2
相關
完全一致
2—3
完全相反
完全相反
3—4
完全一致
相關
4—5
相關
完全一致
5—6
完全相反
完全一致
6—7
完全相反
相關
7—8
完全相反
完全相反
8—9
完全相反
相關
9—10
完全一致
相關
10—11
相關
完全相反
11—12
完全相反
相關
根據以上月數據的分析發現植被的月度生長受降水和溫度影響很大，植被NDVI與降水和溫度的重心遷移軌跡在方向上保持很高的相關性，在進行月植被NDVI和降水的相關性分析時，2—3月、5—6月、6—7月、7—8月、8—9月、11—12月的植被NDVI重心軌跡遷移方向與降水呈現完全相反的狀態，但其中2—3月、5—6月、6—7月、8—9月、11—12月植被NDVI與溫度的重心軌跡遷移方向保持很高的相關性。在進行月植被NDVI和溫度的相關性分析時，2—3月、7—8月、10—11月的植被NDVI重心軌跡遷移方向與溫度呈現完全相反的狀態，但其中10—11月植被NDVI重心軌跡遷移方向與降水保持很高的相關性。因此，植被生長在受降水和溫度影響的同時，還受其他未知因素影響。月數據中植被NDVI的空間遷移軌跡有10個遷移動態與溫度高度相關，植被NDVI與溫度的相關性明顯高於與降水的相關性，溫度對月植被在空間分佈上的影響大於降水對植被生長的影響。
2.2相關性分析
為了反映植被覆蓋度的逐月變化和季度變化，以及植被和降水、溫度在月變化、季度變化方面的相關性，下面將植被NDVI、降水量、溫度的月均數據和季均數據生成變化趨勢對比分析，見圖2。
（a）月均NDVI變化趨勢線 （b）月均降水量變化趨勢線
（c）月均溫度變化趨勢線（d）季均NDVI變化趨勢線
（e）季均降水量變化趨勢線（f）季均溫度變化趨勢線
圖2 植被NDVI與氣候因子的月變化和季度變化趨勢對比
2.2.1 植被NDVI與降水、溫度的月相關性分析
1）植被生長與降水的月相關性分析。根據圖2可知植被月生長變化與月降水變化非常相似，2—3、3—4、4—5、6—7、8—9、9—10、11—12月共7個時間段的植被NDVI變化與降水量的變化趨勢相同。存在其他因素對植被生長變化產生影響，表現為1—2、5—6、7—8、10—11月與降水變化不同。
2）植被生長與溫度的月相關分析。分析圖2可知植被的月生長變化與溫度變化非常相似，2—3、3—4、4—5、6—7、8—9、9—10、10—11、11—12月共8個區間的植被NDVI與溫度的變化趨勢線相同。還有其他因素影響植被生長，表現為1—2、5—6、7—8月這3個時間的植被NDVI變化與溫度變化不同。
以上分析中有3個月份的植被生長狀態與降水和溫度變化都不相同，可能由其他因素影響導致。其中降水量和溫度的高峰期集中在7月，而植被覆蓋度最高值在8月，因此考慮可能還有植被生長對降水、溫度變化的響應存在滯後的原因。
2.2.2植被NDVI與降水、溫度的季度相關性分析
分別將NDVI的季數據與季降水量、季度溫度的變化折線圖對比分析。可發現NDVI的變化與降水變化趨勢幾乎一致，而NDVI的季度變化趨勢與溫度的季度變化趨勢完全一致。因此，與降水對植被生長的影響相比，溫度對植被生長的影響更顯著。
計算出每一年的年均植被NDVI值和4個季度植被NDVI均值，然後將2005年—2015年11年間的年度和季度NDVI數據繪製成植被NDVI指數變化折線圖，見圖3。通過折線圖可以明顯地觀察到，山東省植被覆蓋度總體是呈上升趨勢的。植被NDVI在2005—2015年期間除2008—2009年、2012—2013年以及第三季度的植被NDVI值有所減少，其他年份與季度均保持增長狀態，且從2005年的0.3958增長到2015年的0.4256。
（a）NDVI年變化趨勢 （b）NDVI季度變化趨勢
圖3 植被NDVI變化趨勢
圖5 2005-2015年山東省植被NDVI指數影像圖
3 結束語
本次研究對山東省2005—2015年的植被覆蓋度變化進行了分析，以上結果表明：近十年來，山東省植被NDVI從2005年的0.395 9增長到2015年的0.425 6，覆蓋度整體呈增長趨勢。
氣候因子對植被生長具有明顯影響。植被的生長在空間和時間序列上都受到降水和溫度的影響，2005—2015年研究區內植被NDVI的重心遷移軌跡與降水、溫度的重心遷移軌跡在方向上具有明顯的相關性。植被NDVI在時間序列上與降水和溫度也有很大的相關性，山東省植被覆蓋度變化在很大程度上受氣候因子變化的影響。
排版：S.O.N.G
審核：晨風小語
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