基于遥感技术的锡林郭勒草原植被对气候变化响应研究可编辑Word文档下载推荐.docx
《基于遥感技术的锡林郭勒草原植被对气候变化响应研究可编辑Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于遥感技术的锡林郭勒草原植被对气候变化响应研究可编辑Word文档下载推荐.docx（32页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
度较典型草原和草甸草原低。
关键词:
遥感;
NDVI;
锡林郭勒;
植被;
气候TheResponsesofvegetationtoClimateChangeinXilinGol
BasedonRemoteSensing
Abstract
Tostudytheresponseofvegetationtotemperatureandrain,XilinGolGrasslandwas
takenasresearchobjectinthispaper.UsingthedataofNOAA-NDVIduringtheyearof
1986-1999,thedataofMODIS-NDVIduringtheyearof2000-2010,andthedataof
temperatureandprecipitation,thechangeofclimateanditsimpactstograsslandvegetation
areanalyzedinthispaper.Itshowsthat:
1Temperatureshowedaincreasingtrendandthetrendrateis0.054℃/awhichis
biggerthanthetemperatureofNorthChinaandChina.Thetemperatureincreasedrapidly
duringtheyearof1986-1989and1993-1998.Precipitationshowedadecreasingtrendand
thetrendrateis-2.330mm/a.Therewasaslightincreasingtrendofthefirsthalfof1990s
ofprecipitation.Thedecreasingrateofprecipitationbecomesbiggerfromsouthwestto
northeast2ThevalueofNOAA-NDVIshowedafluctuatingtrendfrom1986to1999andthe
biggestvaluewasin1998.ThevalueofNOAA-NDVIshowedafluctuatingtrendfrom
2000to2010andthebiggestvaluewasin2003.After2003thevalueofNOAA-NDVI
showedadecreasingtrend3Itshowsasignificantimpactsoftemperatureandprecipitationtothevalueof
NOAA-NDVIandMODIS?
NDVI.Thereisacertaindelayoftheimpacts.Climatechange
showsthesametrendbydifferentNDVIdata.Theimpactofprecipitationisbiggerthan
temperatureandtheimpacttodesertgrasslandissmallerthantypicalgrasslandandthe
meadowgrasslandbyclimatechange
Keywords:
RemoteSensing;
NDVI;
XilinGol;
Vegetation;
Climate
Directedby:
Prof.HEXiao
ApplicantforMasterdegree:
WANGPengfeiWildAnimalsPlantsProtectionandUtilization
CollegeofEcologyandEnvironmentalScience,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010018,China
目录
1引言.1
1.1研究目的与意义1
1.2气候变化研究进展.2
1.2.1全球气候变化背景2
1.2.2我国气候变化研究概况2
1.3遥感在植被研究中的应用3
1.3.1国外研究进展4
1.3.2国内研究进展4
1.4植被与气候响应研究概况5
1.4.1国外研究进展5
1.4.2国内研究进展5
2数据资料与研究方法7
2.1研究区域自然概况.7
2.2资料来源8
2.2.1气象资料.8
2.2.2植被NDVI指数8
2.2.3地上生物量8
2.3数据处理8
2.3.1站点NDVI值的提取8
2.3.2相关分析方法8
3结果与分析.9
3.11986~2010年主要气象因子变化9
3.1.1气温变化.9
3.1.2降水量变化.12
3.1.3气温与降水量相关性分析16
3.21986~年2010年植被变化16
3.2.11986~1999年NOAA-NDVI值变化16
3.2.22000~2010年MODIS-NDVI值变化.17
3.31986~2010年NDVI值与主要气象因子相关性18
3.3.11986~1999年NOAA?
NDVI值与主要气象因子相关性18
3.3.22000~2010年MODIS?
NDVI值与主要气象因子相关性.22
3.4NDVI值与实际观测生物量关系分析263.4.1地上生物量年际变化情况27
3.4.2地上生物量与NDVI值的相关性分析.27
3.4.3地上生物量与主要气象因子相关性分析.28
4讨论28
4.1气候变化情况28
4.2NDVI连续性问题29
4.3NOAA-NDVI和MODIS?
NDVI与气象条件相关性的比较30
5结论31
致谢33
参考文献34
作者简介39内蒙古农业大学硕士学位论文1
1引言
当前,全球气候变化已成为国际社会关注的重要问题。
以全球变暖为突出标志
的气候变化及其可能对生态系统产生的严重影响,已引起了科学家和国际社会的极大
[1,2]
关注,气候变化问题日益成为热门问题。
联合国以及各国政府都强烈呼吁保护气
候,并且制订了保护气候的公约:
1994年签署《联合国气候变化框架公约》,2005
年《京都议定书》生效,2007年通过“巴厘岛路线图”。
这些公约的签订和通过都体
现了气候变化对于人类生存和环境构成了严重威胁,已得到了各界广泛重视。
气候变
化不仅是气候和全球环境领域的问题,而且关系到生态系统的稳定,影响到农业、牧
业、林业等各个生产领域。
国内外专家通过调查植被与气候变化关系,建立了一系列
不同空间和时间尺度且相互衔接或耦合的模型,以达到预警、调节与降低不良作用的
[3]
影响,为生态系统的可持续发展提供理论依据。
地表植被对于气候变化的响应已成为学术界关注的热点问题,基于遥感方法监
[4]
测植被动态变化以及分析与气候关系,已经成为全球变化研究的一个重要领域。
卫
星遥感具有覆盖范围广、时空连续性好等特点,成为研究植被变化重要并十分有效的
[5]
数据源。
归一化植被指数（NormalizedDifferenceVegetationIndex,简称NDVI）
[6]
作为植被生长状况及植被覆盖度的最佳指示因子,在植被遥感中得到了广泛应用,
[7,8]
被认为是监测全球或地区植被和生态环境变化的有效指标。
1.1研究目的与意义
植被具有明显年际变化和季节变化特点,并与一定的气候、土壤、地貌等自然
条件相对应,对全球能量平衡、生物化学循环以及水循环起着重要作用,在全球变化
[9,10]
研究中充当“指示器”的作用。
气候变化是引起植被变化主要原因之一,因而
NDVI与气候响应关系在全球变化研究中得到广泛关注,对植被的动态监测可以从
[11]
一定程度上反映气候变化的趋势。
草地生态系统中最重要的研究对象就是植被,水、热、能量状况则是优化草地
生态系统、建立生态良性循环、维持生态平衡的基础。
内蒙古草原是我国北方的一
[12]
道天然生态屏障,对我国的生态环境保育和改善发挥着不可替代的作用,而其中的
[13]
锡林郭勒草原在我国北方干旱半干旱地区具有典型的代表作用,研究锡林郭勒地区
植被对气候变化的响应更显其重要性。
国内外关于植被对气候变化响应研究多集中在
上世纪末90年代,针对21世纪最初10年的二者响应关系研究并不多,尤其在全球变暖
大背景下,针对锡林郭勒地区草原植被对气候变化的响应研究更不多。
鉴于此,本文利用卫星遥感技术提取1986~2010年NDVI值,研究过去25年NDVI
动态变化情况,以及此期间气温、降水变化,并将NDVI与气象因子做相关分析,从
而揭示NDVI对气候变化的响应关系。
2基于遥感技术的锡林郭勒草原植被对气候变化响应研究
1.2气候变化研究进展
1.2.1全球气候变化背景
气候变化是全球变化研究的核心内容之一,由于随着大气中C0等温室效应气
2
[14]
体的增加,全球气候变化主要表现在5个方面。
（1）气温变暖趋势
研究表明,1861年以来全球平均地表气温一直在升高。
根据联合国政府间气候
变化专门委员会（IntergovernmentalPanelonClimateChange,简称IPCC）第四
次评估报告（2007年）,1906~2005年变暖趋势为0.74℃±
0.18℃,比IPCC第三次
评估报告2001年的趋势0.6℃±
0.2℃要高。
过去50年变暖趋势是每10年升高
0.13℃±
O.03℃,几乎是过去100年来的2倍。
根据一系列SRES预测,未来20年人为
产生的增暖率为每10年温度升高0.2℃,即使所有温室气体和气溶胶的浓度保持在
2000年水平,全球温度每10年仍将升高0.1℃。
（2）降水格局变化
全球降水总体趋势是中纬度地区增大,北半球亚热带地区降雨量下降,南半球
的雨量增加。
温室效应提高了海洋表面蒸发量,从而增加了大气中水汽含量。
20世纪
80年代以来,陆地、海洋和上层对流层大气水汽平均含量都在增加。
（3）海平面变化
全球变暖的趋势还将持续,由此引起海洋热膨胀以及极地冰川融化将导致全球
海平面高度不断上升,研究表明,1906~2003年平均每年海平面上升1.8mm±
0.5mm,
1993~2003年期间,每年平均上升3.1mm±
0.7mm,海平面上升程度还在进一步加剧。
（4）极端气候事件变化
近几十年来,全球极端天气和气候事件频发,高温、暴雨、台风等气象自然灾
害发生的频次和强度都是前所未有的。
与20世纪后半叶相比,21世纪极端天气和气候
事件发生的可能性有增加和扩大的趋势。
（5）厄尔尼诺El-Nino事件频繁发生
厄尔尼诺事件不仅引发旱涝灾害,也给沿海经济带来严重影响。
1982~1983
年,发生了特强厄尔尼诺事件,表层水温距平高达7℃,1984年几乎所有各大洲都
发生了干旱,研究表明干旱发生与此次厄尔尼诺事件有关。
据预测,未来100年厄
尔尼诺强度将有一定增加。
1.2.2我国气候变化研究概况
近百年来全球气温变暖趋势日益明显,尤其是世纪80年代以来,全球增温最为
[15,16]
迅速,统计学上达到突变程度。
在全球气候变化的大背景下,我国的气候也明显
变暖,气温变化趋势与北半球大致相似,增温幅度由南向北递增,35°
N以北增温最
为明显。
北方变暧比南方显著,冬季变暖比夏季显著,内陆变暖比沿海显著;
各地降内蒙古农业大学硕士学位论文3
[17,18]
水量也产生比较明显的变化,南部沿海地区降水减少,北部和西部地区降水增加。
[19]
气候变化影响评价研究成对当前国际学术界最为活跃的研究领域之一。
我国
在研究气候变化方面起步较晚,但进展较快。
上世纪80年代中期,政府、高等院校和
科研机构针对气候变化及其影响做了大量工作。
1987年成立了国家气候委员会;
1990
年国家科委发表了《气候》蓝皮书;
1991年之后国家科委和国家自然科学基金委员会
分别将气候变化问题列为重大科技攻关项目、重大课题和攀登计划。
1994年国家科委
和美国能源部开展了中国气候变化国别研究。
我国针对气候变化研究从单一的古气候
领域发展到对气候变化形成原因、变化趋势以及气候变化对各行业影响等研究。
[20]
目前,针对气候变化方面已经有很多学者进行了研究。
李帅等人针对1961~
2001年新疆北部阿勒泰地区气候变化研究结果表明,所研究的区域气温全年总体趋势
在变暖,且20世纪80年代增温最为明显。
阿勒泰地区1961年以来,四季气温增高都比
较显著,尤其是秋、冬两季更为明显。
进入90年代后,气温达到最暖时期,但增暖的
幅度与前期相比有所降低。
阿勒泰地区降水全年总的趋势是在增多,但季节上发生变
[21]
化:
夏季和冬季降水呈逐步增加趋势,春季和秋季增加较缓慢。
孙凤华等对1989~
2001年辽宁、吉林、黑龙江三省及内蒙古东北范围的所有气象站的月平均气温、月平
均最高气温、月平均最低气温、月降水量进行分析,显示东北地区总体气候变化具有
明显暖干化趋势。
气温存在明显的增加趋势,增温率为0.342℃/10a,降水具有明显
[22]
的减少趋势,气候倾向率为-11.815mm/10a。
云文丽等根据1953~2003年锡林郭勒
气象资料研究发现,平均气温上升趋势与全球和全国变暖趋势相一致,根据模型模拟
得出,近50年来气温累计上升了大约3.4℃。
特别是最近20年平均累计上升了4℃,气
温上升较快。
四个季节的气温都在不同程度升高,冬季和春季气温增加趋势较其他季
节更为明显。
1.3遥感在植被研究中的应用
[23]
目前,运用卫星遥感手段监测植被动态变化已成一个重要领域。
植被指数研
究发展历程分为三类:
第一类植被指数基于波段的线性组合（差或和）或原始波段的
比值,由经验方法发展,没有考虑大气影响、土壤亮度和土壤颜色,也没有考虑土壤、
植被间的相互作用。
它们表现了严重的应用限制性,这是由于它们是针对特定的遥感
器并为其应用而设计的;
第二类植被指数大都基于物理知识,将电磁波辐射、大气、
植被覆盖和土壤背景的相互作用结合在一起考虑,并通过数学和物理及逻辑经验以及
通过模拟将原植被指数不断改进而发展的。
它们普遍基于反射率值、遥感器定标和大
气影响并形成理论方法,解决与植被指数相关的但仍未解决的一系列问题。
第三类植
被指数是针对高光谱遥感及热红外遥感而发展的植被指数。
这些植被指数是近几年来
基于遥感技术的发展和应用的深入而产生了新的表现形式。
从上世纪90年代以来,各
种遥感信息源日益丰富,我国进行了完整的大规模土地覆盖和利用的遥感调查。
尽4基于遥感技术的锡林郭勒草原植被对气候变化响应研究
管许多新的植被指数考虑了土壤、大气等多种因素并得到一定发展,但NDVI是最常被
[24][25][26]
用于监测植被的遥感指数,在众多植被指数中占据重要的位置。
盛永伟等以
1990年逐月的NDVI的时间序列数据进行动态聚类将中国植被分成18个类型,通过与中
国植被图和种植制度区划图等比较表明,遥感方法基本揭示了植被分区规律。
1.3.1国外研究进展
研究表明,全球植被变化十分显著,并存在明显的空间差异。
全球尺度上北半
球中高纬度地区植被大范围增加,欧亚大陆和北美洲植被都有大幅度增加趋势,但欧
[27]
洲增加幅度比北美洲大,增加的范围相对集中且更为广泛。
Kawabata等分析1982~
1990年全球尺度年和季节植被活动的年际变化趋势,北半球中高纬度地区,因为逐渐
增温导致大范围的植被活动增加,热带区域的植被活动也同样增加,如非洲西部、东
[28]
南亚。
Zhou等分析表明欧亚大陆40-70°
N区域,61%区域的生长季节NDVI具有持续
增长趋势,中欧从西伯利亚到阿尔丹高原有连续分布长条带;
欧亚大陆生长季节NDVI
增加幅度比北美洲大,二者增加幅度分别是12%和8%,植被生长期增加天数分别是18d
[29]
和12d。
Bogaert等研究也得出了同样结论,欧亚大陆比北美洲更具有变绿趋势更为
[30]
明显,且范围更为广泛。
Gonzalez等研究结果表明1987~2001年西班牙植被活动有
[31,32]
增加趋势。
Myneni等通过研究,结果显示1981~1991年期间45°
N的NDVI偏差有
增长趋势,1981~1990年线性趋势线对应10%增加幅度,春天植被回绿时间提前8±
3d。
[33]
Yu等分析中亚东部蒙古草原植被季节变化,结果表明蒙古草原北部针叶林回绿有提
[34]
前趋势,戈壁荒漠区、荒漠草原回绿存在明显推迟趋势。
Fabio等研究1986~2000
年地中海沿岸保护区森林状况,趋势线分析表明NDVI有明显下降趋势。
1.3.2国内研究进展
针对中国植被变化方面已有大量研究,主要结论为:
全国植被总体为增加趋势,
[35]
但东西部差异较大,东部以增加为主,西北地区以退化为主。
Piao等研究中国1982~
1999年植被年际变化,认为81%面积的植被有增加的趋势,明显增加范围占27%。
方精
[36,37]
云等利用1982~1999年NDVI/AVHRR资料,对中国20年的植被覆盖变化进行研究,
[38]
得到结果基本一致,即我国大多数地区的NDVI都呈现不同程度增加趋势。
陈云浩等
综合应用变化矢量分析和主成分分析方法,研究1983~1992年中国陆地植被NDVI动态
变化,结果也表明此期间NDVI变化东西部差异明显,东部NDVI变化幅度远大于西部,
整体表现为稳中略增,NDVI增加区主要分布在台湾、福建、四川、河南等地,减少区
[39]
主要分布在云南省和新疆北部等地。
张远东等分析了我国西南地区1982~2006年
NDVI年际变化,结果与陈云浩的结论基本一致:
西南地区NDVI总体呈上升趋势,将西
南地区植被分为:
沼泽、灌丛、草丛、草原、草甸、针叶林、阔叶林、高山植被、栽
培植被等9种植被类型,沼泽和草丛NDVI值呈下降趋势,其他7种植被类型的NDVI均呈内蒙古农业大学硕士学位论文5
[40]
上升趋势。
朴世龙等分析中国1982~1999年植被覆盖动态变化,同样发现NDVI变化
区域差异十分明显,减小的区域主要分布在西北地区和青藏高原,增加区域主要分布
东部地区,但长江三角洲和珠江三角洲却是18年来植被下降趋势最明显的地区。
马明
[41]
国等对1981-2001年西北地区植被变化做了细致研究,显示西北植被21年里存在退
化趋势,并且后10年变化幅度大于前10年,但局部区域植被有改善的趋势,改善幅度小
于退化幅度,植被改善区域主要在新疆西部和北部。
1.4植被与气候响应研究概况
随着对全球气候变化的深入研究,陆地生态系统对未来气候变化的响应,尤其
[42,43]
是地表植被对气候变化的响应方式及其程度已成为学术界关注的热点问题。
基于
卫星遥感分析植被变化与气候之间相互关系已成为研究的一个重要领域。
目前,针
对植被与气候与之间关系的研究方法一般有两种:
①通过实地调查、格点推算或遥感
技术等手段,获取气候与植被关系经验方法,这种方法实用、直观,不依赖于对过程
的基本认识;
②将经验的植被模型或动态描述植被类型和生理过程的基本模型引入大
[44]
气环流模式,研究植被和生态系统对气候变化的响应和反馈作用。
1.4.1国外研究进展
[45]
国外利用NDVI数据开展植被对气候变化响应已有大量研究。
Shabanov等研究
显示,气候变暖导致积雪覆盖范围减少,植被回绿时间提前,全球变暖是导致北半球
[46]
变绿趋势的主要因素。
Ichii等分析全球NDVI与气候变化关系,表明北半球中高纬
[47]
度地区春秋季NDVI与温度显著相关,NDVI值随温度升高而升高。
Rasmusen等基于
[48,49]
NDVI研究植被对气候的响应关系,结果显示NDVI与降雨量存在高度相关。
Wang等
通过研究美国中部大平原堪萨斯州NDVI与降水关系,认为降水是影响NDVI的主要因
素,二者具有高度相关;
生长季节初期和末期的NDVI与温度正相关,中期的NDVI和温
[50]
度存在轻微负相关。
Yang等研究美国北部和中部大平原的气候对草地影响,结果显
示夏季和春季的降水是影响牧草生长的主要气候因素,而不是全年降水。
Yu等分析
中亚东部蒙古草原植被季节变化对气候变化的响应关系,同样发现春
升级会员 