（环境科学专业论文）基于rs和gis的贵州省植被覆盖变化及其与主要气候因子的关系研究.pdf

a b s t r a c t t h e v e g e t a t i o ni st h en a t u r et a c h ew h i c hc o u p l e st h es o i l ，t h ea t m o s p h e r ea n dt h em o i s t u r e t os o m ee x t e n t , t h ev e g e t a t i o nc h a n g e sp l a yt h er o l eo f “i n d i c a t o r i nt h es t u d yo f g l o b a lc h a n g e , v e g e t a t i o no d v e rc h a n g e sc a nb er e f l e c t e dt h eu e n do ft h ec l i m a t ec h a n g ef r o mo n ea s p e c t t h e p a p e rb a s e do nt h er s & g i st e c h n o l o g y , b yu s i n gg l o b a li n v e n t o r ym o d e l i n ga n dm a p p i n g s t u d i e s ( g i m m s ) n o r m a l i z e dd i f f e r e n c ev e g e t a t i o ni n d e x ( n d v 0d a t a s a t t h ea v e r a g ev a l u e m e t h o d , t h ed i f f e r e n c ev a l u e ，t h el i n e a rr e g r e s s i o nc o v e ro fv a r i a b l ew e r eu s e dt oa n a l y z et h e s p a t i a ld i s t r i b u t i o na n dd y n a m i cc h a n g eo fv e g e t a t i o ni ng u i z h o u a n dt o g e t h e rw i t hh i s t o r i c a l c l i m a t ed a t am o n t h l yf r o m19 8 2t o2 0 0 3 ，a n a l y z e da n n u a lv a r i a t i o n si ng u i z h o uc o v e r a g ea n d e x p o r e dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nn d v ia n dc l i m a t ef a c t o r s b ye x t r a c t i n ge a c hp i x e l s i n f o r m a t i o n m a i nc o n c l u s i o n sa sf o l l o w s ： ( 1 ) i nr e c e n t2 2y e a r s ( 1 9 8 2 - 2 0 0 3 ) t h en d v iv a l u e sh a dc h a n g e d , b u tc h a n g e dl i t t l ew i t ha l i n e a rr e g r e s s i o nt r e n do f0 0 0 1 1 0 ai ns t u d ya r e a ；t h ed e v e l o p m e n to ft h ev e g e t a t i o nc o v e ri s b e t t e r ；t h es e a s o n a lv a r i a t i o ns h o w e d ：i ns p r i n ga n da u t u r a n , t h en d v iv a l u e ss h o w e dt h e i n c r e a s i n gt r e n d , b u ti ns u m m e ra n dw i n t e r , t h en d v iv a l u e ss h o w e dt h ed e c r e a s i n gt r e n d , a n d t h es p r i n g sc o n t r i b u t i o n st ot h ev e g e t a t i o nc h a n g e si st h eg r e a t e s t ；t h ec h a r a c t e ro fi t ss p a t i a l d i s t r i b u t i o ns h o w e d ：v e g e t a t i o ne n t i r o n m e n ti sd i f f e r e n ti nt h ed i f f e r e n ta r e a s ，t h ev e g e t a t i o ni n t h es o u t h w e s t , s o u t h e a s to fg u i z h o u p r o v i n c ei st h eb e s t , t h ev e g e t a t i o ni nt h ec e n t r a lo fg u i z h o u p r o v i n c ei st h ew o r s t , t h ev e g e t a t i o nd e c r e a s e df r o mt h es o u t h e a s t t ot h en o r t h w e s t ( 2 ) f r o mt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o nc h a n g eo ft h ev e g e t a t i o nc o v e r m o s to ft h es t u d ya r e a s v e g e t a t i o ns h o w e dt h ee x h i b i ti n c r e a s et r e n d , s o m ea r e a ss h o w e dr e g r e s s i o nw e n d ，t h i ss h o w e di n r e c e n t2 2y e a r s ，l o c a la r e ai ns t u d ya r e a sa p p e a r e dv e g e t a t i o nd e g r a d a t i o no rd e t e r i o r a t i o n t h e s e a s o n s s p a t i a ld i s t r i b u t i o nh a dt h ed i s t r i b u t i o nc e n t e r ( 3 ) t h ey e a r l yc h a n g e so fn d v io ft h ed i f f e r e n tv e g e t a t i o nt y p e sd i s p l a yi n t e n s es e a s o n a l i t y , w h i l et h ea n n u a ln d v it r e n dt oc h a n g ef l u c t u a n t l y f o re v e r g r e e nc o n i f e r s ，c r o p so n eg a t h e r e d f r o md r yl a n d & t h eo t h e rf r o mp a d d yf i e l d s ，e v e r g r e e n d e c i d u o u so r c h a r d s & e c o n o m i ct r e e s ， s i n g l e ( d o u b l e ) p a d d y & a n n u a ld r yf a r m 魄& s e m i - t r o p i c a le v e r g r e e ne c o n o m i ct r e e s ，t h e a n n u a lm e a nn d v ia l le x h i b i ti n c r e a s et r e n d a m o n gt h e m , s i n g l e ( d o u b l e ) p a d d y & a n n u a ld r y f a r m i n g & s e m i t r o p i c a le v e r g r e e ne c o n o m i ct r e e si n c r e a s e dq u i c k n e s s i ns p r i n g , a l lv e g e t a t i o n t y p e sd i s p l a yg e n e r a lt r e n do fr i s eo v e rt h er e s e a r c ha r e a i ns u m m e ra n dw i n t e r , a l lv e g e t a t i o n t y p e sd i s p l a yg e n e r a lt r e n do fd e c r e a s eo v e rt h er e s e a r c ha r e a i na u t u m n ，a l lv e g e t a t i o nt y p e s d i s p l a y g e n e r a lt r e n do f r i s eo v e rt h er e s e a r c ha r e ae x c e p tf o rt h eb r o a d l e a ff o r e s t ( 4 ) t h et e m p e r a t u r e ，p r e c i p a t i o na l li n c r e a s e d , d u r i n gt h es t u d yt i m eo v e rt h er e s e a r c ha r e a t h ev e g e t a t i o n sm o n t h l ya v e r a g en d v im o u n t e du pa l o n gw i t ht h et e m p e r a t u r e ，a n dh a s m a r k e d l yp a r a b o l i cr e l a t i o nw i t hp r e c i p i t a t i o n ，a n di th a d at h r e s h o l do ft h ep r e c i p i t a t i o n se f f e c t o nv e g e t a t i o n sn d v i ；n d v i sy e a r l yc h a n g ei ss i m i l a rw i t ht h et e m p e r a t u r e sy e a r l yc h a n g e ，b u t i tl a g sb e h i n dt h et r e n do f t h ep r e c i p i t a t i o n sy e a r l yc h a n g e ( 5 ) v a r i o u sv e g e t a t i o nt y p e sh a v ed i f f e r e r tr e s p o n s e st oc l i m a t ec h a n g e ，a n dt h ea n n u a lm e a n t e m p e r a t u r ev a r i a t i o n sh a v em o r es i g n i f i c a n ti m p a c to nv e g e t a t i o nd y n a m i c st h a nt h ea n n u a l p r e c i p i t a t i o nv a r i a t i o n s a m o n gt h e m , t h en d v io fb u s h e s & s h o r tc o p s et r e e sh a dt h el l i g h e s t p o s s i t i v ec o r r e l a t i o nw i t ht e m p e r a t u r e ；t h en d v io fs i n # e ( d o u b l e ) p a d d y & a n n u a ld r yf a n n i n g & s e m i - t r o p i c a le v e r g r e e ne c o n o m i ct r e e sh a dt h eh i g h e s tp o s s i t i v ec o r r e l a t i o nw i t hp r e c i p i t a t i o n k e yw o r d s ：v e g e t a t i o nc o v e r , g u i z h o up r o v i n c e ，n d v i ，c l i m a t ef a c t o r s h i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新 的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：吐复整 日期： 馥：么：应 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名： 日期： 遂止占章盐 第一章引言 1 1 遥感技术在环境监测中的应用原理及技术支持 遥感技术是2 0 世纪6 0 年代发展起来的对地观测综合性技术，是一种应用探测仪器， 不需要与探测目标直接接触，通过记录目标物体的电磁波谱，从而分析解释物体的特征性 质及其变化的综合性探测技术【1 1 。遥感技术让大面积的同步观测成为现实：可以在短时间 内对同一地区进行重复探测，实现对地物的动态监测；其数据具有很强的综合性、可比性 和经济性。 随着科学的发展，遥感技术已经成为环境监测的主要手段。人类通过大量的社会实践， 发现地球上每一个物体都在不停地吸收、发射和反射信息和能量，其中有一种人类已经认 识的形式一电磁波。遥感就是根据这个原理来探测地表物体对电磁波的反射和其发射的电 磁波，从而提取这些物体的信息，完成远距离识别物体。 利用遥感技术获取遥感信息，时间周期短，获得的环境动态观测数据通过地理信息系 统快速处理和分析，能够及时发现环境的变化，便于采取措施控制环境污染，最大限度避 免环境危害，从而更好地保护环境。 环境遥感是利用各种遥感技术，对自然与社会环境的动态变化进行监测或作出评价与 预报的统称。广义地讲，环境遥感是指以探测地球表层系统及其动态变化为目的的遥感技 术，可理解为涉及大气、水( 包括海洋) 、生态环境等所有遥感活动的代名词，它是现代遥 感技术应用于地球表层系统研究，为地理科学和环境科学研究提供技术支持，同时明显区 别于其他遥感学科的一门技术工具学科。狭义地讲，环境遥感是指利用遥感技术探测和研 究环境污染的空间分布、时间尺度、性质、发展动态、影响和危害程度，以便采取环境保 护措施或制定生态环境规划的遥感活动，此时它只是遥感技术在环境科学中的应用田。 环境遥感除了具备一般遥感技术所具有的普遍特征外，在数据获取上具有多层次、多 时相、多功能的特点；在应用方面具有多源数据处理、多学科综合分析、多维动态监测和 多用途的特点，具体包括：多空间尺度性；多时间尺度性；多用途性；多学科综合性。 具有全球覆盖、快速、多光谱、大信息量的遥感技术已成为全球环境变化监测中一种 主要的技术支持，主要包括： 一、光学遥感监测技术 包括如下几种： ( 1 ) 可见光、反射红外遥感技术 用可见光和反射红外遥感器进行物体识别和分析的原理是基于每一物体的光谱反射率 不同来获得有关目标物的信息。该类技术可以监测大气污染、温室效应、水质污染、固体 废弃物污染、热污染等，是比较成熟的遥感技术，目前国际上的商业和非商业卫星遥感器 多属此类。 ( 2 ) 热红外遥感技术 在热红外遥感中，所观测的电磁波的辐射源是目标物，采用波长范围为8 1 4 1 a m 。热红 外遥感主要探测目标物的辐射特性( 发射率和温度) 。利用热红外遥感技术可以在短时间内 重复观测大范围地表的温度分布状况，这种观测是以“一切物体辐射与其本身温度和种类 相对应的电磁波”为基础的。 ( 3 ) 高光谱遥感技术 高光谱遥感技术的发展是人类在对地观测方面所取得的重大技术突破之一，是当前乃 至下一世纪的遥感前沿技术，又被称为成像光谱技术，是指利用很多很窄的电磁波段从感 光性的物体中获取有关数据，它源于多光谱遥感技术，以测谱学为基础，可以在电磁波的 紫外、可见光、近红外、中红外以至热红外区域获得许多非常窄且光谱连续的图像数据【3 】 特点是波段多、高光谱分辨率、高空间分辨率，它将传统的图像维与光谱维信息融合为一 体，在获取地表空间图像的同时，得到每个地物的连续光谱信息，从而实现依据地物光谱 特征的同时，得到每个地物的连续光谱信息，从而实现依据地物光谱特征的地物成份信息 反演及地物识别，因此可以在不同的环境污染物监测中发挥主要作用。 二、微波遥感监测技术 微波遥感与光学遥感相比，它除了具有光学遥感不具有的全天候和全天时观测能力 外，它的特征信号丰富，含有幅度、相位和极化等多种信息，它对地球覆盖层的穿透能力 也较红外波段强。微波在传播途径中，由于媒介质的不连续性、不均匀性、各向异性以及 2 耗损等因素，将在遥感目标区产生反射、散射、透射、吸收和辐射等各种现象。目标与散 射电磁波的相互作用，使电磁波产生空间、时间、幅度、频率、相位和极化等参数的调制， 从而使回波载有信息，通过标定和信号处理技术，把这些信息变成各种特征信号，例如散 射系数、极化系数、相对相位、发射率、表现温度、亮度温度、多普勒频谱、功率谱、角 谱，以及时域统计的各阶矩等【4 】。通过建立半经验公式或数学模型，在特征信号与被测目 标的物理量之间建立起严格的对应关系，从而推知遥感目标的物理特征和运动特征，达到 辨认目标和识别目标的目的。 ( 1 ) 成像雷达技术 该技术是一种主动微波遥感技术，具有不受天气状况影响的全天时、全天候成像能力 和对地物表面粗糙度状况精细的探测能力，在海洋石油污染监督中发挥着重要作用。 目前成像雷达技术已从单波段、单极化向多波段、多极化和极化干涉雷达技术发展， 有望在环境污染监测中进一步拓展领域和提高监测水平，但尚需在信息提取和处理方面迸 一步研究。 ( 2 ) 激光雷达遥感技术 通过发射光波，从其散射光、反射光的返回时间及强度、频率偏移、偏光状态的变化 等测量目标的距离及密度、速度、形状等物理性质的方法及装置叫光波雷达。由于实际上 使用的几乎是激光，所以又叫激光雷达，简称光雷达闭。 激光雷达是主动型微波遥感器的一种，它主要用于测量大气的状态及大气污染、平流 层物质等大气中物质的物理性质及其空间分布等。在环境污染监测中，激光雷达技术不仅 能探测大气污染物中的各种成份，而且能监测大气中臭氧的分布和水样中的石油污染或植 物的叶绿素含量等。 ( 3 ) 微波辐射计监测技术 微波辐射计监测技术是一种无源微波遥感器，它吸收并测量由地面目标产生的辐射功 率，以便掌握目标在微波波段的特征，区分不同目标、并推导出目标的某些参数。微波辐 射计可用来观测海面状态和大气状态，如海平面温度、海风、盐度、海冰、水蒸汽量、云 层含水量、降水强度、大气温度、风、臭氧、气溶胶、氧化氮等。 3 1 2 国内外研究进展 一、全球变化背景下土地利用土地覆盖变化研究进展 全球气候变暖已经是“毫无争议的事实了。联合国政府间气候变化专门委员会 ( i p c c ) 2 0 0 7 年2 月2 日发表的第4 份气候变化评估报告梗概得出了这个结论。政府间气 候变化专门委员会( w c c ) 第三次评估报告认为：全球平均地面气温2 0 世纪升高了0 6 ( 0 2 ) 嘲。 土地利用是指人类对土地自然属性的利用方式和利用状况，是人类有目的地开发利用 土地资源的一切活动，土地覆盖是地表自然形成的或者人为引起的覆盖状况。土地利用和 土地覆盖两者之间既有联系，又有区别。土地利用土地覆盖变化( l u c c ) 研究所涉及的 范围非常广，既包括自然、经济与社会的整个系统，又包括人类社会发展的过去、现在与 将来的整个过程，大到整个地球圈层，小到一个国家、地区。土地利用土地覆盖变化不仅 客观地记录了人类改变地球表面特征空间格局的活动，而且再现了地球表面景观的时空动 态过程，其变化与全球气候变化、生物多样性的减少、生态环境演变、生态安全水平以及 人类与环境之间相互作用的可持续性等密切相关 7 1 。2 0 世纪9 0 年代以来，土地利用和土地 覆盖变化作为全球变化的重要组成部分和主要原因，日益受到国际组织和世界各国的普遍 关注，目前己成为国际上全球变化研究的前沿和热点课题，在土地资源的合理利用、开发 与保护，以及生态、经济与环境的协调发展等方面起到了重要作用。 目前有关土地利用和土地覆盖变化研究的内容大致分为四个方面【8 】：土地利用和土地 覆盖变化的结构类型分析；土地利用和土地覆盖变化的过程研究；探讨人类对土地利用和 土地覆盖变化的反应：建立综合的全球性或区域性的变化模型，探讨不同空间尺度上土地 利用和土地覆盖变化的动力学机制。土地利用和土地覆盖变化研究的主要目标是在不同的 时间尺度和空间尺度上探求土地利用、土地覆盖、自然环境及其人类活动之间的相互作用 关系，并研究解决这些问题的办法、途径及机制。 土地利用和土地覆盖变化( l u c c ) 已经成为全球变化研究项目的一个主要组成部分。 其第一个国际性的研究计划是国际地圈一生物圈计划( i g b p ) ，i g b p 和i s c c 国际社会科 学议会开启了一个关于l u c c 汇合了在土地覆盖和土地利用变化分析方面的环境和社会自 4 然科学专家技术的主要工程。自此，发起了其他关于土地覆盖和土地利用分析的基础研究 计划，如i a i ( 全球变化研究美国协会) 、a p n ( d r 球变化亚洲太平洋网络) 、s t a r t ( 分析研究和训练全球变化系统) 和g c t e ( 陆地生态系统全球变化) 。作为对l u c c 和g c t e 的补充，美国宇航局n a s a 发起属于自己的土地覆盖和土地利用变化研究计划 ( n a s a ，l c l u c ) 。每个计划都把土地利用和土地覆盖变化作为首要的研究课题【9 】。l u c c 和g c t e 核心工程于2 0 0 5 年结束，但是继续在i g b p 这一旨在辨别、分析特征模型、土地系 统变化的原因和结果的工程中为得到完整的全球土地计划( g l p ) 运用( g l p 2 0 0 5 ) 。 当前，国际上利用遥感技术研究大范围内土地覆盖和土地的状况是美国处于领先地位， 俄罗斯落后于美国，然后是西欧、加拿大、日本等国，许多第三世界国家都把遥感技术作 为关键技术在土地利用和土地覆盖中加以采用。总之，遥感技术在全球性土地覆盖和土地 利用、大地构造、大陆漂移、板块构造中起着越来越重要的作用【1 0 1 。 1 9 7 0 年以前，我国基本上是从历史资料调查和统计资料中获取土地利用和土地覆盖变 化数据，2 0 世纪7 0 年代以来，遥感技术的发展使遥感影像数据成为土地利用和土地覆盖变 化研究最主要和有效的数据源。在2 0 世纪8 0 年代中期至9 0 年代曾开展过全国性的土地利用 现状调查工作，“八五”期间，中科院完成“国家环境资源遥感宏观调查与动态研究”项 目，2 0 世纪9 0 年代以来，随着资源、环境和人口问题的日益突出，相应地开展了大量的土 地利用，土地覆盖变化研究。中国土地利用，土地覆盖变化研究在时空变化、动力机制以及环 境效应等三方面都取得很大进展【n 】，到目前为止，我国已利用1 ：2 5 万卫星图片完成全国和 分省土地总面积的统计、全国1 ：2 0 0 万土地利用卫星影像图及1 ：5 万主要城市土地利用现 状卫星影像图等；基于r s 与g i s 技术，国家环保局于2 0 0 0 年完成了“西部遥感调查”项目【1 2 1 ： 朱会义等【1 3 】对环渤海地区土地利用的时空变化进行了分析，结果显示：环渤海地区在1 0 年 内，土地利用发生了大幅度的变化；葛全胜等【1 4 】在对上个世纪中国土地利用时空变化研究 中，发现中国土地利用结构发生了明显的变化，特别是在近5 0 年，这主要表现为：耕地、 林地、园地、居住工矿地及交通用地等都有不同程度的增长，而草地、后备耕地、天然水 体明显减少；王思远等【”1 在r s 与g i s 技术的支持下，通过数学建模，利用土地利用动态度 模型、土地利用程度模型、垦殖指数模型等对中国近5 年来土地利用的时间动态特征和空间 动态特征进行了定量分析；高志强等【1 6 】得出“中国土地利用的极地模式”，并建立了中国 5 土地利用程度的经度、高程模型，从而建立起中国土地利用程度的环境因素分异模型，为 模拟与预测我国土地利用程度变化提供了理论方法与途径：吴承祯等【1 7 】应用地统计学 “k d g i n g ”内插技术模拟了我国土地利用程度的区域分异规律，为我国土地利用程度时空 分布的模拟与预测提供可靠方法；赵茂盛等用大气环流模式h a d c m 2 对未来气候变化的 预测结果应用与改进后的m a p s s 对我国植被未来的变化进行模拟。 二、植被覆盖变化与气候因子的相互作用研究进展 植被和气候之间的相互作用主要表现在两个方面：一是植被对气候的适应性：二是植 被对气候的反馈作用【1 9 】。植被对气候的适应性主要表现在每个气候类型或分区都有一套相 应的植被类型；植被对气候的反馈作用表现在不同的植被类型通过影响植被与大气之间的 物质( 如水和二氧化碳等) 和能量( 如太阳辐射、动量和热量等) 交换来影响气候，改变 的气候又通过大气与植被之间的物质和能量的交换作用对植被的生长产生影响，最终可能 导致植被类型的变化。 气候对植被的影响研究始于上个世纪三十年代，k o p p e n l 2 0 】在1 9 3 6 年就提出了将气候界 限与植物生长或植被类型相关联的气候分类方案，为定量研究气候植被关系提供了理论和 方法。目前的研究主要分微观和宏观两个方面，微观方面主要是以生理生态为基础的实验 研究【2 l 】；宏观方面主要包括地球上各个生物层次( 个体、种群、生态系统和生物圈) 对c 0 2 浓度升高和气候变暖的反应1 2 2 。研究表明：c 0 2 倍增影响生态系统的过程和机理，c u r t i s 2 a 在1 9 9 6 年就指出c 0 2 浓度的升高将导致植被光合速率升高，但不同物种的增加幅度不同； 高温影响光合作用，使植物的净光合速率明显下降。高温促使叶片成熟及衰老加速，减少 光合作用持续时间，吴韩英等【2 4 1 研究表明植物的蒸腾作用对温度的敏感性高于光合作用； 气候变化还影响植被生态系统分布口如7 】，而且影响植被生态系统的生产力，周广胜等嗍 研究表明，在年均温增加2 c 和4 c ，年降水量增加2 0 条件下，中国自然植被净第一性生 产力( n p p ) 均有所增加。 土地利用和土地覆盖变化对气候影响的生物物理反馈表现为【2 9 l ：通过改变地表的光学 特性、粗糙度及水文循环而影响地面和大气间的辐射、热量、动量和水分交换，生物地球 化学反馈表现为通过生态系统碳和养分循环的变化影响地面与大气间交换温室气体和气溶 胶，从而导致气候发生变化。最初对植被覆盖变化影响气候的研究是从荒漠化的气候效应 6 开始的。2 0 世纪7 0 年代，c h a r n e ) ，【3 0 3 1 1 首次研究了沙漠边缘植被变化对气候的潜在影响。 其后，大量研究指出，土地荒漠化导致较高的地表反照率、较小的土壤水分含量及较低的 地表粗糙度，使降水减少，植被和土壤进一步恶化，加速了荒漠化进程，形成一系列的正 反馈【3 2 1 ，同时有研究还表明其影响还可扩展到其外围地区【3 3 3 4 1 。对大面积热带森林砍伐造 成的影响，h e n d e r s o n s e l l e r s 等口习最早利用大气环流模式( g c m ) ，对南美巴西亚马孙热带 雨林变成草原的数值模拟表明：地面粗糙度、土壤含水量以及地面反照率的改变使降水减 少0 5 - 0 7 m m d - 1 ，蒸发和天空云量也明显减少，造成地面热量通量和动量通量的异常，砍 伐的结果是随后而来的一个较长的干季，使得大量森林砍伐后重建极其困难。d i c k i n s o n 等 1 3 6 利用包括b a t s 的n c a r 公用气候模式( c c m ) 对热带森林砍伐作了进一步的数值模拟， 研究表明：热带雨林被砍伐后对气候将造成极为严重的影响，地面空气温度和土壤温度的 异常会达到4 5 ，降水量的异常达到o 5 1 o m r n d 1 。 八十年代以来，我国也开始研究地表植被覆盖变化对气候的影响，如用气候方法估算 了西北绿化对降水和蒸发的影响f 3 7 】；作为全球变化的主要原因之一，土地覆被变化及其环 境影响引起了国际有关研究机构的广泛关注，并提出了一系列的研究计划【3 3 , 3 9 1 。 国内傅博杰、李秀彬研究员通过对土壤质量的研究，探讨了土地利用覆被变化对生态 环境的影响机锘l j 4 0 4 1 】；史培军1 4 2 1 、任志远【4 3 1 等研究了土地利用覆被变化对生态安全的影响 及其响应机制；周广胜等m 嚏于地球表面的能量和水分平衡方程，研究了“土地利用覆被 变化对气候的反馈作用”。 许多学者针对中国区域，研究并探讨了n d v i 与气候因子的相关性及其变化机制，取 得了一系列研究成果【4 “羽。但是已有的研究更多的是针对整个中国区域【4 9 删，或东北地区 4 8 , 5 1 1 、西北地区【5 2 - 5 4 、西南地区【5 5 问等大尺度地理单元进行分析，对于较小尺度的地理单 元或生态敏感区的植被波动及其气候响应研究较少。针对贵州区域的研究主要是对贵州特 定喀斯特地貌背景下开展的贵州省植被的实验研究和理论研究，如王德炉【5 7 1 等人，通过对 典型样地的植物区系基密度进行调查、全割法实测草本层生物量，对石漠化过程中植被的 特征进行了研究认为植被退化是石漠化发展的重要原因和标志；屠玉麟【5 8 1 就喀斯特生态环 境类型划分的远侧、主要参数及具体指标、类型划分方法和分类系统进行了研究；基于遥 感技术的调查研究偏重于对贵州高原喀斯特石漠化的研究及局部地区生态环境敏感度的研 7 搿5 9 , 6 0 l 。目前，对于贵州省大范围、采用先进的遥感技术和多种遥感技术检测方法，对贵 州省植被的研究及其植被与气候因子关系的研究还鲜见报道。 1 3 研究的目的和意义 全球环境变化和可持续发展已经成为当前人类面临的两大挑战，以气候变暖为标志的 全球变化已经发生，已经并将持续影响人类赖以生存的环境。1 9 9 5 年，国际地圈生物圈计 划( i g b p ) 和全球环境变化中的人文领域计划( ) p ) 联合提出了“土地利用和土地覆盖 变化”( l a n du s ea n dl a n dc o v e rc h a n g e ，l u c c ) 研究计划，使土地利用变化研究成为目前 全球变化研究的前沿和热点课题【6 1 删。 2 0 世纪8 0 年代以来，随着对全球环境变化研究的加强和对地观测技术的发展，区域 性土地利用变化日益成为地球系统科学和全球变化研究领域新的热点问题【吲，从区域角度 研究土地利用变化格局已经成为l u c c 研究的重点嗍。这是因为土地利用与覆盖变化不仅 客观记录了人类改变地球表面特征的空间格局，也集中体现了人类改造地球表面景观的过 程，是引起全球变化的重要原因嘲。土地利用与土地覆盖变化作为全球变化的一个重要内 容，一方面通过影响气候、土壤、水文以及地貌而对自然环境产生深刻的影响；另一方面 造成了生态系统的生物多样性、物质循环与能量流动以及景观结构的巨大变化，使得生态 系统的结构和功能发生了改变【6 8 】 随着全球变化研究的深入，人们越来越认识到，人类活动作为主导因素所导致的土地 利用与土地覆盖变化在全球环境变化过程中占据着十分重要的地位，在将来的数十年间， 由土地利用与土地覆盖变化所带来的全球影响，要等于甚至大子潜在气候变化所带来的影 响【6 9 】。作为人与自然联系纽带的土地，土地利用方式与土地覆盖类型的变化是人类开发利 用自然环境所带来的直接后果，是人类与各种自然和人文环境之间的关系在地表面的投影 7 0 l ，因此，开展土地利用引起的地表覆盖状况变化的环境影响研究成为了l u c c 计划研究 的核心。 植被是覆盖地表的森林、灌丛、草地与农作物等群落的总称，是陆地表面最突出的土 地覆盖类型，具有截留降雨、减缓径流、防沙治沙、保水固土等功能。同时，也是反映区 8 域生态环境优劣的重要监测指标之一【7 。植被覆盖是许多全球、区域变化监测模型中所需 的重要参数，是描述生态系统的重要基础数据库，在生态系统中发挥着重要的作用，较大 尺度的植被覆盖变化体现了自然和人类活动对自然生态环境的驱动作用。土地覆盖在很大 程度上取决于地表植被状况，地表植被对全球的能量平衡、生物化学循环、水循环等起着 调控作用，对气候系统变化有着深远的影响，是影响全球生态变化的主要驱动因子。因此， 获取地表植被覆盖及其变化信息，对于揭示地表空间变化规律，探讨变化的驱动因子和驱 动力，分析评价区域生态环境具有重要的现实意义阎。 气候作为人类赖以生存的自然环境的一个重要组成部分，它的任何变化都对自然生态 系统以及社会经济产生不可忽视的影响，研究全球气候变化，在于研究其对生态系统的影 响及生态系统对其的反应，寻找应对策略，最大限度减少全球气候变化带来的不利影响， 使得地球向着可持续发展的方向发展【7 3 , t q 。 气候变化被认为是引发地表覆盖变化的主要原因，气候变化在不同的时间尺度上影响 植被系统，在季节和年际尺度上，植被物候事件，如发芽、开花、展叶、叶变色、落叶等， 用来作为植被对气候变化响应的生态指示器嗍，探讨植被和气候的关系研究不仅是土地利 用土地覆盖变化研究的主要内容，也是全球变化研究的重要方面【7 6 , 7 7 1 。 我国环境监测部门在陆地环境监测遥感应用方面，起步比较晚，但是发展很快。近些 年来，随着生态环境的不断恶化，迫切要求使环境监测从一般理化监测向生物、生态监测 方向发展。为保护有限的国土资源和日趋恶化的生态环境，必须分析研究并采用有效的技 术手段，及时定期地对国土资源和生态环境进行调查和动态监测，以了解其现状和动态变 化，并及时制定保护和防治措施及合理的国土资源开发利用规划，促进生态环境的改善。 充分利用r s 、g i s 等方法和手段，结合气候资料特别是温度、降水等气候要素影响规律， 开展对土地利用覆盖及其变化规律的研究是十分必要的 本文在对贵州省及周边地区现有生态环境遥感监测数据和气候数据进行分析的基础 上，对贵州省n d v i 变化及其与主要气候因子变化的关系进行了较为深入的分析，有效地 监测贵州省植被覆盖的变化趋势及其时空分布特征，分析不同生态类型的植被变化及对气 候变化的响应情况，研究植被生态环境与气候因子的相互作用和影响。将在一定程度上改 善对贵州省植被覆盖变化及其与气候因子关系影响研究的不足，为贵州省生态环境变化的 9 评估及生态治理提供依据；为目前贵州省现有生态环境的监测方案的论证提供理论依据 1 4 研究的主要内容 本文在对国内外气候变化对植被生态环境影响以及植被生态环境对气候变化的响应研 究的基础上，利用n o a a a v h r r 数据集，对贵州省近2 2 年来植被覆盖变化特征进行分析； 根据植被类型资料提取每种植被的n d v i 数据，对每种植被的生长变化状况( n d 变化) 进行分析；系统分析贵州省不同季节的气候资料，分析其周期性交化和非周期性变化，研 究包括气温、降水等主要气候因子的变化特征；并结合气候资料分析植被n d v i 变化与气 候因子的关系。 1 0 2 1 数据源 第二章数据源和研究方法 ( 1 ) 遥感数据 近几十年来，特别是近2 0 年来，随着对地观测技术的不断成熟，利用遥感数据进行植 被动态变化方面的研究日益增多。常用于植被覆盖信息提取的遥感数据有n o a a a v i - i 数据、m o d i s 数据、l a n d s a t t m 数据、m s s 数据、s p o t 数据、a t s e r 数据、航片、i e o s s a p , 雷达数据以及a v i r i s 高光谱数据等。其中，高时间分辨率的遥感数据如n o a a a v h r r 、 m o d i s 、t m e t m + 等数据为基于n d v i 时间序列研究植被动态提供了可靠的数据源。 n o a a 气象卫星的通道接受的光谱范围广，它产生的a v h r r 数据是地物反射、散射 或者本身发射出来的电磁辐射，这种信息是以辐射能量强弱来表征的，并且能够转换成可 见的图像。该数据已经被证明是极有价值的区域及全球植被研究的数据源，已经在全球及 区域尺度上进行的土地覆盖类型变化的研究中显示出其他数据无法替换的作用。 n o a a a v h r r 数据具有以下4 个方面的特点：( 1 ) 第l 、第2 通道的光谱值适于植被监测； ( 2 ) 每日覆盖全球。该卫星每日绕地球转3 圈，用于研究地表属性的时间序列的动态变化 是非常有利的；( 3 ) 数据时间序列长，到目前为止，已经发射了1 4 颗系列卫星；( 4 ) 空间 分辨率较低，适于大尺度的研究。 本文采用的遥感数据为n a s a 戈达德航天中心( g o d d a r ds p a c ef l i g h tc e n t e r , g s f c ) 全球监测与模型研究组( g l o b a li n v e n t o rm o d e l i n ga n dm a p p i n gs t u d i e s ，g i m m s ) 制作的 1 9 8 2 年至2 0 0 3 年1 5 天最大化合成的8 k m a v h r r - n d v i 数据集，图像投影方式为艾尔伯 斯等积圆锥( a l b e r sc o n i c a le q u a la r e a s ) 投影，坐标系为w g s - 8 4 。得到的数据集已将其 转为地理坐标，重投影像元误差在0 1 个像元内，重采样方案是最近邻近像元法，最后得 到的像元分辨率是0 0 7 2 7 2 7 。 本研究在中国范围内做了图像配准，然后切割获得研究区域图像。并采用国际上惯用 的最大值合成法( m a x i m u mv a l v ec o m p o s i t e ，m v c ) 对数据进行预处理，该处理可以减少 大气的云、颗粒、视角以及太阳高度角的影响从而提供了近似于晴空、无云的大气条件为 l l 了尽量消除云的影响7 8 j 9 1 图2 1 m v c 波段计算后的n o a a a v h r r ( g i m m s n d v l ) 影像( 2 0 0 0 年8 月为倒) g i m m s n d v i 教据集被认为是相对标准的数据，它是在美国地球资源观测系统数据中 心的探路者数据库提供的n d v i 数据集的基础上，考虑了全球范围内各种因素对n d v i 值 的影响，并傲了如下几方面的校正呻3 1 】：( 1 ) 卫星传感嚣的不稳定性校正：( 2 ) 热带阔叶 林区云的覆盖引起的变形校正：( 3 ) 太阳天顶角和观测角度的校正；( 4 ) 火山气溶胶的校 正；( 5 ) 对北半球冬季缺失的数据进行了插值：( 6 ) 短期大气气溶胶、水蒸汽及云层覆盖 的影响校正。 与其他n d v i 数据比较，( i m m s n d v i 具有误差小、精度高等特点，被认为是n d v i 相对标准的数据，在全球及区域大尺度植被变化研究中得到了广泛应用胆删，对于研究像 贵州地区气候类型多样的区域植被变化的特征具有可行性。 表2 1 列出了本文所使用的( 3 i m m s 数据所用的传感器情况： 表2 1g i m m s 数据所用的传感器更换时间 注：引g i m m sd o c u m e n l a t i o n _ n d v i g _ $ k m _ r e v 4 p d u n i v 粥时o f m a r y l a n dg l o b a ll a n dc o v e r f a c i l i t y