衛(wèi)星遙感植被地表溫度空間特征的再認識

康悅++田輝++楊顯玉++陳昊++文軍

摘 要：衛(wèi)星遙感在監(jiān)測陸面環(huán)境狀況和估算陸面變量等領(lǐng)域有不可替代的優(yōu)勢，而衛(wèi)星遙感估算的地表溫度和植被指數(shù)產(chǎn)品在土壤墑情和干旱監(jiān)測等方面有廣泛的應(yīng)用，該研究利用在不同時間尺度、空間尺度和不同土地覆蓋類型上的植被指數(shù)和地表溫度衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品，分析了植被-地表溫度空間中的散點分布形態(tài)特征。結(jié)果表明：在植被-地表溫度空間中的散點分布形態(tài)受陸面多種因素影響，將其簡化為三角形或梯形有失客觀性，以此為基礎(chǔ)，提出確定植被-地表溫度空間中干邊和濕邊數(shù)值的方法。

關(guān)鍵詞：遙感 植被 溫度 空間特征 地表類

中圖分類號：P237 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（c）-0002-02

在由衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品構(gòu)建的植被-地表溫度空間中，植被指數(shù)和地表溫度之比與土壤濕度或陸面蒸散發(fā)量有很好的相關(guān)性。自1989年以來國內(nèi)外學(xué)者在進行了大量的分析研究。得到如下結(jié)論：在給定研究區(qū)域和有限時段內(nèi)，植被-地表溫度空間中的散點分布呈三角形和梯形，并利用其進行了區(qū)域蒸散發(fā)量、土壤濕度、干旱和土壤墑情的監(jiān)測研究。

然而，我們最近的研究表明：在黃土高原地區(qū)，如果選取衛(wèi)星遙感植被指數(shù)和地表溫度的時間序列較短，則植被-地表溫度空間中的散點分布并非呈三角形和梯形， 據(jù)此得到的干邊和濕邊數(shù)值有很大的不確定性基于此，該文目標是探究在不同時空尺度和土地覆蓋類型上，植被-地表溫度空間中的散點分布形態(tài)，為進一步利用此方法進行土壤濕度和土壤墑情干旱程度等監(jiān)測等提供參考理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

該研究所用資料來自美國對地觀測衛(wèi)星中等分辨率成像儀（MODIS）數(shù)據(jù)產(chǎn)品中的植被指數(shù)和地表溫度，空間分辨率為0.05 °×0.05 °，植被指數(shù)時間分辨率為16天，地表溫度時間分辨率為1天，資料時間跨度為2002年1月至2012年12月。為了使兩種數(shù)據(jù)時間尺度匹配，將植被指數(shù)內(nèi)插為時間分辨率為1天的數(shù)據(jù)，該文還用到美國橡樹嶺國家實驗室根據(jù)國際地圈生物圈計劃（IGBP）植被分類方案利用MODIS數(shù)據(jù)制作的全球土地覆蓋類型數(shù)據(jù)，空間分辨率0.05 °×0.05 °。

為了探究不同土地覆蓋類型上植被-地表溫度空間中散點的分布形態(tài)特征，該研究將選取不同時間尺度、不同空間尺度和不同土地覆蓋類型的植被指數(shù)和地表溫度數(shù)據(jù)，分別制作選取不同研究區(qū)域條件下， 植被-地表溫度空間中的散點分布形態(tài)圖， 由此定量評估植被-地表溫度空間中散點分布形態(tài)的特征，并由此給出確定干邊和濕邊數(shù)值方法。

2 結(jié)果分析研究

2.1 植被-地表溫度空間中散點分布形態(tài)對數(shù)據(jù)時間序列長短的依賴性

為了揭示給定研究區(qū)域內(nèi)植被-地表溫度空間中散點分布形態(tài)對時間序列的依賴性，該研究首先選取黃土高原地區(qū)，分別給出日、月、年和11年時間尺度上植被-地表溫度空間中散點分布圖。從圖1可以看出： 當(dāng)時間序列較短時，植被-地表溫度空間中散點分布完全不呈三角形或梯形，而只有當(dāng)時間序列尺度到年尺度時，三角形或梯形分布才明顯，而且隨著時間序列更長（或數(shù)據(jù)樣本足夠多時），散點分布形態(tài)也比較穩(wěn)定。由此可以總結(jié)出：在判定某一區(qū)域植被-地表溫度空間中的散點分布形態(tài)并確定其干邊和濕邊數(shù)值時，要求所用數(shù)據(jù)有足夠長的時間序列或樣本數(shù)。

2.2 植被-地表溫度空間中散點分布形態(tài)對數(shù)據(jù)空間范圍的依賴性

為探討植被-地表溫度空間中散點分布對數(shù)據(jù)空間范圍變化的依賴性，選取2002-2012年不同空間范圍（100×100像素、400×400像素、800×800像素及全球范圍）植被指數(shù)和地表溫度衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，分別給出植被-地表溫度空間中散點分布.如圖2所示?？梢钥闯觯褐脖?地表溫度空間中散點分布形態(tài)對數(shù)據(jù)范圍依賴性較強。而只有范圍足夠大時，散點分布形態(tài)才呈現(xiàn)出三角形或梯形，而選全球數(shù)據(jù)時，剔除不合理數(shù)據(jù)時，這種關(guān)系更穩(wěn)定。

2.3 植被-地表溫度空間中散點分布形態(tài)對土地覆蓋類型的依賴性

由于植被指數(shù)只反映地面植物生長狀態(tài)的綠度，對裸露地表而言，地表溫度是土壤表面的溫度，而在濃密植被覆蓋條件下， 地表面溫度可以認為是植物冠層頂溫度。 不同類型的植被對地表溫度的響應(yīng)不同，如果完全以相同植被指數(shù)對應(yīng)的溫度確定植被-地表溫度空間中的干邊和濕邊數(shù)值時，估算肯定會帶來很大誤差。因此，在不同土地覆蓋類型，分別確定植被-地表溫度空間中散點分布的干邊和濕邊時是很有必要的。為此，該研究選取2002-2012年間全球范圍植被指數(shù)和地表溫度衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)， 分別給出在不同的土地覆蓋類型植被-地表溫度空間中散點分布，見圖3所示。

從圖3可以看出：對每一種土地覆蓋類型，選取2002-2012年期間全球范圍的衛(wèi)星遙感植被指數(shù)和地表溫度數(shù)據(jù)，植被指數(shù)與地表溫度有較好的物候?qū)?yīng)關(guān)聯(lián)。如常綠闊葉林一般在溫?zé)岬貐^(qū)，植被指數(shù)總是比較大，對應(yīng)地表溫度也較高；而落葉闊葉林的植被指數(shù)有一個從小到大的變化過程， 在植被指數(shù)比較大時，對應(yīng)地表溫度也比較高；而在沙漠地區(qū)，地表溫度較高樣本較多， 但也出現(xiàn)一個植被指數(shù)較高且地表溫度也較高的區(qū)域，這可能與沙漠中有綠洲區(qū)域有關(guān)。

從以上分析還可以總結(jié)出：該研究盡管選取了11年的全球衛(wèi)星遙感植被指數(shù)和地表溫度數(shù)據(jù)，但每一種土地覆蓋類型下，植被-地表溫度空間中散點分布并不完全相同，也沒有呈現(xiàn)出三角形或梯形分布。因此，在利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品進行地面干旱程度或土壤墑情監(jiān)測時，需要在相同植被覆蓋的前提下足夠長的時間序列或樣本數(shù)。基于此，在植被-地表溫度空間中，應(yīng)該刪除植被-地表溫度空間中少數(shù)不合理的散點， 并分別對不同土地覆蓋類型，選取散點的地表溫度最大值和最小值的集合構(gòu)建干邊和濕邊數(shù)值。

3 結(jié)論

通過以上分析， 我們總結(jié)出兩點結(jié)論：

（1）植被-地表溫度空間中散點分布為三角形或梯形的假說被長期并廣泛使用， 但并不客觀.應(yīng)根據(jù)不同土地覆蓋類型，選取足夠長的時間序列或樣本數(shù)判定其中的散點分布形態(tài)。（2）利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行土壤濕度、旱程度和土壤墑情等監(jiān)測時， 不推薦使用線性擬合確定植被-地表溫度空間中確定干邊和濕邊數(shù)值，而應(yīng)該根據(jù)不同地表覆蓋類型，選取有足夠時間長或足夠多樣本數(shù)的散點地表溫度最大值和最小值確定干邊和濕邊數(shù)值。

參考文獻

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