青藏高原近20年NDVI动态变化及土壤水分分布格局研究

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土壤水分是土壤、植被和大气所形成的一定范围内的物质能量流动和相互联系的重要因子;对表层土壤的水分蒸散和运移以及碳氮等元素的循环都有着较强的影响;土壤水分可以决定某一地域内生态系统中植被的生长状态和分布格局。土壤水分是水文、生态、农业等众多领域的不可或缺的指标和参数之一;土壤水分在表层土壤中的分布受到降水、地形等众多因素的影响因而表现出较强的空间分布不均的特点。借助于遥感大范围且迅速地获取区域较为可靠的土壤水分分布特征就成为一个新切入点。本文以青藏高原为研究区,采用干旱植被指数法进行土壤水分遥感反演。首先运用历史平均值法对青藏高原2000年3月—2020年2月的MOD11A1数据进行补偿并对青藏高原的LST的空间分布格局进行了分析,之后以同期的青藏高原的MOD09GA数据为基础通过波段运算等一系列操作后运用空间趋势分析法分析了青藏高原2000—2019的NDVI(Normalized Difference Vegetation Index,归一化植被指数)空间分布格局。再将NDVI与LST结合获得了青藏高原2000年3月—2020年2月逐月的干、湿边拟合方程及拟合系数后运用空间趋势分析法和未来趋势分析法分析了整个青藏高原2000—2019年的TVDI(Temperature Vegetation Dryness Index,温度植被干旱指数)空间分布特征,最后结合青藏高原的土壤水分实测数据和TVDI分布结果反演了青藏高原的土壤水分,并结合评价参数平均相对误差、均方根误差对反演结果进行验证,反演得到的土壤水分与用于验证的土壤水分呈线性正相关关系。结果表明:(1)历史平均值法对于青藏高原地区的MOD11A1地表温度产品数据可以较为贴近真实情况地补偿出缺失像元的遥感影像像元值。采用历史平均值法对数据进行补偿之后发现像元的有效利用率得到了大幅度的提升,影像信息基本反映了真实的地物信息,补偿结果满足了遥感影像的需求。(2)统计数据结果表明青藏高原2000—2019年四个季度的NDVI平均值呈现出夏季>秋季>春季>冬季,发现各个季节的植被覆盖变化差异较大,20年中青藏高原的植被覆盖变化中植被改善的区域占30.79%、植被退化区域占1.74%、植被稳定区域占67.47%。说明青藏高原的植被覆盖在过去的20年中以稳定为主,部分区域植被覆盖有所改善。(3)青藏高原20年TVDI的空间变化趋势主要以不显著增加为主,占到了像元总数的32.77%,不显著减少占30.61%。在基于Hurst指数的未来趋势分析中,发现Hurst指数的平均值为0.4108,Hurst介于0~0.5之间的面积占85.14%。表明在未来10年内青藏高原植被干旱的变化趋势与2000—2019年期间的变化趋势总体相反。结合之前已经做出的TVDI变化趋势很容易发现我国青藏高原的植被干旱指数在未来10年内会出现较大范围的面积减少的趋势。(4)利用站点实测数据结合TVDI结果构建模型反演出青藏高原的土壤水分分布格局,经验证发现反演出的土壤水分结果与验证站点的实测土壤水分两者相关性较高,相关系数R2达到了0.7728,说明利用TVDI结合站点实测数据可以较为准确地反演出青藏高原的土壤水分分布格局。青藏高原表层土壤水分分布在时间尺度上呈现出冬季>春季>夏季>秋季的分布格局;在空间分布格局上呈现出北部的柴达木盆地为高原土壤水分的低值区域并在高原的东南部以及西南部呈现出明显的带状分布特征。高原表层土壤水分的高值区域主要出现在雅鲁藏布江大拐弯处以及高原西北部的帕米尔高原附近。
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