中国地质大学（武汉）地理与信息工程学院

“科研成果快报”

 

 

基于长时序卫星遥感影像的全球植被干旱的趋势分析研究

Trends in Global Vegetative Drought from Long-Term Satellite Remote Sensing Data

 

成果信息

Xu Zhanya, Cao Leiyu, Zhong Shaobo^*, et al. Trends in Global Vegetative Drought from Long-Term Satellite Remote Sensing Data [J]. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 2020(13): 815-826

DOI: 10.1109/JSTARS.2020.2972574

 

团队成员

徐战亚，博士，中国地质大学（武汉）地理与信息工程学院，副教授，硕士生导师，研究方向包括空间信息服务，大数据和智能计算等领域。（邮箱：xuzhanya@cug.edu.cn）

钟少波，博士，北京市科学技术研究院北京城市系统工程研究中心，副研究员，中国地理信息产业协会地理信息应急保障工作委员会副主任委员、北京市应急管理局专家、北京市安全科学技术研究院专家，研究方向城市灾害智能感知与风险诊断。（邮箱：zhongshaobo@gmail.com）

狄黎平，博士，乔治梅森大学大学空间信息科学与系统研究中心（CSISS）主任，地理与地理信息科学系教授。他从事地理信息科学研究已有30多年，发表论文400余篇，他作为主要研究人员（PI）从美国联邦机构和国际组织获得了超过5,700万美元的研究资助。他目前的研究领域包括：地理空间信息标准、地理空间网络基础设施、基于Web的地理空间信息和知识系统与农业遥感及应用等。从2010年到2016年，他是INCITS / L1的主席，负责制定美国地理信息国家标准，并代表美国参加ISO技术委员会211（ISO TC 211）。曾获得国际信息技术标准委员会颁发的杰出奖、美国农业部部长颁发的荣誉奖以及R&D杂志颁发的荣誉奖。（邮箱：ldi@gmu.edu）

曹雷宇，硕士，中国地质大学（武汉）地理与信息工程学院，在读硕士，研究方向为智能计算和深度学习。（邮箱：caoleiyu@cug.edu.cn）

 

成果介绍

研究背景及意义：

干旱在全球频繁发生，影响范围大，是最严重的自然灾害之一。干旱也会导致其他次生灾害，例如火灾、疾病和蝗灾，从而进一步加剧灾害的影响和后果，干旱引起农作物歉收，大范围的严重干旱导致全球粮食危机。进行全球干旱识别和趋势分析，可为地球的大尺度模式识别，如植被物候特征和生态系统变化，提供分析线索，对于发展区域或全球治理政策具有重要的意义。随着几十年来的卫星遥感数据的积累，以及基于卫星的植被干旱检测方法的发展，从这些长期历史遥感数据中识别出植被干旱的全球特征是可行的。但是，目前为止，尚未有根据长期数据进行的有关植被干旱的全球特征的研究。

研究方法：

本研究基于1981-2019年长时间序列植被遥感数据资料，组合多种稳健性分析方法来执行全球植被干旱趋势分析，包括趋势检验、趋势位置检测和趋势估计。考虑全球6个纬度区和10个气候区的区划差异，综合研究了全球植被干旱趋势的区域分异特征。

图1. 根据Köppen–Geiger地图重新分析的纬度范围和世界气候区

实验结果：

从像素级全球VCI趋势分析图来看，全球具有上升趋势的像素比例分别为54.7％，北半球和南半球的比例分别为67.6％和47.5％，这意味着全球植被干旱总体呈下降趋势。

图2.（a）全球干旱的像素级总体趋势图，（b）AVHRR VCI值的相应p值图。在（a）中，黄色和绿色分别表示下降趋势和上升趋势。在（b）中，红色和蓝色分别表示显著度（<0.1）和不显著度（> 0.1）。

分区趋势检测显示，除A区外，所有其他气候区VCI都有上升趋势，具有统计上的显着水平，而E区的幅度最大，其后依次是Dw，Cs和Cf。对分纬度区VCI的趋势检测显示，北温带和南热带地区呈上升趋势，具有统计学意义。

表II 气候区VCI趋势测试结果

SEN	A	B	Cf	Cs	Cw	Df	Ds	Dw	E
trend	↑	↑	↑	↑	↑	↑	↑	↑	↑
b_sen	0.000	0.056	0.058	0.086	0.030	0.044	0.054	0.095	0.096
z	0.138	8.472	9.837	12.980	6.274	7.015	7.780	14.734	13.835
pval	0.891	0.000	0.000	0.000	0.000	0.000	0.000	0.000	0.000

 

表III 纬度范围VCI趋势测试结果

 

根据多年同期序列分析结果，一般来说，近年的所有可分析纬度区VCI都有明显的上升趋势。在上世纪末之前，北温带和北热带的分段趋势都在上升，而南热带和南温带的分段趋势都在下降。近年的所有可分析气候区VCI都有明显的上升趋势，在2000年之前，A，B，Cw，Ds，E的下降趋势占主导地位，而Cs和Df的分段趋势则以上升为主。

 

图3. 北寒带，北温带，北热带，南热带和南温带月序列和断点位置以及分段趋势，第二个Y轴用于异常值索引。

 

图4. 16天的气候区数据汇总了来自AVHRR的VCI值和断点位置以及A，B，Cf，Cs，Cw，Df，Ds，Dw和E的分段趋势，第二个Y轴用于异常值索引。

研究结论：

本文研究发现：全球VCI值总体呈上升趋势，北温带和南热带地区的VCI值总体增加，而所有气候区的VCI值总体都增加，尽管存在局部差异，分段趋势基本符合总体趋势识别的结果，在最近几年中，所有气候区都有显著的上升趋势。在2000年之前，气候区A，B，Cw，Ds，E的VCI下降趋势明显，而Cs和Df的分段趋势则以上升为主。从各气候区和纬度区平均检测到四个断点。因此，分段趋势的平均持续时间为7–9年，这可能与厄尔尼诺等全球气候现象存在关联性。