بررسی اثر ارتفاع و دما در فرایندهای فنولوژی گیاهان، با استفاده از تجزیه‌وتحلیل هارمونیک سری زمانی NDVI سنجندة MODIS (مطالعة موردی: شیرکوه استان یزد)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری مرتعداری، دانشگاه تهران

2 استادیار گروه جغرافیا دانشگاه یزد

چکیده

فنولوژی به مطالعة زمان وقوع رخدادهای تکرارپذیر زندگی گیاهان در رابطه با عوامل زنده و غیرزنده می‌پردازد. یکی از روش‌های بررسی تغییرات روند رشد گیاه استفاده از سری‌های زمانی تصاویر ماهواره‌ای و روش‌های سنجش از دور است. هدف از پژوهش حاضر تعیین معنای فیزیکی هریک از مؤلفه‌های سری فوریه، درمورد انواع پوشش گیاهی و فرایندهای فنولوژی گیاهان، با استفاده از تجزیة سری‌های زمانی شاخص پوشش گیاهی (NDVI) حاصل از سنجش از دور است. هدف دیگر نیز تعیین روند تغییرات مؤلفه‌های سری فوریه، در زمینة تغییرات ارتفاع از سطح دریا و درجة حرارت فصل بهار است. بدین‌منظور، در مطالعة حاضر، از محصول هشت‌روزة شاخص‌ NDVI سنجندة MODIS، با نام MOD09Q1، با قدرت تفکیک مکانی 250 متر استفاده شد. ابتدا، با استفاده از الگوریتم HANTS و سری‌های زمانی‌ یک‌سالة NDVI سنجندة MODIS در سال‌های 2013، 2014 و 2015، مؤلفه‌های سری‌های فوریه یا همان تصاویر دامنه و فاز تولید شد. سپس تغییرات و ارتباط هریک از این مؤلفه‌ها به‌نسبت تغییرات ارتفاع و دما، در منطقة شیرکوه استان یزد، بررسی شد. براساس نتایج، با کاهش 1 درجة سانتی‌گراد در میانگین دمای فصل بهار، که با افزایش ارتفاع از سطح دریا رخ می‌دهد، تأخیر هفت‌روزه‌ای در چرخه‌های سالیانه و تأخیری پنج‌روزه در چرخه‌های شش‌ماهة سری‌های زمانی NDVI ایجاد می‌شود. در چرخه‌های سالیانه، بیشترین مقدار واریانس با استفاده از گیاهان دارای دوره‌های رشد سالیانه و در چرخه‌های شش‌ماهه، بیشترین مقدار واریانس با استفاده از گیاهان دارای دورة رشد کوتاه و فصلی کنترل می‌شود. براساس نتایج، الگوریتم HANTS و تحلیل سری‌های فوریه می‌تواند، در شناخت تأثیرات عوامل اقلیمی در فرایند‌های فنولوژی و زمان شروع رشد گیاهان، بسیار کارآمد ‌باشد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Effect of height and temperature on plant phenological processes using harmonic analysis of MODIS NDVI time series (Case study: Shirkouh, Yazd province)

نویسندگان [English]

  • Hadi Zare khormizie 1
  • Hamid Reza Ghafarian Malamiri 2
1 PhD Student of Range Management , University of Tehran
2 Assistant Professor Department of Geography, Yazd University, Yazd, Iran.
چکیده [English]

Phenology is the study of the occurrence of repeatable plant life events in relation to living and non-living factors. The phenology reflects the response and adaptability of ecosystems to climate change. Phonological study can be used to regulate livestock grazing management programs at rangeland, various agricultural activities, and etc. In order to study the effect of height and temperature on plant phenological processes, harmonic analysis of time series satellite observations was used. In this study, the 8-day products of the NDVI indices of MODIS sensor (namely MOD09Q1) with a spatial resolution of 250 m was used. First, the HANTS algorithm was used to decompose the one-year NDVI MODIS products time series to thier Fourier Series components (the amplitude and phase images). Then, the correlation of each of these components with respect to height and temperature were investigated in Shirkoh area of Yazd province. According to the results, with 1 centigrade decrease in the average spring temperature, which occurs with elevation, there were a delay of 6.6 days in annual cycles and 3.9 days in the 6-month cycles of the NDVI time series, respectively. These results indicate that a delay of 6.3 days was observed in phenological processes and plant starting growth time in plant with annual growth periods and a delay of 3.9 days in plants with seasonal and six-month growth stages. Accordingly, the results of the HANTS algorithm and the Fourier series analysis can be very effective in understanding the effects of climatic factors on phenological processes and the onset of plant growth.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Phenology
  • Phase Difference
  • Harmonic Analysis
  • Time Series
  • Shirkooh

مراجع

اخوان، ح.، عموشاهی، س.، ستوده، ا.، 1397، بررسی تغییرات NDVI حاصل از تیپ پوشش گیاهی یکسان در طبقات مختلف دمایی کوهستان (مطالعة موردی: کوهستان شیرکوه استان یزد)، انسان و محیط‌زیست، دورة 16، شمارة 1، صص. 50-37.‎
رشوند، س.، یگانه، ح.، سنایی، ا.، 1393، بررسی روند مراحل فنولوژی دو گونة tomentellus Bromus وFestuca ovina در ایستگاه الموت قزوین، مجلة پژوهش‌های گیاهی، دورة 27، شمارة 4، صص. 646 -635.
زارع خورمیزی، ه.، حسینی، س.ز.، مختاری، م.ح.، غفاریان مالمیری، ح.، 1396، بازسازی سری‌های زمانی NDVI سنجندة MODIS با استفاده از الگوریتم تجزیه‌‌وتحلیل هارمونیک سری‌های زمانی (HANTS) (مطالعة موردی: استان یزد)، برنامه‌ریزی و آمایش فضا، دورة 21، شمارة 3، صص. 225-221.
زارع خورمیزی، ه.، غفاریان مالمیری، ح.، 1396، پایش خشکسالی و تأثیر آن بر پوشش گیاهی با استفاده از فنّاوری‌های سنجش از دور (بررسی موردی: استان یزد، سال‌های 1994 تا 2014)، مدیریت بیابان، دورة 5، شمارة 10، صص. 86- 68.
غفاریان مالمیری، ح.، زارع خورمیزی، ه.، 1396، بازسازی سری‌های زمانی داده‌های ماهواره‌ای دمای سطح زمین با استفاده از الگوریتم تجزیه‌و‌تحلیل هارمونیک سری‌های زمانی (HANTS)، سنجش از دور و سامانة اطلاعات جغرافیایی در منابع طبیعی، دورة 8، شمارة 3، صص. 55-37.
Atzberger, C. & Eilers, P.H., 2011, A Time Series for Monitoring Vegetation Activity and Phenology at 10-Daily Time Steps Covering Large Parts of South America, International Journal of Digital Earth, 4(5). PP. 365-386.
Bertin, R.I., 2008, Plant Phenology and Distribution in Relation to Recent Climate Change, The Journal of the Torrey Botanical Society, 135(1), PP. 126-146.
Busetto, L., Colombo, R., Migliavacca, M., Cremonese, E., Meroni, M., Galvagno, M., Rossini, M., Siniscalco, C., Morra di cella, U. & Pari, E., 2010, Remote Sensing of Larch Phenological Cycle and Analysis of Relationships with Climate in the Alpine Region, Global change biology, 16(9), PP. 2504-2517.
Dannenberg, M.P., Song, C., Hwang, T. & Wise, E.K., 2015, Empirical Evidence of El Niño-Southern Oscillation Influence on Land Surface Phenology and Productivity in the Western United States, Remote Sensing of Environment, 159, PP. 167-180.
De Wit, A.J.W. & Su, B., 2005, Deriving Phenological Indicators from SPOT-VGT Data Using the HANTS Algorithm, In 2nd international SPOT-VEGETATION User Conference (PP. 195-201), Antwerp Belgium.
Eastman, J.R., Sangermano, F., Machado, E.A., Rogan, J. & Anyamba, A., 2013, Global Trends in Seasonality of Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), 1982–2011, Remote Sensing, 5(10), PP. 4799-4818.
Frey, R.A., Ackerman, S.A., Liu, Y., Strabala, K.I., Zhang, H., Key, J.R. & Wang, X., 2008, Cloud Detection with MODIS, Part I: Improvements in the MODIS Cloud Mask for Collection 5, Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 25, PP. 1057-1072.
 
Fu, Y.H., Piao, S., Op de Beeck, M., Cong, N., Zhao, H., Zhang, Y., Menzel, A. & Janssens, I.A., 2014, Recent Spring Phenology Shifts in Western C Entral E Urope Based on Multiscale Observations, Global Ecology and Biogeography, 23(11), PP. 1255-1263.
Fu, Y.H., Piao, S., Zhao, H., Jeong, S.J., Wang, X., Vitasse, Y., ... & Janssens, I.A., 2014, Unexpected Role of Winter Precipitation in Determining Heat Requirement for Spring Vegetation Green‐Up at Northern Middle and High Latitudes, Global Change Biology, 20(12), PP. 3743-3755.
Fu, Y.H., Zhao, H., Piao, S., Peaucelle, M., Peng, S., Zhou, G., ... & Janssens, I.A., 2015, Declining Global Warming Effects on the Phenology of Spring Leaf Unfolding, Nature, 526(7571), PP. 104-107.
Ge, Q., Wang, H. & Dai, J., 2015, Phenological Response to Climate Change in China: A Meta‐Analysis, Global Change Biology, 21(1), PP. 265-274.
Ghafarian Malamiri, H.R., Rousta, I., Olafsson, H., Zare, H. & Zhang, H, 2018, Gap-Filling of MODIS Time Series Land Surface Temperature (LST) Products Using Singular Spectrum Analysis (SSA), Atmosphere, 9(9), P. 334.
Jakubauskas, M.E. & Legates, D.R., 2000, Harmonic Analysis of Time-Series AVHRR NDVI Data for Characterizing US Great Plains Land Use/Land Cover, International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, 33(B4/1; PART 4), PP. 384-389.
Jakubauskas, M.E., Legates, D.R. &, J.H., 2002, Crop Identification Using Harmonic Analysis of Time-Series AVHRR NDVI Data, Computers and Electronics in Agriculture, 37(1-3), PP.127-139.
Jiang, X., Wang, D., Tang, L., Hu, J. & Xi, X., 2008, Analysing the Vegetation Cover Variation of China from AVHRR‐NDVI Data, International Journal of Remote Sensing, 29(17-18), PP. 5301-5311.
Julien, Y. & Sobrino, J.A., 2010, Comparison of Cloud-Reconstruction Methods for Time Series of Composite NDVI Data, Remote Sensing of Environment, 114(3), PP. 618-625.
Julien, Y., Sobrino, J.A. & Verhoef, W., 2006, Changes in Land Surface Temperatures and NDVI Values over Europe between 1982 and 1999, Remote Sensing of Environment, 103(1), PP. 43-55.
Karlsen, S.R., Solheim, I., Beck, P.S., Hogda, K.A., Wielgolaski, F.E. & Tommervik, H., 2007, Variability of the Start of the Growing Season in Fennoscandia, 1982–2002, International Journal of Biometeorology, 51(6), PP. 513-524.
Klosterman, S., Hufkens, K., Gray, J.M., Melaas, E., Sonnentag, O., Lavine, I., Mitchell, L., Norman, R., Friedl, M.A. & Richardson, A., 2014, Evaluating remote Sensing of Deciduous Forest Phenology at Multiple Spatial Scales Using PhenoCam Imagery, Biogeosciences, 11, PP. 4305-4320.
Kobayashi, H., Nagai, S., Kim, Y., Yang, W., Ikeda, K., Ikawa, H., Nagano, H. & Suzuki, R., 2018, In Situ Observations Reveal How Spectral Reflectance Responds to Growing Season Phenology of an Open Evergreen Forest in Alaska, Remote Sensing, 10(7), P. 1071.
Lesica, P. & Kittelson, P.M., 2010, Precipitation and Temperature Are Associated with Advanced Flowering Phenology in Semi-Arid Grassland, Journal of Arid Environments, 74, PP.1013-1017.
Liu, L., Liu, L., Liang, L., Donnelly, A., Park, I. & Schwartz, M.D., 2014, Effects of Elevation on Spring Phenological Sensitivity to Temperature in Tibetan Plateau Grasslands, Chinese science bulletin, 59(34), PP. 4856-4863.
Liu, Q., Fu, Y.H., Zhu, Z., Liu, Y., Liu, Z., Huang, M., Janssens, I.A. & Piao, S., 2016, Delayed Autumn Phenology in the Northern Hemisphere is Related to Change in Both Climate and Spring Phenology, Global Change Biology, 22(11), PP. 3702-3711.
Liu, X., Zhu, X., Zhu, W., Pan, Y., Zhang, C. & Zhang, D., 2014, Changes in Spring Phenology in the Three-Rivers Headwater Region from 1999 to 2013, Remote Sensing, 6(9), PP. 9130-9144.
Menenti, M., Azzali, S., Verhoef, W. & van Swol, R., 1993, Mapping Agroecological Zones and time lag in vegetation growth by means of Fourier analysis of time series of NDVI Images, Advances in Space Research, 13(5), PP. 233-237.
Menzel, A., Estrella, N. & Schleip, C., 2008, Impacts of Climate Variability, Trends and NAO on 20th Century European Plant Phenology, Climate Variability and Extremes During the Past 100 Years (PP. 221-233), Springer, Dordrecht.
Nordli, O., Wielgolaski, F.E., Bakken, A.K., Hjeltnes, S.H., Mage, F., Sivle, A. & Skre, O., 2008, Regional trends for Bud Burst and Flowering of Woody Plants in Norway as Related to Climate Change, International Journal of Biometeorology, 52(7), PP. 625-639.
Pastor-Guzman, J., Dash, J. & Atkinson, P.M., 2018, Remote Sensing of Mangrove Forest Phenology and Its Environmental Drivers, Remote Sensing of Environment, 205, PP. 71-84.
Pellerin, M., Delestrade, A., Mathieu, G., Rigault, O. & Yoccoz, N.G., 2012, Spring Tree Phenology in the Alps: Effects of Air Temperature, Altitude and Local Topography, European Journal of Forest Research, 131(6), PP. 1957-1965.
Peng, D., Wu, C., Zhang, X., Yu, L., Huete, A.R., Wang, F., Luo, Sh., Liu, X. & Zhang, H., 2018, Scaling up Spring Phenology Derived from Remote Sensing Images, Agricultural and Forest Meteorology, 256, PP. 207-219.
Piao, S., Cui, M., Chen, A., Wang, X., Ciais, P., Liu, J. & Tang, Y., 2011, Altitude and Temperature Dependence of Change in the Spring Vegetation Green-Up Date from 1982 to 2006 in the Qinghai-Xizang Plateau, Agricultural and Forest Meteorology, 151(12), PP. 1599-1608.
Piao, S., Friedlingstein, P., Ciais, P., Viovy, N. & Demarty, J., 2007, Growing Season Extension and Its Impact on Terrestrial Carbon Cycle in the Northern Hemisphere over the Past 2 Decades, Global Biogeochemical Cycles, 21, GB3018.
Richardson, A.D., Keenan, T.F., Migliavacca, M., Ryu, Y., Sonnentag, O. & Toomey, M., 2013, Climate Change, Phenology, and Phenological Control of Vegetation Feedbacks to the Climate System, Agricultural and Forest Meteorology, 169, PP. 156-173.
Roerink, G.J., Menenti, M. & Verhoef, W., 2000, Reconstructing Cloudfree NDVI Composites Using Fourier Analysis of Time Series, International Journal of Remote Sensing, 21(9), PP. 1911-1917.
Rouse, J.W., Haas, R.H., Schell, J.A. & Deering, D.W., 1973, Monitoring Vegetation Systems in the Great Plains with ERTS, In 3rd ERTS Symposium, NASA SP-351 I, PP. 309-317.
Scheifinger, H., Menzel, A., Koch, E., Peter, C. & Ahas, R., 2002, Atmospheric Mechanisms Governing the Spatial and Temporal Variability of Phenological Phases in Central Europe, International Journal of Climatology: A Journal of the Royal Meteorological Society, 22(14), PP. 1739-1755.
Shang, R., Liu, R., Xu, M., Liu, Y., Dash, J. & Ge, Q., 2018, Determining the Start of the Growing Season from MODIS Data in the Indian Monsoon Region: Identifying Available Data in the Rainy Season and Modeling the Varied Vegetation Growth Trajectories, Remote Sensing, 10(1), P. 122.
Verhoef, W., 1996, Application of Harmonic Analysis of NDVI Time Series (HANTS), In S. Azzali and M. Menenti (Eds.), In Fourier Analysis of Temporal NDVI in Southern Africa and America Continent, The Netherlands, DLO Winand Staring Centre, Report 108, PP. 19-24.
Verhoef, W., Menenti, M. & Azzali, S., 1996, Cover A Colour Composite of NOAAAVHRR- NDVI Based on Time Series Analysis (1981-1992), International Journal of Remote Sensing, 17(2), PP. 231-235.
Wang, X., Piao, S., Xu, X., Ciais, P., MacBean, N., Myneni, R.B. & Li, L., 2015, Has the Advancing Onset of Spring Vegetation Green‐Up Slowed Down or Changed Abruptly over the Last Three Decades?. Global Ecology and Biogeography, 24(6), PP. 621-631.
Wen, J., Su, Z. & Ma, Y.M., 2004, Reconstruction of a Cloud-Free Vegetation Index Time Seriesfor the Tibetan Plateau, Mountain Research and Development, 24(4), PP. 348-353.
White, M.A., de Beurs, K.M., Didan, K., Inouye, D.W., Richardson, A.D., Jensen, O.P., ... & Brown, J.F., 2009, Intercomparison, Interpretation, and Assessment of Spring Phenology in North America Estimated from Remote Sensing for 1982–2006, Global Change Biology, 15(10), PP. 2335-2359.
Wu, C., Hou, X., Peng, D., Gonsamo, A. & Xu, S., 2016, Land Surface Phenology of China's Temperate Ecosystems over 1999–2013: Spatial–Temporal Patterns, Interaction Effects, Covariation with Climate and Implications for Productivity, Agricultural and forest meteorology, 216, PP.177-187.
Wu, J., Albert, L.P., Lopes, A.P., Restrepo-Coupe, N., Hayek, M., Wiedemann, K.T., ... & Tavares, J.V., 2016, Leaf Development and Demography Explain Photosynthetic Seasonality in Amazon Evergreen Forests, Science, 351(6276), PP. 972-976.
Xu, Y. & Shen, Y., 2013, Reconstruction of the Land Surface Temperature Time Series Using Harmonic Analysis, Computers and Geosciences, 61, PP. 126-132.
Xue, Z., Du, P. & Feng, L., 2014, Phenology-Driven Land Cover Classification and Trend Analysis Based on Long-Term Remote Sensing Image Series, IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 7(4), PP. 1142-1156.
Yan, E., Wang, G., Lin, H., Xia, C. & Sun, H., 2015, Phenology-Based Classification of Vegetation Cover Types in Northeast China Using MODIS NDVI and EVI Time Series, International Journal of Remote Sensing, 36(2), PP. 489-512.
Yu, H., Luedeling, E. & Xu, J., 2010, Winter and Spring Warming Result in Delayed Spring Phenology on the Tibetan Plateau, Proceedings of the National Academy of Sciences, 107(51), PP. 22151-22156.
Zhou, J., Jia, L. & Menenti, M., 2015, Reconstruction of Global MODIS NDVI Time Series: Performance of Harmonic Analysis of Time Series (HANTS), Remote Sensing of Environment, 163(15), PP. 217-228.
Zhou, L., Tian, Y., Myneni, R.B., Ciais, P., Saatchi, S., Liu, Y.Y., Piao, Sh., Chen, H., Vermote, E.F., Song, C. & Hwang, T., 2014, Widespread Decline of Congo Rainforest Greenness in the Past Decade, Nature, 509(7498), PP. 86-90.
 

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار