李剛勇+董建芳+閆凱+張洪江+張云玲+馬麗+李雪鋒

摘 要：探討在大尺度范圍內(nèi)運用遙感技術(shù)對天然草原植被長勢進(jìn)行對比分析，通過陸地遙感衛(wèi)星Terra所搭載的MODIS（moderate resolution imaging spectroradiometer）MOD13Q1植被指數(shù)16d250m數(shù)據(jù)源，分別對2011-2014年的193、177、161d的30景MOD13Q1數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，并根據(jù)閾值設(shè)定進(jìn)行分級出圖。利用歸一化植被指數(shù)的天然草原植被長勢對比分級方法能夠能較好反映了新疆整體植被長勢的空間分布格局。

關(guān)鍵詞：遙感；監(jiān)測；歸一化植被指數(shù)；植被長勢；分級

中圖分類號 S812 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2014）22-30-03

天然草原植被長勢是草原動態(tài)監(jiān)測的重要方面，在一定程度上揭示了草原的生長狀況及其動態(tài)變化，從而為草原科學(xué)管理提供快速、準(zhǔn)確的參考依據(jù)。草原植被長勢反映的是草原植被的總體生長狀況與趨勢，通常與以往的草原植被進(jìn)行對比來說明草原植被的生長情況。以往的植被狀況可以是某時間段的平均狀況[1]，通常需要長期、全方位、定時、定點地進(jìn)行實地監(jiān)測，需要投入大量的人力、物力及時間。而利用遙感技術(shù)可以監(jiān)測草原植被長勢，其中的歸一化植被指數(shù)（NDVI）是應(yīng)用最廣泛的MODIS植被指數(shù)[7]，它是利用衛(wèi)星不同波段探測數(shù)據(jù)組合而成的。利用遙感技術(shù)能夠迅速獲得大范圍的觀測數(shù)據(jù)，從而為草原植被長勢的監(jiān)測提供理論依據(jù)。草原植被長勢監(jiān)測與產(chǎn)量估算是草原監(jiān)測的2個重要領(lǐng)域，而國內(nèi)長期以來對草原遙感的研究主要是草原估產(chǎn)模型，對草原長勢的研究相對較少。Taylor利用NOAA數(shù)據(jù)對新西蘭草原季節(jié)間和年際間植被長勢進(jìn)行分析[2]。Cayrol對墨西哥草原建立的植被長勢模型[3]。Scotford利用光譜反射率和超聲波傳感監(jiān)測冬小麥長勢[4]。Doraiswamy對MODIS與Landsat區(qū)分不同類型，并結(jié)合氣溫、降水量進(jìn)行估產(chǎn)的研究[5]。同時國內(nèi)學(xué)者也開展了草原植被長勢遙感監(jiān)測的相關(guān)研究[6]。

國內(nèi)外大量的研究結(jié)果表明，植被指數(shù)與植物的蒸騰作用、太陽光的截取、植物光合作用及地表凈初級生產(chǎn)量有一定的相關(guān)性[8-10]?；诓莸剡b感對草原植被狀況進(jìn)行估測，是目前遙感科學(xué)應(yīng)用于草原資源、生態(tài)與管理的重要領(lǐng)域與熱點問題[11-12]。植被長勢分級是天然草地遙感監(jiān)測應(yīng)用領(lǐng)域中，反映地表草地植被覆蓋度和植被長勢的重要方法，并且是反映植被生長狀況的直接有效的度量參數(shù)[13]。通過植被長勢對比分級方法的研究，可以及時了解草原植被的生長趨勢狀況，為草地生態(tài)系統(tǒng)研究和管理提供有價值的信息，掌握不同時段天然草地受人類或氣候作用引起的變化[14]。本研究主要基于全疆草原監(jiān)測，根據(jù)2011-2014年的193、177、161d的30景MOD13Q1數(shù)據(jù)，評估年間、年度間天然草原植被覆蓋度變化，通過閾值設(shè)定進(jìn)行植被指數(shù)分級出圖，旨在大尺度范圍內(nèi)運用遙感技術(shù)對天然草原植被長勢對比分級方法，探討新疆草原植被長勢的空間分布格局。

1 研究區(qū)概況

據(jù)20世紀(jì)80年代草地資源調(diào)查成果，新疆天然草原毛面積5 725.88萬hm2，居全國第3位，約占全國草地總面積的1/6，占新疆國土總面積的34.4%，是新疆陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體和重要的生態(tài)屏障，是牧區(qū)農(nóng)牧民賴以生存發(fā)展的基本生產(chǎn)資料，更是生態(tài)脆弱區(qū)。全國18個草地大類中，新疆具有11個草地大類、25個草地亞類、131個草地組和687個草地型。天然草原垂直地帶性分布明顯，按熱量及海拔分布著沼澤、低地草甸、溫性荒漠、溫性草原化荒漠，溫性荒漠草原、溫性草原、溫性草甸草原、山地草甸、高寒草原、高寒草甸、高寒荒漠等11個草地大類，從草地類型的豐富性、分布的特異地帶性組合、利用條件和生產(chǎn)力綜合評價看，新疆草原分布特點堪稱全國之最。本研究的區(qū)域范圍見圖1。

2 遙感數(shù)據(jù)研究方法

目前長勢監(jiān)測主要利用遙感的方法，即通過歸一化植被指數(shù)（NDVI）來反映植被生長狀況的指標(biāo)，主要采用有差值、距平對比法，連續(xù)的植被生長曲線模型等方法。MODIS標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品根據(jù)內(nèi)容不同進(jìn)行分級，在1B級數(shù)據(jù)產(chǎn)品之后，劃分3級數(shù)據(jù)產(chǎn)品，包括：陸地標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品、大氣標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品和海洋標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品等3種主要標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品類型，并分解為44種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品類型。我們所選取的MOD13Q1：陸地2級標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，內(nèi)容為柵格的歸一化植被指數(shù)和增強(qiáng)型植被指數(shù)（NDVI/EVI），空間分辨率250m的空間科學(xué)數(shù)據(jù)子集。本文分別使用2011-2014年的161、177、193d（時相覆蓋從6月初至7月中旬）共30景數(shù)據(jù)影像，根據(jù)目的和數(shù)據(jù)來源相關(guān)前提，可預(yù)先將NDVI值作為植被覆蓋綠度值，同時為有效去除云遮、大氣等因素影響，可進(jìn)行MVC及植被指數(shù)最大值和累積處理。進(jìn)一步對數(shù)據(jù)進(jìn)行掩模和數(shù)據(jù)計算，最終進(jìn)行差分及分級。采用軟件ENVI 4.8和ERDAS 2011進(jìn)行運算處理。在大尺度范圍以內(nèi)，一定的幾何校正也會存在誤差，可暫不考慮使用幾何定位校正[15]。

3 結(jié)果與分析

根據(jù)MODIS影像月度數(shù)據(jù)，對2014年、2013年的193d的NDVI數(shù)據(jù)，2014年177、161d數(shù)據(jù)，2011、2012、2013年的193dNDVI均值數(shù)據(jù)進(jìn)行掩模處理，分別進(jìn)行年間的植被長勢對比，年度間植被長勢對比，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，在161～193d植被指數(shù)在空間上連續(xù)性較差，但由于受降水、溫度和區(qū)域限制原因，分級效果較不明顯（圖2：a，b），此類植被長勢分級可在一定程度上符合NDVI的差值法計算結(jié)果的連續(xù)性規(guī)則。而將差值法進(jìn)行歸一化并用于年際間比較后處理后，通過加入閾值的判斷，盡可能的與實際長勢匹配，年度間的長勢分級較為明顯，對比效果較好（圖3：c，d）。而重分類可用于數(shù)據(jù)分級處理后的數(shù)值統(tǒng)計，在一定程度上方便對分級效果進(jìn)行比較和反映。

圖2 年間、年度間不同時相植被長勢對比分級 圖3 年間、年度間不同時相植被長勢重分類對比分級

進(jìn)一步對植被長勢圖進(jìn)行重分類，按照不同的分級要求進(jìn)行閾值的確定，通過參考植被長勢和變化趨勢，可以將重分類分為7級，分別是-0.5，-0.3，-0.1，0，0.2，0.3，0.5。這樣可以將不同時相數(shù)據(jù)的對比結(jié)果通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)得以反應(yīng)，將差值的歸一化處理結(jié)果分級顯示（見表1）。 （下轉(zhuǎn)53頁）

4 結(jié)論與討論

利用MODIS的NDVI數(shù)據(jù)在大尺度范圍內(nèi)進(jìn)行年際間的歸一化分級對比，以及進(jìn)行重分類的統(tǒng)計方法，能較好的反映植被長勢空間分布情況。同期、連續(xù)性對比方法應(yīng)用前景較廣，實用性強(qiáng)。年度間植被長勢的連續(xù)性以及穩(wěn)定生長曲線的建立，還需結(jié)合旬度、月度降水量和溫度，進(jìn)一步探尋植被在整個生長及衰落季的發(fā)展規(guī)律。對于小范圍區(qū)域內(nèi)的草地植被長勢對比，不能單純依賴NDVI值，而不考慮草原類型、區(qū)域劃分、代表性等方面因素，在對未來的草地動態(tài)監(jiān)測中還需篩選適宜的監(jiān)測方法，分區(qū)域、分類型的分析植被生長趨勢及覆蓋度，建立適合本區(qū)域范圍的植物生長曲線，輔以降水、氣溫等信息來源建立相對穩(wěn)定的生長模型，將長勢監(jiān)測與天然草地生產(chǎn)力有機(jī)結(jié)合起來，更好的應(yīng)用于實踐。開展新疆區(qū)域范圍內(nèi)植被長勢變化對比方法研究，以期逐步提升NDVI值在植被長勢對比中的應(yīng)用前景，為開展其他類影像數(shù)據(jù)、不同植被指數(shù)、不同時相數(shù)據(jù)參考對比提供一定的參考借鑒。

參考文獻(xiàn)

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[15]劉艷，李楊，崔彩霞，等.MODIS MOD13Q1數(shù)據(jù)在北疆荒漠化監(jiān)測中的應(yīng)用評價[J].草業(yè)學(xué)報，2010，19（3）：14-21.

（責(zé)編：張宏民）

圖2 年間、年度間不同時相植被長勢對比分級 圖3 年間、年度間不同時相植被長勢重分類對比分級

進(jìn)一步對植被長勢圖進(jìn)行重分類，按照不同的分級要求進(jìn)行閾值的確定，通過參考植被長勢和變化趨勢，可以將重分類分為7級，分別是-0.5，-0.3，-0.1，0，0.2，0.3，0.5。這樣可以將不同時相數(shù)據(jù)的對比結(jié)果通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)得以反應(yīng)，將差值的歸一化處理結(jié)果分級顯示（見表1）。 （下轉(zhuǎn)53頁）

4 結(jié)論與討論

利用MODIS的NDVI數(shù)據(jù)在大尺度范圍內(nèi)進(jìn)行年際間的歸一化分級對比，以及進(jìn)行重分類的統(tǒng)計方法，能較好的反映植被長勢空間分布情況。同期、連續(xù)性對比方法應(yīng)用前景較廣，實用性強(qiáng)。年度間植被長勢的連續(xù)性以及穩(wěn)定生長曲線的建立，還需結(jié)合旬度、月度降水量和溫度，進(jìn)一步探尋植被在整個生長及衰落季的發(fā)展規(guī)律。對于小范圍區(qū)域內(nèi)的草地植被長勢對比，不能單純依賴NDVI值，而不考慮草原類型、區(qū)域劃分、代表性等方面因素，在對未來的草地動態(tài)監(jiān)測中還需篩選適宜的監(jiān)測方法，分區(qū)域、分類型的分析植被生長趨勢及覆蓋度，建立適合本區(qū)域范圍的植物生長曲線，輔以降水、氣溫等信息來源建立相對穩(wěn)定的生長模型，將長勢監(jiān)測與天然草地生產(chǎn)力有機(jī)結(jié)合起來，更好的應(yīng)用于實踐。開展新疆區(qū)域范圍內(nèi)植被長勢變化對比方法研究，以期逐步提升NDVI值在植被長勢對比中的應(yīng)用前景，為開展其他類影像數(shù)據(jù)、不同植被指數(shù)、不同時相數(shù)據(jù)參考對比提供一定的參考借鑒。

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（責(zé)編：張宏民）

圖2 年間、年度間不同時相植被長勢對比分級 圖3 年間、年度間不同時相植被長勢重分類對比分級

進(jìn)一步對植被長勢圖進(jìn)行重分類，按照不同的分級要求進(jìn)行閾值的確定，通過參考植被長勢和變化趨勢，可以將重分類分為7級，分別是-0.5，-0.3，-0.1，0，0.2，0.3，0.5。這樣可以將不同時相數(shù)據(jù)的對比結(jié)果通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)得以反應(yīng)，將差值的歸一化處理結(jié)果分級顯示（見表1）。 （下轉(zhuǎn)53頁）

4 結(jié)論與討論

利用MODIS的NDVI數(shù)據(jù)在大尺度范圍內(nèi)進(jìn)行年際間的歸一化分級對比，以及進(jìn)行重分類的統(tǒng)計方法，能較好的反映植被長勢空間分布情況。同期、連續(xù)性對比方法應(yīng)用前景較廣，實用性強(qiáng)。年度間植被長勢的連續(xù)性以及穩(wěn)定生長曲線的建立，還需結(jié)合旬度、月度降水量和溫度，進(jìn)一步探尋植被在整個生長及衰落季的發(fā)展規(guī)律。對于小范圍區(qū)域內(nèi)的草地植被長勢對比，不能單純依賴NDVI值，而不考慮草原類型、區(qū)域劃分、代表性等方面因素，在對未來的草地動態(tài)監(jiān)測中還需篩選適宜的監(jiān)測方法，分區(qū)域、分類型的分析植被生長趨勢及覆蓋度，建立適合本區(qū)域范圍的植物生長曲線，輔以降水、氣溫等信息來源建立相對穩(wěn)定的生長模型，將長勢監(jiān)測與天然草地生產(chǎn)力有機(jī)結(jié)合起來，更好的應(yīng)用于實踐。開展新疆區(qū)域范圍內(nèi)植被長勢變化對比方法研究，以期逐步提升NDVI值在植被長勢對比中的應(yīng)用前景，為開展其他類影像數(shù)據(jù)、不同植被指數(shù)、不同時相數(shù)據(jù)參考對比提供一定的參考借鑒。

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（責(zé)編：張宏民）