魏秀紅，靳瑰麗，范燕敏，安沙舟，朱習(xí)雯，王惠寧

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆草地資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052)

基于HJ-HSI數(shù)據(jù)的伊犁絹蒿荒漠草地生物量估測

魏秀紅，靳瑰麗，范燕敏，安沙舟，朱習(xí)雯，王惠寧

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆草地資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052)

以地面實(shí)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過獲取其同步HJ-HSI影像光譜反射率，篩選出光譜變量、波段變量，對不同利用狀態(tài)的退化伊犁絹蒿(Seriphidiumtransiliense)荒漠草地(圍欄封育區(qū)N，圍欄外重度退化區(qū)W1，圍欄外中度退化區(qū)W2)的地上生物量進(jìn)行估測。結(jié)果表明，1)各季節(jié)不同利用狀態(tài)伊犁絹蒿荒漠草地群落HJ-HSI光譜反射率不同，春季為W2>N>W1，夏季為W2>W1>N，秋季為W1>W2>N；2)HJ-HSI可以實(shí)現(xiàn)對伊犁絹蒿荒漠草地地上生物量的估測，估測模型因群落類型和季節(jié)不同而存在差異。春、夏、秋3個(gè)季節(jié)的估測模型，N分別由DVI、NDVI、620.225-627.895 nm反射率平均值所構(gòu)建，W1分別由近紅外波段(Rn)、656.305 nm和776.8199 nm反射率歸一化值、MSAVI構(gòu)建，W2分別由652.09和732.01 nm反射率歸一化值、紅外波段(Rr)、584.52-598.295 nm反射率平均值構(gòu)建。

荒漠草地；不同利用狀態(tài)；高光譜；光譜變量；相關(guān)性分析；波段變量；估算生物量

新疆是我國重要牧區(qū)之一，由于氣候和人為不合理利用等因素，導(dǎo)致草地退化、荒漠化、沙化等問題非常嚴(yán)重[1-2]。其中，伊犁絹蒿(Seriphidiumtransiliense)荒漠草地在我國集中分布于新疆，是當(dāng)?shù)刂饕拇呵锓拍翀鯷3]，也普遍出現(xiàn)退化現(xiàn)象。圍欄封育作為草地恢復(fù)的重要措施，對受損草地有一定改良效果[4-5]，如何對退化及恢復(fù)草地進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，具有重要的意義。但傳統(tǒng)的監(jiān)測方法大多為實(shí)地考察性質(zhì)的評價(jià)[6]，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，成本高，而且人為因素影響明顯[7]，監(jiān)測周期一般較長，不易運(yùn)用于草地生態(tài)與生產(chǎn)管理。

近幾年來，高光譜遙感發(fā)展迅速，其具有分辨率高，波段連續(xù)性強(qiáng)，光譜信息量大等特點(diǎn)，為適時(shí)管理草地資源提供了便利，在草地高光譜特征及生物量估算方面更是取得了較好的研究成果[8-10]。我國的航空高光譜儀技術(shù)還處于不斷發(fā)展階段，環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星(全稱為環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報(bào)小衛(wèi)星星座)A星(HJ-1A)搭載的超光譜成像儀(hyper-spectral imager，HSI)的高光譜數(shù)據(jù)是國內(nèi)首個(gè)航天高光譜數(shù)據(jù)，其波段較多，可以滿足我國對植被大范圍動態(tài)監(jiān)測的需要，但是基于高光譜遙感的退化伊犁絹蒿荒漠草地的研究前人涉及較少，尤其是以HJ-HSI遙感影像為基礎(chǔ)的，并未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。因此，本研究以HJ-HSI遙感影像為基礎(chǔ)，將高光譜遙感技術(shù)運(yùn)用到退化伊犁絹蒿荒漠草地生物量的估測研究中，建立相關(guān)預(yù)測模型，估測地上生物量，旨為其動態(tài)監(jiān)測奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)昌吉州奇臺縣吉布庫鎮(zhèn)西北方向和東北方向山前丘陵地區(qū)，地理位置89°24′11.59″-89°39′52.092″ E， 43°45′26.24″-43°48′6.69″ N，海拔1 175～1 262 m，屬中溫帶大陸性半荒漠干旱性氣候，年均降水量176～269 mm，年均氣溫 5.5 ℃。該研究區(qū)是伊犁絹蒿荒漠草地的典型分布區(qū)，不合理利用導(dǎo)致了退化出現(xiàn)，于2002年圍欄封育2 000 hm2，適度利用，修復(fù)受損草地。選擇3種不同利用狀態(tài)區(qū)域：圍欄封育的退化伊犁絹蒿草地(N)，未封育的退化程度不一致，以叉毛蓬(Petrosimoniasibirica)為優(yōu)勢種的重度退化區(qū)域(W1)，未封育的、以伊犁絹蒿為優(yōu)勢種的重度退化區(qū)域(W2)。

1.2 數(shù)據(jù)測定

1.2.1群落數(shù)據(jù)的測定 于4月(春季)、6月(夏季)和9月(秋季)3個(gè)時(shí)期分別在不同利用狀態(tài)草地各設(shè)置4條樣線，每條樣線設(shè)置10個(gè)樣地，考慮到HJ-HSI的分辨率及遙感估產(chǎn)對地面采樣精度需求[11-12]，樣地之間相隔150 m，樣地大小為10 m×10 m，每個(gè)樣地內(nèi)布置3個(gè)能夠代表樣地平均特性的1 m×1 m樣方，每個(gè)區(qū)域各設(shè)置40個(gè)樣地，120個(gè)樣方。在每個(gè)樣方內(nèi)測定群落特征并計(jì)算重要值，得到研究區(qū)群落特征(表1)，為HJ-HSI數(shù)據(jù)估測草地生物量方法的篩選提供支撐。其中，株高為自然高度，樣方內(nèi)隨機(jī)取5株植株，取平均值；蓋度采用針刺法；密度為直接計(jì)數(shù)計(jì)算植株數(shù)法；地上生物量采用齊地刈割法[13]。

重要值(IV)=(相對高度+相對蓋度+相對密度+相對生物量)/4。

1.2.2HJ-HSI光譜數(shù)據(jù)獲取 本研究所使用的HJ-HSI數(shù)據(jù)產(chǎn)品從“中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心”免費(fèi)獲取，獲取的產(chǎn)品為LEVEL2級，選取與地面監(jiān)測日期相對一致的2015年4月5日、2015年6月18日和2015年8月25日3景影像，經(jīng)過數(shù)據(jù)格式讀取、大氣校正、去除嚴(yán)重受損的波段及幾何精校正等預(yù)處理，最終得到對應(yīng)像元較為精確的光譜反射率。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

光譜數(shù)據(jù)受儀器溫度和電流影響，可能會出現(xiàn)異常大或小的光譜反射率，因此剔除光譜反射率異常的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)按樣本歸類取算數(shù)平均值。

1.3.1光譜平滑 由于光譜各波段在對能量地響應(yīng)上具有差異，加之儀器影響，光譜曲線總存在噪聲，對于光譜曲線的高頻噪聲，在處理中常進(jìn)行平滑處理，本研究選擇九點(diǎn)加權(quán)平滑對光譜進(jìn)行去噪[14]：

R′=0.04Ri-4+0.08Ri-3+0.12Ri-2+0.16Ri-1+0.20Ri+0.16Ri+1+0.12Ri+2+0.08Ri+3+0.04Ri+4.

式中:R′為inm波段平滑后的光譜反射率，Ri為inm波段的原始光譜反射率。

1.3.2光譜變量的選取 植被指數(shù)是將兩個(gè)或多個(gè)光譜觀測通道組合得到，可以更好地反映地表植物生長、覆蓋狀況、地表生物參數(shù)[15-16]，獲取容易且計(jì)算方便，在草地資源研究中廣泛使用。本研究選取RES(紅邊斜率，為紅邊覆蓋620-760 nm波長范圍內(nèi)一階微分光譜中的最大值)，Rr(紅光波段630-690 nm)，Rn(近紅外波段760-900 nm)、MSAVI(修改型土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)，考慮土壤背景)、CARI(葉綠素吸收比值指數(shù)，對葉綠素較為敏感)、NDVI(歸一化植被指數(shù))，RVI(比值植被指數(shù))，DVI(差值植被指數(shù))[17]，參數(shù)公式[18]：

NDVI=(Rn-Rr)/(Rn+Rr);

RVI=Rr/Rn;

DVI=Rn-Rr;

式中:a=(R700-R550)/150，b=R550-550×a。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2007對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與篩選，采用IBM SPSS 20.0、Matlab(R2010b)對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析、相關(guān)性分析，然后在軟件Origin 8.0中進(jìn)行圖表的制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同利用狀態(tài)草地群落光譜特征

不同時(shí)期草地群落HJ-HSI光譜特征顯示，草地群落的反射率光譜曲線具有一定差異，但也有相似性，可見光區(qū)具有一般綠色植物的“峰”和“谷”的特征，近紅外區(qū)出現(xiàn)較穩(wěn)定的反射平臺，在670-760 nm波段范圍內(nèi)，光譜反射率上升較快，出現(xiàn)“紅邊”效應(yīng)，春季該現(xiàn)象不明顯(圖1-3)。

植被光譜反射率隨著葉綠素含量、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)以及葉片外結(jié)構(gòu)的變化而變化，可見光波段主要受葉綠素含量與蓋度的影響。春季區(qū)域W2的反射率最大，而另外兩個(gè)區(qū)域，在波段500-700 nm，表現(xiàn)為N>W1，波段700-900 nm則相反，不同草地群落綠峰位置也不同，W1蓋度大于W2，對其產(chǎn)生一定影響(圖1)；夏季N的草地群落反射率最低，在波段500-720 nm反射率大小表現(xiàn)為W2>W1，在波段720-900 nm表現(xiàn)為W1>W2(圖2)；秋季各草地群落反射率大小表現(xiàn)為W1>W2>N，W1在波段580 nm附近出現(xiàn)明顯綠峰，在波段640 nm附近也出現(xiàn)一處明顯的反射峰(圖3)。

表1 不同利用狀態(tài)草地群落特征Table 1 Community characteristics of grassland areas under different utilisations

注：草原苔草Carexliparocarpos；角果毛茛Ceratocephalusmoench；鶴虱Lappulasemiglabra；獨(dú)行菜Lepidiumapetalum；木地膚Kochiaprostrata；灰藜Chenopodiumglaucum；角果藜Ceratocarpusarenarius；畫眉草Eragrostispilosa。括號內(nèi)數(shù)字為該物種的重要值。圍欄封育區(qū)N，圍欄外重度退化區(qū)W1，圍欄外中度退化區(qū)W2。

Note： The numbers in brackets are the importance values of the species. N, fenced area; W1, unfenced and heavily degraded area; W2, unfenced and moderately degraded area.

圖1 不同利用狀態(tài)下草地群落春季HJ-HSI光譜特征Fig. 1 HJ-HSI spectral characteristics of grassland communities under different utilisations in spring

圖2 不同利用狀態(tài)下草地群落夏季HJ-HSI光譜特征Fig. 2 HJ-HSI spectral characteristics of grassland communities under different utilisations in summer

2.2 HJ-HSI光譜變量估測草地群落地上生物量

圖3 不同利用狀態(tài)下草地群落秋季HJ-HSI光譜特征Fig. 3 HJ-HSI spectral characteristics of grassland communities under different utilisations in autumn

已有研究表明，高光譜遙感技術(shù)適用于荒漠類草地生物量的監(jiān)測[19]。根據(jù)從HJ-HSI數(shù)據(jù)上獲取相對應(yīng)每個(gè)樣方的反射率，分別計(jì)算出8個(gè)光譜變量，然后與實(shí)測的草地群落地上生物量進(jìn)行相關(guān)性分析(表2)，其中RES和CRVI與各草地群落地上生物量均無顯著相關(guān)性(P>0.05)。進(jìn)一步將篩選出的光譜變量與實(shí)測地上生物量進(jìn)行回歸分析(表3)，通過對比決定系數(shù)、顯著性和RMSE值，篩選具有較高的決定系數(shù)和較低的RMSE值的理想回歸方程，發(fā)現(xiàn)不同季節(jié)的草地不同利用方式估測生物量所使用的光譜變量不同。其中，N樣地春季估測生物量使用DVI效果較好，夏季所構(gòu)建回歸方程決定系數(shù)較低，秋季RVI構(gòu)建效果較好；W1樣地春季使用Rn效果較好，夏季NDVI效果最好，秋季使用MSAVI效果最好；W2樣地春季僅能利用DVI構(gòu)建模型，且效果較差，夏季和秋季均是使用Rr效果較好，但秋季RMSE值較大。

2.3 HJ-HSI波段變量估測群落地上生物量回歸分析

2.3.1HJ-HSI光譜與群落地上生物量相關(guān)性分析 將HJ-HSI各波段的光譜反射率與草地群落地上生物量進(jìn)行相關(guān)性分析(圖4-6)，以篩選出估測生物量的具體敏感波段，用于構(gòu)建估測生物量模型。

表2 草地群落地上生物量與光譜變量的相關(guān)性Table 2 Correlations between aboveground biomass and spectral variables of grassland communities

注：*表示顯著相關(guān)(P<0.05)，**表示極顯著相關(guān)(P<0.01)。

Note：* and ** indicate significant correlation at 0.05 and 0.01 level, respectively.

圖5 草地群落地夏季上生物量與HJ-HSI光譜反射率的相關(guān)性Fig. 5 Correlation between aboveground biomass and spectral reflectance of HJ-HSI in summer

圖6 草地群落地秋季上生物量與HJ-HSI光譜反射率的相關(guān)性Fig. 6 Correlation between aboveground biomass and spectral reflectance of HJ-HSI in autumn

光譜反射率與地上生物量相關(guān)性較高的波段對生物量具有較好的指示作用。各草地群落光譜與生物量的相關(guān)性表現(xiàn)不同，不同季節(jié)間也存在差異。春季，僅W2樣地的草地群落光譜反射率與生物量的相關(guān)性較大，其它樣地的相關(guān)性不高，W1樣地的群落光譜反射率與生物量均呈負(fù)值，N樣地的群落光譜反射率與生物量在波段500-780 nm呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，在波段780-900 nm內(nèi)呈正相關(guān)關(guān)系，W2樣地在波段558-605、647-664 nm二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖4)，其余波段呈正相關(guān)關(guān)系；夏季，W1樣地的草地群落光譜反射率與生物量相關(guān)性最高，在波段656 nm附近相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.635 2，N樣地的最低(圖5)；到了秋季，W2樣地的草地群落光譜反射率與生物量呈正相關(guān)關(guān)系，除波段500-510、543-546 nm外，W1樣地內(nèi)二者均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，N樣地內(nèi)二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)水平最高。

表4 草地群落地上生物量與波段變量的回歸分析Table 4 Regression analysis of aboveground biomass and band variables of grassland communities

2.3.2HJ-HSI光譜反射率與草地群落地上生物量回歸模型 進(jìn)一步選取相關(guān)性較高的鄰近若干波段的反射率平均值，具有較大差值相關(guān)性的波段反射率的歸一化值兩個(gè)指標(biāo)作為波段變量[20]，與地上生物量進(jìn)行回歸分析，并對比篩選出的光譜變量所構(gòu)建的模型，選出更適合估測地上生物量的模型。將所擬合的回歸方程選擇決定系數(shù)在0.3以上的方程列出(表4)，方程的決定系數(shù)越高，說明所擬合的回歸方程估測越準(zhǔn)確，而RMSE則相反。結(jié)果表明，所選出的最優(yōu)波段因季節(jié)、利用狀態(tài)的不同也存在差異，其中樣地N在秋季選用波段620.225-627.895 nm估測群落地上生物量效果最好；樣地W1在春季選用波段540.92-552.27 nm估測群落地上生物量效果較好，夏季選用656.305、776.819 9 nm的歸一化值所構(gòu)建的回歸方程決定系數(shù)較高，但RMSE值較大；樣地W2在春季通過波段678.225、726.77 nm的歸一化值構(gòu)建的方程決定系數(shù)較大，RMSE值較低，夏季通過波段574.595-584.52 nm的平均光譜反射率估測效果較好，秋季選用波段584.52-598.295 nm的平均光譜反射率估測效果較好。

3 討論

各草地群落HJ-HSI高光譜曲線均出現(xiàn)“峰”和“谷”的特征，具有綠色植被光譜反射和吸收的一般特征，即葉綠素對藍(lán)光和紅光吸收作用強(qiáng)，對綠光的反射作用較強(qiáng)[21]，說明本研究獲取的影像光譜可以反映真實(shí)的草地植被光譜特征；但受群落植被組成影響，不同季節(jié)中各草地群落的光譜特征曲線仍存在一定差異，可能與不同植被的生活特性有一定關(guān)系。

對比基于HJ-HSI光譜變量和波段變量所構(gòu)建的地上生物量預(yù)測模型，發(fā)現(xiàn)不同利用狀態(tài)、季節(jié)的最優(yōu)變量存在差異。對比回歸方程的決定系數(shù)和RMSE值發(fā)現(xiàn)，由波段變量所構(gòu)建的模型精度較高，說明HJ-HSI數(shù)據(jù)在草地生物量估測方面可得到較好的應(yīng)用；盡管樣地W2的光譜反射率與地上生物量的相關(guān)性較小，但通過構(gòu)建波段反射率的歸一化值作為波段變量，估算生物量的方程精度有所提高。

研究發(fā)現(xiàn)，各估測模型的方程形式也有所不同，包括線性方程、二次多項(xiàng)式、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)，最佳模型主要為線性方程和二次多項(xiàng)式，與相關(guān)學(xué)者[17,22]對草地生物量估算的模型方程形式不一致，這與所研究對象的草地群落組成以及植被生長環(huán)境不同有關(guān)。由此說明，構(gòu)建草地生物量模型應(yīng)因地制宜。一方面，草地生物量估測存在一定的復(fù)雜性，應(yīng)該進(jìn)一步利用地面工作提高估測模型的精度，根據(jù)實(shí)際狀況構(gòu)建有針對性的估測模型；另一方面，也說明高光譜遙感數(shù)據(jù)在草地生物量估測中的優(yōu)勢，可以用于監(jiān)測草地退化及恢復(fù)程度；因此深入研究基于高光譜數(shù)據(jù)的草地生物量估測方法，無論在退化和恢復(fù)草地現(xiàn)狀評價(jià)及生物量動態(tài)監(jiān)測中均具有重要意義。

4 結(jié)論

各季節(jié)不同樣地草地群落的光譜反射率大小表現(xiàn)為春季：W2>N>W1，夏季：W2>W1>N，秋季：W1>W2>N。HJ-HSI可以實(shí)現(xiàn)對伊犁絹蒿荒漠草地地上生物量的估測；春、夏、秋3個(gè)季節(jié)的估測模型，樣地N分別由DVI、NDVI、620.225-627.895 nm反射率平均值所構(gòu)建；樣地W1分別由Rn、656.305與776.819 9 nm的反射率歸一化值、MSAVI構(gòu)建；W2樣地分別由652.09與732.01 nm的反射率歸一化值、Rr、584.52-598.295 nm反射率平均值構(gòu)建。

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EstimationofbiomassbasedonHJ-HSIdatainSeriphidiumtransiliensedesertgrassland

Wei Xiu-hong, Jin Gui-li, Fan Yan-min, An Sha-zhou, Zhu Xi-wen, Wang Hui-ning

(College of Pratacultural and Environmental Sciences, Xinjiang Agricultural University; Key Laboratory of Grassland Resources and Ecology of Xinjiang, Urumqi 830052, Xinjiang, China)

The aboveground biomass of degradedSeriphidiumtransiliensedesert grassland areas under different utilisations (N: fenced area, W1: unfenced and heavily degraded area, and W2: unfenced and moderately degraded area) were estimated using spectral variables and band variables selected from the spectral reflectance of a HJ-HSI satellite image taken in the same period. The results showed that: 1) The spectral reflectance of the grassland communities differed among plots during different seasons, and their reflectance was ordered as W2> N > W1in spring, W2> W1> N in summer, and W1> W2> N in autumn; 2) HJ-HSI can be used to estimate the aboveground biomass of this kind of grassland, and the results of the estimation models vary among different community types and seasons. The estimates obtained by the models for the spring, summer, and autumn were as follows: DVI, NDVI, 620.225-627.895 nm reflectance average construction in plot N; Rn, 656.305 and 776.8199 nm reflectance normalised values, MSAVI construction in W1; 652.09 and 732.01 nm reflectance normalised values, Rr, 584.52-598.295 nm average construction in plot W2.

desert grassland; different utilisations; hyperspectral; spectral variable; correlation analysis; band variable; biomass estimation

Jin Gui-li E-mail：jguili@126.com

10.11829/j.issn.1001-0629.2017-0059

魏秀紅,靳瑰麗,范燕敏,安沙舟,朱習(xí)雯,王惠寧.基于HJ-HSI數(shù)據(jù)的伊犁絹蒿荒漠草地生物量估測.草業(yè)科學(xué),2017,34(12)：2504-2511.

Wei X H,Jin G L,Fan Y M,An S Z,Zhu X W,Wang H N.Estimation of biomass based on HJ-HSI data inSeriphidiumtransiliensedesert grassland.Pratacultural Science，2017,34(12)：2504-2511.

S812-05;Q945.79

A

1001-0629(2017)12-2504-08

2017-02-08接受日期2017-04-12

國家自然科學(xué)基金(31360571)

魏秀紅(1992-)，女，河南淮陽人，在讀碩士生，研究方向?yàn)椴輼I(yè)生產(chǎn)。E-mail:1554715447@qq.com

靳瑰麗(1979-)，女,河南蘭考人，副教授，博士，研究方向?yàn)椴莸刭Y源與生態(tài)。E-mail：jguili@126.com

(責(zé)任編輯 武艷培)