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        基于MODIS的青藏高原牧草生長(zhǎng)季草地生物量動(dòng)態(tài)

        2011-04-25 09:42:14杜玉娥劉寶康郭正剛
        草業(yè)科學(xué) 2011年6期
        關(guān)鍵詞:草甸植被指數(shù)反演

        杜玉娥,劉寶康,郭正剛

        (蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 農(nóng)業(yè)部草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)學(xué)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730020)

        青藏高原三江源地區(qū)的高寒草地不僅是當(dāng)?shù)夭刈迥撩駨氖虏叵导倚笊a(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ),更是生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮涵養(yǎng)水源、保持水土、孕育生物多樣性等的基石。然而在全球變暖和人為不當(dāng)利用的作用下,高寒草地普遍退化,產(chǎn)量降低,涵養(yǎng)水源和保持水土能力下降。因此快速監(jiān)測(cè)高寒草地產(chǎn)量的變化,有利于為當(dāng)?shù)卣謴?fù)退化草地提供科學(xué)依據(jù)。

        3S技術(shù)是目前快速監(jiān)測(cè)草地產(chǎn)量的主要技術(shù)手段之一,且隨著遙感資料的變化而不斷更新。美國(guó)1992年12月發(fā)射的對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)(EOS)衛(wèi)星Terra和Aqua 均帶有中分辨率成像光譜儀(MODIS),其產(chǎn)品光譜范圍包括0.415~14.235 μm的36個(gè)波段,地面分辯率為250、500和1 000 m,能夠反映陸地、云特征、生物地理、地表溫度等特征信息[1-2],因此EOS/MODIS資料已廣泛應(yīng)用于植物長(zhǎng)勢(shì)、土地覆蓋、自然災(zāi)害等方面的監(jiān)測(cè)和研究[3-6]。已有研究表明[7-9],MODIS植被指數(shù)能夠更好地反映植被的時(shí)空變化特征。左麗君等[10]比較了植被指數(shù)(NDVI)和增強(qiáng)型植被指數(shù)(EVI)提取耕地信息的精度。王文種和張友靜[11]構(gòu)建了基于MODIS資料的溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)。 閆峰等[12]采用EVI時(shí)間序列圖像分析了河北省冬小麥(Triticumaestivum)在返青期、抽穗期和成熟期的時(shí)空分布特征。除多等[13]利用EOS/MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)分析了西藏藏北高原草地植被地上生物量時(shí)空分布特征及其與氣候因子的關(guān)系。李紅軍等[14]的研究表明,NDVI在植被生長(zhǎng)旺盛期容易達(dá)到飽和,而EVI則能克服植被生長(zhǎng)旺盛期易飽和的現(xiàn)象,比較真實(shí)地反映植被的生長(zhǎng)變化過(guò)程。楊英蓮等[15]利用青海省22個(gè)氣象站在2003和2004年牧草生長(zhǎng)季內(nèi)的牧草鮮草產(chǎn)量,構(gòu)建了基于EVI指數(shù)的草地類型的牧草鮮草產(chǎn)量模型。綜合上述研究,國(guó)內(nèi)外研究均表明采用MODIS植被指數(shù)能夠監(jiān)測(cè)作物和草地產(chǎn)量,但不同地區(qū)因采用指數(shù)不同而存在差異,因此研究不同類型的植被指數(shù)在構(gòu)建草地生物量預(yù)測(cè)模型中的分異性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本研究通過(guò)分析MODIS-NDVI和MODIS-EVI指數(shù)與青藏高原三江源地區(qū)高寒草甸和高寒草原間的相關(guān)性,構(gòu)建高寒草原和高寒草甸產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型,并采用此模型分析草地生物量的動(dòng)態(tài)特征,以期為三江源地區(qū)退化草地恢復(fù)和草畜平衡提供依據(jù)。

        1 研究地區(qū)和方法

        1.1研究地區(qū)概況 三江源地區(qū)位于青海省南部,西南部與西藏自治區(qū)接壤,東部與四川省毗鄰,北部與青海省格爾木市、都蘭縣相接,系長(zhǎng)江、黃河和瀾滄江的源頭(圖1)。地理位置為31°39′~36°12′ N,89°45′~102°23′ E,海拔為3 335~6 564 m,總面積為30.25萬(wàn)km2,約占青海省總面積的43%。高寒草地主要以高寒草甸和高寒草原為主,高寒草甸以蒿草屬、羊茅屬、早熟禾屬、剪股穎屬、風(fēng)毛菊屬為優(yōu)勢(shì)種。高寒草原優(yōu)勢(shì)種主要有紫花針茅(Stipapurpurea)、克氏羊茅(Festucakryloviana)、假羊茅(F.pseudovina)、座花針茅(S.subsessiliflora)、羽柱針茅(S.subsessiliflora)以及小半灌木藏籽蒿(Artemisiasalsoloides)等。伴生種主要有固沙草(Orinusthoroldii)、矮二裂委陵菜(Potentillabifurca)等。夏季短暫,牧草生長(zhǎng)期短,植物長(zhǎng)勢(shì)低矮,冷季長(zhǎng)達(dá)7~8個(gè)月,產(chǎn)草量低。氣候?yàn)榈湫偷母咴箨懶詺夂?,西部年均?6~-2 ℃,東南部年均溫-4~-2 ℃,全年無(wú)絕對(duì)無(wú)霜期,西部年降水量260~390 mm,東南部為390~760 mm。

        圖1 三江源氣象臺(tái)站分布

        1.2研究方法

        1.2.1數(shù)據(jù)來(lái)源 地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自研究區(qū)17個(gè)氣象臺(tái)站周邊2002-2009年實(shí)測(cè)地上部分的鮮草生物量,剔除異常值后,共計(jì)有效樣本數(shù)326個(gè),其中高寒草甸類草地樣本數(shù)為178個(gè),高寒草原類草地樣本數(shù)為148個(gè)。草地類型數(shù)據(jù)來(lái)自20世紀(jì)90年代全國(guó)草地資源調(diào)查獲得的青海省1∶100萬(wàn)草地類型圖。樣方大小為1 m×1 m,且各樣方之間的距離均大于250 m。 MODIS數(shù)據(jù)來(lái)自NASA MODIS陸地產(chǎn)品組按照統(tǒng)一算法開(kāi)發(fā)的MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品。本研究使用的MODIS/NDVI和MODIS/EVI產(chǎn)品采用月最大值合成方法MMVC(monthly maximum value composite)生成,空間分辨率為250 m的MOD13A1產(chǎn)品,空間位置在全球正弦曲線投影SIN(sinusoidal projection)系統(tǒng)中的編號(hào)為h25v05和h26v05兩景圖像,數(shù)據(jù)質(zhì)量等級(jí)為5級(jí),數(shù)據(jù)格式為EOS-HDF,時(shí)間序列為2002-2009年生長(zhǎng)季6-9月,共計(jì)64景圖像。

        1.2.2數(shù)據(jù)處理方法 首先利用MRT(MODIS reprojection tools)軟件將下載的MOD13A1產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行格式和地圖投影轉(zhuǎn)換,把HDF格式轉(zhuǎn)化為T(mén)iff格式;然后進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換,把SIN投影系統(tǒng)轉(zhuǎn)為ALBERS投影系統(tǒng),同時(shí)完成圖像的空間鑲嵌;分別把遙感影像資料和17個(gè)氣象臺(tái)站周邊的樣點(diǎn)文件進(jìn)行疊加,在ENVI軟件下提取每個(gè)樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的NDVI和EVI值,采用2002-2008年數(shù)據(jù)構(gòu)建草地地上生物量遙感模型流程(圖2),2009年數(shù)據(jù)檢驗(yàn)反演模型精度,最后根據(jù)該模型計(jì)算草地地上生物量的年際和月際動(dòng)態(tài)。

        圖2 草地地上生物量遙感模型構(gòu)建

        2 結(jié)果與分析

        2.1草地生物量遙感模型 根據(jù)EOS/MODIS衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)資料NDVI和EVI最大值合成、高寒草甸和高寒草原的鮮草生物量及其對(duì)應(yīng)的MODIS-NDVI和MODIS-EVI值,分別建立了高寒草甸和高寒草原的不同生物量回歸模型。以草地實(shí)測(cè)地上生物量為因變量,相應(yīng)的2種植被指數(shù)NDVI和EVI為自變量,獲取線性、指數(shù)、乘冪和二次多項(xiàng)式4種回歸模型。4種模型和2個(gè)植被指數(shù)的相關(guān)性系數(shù)表明,高寒草甸無(wú)論采用MODIS-NDVI還是MODIS-EVI,均表現(xiàn)為二次多項(xiàng)式回歸模型最好(圖3、4),其中采用NDVI指數(shù)和二次多項(xiàng)式時(shí)相關(guān)系數(shù)最高,其地上生物量反演模型為,y=6.202 5x2-574.89x+14 586,其中x為NDVI值,且在0.05水平上通過(guò)F檢驗(yàn)。但對(duì)高寒草原而言,乘冪模型的相關(guān)系數(shù)顯著大于線性、指數(shù)和二次多項(xiàng)式模型(圖5、6),且基于MODIS-EVI的乘冪模型相關(guān)性優(yōu)于MODIS-NDVI模型,因此高寒草原地上生物量反演模型為,y=0.165 5x1.773 2,其中x為MODIS-EVI值,且在0.05水平上通過(guò)F檢驗(yàn)。

        2.2草地生物量年際動(dòng)態(tài) 采用地上生物量估測(cè)模型,反演了研究地區(qū)2002-2009年高寒草甸和高寒草原生長(zhǎng)季(6-9月)的地上生物量,結(jié)果表明,三江源地區(qū)高寒草甸草地上生物量在2002-2009年期間呈波動(dòng)趨勢(shì)(圖7),其中2002-2003年下降,2003-2005年上升,2005-2008年又下降,2009年又大幅上升,整體表現(xiàn)為2008年地上生物量最小,2009年最大。高寒草原地上生物量在2002-2009年期間呈波動(dòng)變化趨勢(shì)(圖7),2002-2003年下降,2003-2004上升,2004-2007年波動(dòng)幅度較小,2007-2009年,表現(xiàn)先大幅度下降后大幅度上升。對(duì)比高寒草甸和高寒草原地上生物量波動(dòng)幅度發(fā)現(xiàn),高寒草甸地上生物量的波動(dòng)幅度要大于高寒草原地上生物量的波動(dòng)幅度,說(shuō)明高寒草原地上生物量對(duì)環(huán)境變化相對(duì)不敏感,而高寒草甸地上生物量對(duì)環(huán)境變化相對(duì)敏感。

        2.3草地生物量月際動(dòng)態(tài) 利用地上生物量反演模型估算了高寒草甸和高寒草原2002-2009年在6-9月內(nèi)每月的生物量。結(jié)果表明,高寒草甸地上生物量在生長(zhǎng)季的6-8月內(nèi)持續(xù)上升,8月份達(dá)到峰值,9月開(kāi)始逐漸下降,但仍高于6月地上生物量(圖8)。6月份高寒草甸生物量在2002年最大,2003年最小,2004-2006年緩慢上升,2007年和2008年基本持平。高寒草原地上6-9月生物量的變化趨勢(shì)類同于高寒草甸,2002-2009年期間,6月地上生物量波動(dòng)幅度不大(圖8);7月波動(dòng)幅度較大,2004年和2009年有明顯的上升,2003年和2008年下降比較明顯;8月草地地上生物量在2002-2007年期間波動(dòng)不明顯,2008年月生物量達(dá)最低值,2009年達(dá)最高值;9月生物量在2002年最低,其余年份無(wú)明顯波動(dòng)。對(duì)比高寒草甸和高寒草原生物量的月際變化發(fā)現(xiàn),7月高寒草原生物量波動(dòng)大于高寒草甸,8月高寒草原生物量波動(dòng)小于高寒草甸,6月和9月兩種草地類型生物量波動(dòng)不明顯。

        2.4草地生物量精度分析 將MODIS衛(wèi)星遙感資料計(jì)算高寒草甸和高寒草原的地上生物量與地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確匹配,提取與地面監(jiān)測(cè)的326個(gè)樣地對(duì)應(yīng)的遙感反演草地產(chǎn)量,進(jìn)行分級(jí)分析的結(jié)果表明,遙感反演的地上生物量與地面調(diào)查鮮草生物量在同一等級(jí)的占74.1%,比地面調(diào)查生物量高一個(gè)等級(jí)的占22.1%,比地面調(diào)查生物量低一個(gè)等級(jí)的占3.2%,低二個(gè)等級(jí)的占0.6%。其中,遙感反演的草地生物量在1 500~3 000、3 000~4 500 kg/hm2兩個(gè)等級(jí)的準(zhǔn)確率達(dá)到82.6%;當(dāng)草地產(chǎn)量超過(guò)4 500 kg/hm2時(shí)反演偏低,其主要原因可能是監(jiān)測(cè)樣方相對(duì)較少,而草地產(chǎn)量在750~1 500 kg/hm2時(shí)反演偏高,其主要原因可能是構(gòu)建遙感監(jiān)測(cè)模型中沒(méi)有考慮地形等方面的因素,投影面積與斜坡面積的植被蓋度和植被指數(shù)也會(huì)產(chǎn)生一定的誤差,從而影響草地生物量的估算,因此準(zhǔn)確估算草地生物量不僅需要足夠量的地面樣方數(shù)據(jù),至少應(yīng)該大于本研究采用的326個(gè),同時(shí)需要考慮地形因素對(duì)草地生產(chǎn)的影響,應(yīng)該在模型中考慮引入反映地形特征的參數(shù)。

        圖3 高寒草甸地上生物量NDVI 4種反演模型

        圖4 高寒草甸地上生物量EVI 4種反演模型

        圖5 高寒草原地上生物量NDVI 4種反演模型

        圖6 高寒草原地上生物量EVI 4種反演模型

        圖7 高寒草甸和高寒草原地上生物量年際變化

        圖8 高寒草甸和高寒草原地上生物量月際變化

        3 結(jié)論

        不同MODIS植被指數(shù)對(duì)不同草地類型生物量的響應(yīng)結(jié)果不同,高寒草甸對(duì)NDVI和EVI響應(yīng)一致,而高寒草原對(duì)EVI的響應(yīng)明顯優(yōu)越于NDVI,這說(shuō)明采用MODIS植被指數(shù)構(gòu)建生物量預(yù)測(cè)模型時(shí)應(yīng)注意草地類型的差異。目前認(rèn)為NDVI在植被生長(zhǎng)旺盛期容易達(dá)到飽和[13],但三江源地區(qū)高寒草甸比較低矮,郁閉度不高,因此NDVI值不致飽和,而對(duì)高寒草原而言,草層高度相對(duì)較好,NDVI值可能易飽和,因此用EVI較好。草地類型不同,適合預(yù)測(cè)地上生物量的模型也存在差異,三江源地區(qū)基于MODIS-NDVI的二次多項(xiàng)式模型能更好的反演高寒草甸地上生物量,其生物量模型為,y=6.202x2-574.89+14 586;基于MODIS-EVI的乘冪模型能更好反演高寒草原生物量,其生物量模型為,y=0.165 5x1.773 2。這說(shuō)明同一地區(qū)不同草地類型,反演地上生物量的模型中不但適宜植被指數(shù)有差異,而且模型也存在差異。

        無(wú)論是高寒草甸還是高寒草原,地上生物量均具有年際波動(dòng)特征,但在青藏高原三江源地區(qū)表現(xiàn)為高寒草甸比高寒草原波動(dòng)幅度大,說(shuō)明高寒草原地上生物量對(duì)環(huán)境變化較高寒草甸不敏感。高寒草甸和高寒草原生長(zhǎng)季內(nèi)呈現(xiàn)為先增加后降低的變化趨勢(shì),8月份草地生物量達(dá)到最大,但月際變化特征表現(xiàn)為7月高寒草原生物量波動(dòng)大于高寒草甸,8月高寒草原生物量波動(dòng)小于高寒草甸,6月和9月兩種草地類型生物量波動(dòng)不明顯,說(shuō)明高寒草甸和高寒草原生物量對(duì)外界環(huán)境變化的響應(yīng)主要在7月和8月,即牧草生長(zhǎng)最為旺盛時(shí)期。

        本研究采用地面氣象臺(tái)站設(shè)置的樣方資料,由于地面氣象臺(tái)站一般位于城區(qū)附近比較平坦區(qū)域,布點(diǎn)不是很均勻,因此應(yīng)通過(guò)增加臺(tái)站以外樣方監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)和引入反映地形因素的參數(shù),以期提高模型精度。

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