利用NDVI植被指數(shù)的新疆天然草原植被長(zhǎng)勢(shì)分級(jí)應(yīng)用

李剛勇+董建芳+閆凱+張洪江+張?jiān)屏?馬麗+李雪鋒

摘 要：探討在大尺度范圍內(nèi)運(yùn)用遙感技術(shù)對(duì)天然草原植被長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)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(duì)2011-2014年的193、177、161d的30景MOD13Q1數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，并根據(jù)閾值設(shè)定進(jìn)行分級(jí)出圖。利用歸一化植被指數(shù)的天然草原植被長(zhǎng)勢(shì)對(duì)比分級(jí)方法能夠能較好反映了新疆整體植被長(zhǎng)勢(shì)的空間分布格局。

關(guān)鍵詞：遙感；監(jiān)測(cè)；歸一化植被指數(shù)；植被長(zhǎng)勢(shì)；分級(jí)

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

天然草原植被長(zhǎng)勢(shì)是草原動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的重要方面，在一定程度上揭示了草原的生長(zhǎng)狀況及其動(dòng)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(zhǎng)勢(shì)反映的是草原植被的總體生長(zhǎng)狀況與趨勢(shì)，通常與以往的草原植被進(jìn)行對(duì)比來(lái)說(shuō)明草原植被的生長(zhǎng)情況。以往的植被狀況可以是某時(shí)間段的平均狀況[1]，通常需要長(zhǎng)期、全方位、定時(shí)、定點(diǎn)地進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測(cè)，需要投入大量的人力、物力及時(shí)間。而利用遙感技術(shù)可以監(jiān)測(cè)草原植被長(zhǎng)勢(shì)，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(cè)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(cè)數(shù)據(jù)，從而為草原植被長(zhǎng)勢(shì)的監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù)。草原植被長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)與產(chǎn)量估算是草原監(jiān)測(cè)的2個(gè)重要領(lǐng)域，而國(guó)內(nèi)長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)草原遙感的研究主要是草原估產(chǎn)模型，對(duì)草原長(zhǎng)勢(shì)的研究相對(duì)較少。Taylor利用NOAA數(shù)據(jù)對(duì)新西蘭草原季節(jié)間和年際間植被長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行分析[2]。Cayrol對(duì)墨西哥草原建立的植被長(zhǎng)勢(shì)模型[3]。Scotford利用光譜反射率和超聲波傳感監(jiān)測(cè)冬小麥長(zhǎng)勢(shì)[4]。Doraiswamy對(duì)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(shí)國(guó)內(nèi)學(xué)者也開(kāi)展了草原植被長(zhǎng)勢(shì)遙感監(jiān)測(cè)的相關(guān)研究[6]。

國(guó)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(yáng)光的截取、植物光合作用及地表凈初級(jí)生產(chǎn)量有一定的相關(guān)性[8-10]?；诓莸剡b感對(duì)草原植被狀況進(jìn)行估測(cè)，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(diǎn)問(wèn)題[11-12]。植被長(zhǎng)勢(shì)分級(jí)是天然草地遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域中，反映地表草地植被覆蓋度和植被長(zhǎng)勢(shì)的重要方法，并且是反映植被生長(zhǎng)狀況的直接有效的度量參數(shù)[13]。通過(guò)植被長(zhǎng)勢(shì)對(duì)比分級(jí)方法的研究，可以及時(shí)了解草原植被的生長(zhǎng)趨勢(shì)狀況，為草地生態(tài)系統(tǒng)研究和管理提供有價(jià)值的信息，掌握不同時(shí)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(cè)，根據(jù)2011-2014年的193、177、161d的30景MOD13Q1數(shù)據(jù)，評(píng)估年間、年度間天然草原植被覆蓋度變化，通過(guò)閾值設(shè)定進(jìn)行植被指數(shù)分級(jí)出圖，旨在大尺度范圍內(nèi)運(yùn)用遙感技術(shù)對(duì)天然草原植被長(zhǎng)勢(shì)對(duì)比分級(jí)方法，探討新疆草原植被長(zhǎng)勢(shì)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(wàn)hm2，居全國(guó)第3位，約占全國(guó)草地總面積的1/6，占新疆國(guó)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(guó)18個(gè)草地大類中，新疆具有11個(gè)草地大類、25個(gè)草地亞類、131個(gè)草地組和687個(gè)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(gè)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(píng)價(jià)看，新疆草原分布特點(diǎn)堪稱全國(guó)之最。本研究的區(qū)域范圍見(jiàn)圖1。

2 遙感數(shù)據(jù)研究方法

目前長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)主要利用遙感的方法，即通過(guò)歸一化植被指數(shù)（NDVI）來(lái)反映植被生長(zhǎng)狀況的指標(biāo)，主要采用有差值、距平對(duì)比法，連續(xù)的植被生長(zhǎng)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(jí)，在1B級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品之后，劃分3級(jí)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(jí)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(shí)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(lái)源相關(guān)前提，可預(yù)先將NDVI值作為植被覆蓋綠度值，同時(shí)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行掩模和數(shù)據(jù)計(jì)算，最終進(jìn)行差分及分級(jí)。采用軟件ENVI 4.8和ERDAS 2011進(jìn)行運(yùn)算處理。在大尺度范圍以內(nèi)，一定的幾何校正也會(huì)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(duì)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(zhǎng)勢(shì)對(duì)比，年度間植被長(zhǎng)勢(shì)對(duì)比，通過(guò)對(duì)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(jí)效果較不明顯（圖2：a，b），此類植被長(zhǎng)勢(shì)分級(jí)可在一定程度上符合NDVI的差值法計(jì)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(guò)加入閾值的判斷，盡可能的與實(shí)際長(zhǎng)勢(shì)匹配，年度間的長(zhǎng)勢(shì)分級(jí)較為明顯，對(duì)比效果較好（圖3：c，d）。而重分類可用于數(shù)據(jù)分級(jí)處理后的數(shù)值統(tǒng)計(jì)，在一定程度上方便對(duì)分級(jí)效果進(jìn)行比較和反映。

圖2 年間、年度間不同時(shí)相植被長(zhǎng)勢(shì)對(duì)比分級(jí) 圖3 年間、年度間不同時(shí)相植被長(zhǎng)勢(shì)重分類對(duì)比分級(jí)

進(jìn)一步對(duì)植被長(zhǎng)勢(shì)圖進(jìn)行重分類，按照不同的分級(jí)要求進(jìn)行閾值的確定，通過(guò)參考植被長(zhǎng)勢(shì)和變化趨勢(shì)，可以將重分類分為7級(jí)，分別是-0.5，-0.3，-0.1，0，0.2，0.3，0.5。這樣可以將不同時(shí)相數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果通過(guò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得以反應(yīng)，將差值的歸一化處理結(jié)果分級(jí)顯示（見(jiàn)表1）。 （下轉(zhuǎn)53頁(yè)）

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(jí)對(duì)比，以及進(jìn)行重分類的統(tǒng)計(jì)方法，能較好的反映植被長(zhǎng)勢(shì)空間分布情況。同期、連續(xù)性對(duì)比方法應(yīng)用前景較廣，實(shí)用性強(qiáng)。年度間植被長(zhǎng)勢(shì)的連續(xù)性以及穩(wěn)定生長(zhǎng)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(gè)生長(zhǎng)及衰落季的發(fā)展規(guī)律。對(duì)于小范圍區(qū)域內(nèi)的草地植被長(zhǎng)勢(shì)對(duì)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(duì)未來(lái)的草地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中還需篩選適宜的監(jiān)測(cè)方法，分區(qū)域、分類型的分析植被生長(zhǎng)趨勢(shì)及覆蓋度，建立適合本區(qū)域范圍的植物生長(zhǎng)曲線，輔以降水、氣溫等信息來(lái)源建立相對(duì)穩(wěn)定的生長(zhǎng)模型，將長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)與天然草地生產(chǎn)力有機(jī)結(jié)合起來(lái)，更好的應(yīng)用于實(shí)踐。開(kāi)展新疆區(qū)域范圍內(nèi)植被長(zhǎng)勢(shì)變化對(duì)比方法研究，以期逐步提升NDVI值在植被長(zhǎng)勢(shì)對(duì)比中的應(yīng)用前景，為開(kāi)展其他類影像數(shù)據(jù)、不同植被指數(shù)、不同時(shí)相數(shù)據(jù)參考對(duì)比提供一定的參考借鑒。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)編：張宏民）

圖2 年間、年度間不同時(shí)相植被長(zhǎng)勢(shì)對(duì)比分級(jí) 圖3 年間、年度間不同時(shí)相植被長(zhǎng)勢(shì)重分類對(duì)比分級(jí)

進(jìn)一步對(duì)植被長(zhǎng)勢(shì)圖進(jìn)行重分類，按照不同的分級(jí)要求進(jìn)行閾值的確定，通過(guò)參考植被長(zhǎng)勢(shì)和變化趨勢(shì)，可以將重分類分為7級(jí)，分別是-0.5，-0.3，-0.1，0，0.2，0.3，0.5。這樣可以將不同時(shí)相數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果通過(guò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得以反應(yīng)，將差值的歸一化處理結(jié)果分級(jí)顯示（見(jiàn)表1）。 （下轉(zhuǎn)53頁(yè)）

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(jí)對(duì)比，以及進(jìn)行重分類的統(tǒng)計(jì)方法，能較好的反映植被長(zhǎng)勢(shì)空間分布情況。同期、連續(xù)性對(duì)比方法應(yīng)用前景較廣，實(shí)用性強(qiáng)。年度間植被長(zhǎng)勢(shì)的連續(xù)性以及穩(wěn)定生長(zhǎng)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(gè)生長(zhǎng)及衰落季的發(fā)展規(guī)律。對(duì)于小范圍區(qū)域內(nèi)的草地植被長(zhǎng)勢(shì)對(duì)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(duì)未來(lái)的草地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中還需篩選適宜的監(jiān)測(cè)方法，分區(qū)域、分類型的分析植被生長(zhǎng)趨勢(shì)及覆蓋度，建立適合本區(qū)域范圍的植物生長(zhǎng)曲線，輔以降水、氣溫等信息來(lái)源建立相對(duì)穩(wěn)定的生長(zhǎng)模型，將長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)與天然草地生產(chǎn)力有機(jī)結(jié)合起來(lái)，更好的應(yīng)用于實(shí)踐。開(kāi)展新疆區(qū)域范圍內(nèi)植被長(zhǎng)勢(shì)變化對(duì)比方法研究，以期逐步提升NDVI值在植被長(zhǎng)勢(shì)對(duì)比中的應(yīng)用前景，為開(kāi)展其他類影像數(shù)據(jù)、不同植被指數(shù)、不同時(shí)相數(shù)據(jù)參考對(duì)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(shí)相植被長(zhǎng)勢(shì)對(duì)比分級(jí) 圖3 年間、年度間不同時(shí)相植被長(zhǎng)勢(shì)重分類對(duì)比分級(jí)

進(jìn)一步對(duì)植被長(zhǎng)勢(shì)圖進(jìn)行重分類，按照不同的分級(jí)要求進(jìn)行閾值的確定，通過(guò)參考植被長(zhǎng)勢(shì)和變化趨勢(shì)，可以將重分類分為7級(jí)，分別是-0.5，-0.3，-0.1，0，0.2，0.3，0.5。這樣可以將不同時(shí)相數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果通過(guò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得以反應(yīng)，將差值的歸一化處理結(jié)果分級(jí)顯示（見(jiàn)表1）。 （下轉(zhuǎn)53頁(yè)）

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(jí)對(duì)比，以及進(jìn)行重分類的統(tǒng)計(jì)方法，能較好的反映植被長(zhǎng)勢(shì)空間分布情況。同期、連續(xù)性對(duì)比方法應(yīng)用前景較廣，實(shí)用性強(qiáng)。年度間植被長(zhǎng)勢(shì)的連續(xù)性以及穩(wěn)定生長(zhǎng)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(gè)生長(zhǎng)及衰落季的發(fā)展規(guī)律。對(duì)于小范圍區(qū)域內(nèi)的草地植被長(zhǎng)勢(shì)對(duì)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(duì)未來(lái)的草地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中還需篩選適宜的監(jiān)測(cè)方法，分區(qū)域、分類型的分析植被生長(zhǎng)趨勢(shì)及覆蓋度，建立適合本區(qū)域范圍的植物生長(zhǎng)曲線，輔以降水、氣溫等信息來(lái)源建立相對(duì)穩(wěn)定的生長(zhǎng)模型，將長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)與天然草地生產(chǎn)力有機(jī)結(jié)合起來(lái)，更好的應(yīng)用于實(shí)踐。開(kāi)展新疆區(qū)域范圍內(nèi)植被長(zhǎng)勢(shì)變化對(duì)比方法研究，以期逐步提升NDVI值在植被長(zhǎng)勢(shì)對(duì)比中的應(yīng)用前景，為開(kāi)展其他類影像數(shù)據(jù)、不同植被指數(shù)、不同時(shí)相數(shù)據(jù)參考對(duì)比提供一定的參考借鑒。

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（責(zé)編：張宏民）