方格法與數(shù)字圖像法測定鹽堿化草地植被蓋度的比較

關(guān)法春，梁正偉，王忠紅，關(guān)志華

（1.西藏農(nóng)牧學(xué)院植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，西藏 林芝 860000；2.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長春 130012）

植被依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)中肥、水、熱、氣等狀況，調(diào)控其內(nèi)部與外部的物質(zhì)、能量交換[1]，植被蓋度的變化是地球內(nèi)部因素（成土母質(zhì)、土壤類型、水文狀況等）與外部因素（氣溫、降水、濕度等）的綜合作用結(jié)果[2]，可為生態(tài)、植物、水土保持、土壤等領(lǐng)域的定量研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境變化的重要指示。在草地監(jiān)測和評價(jià)中，蓋度常常被作為反映植被群落結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要數(shù)量指標(biāo)來使用[3]，植被蓋度的測算是否精準(zhǔn)很大程度上影響著與之相關(guān)的研究結(jié)論是否科學(xué)合理。

在草地植物群落野外調(diào)查中，蓋度的測定方法有樣方圖解法、樣點(diǎn)截取法、目測法和方格法等[4-7]。其中常用的是目測法和方格法，目測法簡單、快捷，但是受人為主觀因素影響較大；與之相比，方格法在測量蓋度指標(biāo)時(shí)相對更常用一些，準(zhǔn)確度稍高，也較為簡便，但估測的結(jié)果準(zhǔn)確度也不高?？梢?，當(dāng)前草地植被蓋度測量中急需一種既準(zhǔn)確度高又簡單方便的測量技術(shù)。

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)字圖像法已廣泛應(yīng)用于多種環(huán)境下的植被蓋度測量工作中[8-11]，但在鹽堿化草地植被蓋度的測量方面應(yīng)用較少。本文以傳統(tǒng)的方格法和現(xiàn)代數(shù)字圖像法進(jìn)行精度評價(jià)和應(yīng)用評價(jià)的對比，分析小樣方尺度（1 m×1 m）下鹽堿化草地植被覆蓋度不同測算方法的特點(diǎn)、優(yōu)勢和不足，以期建立精準(zhǔn)、快速的鹽堿化草地植被覆蓋度測算方法。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2007年8月下旬，在中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)所堿地生態(tài)試驗(yàn)站內(nèi)進(jìn)行，該站位于松嫩平原西部吉林省大安市紅崗子鄉(xiāng)境內(nèi)（45°35′58″N～45°36′28″N，123°50′27″E～123°51′31″E），占地面積約100 hm2。該地區(qū)屬典型大陸性季風(fēng)氣候，冬夏季風(fēng)更替明顯，溫差較大。年均氣溫4.3℃，7月份平均氣溫23.5℃，年均降水量413.7 mm，且7～9月份降水量占年降水量的73%，年均蒸發(fā)量1 749.0 mm，為降水量的4～5倍，年均日照時(shí)數(shù)2 972.1 h，年均太陽有效輻射量2 568.7 MJ·m-2，≥10℃年積溫2 921.3℃，年無霜期137 d[12]。該地區(qū)地勢較平坦，草地由于人為過度放牧已發(fā)生嚴(yán)重的鹽堿化，其植被組成較簡單均一，主要建群種有虎尾草（Chlorisvirgata），角堿蓬（Suaeda glauca）、星星草（Puccinellia tenuiflora）等。

2 研究方法

2.1 蓋度測定方法

在站區(qū)選擇不同蓋度的樣地，在樣地上隨即選取1 m×1 m的樣方，分別采用傳統(tǒng)方格法和現(xiàn)代數(shù)字圖像處理法對同一樣方內(nèi)的植被蓋度進(jìn)行測量，重復(fù)測定3次。數(shù)據(jù)采用DPS軟件進(jìn)行差異顯著性分析。

2.1.1 方格法

自制長、寬、高分別為0.5 m、0.5 m、0.1 m，內(nèi)含250個(gè)小方格的方格框。將待測1 m×1 m的樣方均勻劃分成4份，然后將方格框扣在1/4樣方上方（根據(jù)植被高度調(diào)節(jié)方格框高度），植株出現(xiàn)在方格框內(nèi)小方格的面積超過1/2時(shí)記為1，少于1/2時(shí)記為0，分別連續(xù)4次測定，最后統(tǒng)計(jì)小方格內(nèi)的數(shù)值占方格框內(nèi)方格的總數(shù)即為實(shí)際蓋度值。

2.1.2 數(shù)字圖像法

本方法的數(shù)據(jù)獲取包括圖像獲取（即樣地彩色影像的拍攝）和數(shù)值獲取兩部分。圖像獲取采用CanonIXUS60型400萬像素?cái)?shù)碼相機(jī)，于中午12∶00在垂直于地面對選定測定樣方區(qū)域進(jìn)行拍攝，獲得拍攝樣方草地彩色圖像。草地樣方數(shù)字圖像法處理前和處理后的圖像見圖1。

圖1 草地樣方處理前圖像（a）和處理后的圖像（b）Fig.1 Image of grassland square and the image derived from image processing

圖像數(shù)據(jù)獲取利用Photoshop軟件進(jìn)行，主要操作步驟如下：首次打開目標(biāo)圖片，選擇工具欄中的“縮放工具”至視野范圍內(nèi)；點(diǎn)按快捷鍵“Ctrl+A”，獲得整個(gè)圖層的選區(qū)，查看“窗口——直方圖”中的像素值并記為B1，即得到了整個(gè)圖片的像素?cái)?shù)；取消全部選擇，在工具欄中選擇“魔術(shù)棒”，在選項(xiàng)欄中勾選“加選”和“連續(xù)”，然后多次選擇與土地顏色相近的區(qū)域，使圖像內(nèi)未被植被覆蓋的區(qū)域全部被選中，之后記錄“直方圖”中的像素值，并記為B2，即未被覆蓋的地面的像素?cái)?shù)；計(jì)算照片視野內(nèi)的植被蓋度 S（%）=（1-B2/B1）×100%。

2.2 測定技術(shù)的精度衡量

①拼接一個(gè)長、寬均為0.5 m的矩形白紙（相當(dāng)于樣方框），在矩形白紙中畫出若干矩形、三角形、平行四邊形及圓形等基本幾何圖形（見圖2），用綠色填充這些圖形（代表綠色植被）；②用直尺測量并計(jì)算所畫各種幾何圖形面積；③分別采用上述的方格法和數(shù)字圖像法測定矩形白紙中各種幾何圖形的總面積在整個(gè)矩形中所占的百分率；與通過直尺測量和計(jì)算的實(shí)際面積相對比。

圖2 用于精度評價(jià)的矩形（相當(dāng)于樣方框）和其中的各種幾何圖形（相當(dāng)于綠色植被）Fig.2 Rectangle used in precision assessment(which is similar to quadrat frame)and a variety of geometric forms in the rectangle(which is similar to green vegetation)

3 結(jié)果與分析

3.1 不同方法測定實(shí)地蓋度結(jié)果的比較

分別采用方格法和數(shù)字圖像法對6塊植被均勻但蓋度不同的樣地進(jìn)行了實(shí)地植被蓋度測定（見表1）。結(jié)果表明，采用這兩種方法測定的樣地蓋度大小的排序一致，但測定數(shù)值差異較大，其中，植被蓋度較小的1、2號樣地采用方格法測定的數(shù)值明顯小于數(shù)字圖像法測定的數(shù)值，其中2號樣地?cái)?shù)字圖像法的測定結(jié)果顯著高于方格法的測定結(jié)果；植被蓋度較大的5、6號樣地采用方格法測定的數(shù)值明顯大于數(shù)字圖像法測定的數(shù)值，其中5號樣地方格法的測定結(jié)果顯著高于數(shù)字圖像法的測定結(jié)果；植被蓋度中等的3、4號樣地采用兩種測定方法得出的結(jié)果比較一致。

數(shù)字圖像法比較客觀，只要按照相同的方法和步驟，一般都會(huì)得到比較精確的結(jié)果，之所以產(chǎn)生差異，可能與方格法固有的測定缺陷和測定過程中人的視覺影響有關(guān)。當(dāng)植被蓋度較小時(shí)，按照方格法的統(tǒng)計(jì)規(guī)則，沒有超過方格框內(nèi)小方格面積1/2的植株面積記為0，相當(dāng)一部分的細(xì)小及狹窄的葉片沒有列入計(jì)數(shù)，致使測定數(shù)值偏低；當(dāng)植被蓋度大于某個(gè)數(shù)值后，植被間的空隙也被計(jì)入，也致使方格法統(tǒng)計(jì)的數(shù)值偏大。此外，人的視覺受到光線明暗、陰影、葉片形狀和分布格局等的影響，也會(huì)產(chǎn)生一些錯(cuò)覺，造成植被蓋度目視估測的誤差。

3.2 不同測定方法精度評價(jià)的比較

結(jié)果見表2。

表1 方格法與數(shù)字圖像法測定樣地蓋度結(jié)果比較Table 1 Comparison of coverage between the graticulation method and the digital image method (%)

表2 方格法與數(shù)字圖像法精度評價(jià)的比較Table 2 Results of precision assessment (%)

使用直尺對不同形狀圖案的測量和計(jì)算得到的各幾何圖形總面積在矩形白紙中所占的實(shí)際百分率為42.8%；方格法和數(shù)字圖像法的精確度評價(jià)分析結(jié)果表明，數(shù)字圖像法測定精度遠(yuǎn)高于方格法（見表2），方格法的最大相對誤差達(dá)到15.9%，相對誤差范圍為10.3%～15.9%；數(shù)字圖像法3次測定的最大相對誤差（絕對值）為1.2%，相對誤差范圍為0.7%～1.2%。數(shù)字圖像法1%左右的誤差精度較高，完全能滿足植被蓋度測定的需求，而方格法的誤差較大，而且受不同人員主觀估測的結(jié)果差異也較大。

4 討論與結(jié)論

通過采用傳統(tǒng)的方格法和現(xiàn)代的數(shù)字圖像法對草地蓋度測定的比較及其精度評價(jià)分析表明，兩種方法對不同樣地測定結(jié)果的排序一致，但與方格法相比，數(shù)字圖像法測定的植被蓋度測定誤差在僅1%左右，使用普通的數(shù)碼相機(jī)和Photoshop軟件就能進(jìn)行測定，具有測量結(jié)果精度較高和使用更為方便的優(yōu)點(diǎn)，非常適合野外植被蓋度的精確、快速測定。

數(shù)字圖像法和方格法也各有優(yōu)劣。方格法誤差較大，準(zhǔn)確性不高，雖然測定手段比較可靠，能基本滿足野外低精度植被蓋度測定的需要，但測定方法繁瑣，無法適應(yīng)大量取樣并快速測定試驗(yàn)要求；數(shù)字圖像法完全依賴設(shè)備，如果植被與背景土壤的顏色對比差異較小，則會(huì)降低Photoshop軟件識別圖像的能力，所以數(shù)字圖像法的準(zhǔn)確程度主要依賴植被與背景土壤的顏色差異對比，差異越大測定效果越好，為此需要根據(jù)樣地情況選擇特定時(shí)期、特定方法進(jìn)行測定。一般夏季測定地表綠色植被和灰白地表顏色差異較大，效果較好，同時(shí)，為有效避免拍攝過程中植株枝葉產(chǎn)生陰影對圖像處理結(jié)果產(chǎn)生不良影響，除了注意選擇拍攝角度減少陰影外，建議盡量選擇陰天或云遮日的時(shí)間段，在垂直樣方的正上方進(jìn)行拍照。

對于大面積的植被蓋度測定，利用遙感影像或進(jìn)行高空數(shù)碼航拍等方法[2,4,10]，對準(zhǔn)確估算草地植被蓋度可能更加準(zhǔn)確和省力。因此，隨著當(dāng)今時(shí)代數(shù)碼技術(shù)快速發(fā)展和數(shù)碼設(shè)備的普及，數(shù)字圖像法有望成為今后草地植被蓋度測量的主要方法。

[1]Schimcl D S.Terrestrial biogeochemical cycles∶global estimates with remote sensing[J].Remote Sensing of Environment,1995,51(1)∶49-56.

[2]孫紅雨,王長耀,牛錚,等.中國地表植被覆蓋變化及其與氣候因子關(guān)系-基于NOAA時(shí)間序列數(shù)據(jù)分析[J].遙感學(xué)報(bào),1998,2(3)∶204-210.

[3]俞斌華,侯扶江,林慧龍.牧草種群生長對家畜踐踏的短期響應(yīng)[J].草業(yè)學(xué)報(bào),2005,14(4)∶119-124.

[4]Smith M O,Ustin S L,Adams J B.Vegetation in deserts∶I.A regional measure of abundance from multispectral image[J].Remote Sensing of Environment,1990,32∶1-26.

[5]Duncan J,Stow D,Franklin J.Assessing the relationship between spectral vegetation indices and shrub cover in the Jornada Basin[J].International Journal of Remote Sensing,1993,14∶3395-3416.

[6]馮冬霞,施生錦.葉面積測定方法的研究效果初報(bào)[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2005,21(6)∶150-153.

[7]Wimbush D J,Barrow M D,Costin A B.Color stereo-photography for the measurement of vegetation[J].Ecology,1967,48∶150-152.

[8]Zhou Q,Robson M.Automated rangeland vegetation cover and density estimation using ground digital images and a spectral contextual classifier[J].Remote Sensing,2001,22(17)∶3457-3470.

[9]Gitelson A A,Kaufman Y J,Stark R,et a1.Novel algorithms for remoteestimationofvegetationfraction[J].RemoteSensingofEnvironment,2002,80(1)∶76-87.

[10]張?jiān)葡?李曉兵,張?jiān)骑w.基于數(shù)字相機(jī)、ASTER和MODIS影像綜合測量植被蓋度[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2007,31(5)∶842-849.

[11]White M A,Asner G P,Nemani R R.Measuring fractional cover and leaf area index in arid ecosystem∶Digital camera,radiation transmittance and laser altimetry methods[J].Remote Sensing of Environment,2000,74∶45-57.

[12]鄧偉,裘善文,梁正偉.中國大安堿地生態(tài)試驗(yàn)站區(qū)域生態(tài)環(huán)境背景[M].北京∶科學(xué)出版社,2006.