荒漠化草原地上生物量遙感估算模型

文│鄭玉峰 劉雨金 郭艷梅（內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市氣象局）

草畜平衡是指為保持草原生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)，在一定區(qū)域和時(shí)間內(nèi)，使草原和其他途徑提供的飼草總量與飼養(yǎng)牲畜所需的飼草總量保持動(dòng)態(tài)平衡。在草原保護(hù)和管理中，建立和推行草畜平衡管理制度是一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，對(duì)合理利用草原，保護(hù)草原生態(tài)環(huán)境，維護(hù)生態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)草地資源可持續(xù)利用以及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的作用。

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微米的36個(gè)波段，地面分辨率為250、500和l000米，能夠反映陸地、云特征、生物地理、地表溫度等特征信息，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。

已有研究表明，MODIS植被指數(shù)能夠更好地反映植被的時(shí)空變化特征。除多等利用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。楊英蓮等利用青海省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)量數(shù)據(jù)，構(gòu)建了基于增強(qiáng)植被指數(shù)（EVI）的草地類(lèi)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MODlS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，一般典型草原、荒漠化草原等植被蓋度較低的草地適合衛(wèi)星遙感植被歸一化指數(shù)（NDVI）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，高寒草甸、山地草甸、沼澤等植被蓋度較高的草地適合用EVI進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本文以內(nèi)蒙古鄂爾多斯市荒漠化草原為研究對(duì)象，基于2005—2010年NDVI遙感數(shù)據(jù)，采用3S技術(shù)和草地植被動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的方法，對(duì)草地地上生物量進(jìn)行估算，為當(dāng)?shù)卣謴?fù)退化草地、合理規(guī)劃草地資源的利用提供科學(xué)依據(jù)。

一、研究地區(qū)概況

鄂爾多斯市位于內(nèi)蒙古西南部，該地區(qū)屬溫帶內(nèi)陸干旱半干旱大陸性氣候區(qū)。冬季寒冷漫長(zhǎng)，春季干旱多大風(fēng)，夏季溫?zé)幔晁?，秋季短促，氣溫下降快，霜凍?lái)臨早，日照充足，氣溫日變化大。年平均氣溫為6.2～7.7℃，年降水量少且分布不均，東南部地區(qū)年平均降水量為297.5～386.7毫米，西北部地區(qū)年平均降水量為179.3～276.3毫米，由東南向西北遞減。蒸發(fā)量的分布與降水量相反，東南部地區(qū)年平均蒸發(fā)量為1979.0～2425.8毫米，西北部地區(qū)年平均蒸發(fā)量2130.5～3240.8毫米。研究區(qū)牧草以狹葉錦雞兒、針茅、賴草、白草、堿草為主。

二、研究方法

1.數(shù)據(jù)來(lái)源。構(gòu)建模型所用的地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自鄂爾多斯市烏審旗、烏審召、杭錦旗、鄂托克旗、鄂托克前旗等5個(gè)荒漠化草原生態(tài)觀測(cè)站的牧草干重?cái)?shù)據(jù)，單位為千克/公頃，時(shí)間序列為2004—2010年6～8月，剔除異常值后共計(jì)95個(gè)樣本點(diǎn)。牧草產(chǎn)量的測(cè)定方法遵循《氣候生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》，測(cè)定時(shí)間為月末。用來(lái)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄?shù)據(jù)來(lái)自鄂爾多斯市草原監(jiān)理所2011～2013年全市牧草總產(chǎn)量數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)來(lái)自風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)MODIS/Terra的HDF格式數(shù)據(jù)，空間分辨率為250米。為了和地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間對(duì)應(yīng)且消除云的干擾，遙感資料也取月末3天晴朗少云的影像進(jìn)行最大合成去云處理。遙感數(shù)據(jù)選擇的時(shí)段為2004—2013年6～8月，共計(jì)90景影像數(shù)據(jù)，其中用來(lái)構(gòu)建模型的63景，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷?7景。模型構(gòu)建流程見(jiàn)圖1。

2.數(shù)據(jù)處理方法。首先利用ENVI軟件主菜單Map下拉菜單Georeference MODIS對(duì)下載的HDF格式數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正、去蝴蝶結(jié)等預(yù)處理，通過(guò)Transform菜單下NDVI功能生成歸一化植被指數(shù)圖，并輸出img格式數(shù)據(jù)。用Erdas軟件的Data Rreparation→Subset Image功能裁剪出研究區(qū)。用Arcgis軟件打開(kāi)生態(tài)觀測(cè)站所在的點(diǎn)圖層shp數(shù)據(jù)和歸一化植被指數(shù)圖，在Arctoolbox中打開(kāi)Spatial Analyst Tools→Extraction→Extract Values to Points，加載shp格式數(shù)據(jù)和遙感影像圖，生成采樣點(diǎn)插值數(shù)據(jù)圖，在新生成的圖上右鍵并點(diǎn)擊Open Attribute Table即可生成5個(gè)生態(tài)觀測(cè)站所所對(duì)應(yīng)經(jīng)緯度NDVI值。將提取出來(lái)的NDVI值并與地面牧草干重實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建荒漠化草原地上生物量遙感估算模型。歸一化植被指數(shù)NDVI的定義為：

其中，CH1、CH2分別為AVHRR第1通道和第2通道的反射率。

三、結(jié)果與分析

◎圖1 地上生物量遙感估算模型構(gòu)建流程圖

1.草地牧草單產(chǎn)遙感估算模型。以地面牧草干重實(shí)測(cè)值為因變量，相應(yīng)的植被指數(shù)NDVI為自變量，通過(guò)SPSS統(tǒng)計(jì)軟件，采用線性、指數(shù)、乘冪和二次多項(xiàng)式4種回歸模型，分別模擬鄂爾多斯市荒漠化草原NDVI值與地面牧草干重實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系，4種模型的相關(guān)性系數(shù)表明，二次多項(xiàng)式回歸相關(guān)系數(shù)最高，最優(yōu)模型為y＝8089.237 x2－2988.875 x＋319.568，R2＝0.683，其中x為NDVI值，且在0.05水平上通過(guò)F檢驗(yàn)。

2.草地牧草總產(chǎn)量計(jì)算。利用ENVI軟件的Band math功能將NDVI歸一化植被指數(shù)圖通過(guò)模型Y=-2325.321+6959.246x運(yùn)算，輸出img格式的地上生物量分布圖，并用Erdas軟件打開(kāi)，通過(guò)Raster attribute→Edit→Export功能輸出dat格式的數(shù)據(jù)文件，將數(shù)據(jù)復(fù)制到excell進(jìn)行計(jì)算，其中列A為單產(chǎn)值，列B為不同單產(chǎn)對(duì)應(yīng)的象元值，首先求得列B象元值的總和，然后用列B的每一單元格除以列B的總和并乘以8.7×106（鄂爾多斯市總面積為8.7萬(wàn)平方千米，即8.7×106公頃），計(jì)算結(jié)果置于列C對(duì)應(yīng)的單元格，即為不同單產(chǎn)所對(duì)應(yīng)的實(shí)際面積，最后計(jì)算列A與列C的乘積并求其總和即為該區(qū)域牧草總產(chǎn)量。模型如下：

表1 2011年、2012年、2013年牧草產(chǎn)量實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比表

式中 W為草地牧草的總產(chǎn)量（kg）；i代表單產(chǎn)等級(jí)；yi代表第i級(jí)牧草的單產(chǎn)千克/公頃；si代表第i級(jí)牧草單產(chǎn)的面積公頃。

圖2 2012年鄂爾多斯市牧草產(chǎn)量預(yù)測(cè)分布圖

3.草地牧草產(chǎn)量遙感估算模型的檢驗(yàn)。利用建立的草地牧草產(chǎn)量遙感估算模型，對(duì)2011年、2012年、2013年鄂爾多斯市牧草產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與鄂爾多斯市農(nóng)牧業(yè)局草原監(jiān)理所牧草實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，具體見(jiàn)表1和圖2。從表1可知，近3年預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值十分相近，其中2011年的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率高達(dá)98%。

四、結(jié)論與討論

一是本研究通過(guò)地面牧草監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感資料建立鄂爾多斯市草地地上生物量遙感估測(cè)模型，模型為Y＝－2325.321＋6959.246x，模型的相關(guān)系數(shù)達(dá)到極顯著水平，可以利用MODIS氣象衛(wèi)星植被指數(shù)（NDVI）對(duì)牧草產(chǎn)量進(jìn)行模擬。

二是多項(xiàng)研究表明，NDVI在植被生長(zhǎng)旺盛期容易達(dá)到飽和，但鄂爾多斯市屬于荒漠化草原，植被郁閉度不高，NDVI值不會(huì)達(dá)到飽和，因此，利用NDVI值能夠較好的反演該地區(qū)地上生物量。

三是目前該地區(qū)關(guān)于牧草地上生物量監(jiān)測(cè)的站點(diǎn)比較少，該模型的建立可以利用衛(wèi)星遙感技術(shù)客觀的反演出全市牧草產(chǎn)量，從而計(jì)算出合理的冷季載畜量，為當(dāng)?shù)卣靶袠I(yè)部門(mén)合理安排畜牧業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。