基于UAV技術(shù)和MODIS遙感數(shù)據(jù)的高寒草地蓋度動態(tài)變化監(jiān)測研究
——以黃河源東部地區(qū)為例

葛靜,孟寶平,楊淑霞,高金龍,馮琦勝,梁天剛,黃曉東,高新華,李文龍,張仁平,王云龍

(草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730020)

基于UAV技術(shù)和MODIS遙感數(shù)據(jù)的高寒草地蓋度動態(tài)變化監(jiān)測研究
——以黃河源東部地區(qū)為例

葛靜,孟寶平,楊淑霞,高金龍,馮琦勝,梁天剛*,黃曉東,高新華,李文龍,張仁平,王云龍

(草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730020)

利用黃河源東部地區(qū)野外實(shí)測樣地數(shù)據(jù)和MODIS衛(wèi)星遙感資料，結(jié)合農(nóng)業(yè)多光譜相機(jī)(agricultural digital camera，ADC)、普通數(shù)碼相機(jī)(Canon)、無人機(jī)(unmanned aerial vehicle，UAV)等設(shè)備獲取的高寒草地蓋度數(shù)據(jù)，構(gòu)建了基于MODIS NDVI、EVI的草地蓋度反演模型，比較分析了不同草地蓋度監(jiān)測方法的精度，確立了黃河源區(qū)草地蓋度遙感監(jiān)測的最優(yōu)反演模型，并分析了研究區(qū)近16年草地植被蓋度的動態(tài)變化。結(jié)果表明，1) MODIS NDVI與基于UAV相片計算的草地蓋度間的相關(guān)性優(yōu)于MODIS EVI，而MODIS EVI與ADC和Canon照片計算的草地蓋度之間的相關(guān)性則優(yōu)于MODIS NDVI；2) 就Canon和ADC方法構(gòu)建的草地蓋度反演模型而言，前者精度遠(yuǎn)高于后者，普通數(shù)碼相機(jī)方法更適宜于高寒草地植被蓋度的估算；3) 對比分析兩種植被指數(shù)與Canon相機(jī)、ADC和大疆(DJI)無人機(jī)航拍(航高30和100 m兩種方法)相片計算的草地蓋度之間的關(guān)系表明，MODIS NDVI對航高30 m UAV航拍相片計算的蓋度數(shù)據(jù)的響應(yīng)最敏感，基于UAV航高30 m的相片和NDVI構(gòu)建的草地蓋度反演模型最優(yōu)；4) 黃河源東部地區(qū)2000-2015年間草地蓋度穩(wěn)定不變的區(qū)域達(dá)71.46%，多分布在東南部；呈增加趨勢的區(qū)域占研究區(qū)草地面積的22.01%，由西向東、由北向南增加幅度呈減少趨勢；蓋度減少區(qū)域零星分布在黃河源北部和南部的部分地區(qū)，僅占研究區(qū)草地面積的6.53%。

黃河源區(qū);草地蓋度;反演模型;MODIS;無人機(jī);動態(tài)變化

黃河源區(qū)是三江源自然保護(hù)區(qū)的重要組成部分，對我國北方地區(qū)的水安全、生態(tài)安全具有重要的保障作用[1]。其水文特征、植被特征及區(qū)域水土流失等生態(tài)要素不僅是研究青藏高原生態(tài)效應(yīng)最好的基地，也是研究全球氣候變化效應(yīng)最好的區(qū)域[2]。草地是黃河源地區(qū)最重要的土地覆被類型，約占源區(qū)面積的80%，是當(dāng)?shù)啬撩裆畹奈镔|(zhì)基礎(chǔ)[3]。自20世紀(jì)90年代開始，黃河源區(qū)的草地退化問題受到了廣泛的關(guān)注，在此區(qū)域開展了大量退化草地治理和研究工作[4-8]。然而，總體而言，黃河源區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后，草牧業(yè)受到自然和社會條件的嚴(yán)重限制[9]，相關(guān)研究和治理是否遏制了源區(qū)草場面積日益減少和草地退化的趨勢？這是社會各界廣泛關(guān)注的問題。因此，源區(qū)草地資源現(xiàn)狀及其變化趨勢仍是該區(qū)生態(tài)修復(fù)和可持續(xù)發(fā)展的重要研究內(nèi)容。

植被蓋度指觀測區(qū)域內(nèi)植被垂直投影面積占觀測區(qū)地表總面積的百分比，是指示生態(tài)系統(tǒng)變化的重要指標(biāo)[10]。大面積草地植被蓋度監(jiān)測，對評估草地資源狀況、草場退化和草地管理等方面的研究具有重要意義[11]。地表實(shí)測和遙感反演是獲取植被蓋度的兩種基本途徑。地表實(shí)測法通常以樣方尺度進(jìn)行測量，按原理可分為采樣法、儀器法和目視估測法3類[12]。儀器法中的數(shù)碼相機(jī)測定草地蓋度的方法是目前地面測量方法中精度最高的，既能提高工作效率又保證了準(zhǔn)確性[13]。另外，相較于數(shù)碼相機(jī)，多光譜相機(jī)的相片能夠提供更多的精細(xì)光譜信息，所以多光譜相機(jī)也逐漸成為觀測地表植被的強(qiáng)有力的工具[11-14]。但是，傳統(tǒng)的地表實(shí)測法費(fèi)時、費(fèi)力、缺少宏觀性、精度低，而且只能在很小的空間尺度范圍內(nèi)提供植被結(jié)構(gòu)和分布狀況的變化信息[12,15]。

近年來，無人機(jī)(unmanned aerial vehicle，UAV)技術(shù)作為地表測量和衛(wèi)星遙感的橋梁應(yīng)運(yùn)而生，以其體積小、質(zhì)量輕、運(yùn)行成本低、靈活性高、影像實(shí)時傳輸、可在特殊地區(qū)探測等特點(diǎn)[16-18]，在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、城市建設(shè)與規(guī)劃、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、自然災(zāi)害監(jiān)測期間數(shù)據(jù)的實(shí)時獲取等方面發(fā)揮了不可替代的作用[16,19-22]，是高分辨率遙感數(shù)據(jù)獲取的重要工具之一，也是地面觀測(如照相機(jī))和高空觀測(如遙感衛(wèi)星)的有益補(bǔ)充[23]。國內(nèi)外研究表明，基于UAV的遙感技術(shù)在草地資源、植被蓋度等監(jiān)測方面已經(jīng)開展了一些探索研究。李冰等[24]以冬小麥(Triticumaestivum)為研究對象，采用以低空無人直升機(jī)為平臺的多光譜載荷觀測系統(tǒng)，對冬小麥主要生育期進(jìn)行監(jiān)測，并提取冬小麥覆蓋度時序變化曲線。結(jié)果表明，低空無人機(jī)遙感監(jiān)測大面積農(nóng)作物覆蓋度的方法可行，分析結(jié)果可靠，有很好的應(yīng)用前景。劉峰等[25]以無人直升機(jī)為飛行平臺，搭載冠層測量相機(jī)構(gòu)建了無人機(jī)遙感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了板栗植被覆蓋度年際變化監(jiān)測，采用計算機(jī)模擬的方式對板栗植被覆蓋度進(jìn)行了統(tǒng)計分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了基于無人機(jī)遙感影像的植被覆蓋度計算結(jié)果的有效性。Rango等[18-19]研究指出,迷你無人機(jī)在草原監(jiān)測、草地資源管理及健康評價中潛能巨大，特別是其測量精度遠(yuǎn)優(yōu)于衛(wèi)星和載人飛機(jī)，可以很好地彌補(bǔ)衛(wèi)星和載人飛機(jī)對地表裸露土壤觀測的缺失，能夠清楚觀測裸露土壤及植被間空隙占地表觀測面積的百分比，可進(jìn)一步提升草地植被蓋度監(jiān)測的精準(zhǔn)程度。Johnson等[26]認(rèn)為基于農(nóng)業(yè)遙感系統(tǒng)的無人機(jī)在作物圖像采集方面提供了極大的靈活性，并成功地用無人機(jī)收集作物圖像和相關(guān)光譜信息，最終通過地面無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了作物與環(huán)境的監(jiān)測，他們認(rèn)為需要不斷細(xì)化和小型化無人機(jī)，以期能夠?yàn)橛脩籼峁┙?jīng)濟(jì)實(shí)惠和高光譜分辨率的圖像數(shù)據(jù)。Rokhmana[27]介紹了基于無人機(jī)遙感技術(shù)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)制圖方法，其中無人機(jī)遙感系統(tǒng)具有性價比高、操作容易、幾何精度達(dá)亞米級等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)植被及其健康狀況的定期監(jiān)測。然而，UAV技術(shù)在草地資源監(jiān)測當(dāng)中的應(yīng)用目前仍然處于探索階段，就針對草地蓋度這一指標(biāo)而言，具有廣闊的空間去細(xì)化和深入，基于UAV的草地蓋度監(jiān)測是否優(yōu)于目前廣泛運(yùn)用的其他蓋度監(jiān)測方法尚需要深入探索和研究。同時，UAV遙感技術(shù)(如空間分辨率等)與多源衛(wèi)星遙感資料的匹配及地面實(shí)測數(shù)據(jù)的結(jié)合也值得反復(fù)試驗(yàn)和探究。

基于以上因素考慮，本研究利用UAV、普通數(shù)碼相機(jī)(Canon)、農(nóng)業(yè)多光譜照相機(jī)(agricultural digital camera，ADC)等設(shè)備在黃河源東部地區(qū)獲取大量相片，結(jié)合相應(yīng)的MODIS NDVI和EVI數(shù)據(jù)，重點(diǎn)研究適合黃河源區(qū)的植被指數(shù)，構(gòu)建基于ADC、Canon及UAV相片的植被蓋度與MODIS植被指數(shù)之間的反演模型，綜合評價各種模型的精度，篩選出適宜黃河源區(qū)草地蓋度的最優(yōu)遙感反演模型，分析和評價源區(qū)植被蓋度近16年的動態(tài)變化特征。特別是結(jié)合UAV技術(shù)宏觀、快速、經(jīng)濟(jì)、動態(tài)、信息量大、分辨率高、對草地?zé)o破壞等特點(diǎn)，利用多尺度遙感數(shù)據(jù)，探索有效提高大范圍草地蓋度監(jiān)測精度的新途徑，為更加科學(xué)有效地監(jiān)測草地植被動態(tài)變化提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河源區(qū)是三江源自然保護(hù)區(qū)的重要組成部分，位于河源至唐乃亥水文站間，其經(jīng)緯度范圍介于95°50′45″-103°28′9″ E與32°12′11″-35°48′7″ N之間[28]，行政區(qū)劃上該區(qū)主體位于青海省果洛藏族自治州，包括曲麻萊、甘德、瑪沁、貴南、同德、澤庫、河南、班瑪8縣的全部和瑪多、稱多、達(dá)日、興海、久治縣的部分地區(qū)，總面積約12.2×104km2[2]。黃河源區(qū)屬于青藏高原亞寒帶半濕潤區(qū)，平均年降水量為484.2 mm，降水主要集中在6-9月，占全年降水的75%～90%以上，平均光照時數(shù)為2567.4 h[29]，海拔范圍為2700～5979 m，大部分地區(qū)海拔在4100～4500 m之間[30]。從我國植被分區(qū)看，黃河源區(qū)主要屬于青藏高原高寒植被區(qū)，主要植被類型有高寒灌叢、高寒草甸、高寒草原、沼澤及水生植被，在局部高海拔地帶分布有墊狀植被和流石灘稀疏植被[31]。

1.2 地面實(shí)測資料

地面實(shí)測數(shù)據(jù)的野外調(diào)查時間為2015年8月1-12日，主要針對盛草期的草地植被蓋度情況進(jìn)行了采樣。調(diào)查地域涉及黃河源區(qū)的久治、甘德、達(dá)日、瑪沁、貴南、興海、同德、澤庫、河南9個縣，總計調(diào)查41個樣地(圖1)。在研究區(qū)內(nèi)選擇地勢較為平坦、草地生長狀況均一、具有代表性的典型群落地段設(shè)置樣地，樣地面積大小設(shè)定為100 m×100 m 。每一樣地均采用5點(diǎn)法布設(shè)樣方[32]，以整個樣地中心點(diǎn)作為第一個樣方，再依次選取樣地的4個角點(diǎn)作為其余4個樣方，樣方大小為0.5 m×0.5 m。在每一樣方中心點(diǎn)記錄GPS定位的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)及高程信息。

利用ADC和Canon相機(jī)距離地表0.7 m對樣方拍照，并記錄照片編號，在Tetracam Pixel Wrench 2軟件中對照片進(jìn)行裁剪，裁剪后的ADC及Canon照片分別通過Tetracam Pixel Wrench 2和數(shù)碼相片處理系統(tǒng)(digital photos processing system，DPPS)軟件[14]進(jìn)行處理，獲得樣方的植被蓋度值，以5個樣方蓋度的平均值代表該樣地的草地植被蓋度。利用DJI Phantom 2四旋翼無人機(jī)(搭載GoPro Hero 3+相機(jī))按照兩種方式對各樣地拍攝圖像，第一種以整個樣地的對角線作為飛行路線，航高30 m、拍攝時間間隔為3 s、沿航向一次成像覆蓋的地表面積超過900 m2(30 m×30 m)的模式對地連續(xù)拍攝。第二種以整個樣地中心作為中點(diǎn)，航高100 m、一次成像覆蓋的地表面積超過10000 m2(100 m×100 m)的模式對地表進(jìn)行拍照。將這兩種成像模式分別記作DJI-30 m和DJI-100 m。所獲照片首先在DeFisher軟件中經(jīng)過魚眼矯正，消除照片畸形帶來的誤差，之后通過DPPS軟件獲取蓋度值，第一種模式以5張相片計算的蓋度平均值作為樣地的草地植被蓋度值，第二種模式以單張相片計算的蓋度值作為該樣地的草地蓋度值。

圖1 黃河源東部地區(qū)采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 The distribution of sampling sites in the eastern region of Yellow River

1.3 遙感數(shù)據(jù)及預(yù)處理

植被指數(shù)數(shù)據(jù)來自美國航空航天局對地觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)與信息系統(tǒng)(NASA’S earth observing system data and information system，EOSDIS)開發(fā)的植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13Q1，該產(chǎn)品包含MODIS合成期為16 d、空間分辨率為250 m的歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)和增強(qiáng)型植被指數(shù)(enhanced vegetation index，EVI)數(shù)據(jù)。覆蓋所有采樣點(diǎn)的16 d合成MOD13Q1數(shù)據(jù)有1景影像，軌道號為h26v05，下載產(chǎn)品的成像時間介于2015年7月30日-8月15日。在近16年草地蓋度動態(tài)變化研究中，覆蓋整個研究區(qū)的影像軌道號為h25v05和h26v05，時間序列為2000-2015年5-9月，每年共有月合成圖像20景，總計320景影像。本研究使用最大值合成法(maximum value composition，MVC)[32]分別合成了2000-2015年5-9月的月最大歸一化植被指數(shù)(maximum normalized difference vegetation index，MNDVI)和月最大增強(qiáng)型植被指數(shù)(maximum enhanced vegetation index，MEVI)數(shù)據(jù)，拼接軌道號不同的兩幅影像，并將影像按照研究區(qū)形狀裁剪出來。

與對照組比較，PD組及HD組sTWEAK顯著增加，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.001），PD組和HD組血清CRP、FIB、WBC水平均明顯升高，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），見表1。

1.4 反演模型的構(gòu)建與驗(yàn)證

統(tǒng)計2015年8月1-12日的野外實(shí)測樣點(diǎn)，剔除明顯異常的照片數(shù)據(jù)，在保證ADC、Canon和DJI數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)信息一致的情況下，最終得到有效樣本記錄34條。研究中草地蓋度模型的建立采用廣泛使用的回歸分析法，即以采樣點(diǎn)對應(yīng)的MODIS NDVI、EVI依次作為自變量，以基于ADC、Canon、DJI-30 m及DJI-100 m這4種不同草地蓋度監(jiān)測方法計算的草地蓋度值作為因變量，分別建立線性、對數(shù)、指數(shù)和乘冪4類回歸模型。采用留一法交叉驗(yàn)證方法(leave-one-out cross validation，LOOCV)對模型結(jié)果進(jìn)行評價，每個模型的預(yù)測能力由均方根誤差(root-mean-square error of prediction,RMSEP)以及觀測值與模型預(yù)測值之間的相關(guān)系數(shù)r來衡量，兩者常用來描述模型的不確定性，RMSEP用于量化模型精度，而r用來評估模型的準(zhǔn)確性[33-39]。RMSEP的計算公式如下:

(1)

式中：E(yi)表示第i個實(shí)際觀測值；yi為模型反演出的第i個預(yù)測值；n是觀測樣本總數(shù)，在本研究中n=34。RMSEP數(shù)值越低，表明回歸模型越精確；相關(guān)系數(shù)r越接近于1，表示模型精度越高[40]。

1.5 黃河源區(qū)近16年草地植被蓋度時間變化分析

利用精度驗(yàn)證后確定的草地植被蓋度最優(yōu)遙感模型和相應(yīng)年份5-9月MODIS月最大合成植被指數(shù)(如MNDVI或MEVI)可以模擬黃河源區(qū)2000-2015年生長季的草地植被蓋度動態(tài)變化。采用蓋度變化率(coverage rate of change，CRC)，分析研究區(qū)近16年的植被蓋度變化趨勢[41-43]，計算公式如下：

(2)

式中：n為時間序列長度；i為2000-2015年的年份序號1～16；Coveragei為第i年最大合成植被指數(shù)代入最優(yōu)模型中反演的蓋度值。當(dāng)Coverage不存在增加或減少的趨勢，說明研究區(qū)草地植被狀況處于穩(wěn)定狀態(tài)，定義為基本不變；當(dāng)Coverage減少時，根據(jù)減少的程度，分別定義為輕度減少和顯著減少；若Coverage在研究期內(nèi)呈增加趨勢，同樣根據(jù)變化程度定義為輕度增加和顯著增加。

2 結(jié)果與分析

2.1 草地植被蓋度遙感監(jiān)測模型及精度評價

基于留一法的模型檢驗(yàn)結(jié)果(表1)表明，ADC相片計算的蓋度值與MODIS NDVI的4種反演模型的R2從大到小依次是線性、對數(shù)、指數(shù)和乘冪模型；RMSEP值從低到高順序?yàn)榫€性、指數(shù)、對數(shù)和乘冪模型，相關(guān)系數(shù)r最大的是線性模型，其次為指數(shù)模型。因此，以MODIS NDVI為自變量建立的模型中線性模型最好。在ADC相片計算蓋度值與MODIS EVI的4種反演模型中，對數(shù)模型的RMSEP值最低且擬合系數(shù)R2最大，r值同樣是對數(shù)模型最大。相較于兩種植被指數(shù)而言，不論是線性、對數(shù)、乘冪還是指數(shù)模型，均為MODIS EVI模型的R2、r值高于MODIS NDVI模型，RMSEP值則相反。由此可見，MODIS EVI與ADC相片計算的草地蓋度之間的相關(guān)關(guān)系優(yōu)于MODIS NDVI。綜上所述，就以ADC相片計算草地蓋度的方法而言，以EVI為自變量的對數(shù)模型擬合度最好，誤差最小。根據(jù)以上分析方法對其他3種蓋度監(jiān)測方法構(gòu)建的模型進(jìn)行評價，在MODIS NDVI與Canon相片計算的蓋度值之間的4種模型中，線性模型的RMSEP值和r分別為14.7611和0.7349，總體精度高于其他3種模型；EVI與Canon蓋度值具有類似的規(guī)律，同樣是線性模型最好。因此，在Canon相片計算的蓋度回歸模型中，基于MODIS EVI的線性模型精度最高，反演值更接近真實(shí)值。在無人機(jī)相片計算蓋度值反演模型中，不論是DJI-30 m還是DJI-100 m模式下建立的蓋度反演模型，MODIS EVI均具有更好的表現(xiàn)，且對數(shù)模型交叉驗(yàn)證相關(guān)系數(shù)r最大，RMSEP值最低。就DJI-30 m和DJI-100 m兩種草地蓋度監(jiān)測方法建立的模型而言，均為基于NDVI的對數(shù)模型是最優(yōu)模型。

表2是根據(jù)R2、RMSEP及相關(guān)系數(shù)r3種評價指標(biāo)挑選出的4種草地植被蓋度監(jiān)測方法中相對應(yīng)的最優(yōu)模型。比較分析這4種模型可以看出，DJI-30 m對數(shù)模型的RMSEP值顯著低于其他3種模型，R2及r值也均高于其他3種模型，模型擬合度更高，具有最高的精度。因此，黃河源區(qū)草地植被蓋度遙感監(jiān)測的最優(yōu)模型為DJI-30 m對數(shù)模型：

y=65.4132ln(xNDVI)+109.1763

(3)

式中：y表示基于DJI-30 m監(jiān)測方法及相關(guān)數(shù)據(jù)計算的草地蓋度與MODIS NDVI之間的回歸關(guān)系；xNDVI代表MODIS NDVI值。

表1 黃河源區(qū)草地植被蓋度遙感反演模型精度評價結(jié)果

注：R2為草地蓋度回歸模型的決定系數(shù)；RMSEP表示觀測值與模型預(yù)測值的均方根誤差；r代表觀測值與模型反演結(jié)果之間的相關(guān)系數(shù)；其中，所有模型P<0.01，均為極顯著相關(guān)。

Note:R2is the determination coefficient of the grassland coverage regression model;RMSEPindicates root-mean-square error of the observed value and the model predictive value; And the correlation coefficient between the observed value and the inversional results of the model isr; Among, all models meet the condition forP<0.01, they are extremely significant correlation.

表2 基于4種草地蓋度監(jiān)測方法的最優(yōu)模型精度評價結(jié)果

2.3 黃河源區(qū)近16年生長季最大草地植被蓋度動態(tài)變化

在ArcMap中，將2000-2015年5-9月MODIS MNDVI代入黃河源區(qū)草地植被蓋度監(jiān)測最優(yōu)模型(式3)，分別得到每年生長季草地蓋度最大值，然后通過CRC(式2)分析草地蓋度的時序變化，最后利用Reclassify工具對16年草地蓋度變化程度進(jìn)行分級，制作出黃河源區(qū)草地蓋度空間分布格局圖(圖3)。

圖2 基于ADC(a)、Canon(b)、DJI-30 m(c)和DJI-100 m(d)4種監(jiān)測方法的草地蓋度最優(yōu)模型回歸分析Fig.2 Regression analysis of optimal models of four kinds of grassland coverage monitoring methods based on ADC (a), Canon (b), DJI-30 m (c) and DJI-100 m (d)

圖3 2000-2015年黃河源東部地區(qū)草地蓋度變化趨勢空間分布Fig.3 Spatial distribution of grassland coverage in the source region of Yellow River during 2000-2015

表3 2000-2015年黃河源區(qū)東部地區(qū)草地蓋度變化趨勢統(tǒng)計結(jié)果

Table 3 Statistical results of grassland coverage change in the eastern region of the Yellow River in 2000-2015

蓋度變化率CRC變化等級Changinglevel面積比例Arearatio(%)<-0．9顯著減少Significantdecrease0．37-0．9～-0．3輕度減少Insignificantdecrease6．16-0．3～0．3基本不變Elementaryconstant71．460．3～0．9輕度增加Insignificantincrease17．61>0．9顯著增加Significantincrease4．40

研究結(jié)果表明，2000-2015年黃河源東部大部分地區(qū)的草地蓋度基本保持不變，其面積占研究區(qū)草地面積的71.46%，呈增加趨勢的區(qū)域?yàn)?2.01%，蓋度變化呈下降趨勢的區(qū)域所占面積最小，僅為6.53%(表3)。草地蓋度無明顯變化的區(qū)域主要分布在研究區(qū)的東南部地區(qū)，包括久治、甘德、河南、瑪沁縣80%以上的區(qū)域；植被蓋度輕度減少主要發(fā)生在達(dá)日縣的東北部地區(qū)，少部分均勻分布在甘德、瑪沁和久治等縣；草地蓋度顯著減少的區(qū)域?yàn)楝斍呖h的中部地區(qū)以及貴南、興海、澤庫、河南縣的極少部分區(qū)域，僅占源區(qū)總面積的0.37%。草地蓋度增加的區(qū)域多分布在研究區(qū)的北部地區(qū)，達(dá)日縣的大面積區(qū)域也呈蓋度增加趨勢，而東南部地區(qū)各縣少有涉及。蓋度顯著增加區(qū)域集中分布在貴南和興?？h的北部，占研究區(qū)草地總面積的4.40%。

3 討論

草地蓋度反演模型的建立不可避免地受地面采樣時間、地點(diǎn)、采樣點(diǎn)大小、數(shù)量及其代表性的影響，同時衛(wèi)星影像的時空分辨率、圖像處理方法、人為誤差等多種因素也給模型的精度帶來一定的誤差[32,44]。本研究地面采樣時間為2015年8月1-12日，時間較短、涉及的空間范圍較大，且采樣點(diǎn)主要分布在黃河源東部，西部地區(qū)少有涉及，篩選的最優(yōu)模型對黃河源整個地區(qū)草地蓋度動態(tài)變化的監(jiān)測具有一定的局限性，反演結(jié)果具有一定的不確定性。因此，今后進(jìn)一步研究可以考慮增加采樣時間，同時在研究區(qū)內(nèi)增加采樣點(diǎn)，合理規(guī)劃觀測范圍，使之與對應(yīng)衛(wèi)星影像的像素大小在空間上更加匹配，對現(xiàn)有模型進(jìn)行校正，從而減少建模的誤差。

本研究中，MODIS EVI與基于ADC和Canon相片計算的草地蓋度建立的各類模型均優(yōu)于以MODIS NDVI為自變量的模型，說明采用傳統(tǒng)的0.5 m×0.5 m的地面樣方觀測方法(如ADC和Canon相片)構(gòu)建的基于MODIS EVI的反演模型，特別是基于Canon相片計算的草地蓋度與MODIS EVI之間構(gòu)建的反演模型，更適于黃河源東部草地蓋度及其變化規(guī)律的動態(tài)監(jiān)測。這與馬琳雅等[45]對甘南高寒草地植被覆蓋度動態(tài)變化的研究結(jié)果類似。任世龍等[14]借助其團(tuán)隊開發(fā)的DPPS系統(tǒng)，對高寒草地植被蓋度研究結(jié)果顯示，普通相機(jī)的估算精度遠(yuǎn)高于ADC，不僅如此，ADC拍攝照片用時約10 s，但普通數(shù)碼相機(jī)耗時不到5 s，照片處理效率兩者是相同的。因此，普通相機(jī)相較于ADC具有成本低、分辨率高等特點(diǎn)，相對而言，普通相機(jī)法更適宜于高寒草地植被蓋度的估算，本研究與此結(jié)果相近。

然而，在利用無人機(jī)方法構(gòu)建的草地蓋度反演模型中，MODIS NDVI較EVI則有更好的表現(xiàn)，基于MODIS NDVI的對數(shù)模型精度更高，對草地生長狀況的估算能力更強(qiáng)。這與采用傳統(tǒng)的地面樣方觀測方法(如照相方法)構(gòu)建的草地蓋度最優(yōu)反演模型不同。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是多方面的，但地面實(shí)測樣點(diǎn)的數(shù)量及其代表性可能是主要影響因素。首先，無人機(jī)方法與傳統(tǒng)地面樣方觀測方法相比，對相同樣地的實(shí)測面積差異巨大。前者(如航高30 m時)樣地累計觀測面積超過2700 m2[3×(30 m×30 m)]，后者僅1.25 m2[5×(0.5 m×0.5 m)]，前者是后者的2160倍；其次，與構(gòu)建草地蓋度反演模型的MODIS數(shù)據(jù)的像元大小62500 m2(250 m×250 m)相比，兩大類觀測方法的地表實(shí)測面積僅占MODIS數(shù)據(jù)一個像元大小的3.4%和0.002%。Curran等[46]研究了樣方大小對地表實(shí)測草地遙感反演結(jié)果的影響，證明樣方尺寸是左右測量精度的重要因素，這與本研究得出的結(jié)論相似。由此可見，UAV航拍覆蓋范圍比ADC和普通相機(jī)廣，與衛(wèi)星資料的空間匹配度更高，無人機(jī)方法是對目前草地蓋度地面實(shí)測方法的巨大改進(jìn)，可以高效便捷地獲取更大空間范圍的地面觀測資料，從而克服傳統(tǒng)方法與衛(wèi)星數(shù)據(jù)的空間匹配性問題，從而提高草地植被蓋度遙感反演的精度。

相較于ADC和普通相機(jī)，無人機(jī)航拍獲取的草地蓋度與MODIS植被指數(shù)建立的模型精度最高。但就兩種不同的無人機(jī)拍攝方法而言，DJI航高30 m對地拍攝方法遠(yuǎn)優(yōu)于航高100 m的方法。這可能是受DJI Phantom 2飛行器性能的限制，當(dāng)飛行高度過高時，UAV搭載的GoPro Hero 3+相機(jī)(1200萬像素)難以滿足拍攝需求，導(dǎo)致照片空間分辨率較低。在進(jìn)行蓋度值計算時，清晰度不足的照片無法被軟件很好地識別，給研究帶來不可避免的誤差。因此，無人機(jī)航拍對草地的監(jiān)測來說是一個機(jī)遇，同時也存在很多的挑戰(zhàn)。一方面，要加強(qiáng)地表觀測和航拍的結(jié)合；另一方面，要注重?zé)o人機(jī)應(yīng)用技術(shù)的改進(jìn)(如提高相機(jī)分辨率等)，進(jìn)一步探索在草地資源研究中的應(yīng)用。

本研究基于DJI-30 m對數(shù)模型分析了近16年黃河源東部地區(qū)草地蓋度的動態(tài)變化，結(jié)果顯示71.46%的區(qū)域草地蓋度穩(wěn)定不變，具有增加趨勢的區(qū)域面積為22.01%，呈減少趨勢的地區(qū)僅占6.53%。這與張鐿鋰等[47]對黃河源區(qū)近15年間草地退化特征的研究結(jié)果類似，他們研究表明退化草地占黃河源區(qū)總面積的8.24%，且草地退化主要發(fā)生在人口相對密集的低海拔地區(qū)，尤其是水分、植被條件較差的地域。海拔越低，居住人口越密集，人類活動更頻繁，對草地的擾動加大，這與本研究確定的草地蓋度減少區(qū)域的地理、人文環(huán)境極為相似。由此說明，源區(qū)草地退化受到自然因素的影響，但人類活動起著主導(dǎo)作用。因此，合理的放牧管理和牧民科學(xué)意識的增強(qiáng)是改善黃河源區(qū)草地資源現(xiàn)狀的根本。

4 結(jié)論

本研究基于黃河源東部地區(qū)2015年8月1-12日野外實(shí)測草地樣方數(shù)據(jù)和大量ADC、Canon和DJI相片，結(jié)合MODIS植被指數(shù)數(shù)據(jù)，建立了基于MODIS NDVI、EVI的多種草地蓋度遙感模型，采用留一法交叉驗(yàn)證方法，并通過回歸模型的決定系數(shù)、均方根誤差及相關(guān)系數(shù)對所有模型進(jìn)行了精度評價，確立了適合黃河源東部地區(qū)草地蓋度遙感監(jiān)測的最優(yōu)模型，分析了近16年(2000-2015年)黃河源東部地區(qū)草地蓋度空間分布格局及其變化趨勢。結(jié)果表明，1) MODIS NDVI與DJI-30 m蓋度數(shù)據(jù)之間的對數(shù)模型是研究區(qū)草地蓋度監(jiān)測的最優(yōu)模型，R2達(dá)0.7575，RMSEP為8.4780，r值高達(dá)0.8525，基于UAV的草地蓋度監(jiān)測方法優(yōu)于ADC和普通相機(jī)法。2) 與基于DJI-30 m計算的蓋度數(shù)據(jù)和MODIS 植被指數(shù)建立的最優(yōu)回歸模型相比較，DJI-100 m蓋度數(shù)據(jù)和MODIS 數(shù)據(jù)反演的模型精度較低，R2和r值相對于前者降低了19.97%和14.90%，而RMSEP顯著增加30.05%，這可能是由于DJI-100 m監(jiān)測模式在航高過高時，覆蓋的地表范圍過大，導(dǎo)致無人機(jī)搭載的運(yùn)動相機(jī)獲取的照片空間分辨率過低，無法準(zhǔn)確計算草地蓋度信息；3) 在4種草地蓋度監(jiān)測方法中，MODIS EVI與農(nóng)業(yè)多光譜相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)獲取的蓋度值的相關(guān)性優(yōu)于MODIS NDVI，所構(gòu)建的模型具有更高的精度，而MODIS NDVI更適宜于構(gòu)建基于無人機(jī)相片計算的蓋度反演模型；4) 比較分析ADC與Canon蓋度反演模型，后者總體反映出更多的優(yōu)勢，且Canon成本低、拍攝用時短，因此，在小范圍或樣方尺度(0.5 m×0.5 m)的草地蓋度監(jiān)測中，普通數(shù)碼相機(jī)可能是更好的選擇；5) 16年間黃河源東部71.46%的地區(qū)草地蓋度狀況處于穩(wěn)定狀態(tài)，多分布在研究區(qū)東南部；蓋度值逐步增加的區(qū)域面積為22.01%，增加幅度有從西向東、從北向南減少的趨勢；呈減少趨勢的地區(qū)所占面積極少，僅為6.53%，且多分布在人類活動頻繁的地域。

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Dynamic monitoring of alpine grassland coverage based on UAV technology and MODIS remote sensing data-A case study in the headwaters of the Yellow River

GE Jing, MENG Bao-Ping, YANG Shu-Xia, GAO Jin-Long, FENG Qi-Sheng, LIANG Tian-Gang*, HUANG Xiao-Dong, GAO Xin-Hua, LI Wen-Long, ZHANG Ren-Ping, WANG Yun-Long

StateKeyLaboratoryofGrasslandAgro-ecosystems,CollegeofPastoralAgricultureScienceandTechnology,LanzhouUniversity,Lanzhou730020,China

In this study, MODIS NDVI and EVI data from 41 field measurements in the eastern headwaters of the Yellow River were used. In combination with the alpine grassland coverage data obtained by an Agricultural Digital Camera (ADC), ordinary digital camera (i.e., Canon 70D) and Unmanned Aerial Vehicles (UAV) images, grassland coverage inversion models were constructed using MODIS vegetation indices. The optimal remote sensing model was used to analyze the grassland coverage dynamics from 2000 to 2015. The results indicated that: 1) the correlation between MODIS NDVI and grassland coverage calculated by UAV images was better than that of MODIS EVI and UAV, and the correlation between MODIS EVI and grassland coverage calculated by ADC and Canon images was higher than that of MODIS NDVI and ADC and the Canon 70D. 2) Compared to ADC, the accuracy of the models established using the Canon 70D was much higher, indicating that ordinary digital cameras may be more reliable for calculating the alpine grassland vegetation coverage. 3) Compared with the grassland coverage calculated with the Canon, images from the ADC and UAV under 30 m and 100 m flight height with the two MODIS vegetation indices respectively, the MODIS NDVI was more sensitive to grassland vegetation coverage retrieved by UAV under 30 m flight height; the optimal model wasy=65.4132ln(NDVI)+109.1763 (R2=0.7575,RMSEP=8.4780). 4) Vegetation coverage during the study period in the southeast area of the study area was stable at 71.5%. Increases in vegetation cover occurred primarily in the western and northern regions while decreases in vegetation were mostly found in northern and southern regions of the study area.

the headwater area of Yellow River; grassland coverage; inversion model; MODIS; unmanned aerial vehicle; dynamic change

2016-04-19；改回日期：2016-06-28

國家自然科學(xué)基金項目(31372367，31228021，41401472)，農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項項目(201203006),中國氣象局氣候變化專項項目(CCSF201603)和長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊發(fā)展計劃(IRT13019)資助。

葛靜(1992-)，女，甘肅平?jīng)鋈耍谧x碩士。E-mail:gej12@lzu.edu.cn*通信作者Corresponding author. E-mail: tgliang@lzu.edu.cn

10.11686/cyxb2016165 http://cyxb.lzu.edu.cn

葛靜, 孟寶平, 楊淑霞, 高金龍, 馮琦勝, 梁天剛, 黃曉東, 高新華, 李文龍, 張仁平, 王云龍. 基于UAV技術(shù)和MODIS遙感數(shù)據(jù)的高寒草地蓋度動態(tài)變化監(jiān)測研究——以黃河源東部地區(qū)為例. 草業(yè)學(xué)報, 2017, 26(3): 1-12.

GE Jing, MENG Bao-Ping, YANG Shu-Xia, GAO Jin-Long, FENG Qi-Sheng, LIANG Tian-Gang, HUANG Xiao-Dong, GAO Xin-Hua, LI Wen-Long, ZHANG Ren-Ping, WANG Yun-Long. Dynamic monitoring of alpine grassland coverage based on UAV technology and MODIS remote sensing data-A case study in the headwaters of the Yellow River. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(3): 1-12.