基于像元三分模型的錫林郭勒草原光合植被和非光合植被覆蓋度估算

王光鎮(zhèn),王靜璞,*, 鄒學(xué)勇,王周龍,宗 敏

1 魯東大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 煙臺(tái) 264025 2 北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875

基于像元三分模型的錫林郭勒草原光合植被和非光合植被覆蓋度估算

王光鎮(zhèn)1,王靜璞1,*, 鄒學(xué)勇2,王周龍1,宗 敏1

1 魯東大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 煙臺(tái) 264025 2 北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875

定量的估算草原光合植被覆蓋度(fPV)和非光合植被覆蓋度(fNPV)對草原畜牧業(yè)和土地荒漠化具有重要的意義。以錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗為研究區(qū),以MODIS 500 m分辨率地表反射率產(chǎn)品MOD09GHK為數(shù)據(jù)源,采用干枯燃料指數(shù)(DFI)指數(shù)構(gòu)建NDVI-DFI像元三分模型估算了錫林郭勒草原的fPV和fNPV,并分析了錫林郭勒草原fPV和fNPV的動(dòng)態(tài)變化。研究結(jié)果表明：錫林郭勒草原NDVI-DFI特征空間表現(xiàn)為三角形,與理論上的概念模型基本一致,符合像元三分模型的基本假設(shè)；NDVI-DFI像元三分模型適用于對草原黃枯期NPV的監(jiān)測,對草原生長期NPV監(jiān)測并不十分敏感；利用NDVI-DFI像元三分模型估算的fPV和fNPV動(dòng)態(tài)變化與牧草物候發(fā)育特征相吻合,可以有效的估算典型草原地區(qū)fPV和fNPV值,進(jìn)一步將其應(yīng)用于長時(shí)間序列的典型草原fPV和fNPV動(dòng)態(tài)變化分析。

NDVI-DFI模型；光合植被；非光合植被；動(dòng)態(tài)分析

Abstract： The quantitative estimation of fractional cover of photosynthetic vegetation (fPV), non-photosynthetic vegetation (fNPV), and bare soil (fBS) is critical for grassland animal husbandry and land desertification. Remote sensing is an important tool for estimating the fractional cover of vegetation as a key descriptor of grassland ecosystem function. Developing tools that allow for monitoring of vegetation in space and time is a key step needed to improve management of grassland. The present study describes a method for resolvingfPV,fNPV, andfBSin the Xilingol steppe region with MODIS-Terra daily surface reflectance data at 500 m resolution (MOD09GHK). Fractional cover offPV,fNPV, andfBSwas quantified with MOD09GHK data by calculating the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) and the Dead Fuel Index (DFI) and applying a linear unmixing technique. We concurrently analyzed the dynamic change of Xilingol typical grassland offPVandfNPV. Five MODIS images were acquired on April 5, May 30, July 31, August 21, and November 26 in 2014. The approach assumes that cover fractions are made up of a simple mixture of photosynthetic vegetation, non-photosynthetic vegetation, and bare soil. In the present study, one important assumption in our method is that the mixing of fractional cover in NDVI and DFI is linear. DFI is a four-band index that takes into account the differences in spectral features among DFI, photosynthetic vegetation, and bare soil in the VIS-NIR and SWIR wavelength regions, in which the slope of NPV from MODIS band 6 to 7 lies between those of photosynthetic vegetation and bare soil. The correlation between fraction of NPV and DFI was linear. Different end-member extraction methods, including the Pixel Purity Index (PPI) method and 2D scatter plot, were adopted to retrieve the end-member values of photosynthetic vegetation, non-photosynthetic vegetation, and bare soil from NDVI and DFI. The NDVI-DFI feature space follows a triangular distribution, where the vertices represent photosynthetic vegetation, non-photosynthetic vegetation, and bare soil, meeting the essential requirements of the linear unmixing model. NDVI and CAI were calculated for each image and the pixels located close to the vertices of the triangle were located. The spatial location of the pixels identified as pure by the PPI operation and located close to the vertices of the NDVI/DFI triangle was examined by using high resolution imagery (Landsat- 8 OLI). Subsequently, we found that vegetation fractional cover can be successfully resolved with MODIS data by combining the NDVI-DFI model. The NDVI-DFI model is suitable for dry season grassland period monitoring of NPV, whereas the grassland growing NPV monitoring is not very sensitive. Additionally, the temporal dynamic offPVandfNPVwas confirmed to be consistent with the phonological seasonal change in natural grasslands. The NDVI-DFI model can be applied to the quantitative estimation of fractional cover of non-photosynthetic vegetation (fNPV) that is critical for grassland desertification monitoring, soil erosion, and grassland grazing. Therefore, the NDVI-DFI model can be used to monitor the temporal and spatial variations offPVandfNPVin the Xilingol steppe regions.

KeyWords: NDVI-DFI model; photosynthetic vegetation (PV); non-photosynthetic vegetation (NPV); dynamic changes

草地是全球分布最廣的陸地生態(tài)系統(tǒng)類型之一,占到全球陸地表面積的26%[1]。草地植被可以分為光合植被(PV)和非光合植被(NPV),PV和NPV在草原生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要的角色,影響著生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)存、CO2交換量、植被生產(chǎn)力和地表能量平衡,是衡量地表植被覆蓋狀況的重要指標(biāo)[2-3]。其中,NPV(枯落物、作物茬等)可以減緩地表土壤侵蝕,增加土壤有機(jī)質(zhì),減緩地表徑流和營養(yǎng)物質(zhì)流失[4],提高土壤質(zhì)量。此外NPV是草原火災(zāi)發(fā)生的重要影響因子[5- 7]。

地面采樣獲取植被覆蓋度是最準(zhǔn)確的手段,但這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且難以大范圍的開展。遙感技術(shù)的發(fā)展為大范圍快速準(zhǔn)確獲取草原地區(qū)植被覆蓋度和長時(shí)間序列的植被分析提供了新的技術(shù)手段[7]。光學(xué)傳感器利用PV在紅光和近紅外波段的光譜特征可以估算其覆蓋度。如何估算NPV的覆蓋度,特別是如何將NPV從裸土(BS)背景中提取出來是目前未能解決的關(guān)鍵問題[8]。

與PV明顯的“峰”和“谷”光譜特征相比,NPV與BS在可見光-近紅外波段(400—1100 nm)處具有相似的反射率曲線,僅在反射率絕對值上有所差異,因而難以利用多光譜遙感數(shù)據(jù)估算NPV的覆蓋度[9-10]。研究表明,基于高光譜數(shù)據(jù)的CAI指數(shù)已成功應(yīng)用到NPV覆蓋度的估算[2, 11- 14]。然而,高光譜數(shù)據(jù)成本較高,可獲取數(shù)據(jù)有限,難以應(yīng)用于長期的監(jiān)測,制約了CAI指數(shù)的應(yīng)用范圍。因此,需要尋找一種多光譜植被指數(shù)估算NPV覆蓋度,充分利用多光譜數(shù)據(jù)(比如TM,MODIS)大范圍、高時(shí)效性、低成本的優(yōu)勢。

目前在利用遙感技術(shù)監(jiān)測非光合植被覆蓋度領(lǐng)域,國內(nèi)外開展了廣泛的研究[5, 8, 15-16]。曹鑫等根據(jù)NPV在MODIS數(shù)據(jù)1、2、6和7波段的光譜特征,提出了應(yīng)用于多光譜數(shù)據(jù)的干枯燃料指數(shù)(DFI),初步驗(yàn)證了DFI指數(shù)估算fNPV的潛力[17]。隨后曹鑫等人將DFI指數(shù)應(yīng)用到亞洲草原地區(qū)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)敏感性模型,證實(shí)了DFI指數(shù)估算fNPV的潛力[18]。Guerschman等人基于NDVISWIR32(MODIS第7和6波段)像元三分模型,較好的估算了澳大利亞稀疏草原fPV和fNPV的時(shí)空分布[11]。此外,李濤等人以Hyperion高光譜數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,基于NDVI-CAI像元三分模型對錫林郭勒草原放牧試驗(yàn)區(qū)fPV和fNPV的時(shí)空動(dòng)態(tài)分布進(jìn)行了估算,研究表明估算的fPV和fNPV的季節(jié)變化與牧草物候發(fā)育特征相吻合。因此,有必要探討以多光譜植被指數(shù)為基礎(chǔ)的NDVI-DFI像元三分模型在亞洲草原地區(qū)的適宜性,進(jìn)一步將其推廣到其他區(qū)域。

為此,本文以錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗典型草原為研究區(qū),以MODIS 500 m分辨率地表反射率產(chǎn)品MOD09GHK為數(shù)據(jù)源,嘗試采用DFI指數(shù)替代SWIR32的NDVI-DFI像元三分模型估算錫林郭勒草原的fPV和fNPV,并分析錫林郭勒典型草原fPV和fNPV的時(shí)空變化。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)位置及植被類型Fig.1 The location of study area and vegetation type

研究區(qū)為錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗(116°21′—119°31′E,43°57′—45°23′N),位于錫林郭勒盟東北部(圖1)。西烏珠穆沁旗土地遼闊,自然資源極為豐富。全旗草場面積20290 km2,占土地面積的88%,其中一半以上為典型草原。東部分布有山地,低山丘陵和波狀高平原相間分布在中北部地區(qū),嘠亥額勒蘇沙地呈帶狀分布在中部地區(qū)。西烏珠穆沁旗海拔835—1957 m,是我國典型的溫帶草原區(qū),屬于大陸性半干旱草原氣候。四季分明,春季多風(fēng),夏季暖濕,秋冬寒冷干燥。年平均氣溫1℃,最冷月(1月)平均氣溫-19.5℃,最熱月(7月)平均氣溫19.5℃。年均降水量345 mm左右,80%集中于生長季6—9月份。光照資源比較豐富,全年光照為2900 h。按照植被類型分布,可分為典型草原、草甸草原、灌叢、農(nóng)業(yè)植被和森林植被5種類型。

1.2 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

中分辨率成像光譜儀(MODIS)搭載在Terra和Aqua兩顆衛(wèi)星上,是美國地球觀測系統(tǒng)(EOS)計(jì)劃中用于觀測全球生物和物理過程的重要儀器。它具有36個(gè)中等分辨率水平(0.25—1μm)的光譜波段,每1—2d對地球表面觀測1次。MOD09GHK為陸地2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品,內(nèi)容為表面反射,空間分辨率為500 m。MOD09GHK提供了1—7波段每日柵格化二級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品(L2G),投影為正弦曲線投影。500 m科學(xué)數(shù)據(jù)集提供了1—7波段的反射率、質(zhì)量評價(jià)、觀測圖層、觀測數(shù)量和250 m掃描信息。本文從https://ladsweb.nascom.nasa.gov網(wǎng)站獲取到2014年4月5日、5月30日、7月31日、8月21日和11月26日共5期MOD09GHK影像。

MOD09GHK產(chǎn)品已經(jīng)過定位和定標(biāo)處理,首先利用MODIS Reprojection Tool工具重投影為Albers Conical Equal Area,坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為WGS- 84。然后利用ENVI 5.2軟件Layer Stacking工具波段組合,并利用行政邊界矢量數(shù)據(jù)裁剪出研究區(qū)范圍。最后用閾值法對影像中的云和水作掩膜處理。

2 研究方法

2.1 DFI指數(shù)

曹鑫等人總結(jié)了NPV和BS在MODIS波段范圍內(nèi)的光譜特征：(1)NPV和BS在650 nm(Band 1)和850 nm(Band 2)處反射率曲線變化較平緩,并且高于 PV；(2)在Band 6波段,NPV的反射率低于PV,高于BS,而在Band 7波段,NPV的反射率高于PV,但低于BS；(3)NPV和BS的光譜曲線特征相似(圖2)?；谝陨咸卣魈岢隽烁煽萑剂现笖?shù)(DFI)[17]：

(1)

式中,B1,B2,B6,B7分別代表MODIS第1,2,6和7波段。為了擴(kuò)大DFI值的差異性,DFI擴(kuò)大了100倍。此外,為避免云和水體的影響而產(chǎn)生異常值,對其進(jìn)行掩膜處理。

2.2 NDVI-DFI像元三分模型

NDVI-DFI像元三分模型假設(shè)像元由PV、NPV和BS 3個(gè)組分組成,其NDVI和DFI指數(shù)符合線性關(guān)系(公式1—5),并且端元的NDVI和DFI指數(shù)不隨時(shí)間變化。理想情況下,影像的NDVI-DFI特征空間會(huì)表現(xiàn)為三角形(圖3)：PV的NDVI值高、DFI值低,位于三角形的右側(cè)中部；NPV的NDVI值低、DFI值高,位于三角形的左上角；BS的NDVI值、DFI值均很低,位于三角形的左下角。

圖2 PV、NPV、BS端元平均光譜曲線Fig.2 Mean reflectance spectra of PV, NPV and BS endmemberPV(Photosynthetic Vegetation)、NPV(Non-photosynthetic Vegetation)和BS(Bare Soil)分別代表光合植被、非光合植被和裸土;灰色條帶區(qū)域?yàn)镸ODIS波段位置

圖3 NDVI-DFI像元三分模型 Fig.3 Tri-endmember linear mixture model with the Normalized Difference Vegetation Index(NDVI)and Dead Fuel Index(DFI)PV、NPV、BS分別為光合植被、非光合植被和裸土,三角形內(nèi)部代表混合像元

(2)

式中,B2、B1分別代表MODIS第2和第1波段。

VM=∑[fiVi]=[fPVVPV+fNPVVNPV+fBSVBS]

(3)

DM=∑[fiDi]=[fPVDPV+fNPVDNPV+fBSDBS]

(4)

∑fi=[fPV+fNPV+fBS]=1

(5)

式中,VM代表MODIS數(shù)據(jù)的NDVI,DM代表MODIS的DFI,f代表百分比(%),fPV、fNPV和fBS分別代表像元內(nèi)相應(yīng)組分所占的比例,VPV/DPV、VNPV/DNPV和VBS/DBS分別代表NDVI/DFI端元的特征值。

Cx=0(-0.2

(6)

Cx=1(1

(7)

Cy=Cy/(Cy+Cz)

(8)

Cz=Cz/(Cy+Cz)

(9)

Cx=Cy=Cz=0(Cx<-0.2orCx>1.2)

(10)

式中,Cx為混合像元分解后覆蓋度在之外的端元類型,Cx和Cy為另外兩種端元類型。公式10將異常值(Cx<-0.2 orCx>1.2)標(biāo)記為無效值。

采用公式3—5對MODIS影像進(jìn)行分解,分布在三角形內(nèi)部的像元各組分比例在[0,1]內(nèi)；采用公式6—10對分布在三角形外部的異常像元進(jìn)行處理。最終獲得研究區(qū)的fPV和fNPV估算值。

2.3 端元特征值的確定

PV、NPV和BS端元特征值的確定是NDVI-DFI像元三分模型分解成功的關(guān)鍵。本文采用純凈像元指數(shù)法結(jié)合二維散點(diǎn)圖的方法來確定端元特征值。

根據(jù)NDVI和DFI指數(shù)的計(jì)算公式,計(jì)算5期MOD09GHK影像的NDVI和DFI指數(shù),并利用ENVI 5.2二維散點(diǎn)圖功能繪制NDVI-DFI特征空間圖。

純凈像元指數(shù)法(Pixel Purity Index method,簡稱PPI)：在ENVI 5.2平臺(tái)上,首先對MODIS影像進(jìn)行MNF變換,選擇累積貢獻(xiàn)率達(dá)98.89%的前6個(gè)分量來計(jì)算PPI指數(shù)。然后設(shè)定迭代次數(shù)為2000,閾值系數(shù)為2.5,產(chǎn)生像元純度指數(shù)PPI。最后將PPI > 5且又靠近特征空間圖頂點(diǎn)的像元作為純凈端元,取各個(gè)頂點(diǎn)純凈端元的平均指數(shù)值作為相應(yīng)端元的特征值。此外,選用同期Landsat- 8 OLI中高分辨率影像通過交互式目視判別驗(yàn)證三角形頂點(diǎn)處是否存在純凈像元。

2.4fPV和fNPV的估算

基于NDVI-DFI像元三分模型,采用PPI指數(shù)方法確定端元的特征值,利用ENVI 5.2擴(kuò)展工具Triangular Linear Spectral Unmixing對5期MOD09GHK影像進(jìn)行分解,并繪制fPV、fNPV和fBS的RGB合成圖。

研究fPV和fNPV的時(shí)空變化,可以反映草原地區(qū)牧草的物候發(fā)育特征,對草原地區(qū)荒漠化的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文選擇研究區(qū)內(nèi)受人類活動(dòng)較小的典型草原作為感興趣區(qū),以均值來代表感興趣區(qū)的fPV和fNPV,進(jìn)而分析fPV和fNPV的季節(jié)性變化。

3 結(jié)果分析

3.1 端元特征值及NDVI-DFI特征空間圖分析

繪制出5期MOD09GHK影像的NDVI-DFI特征空間圖(圖4)。

圖4 五期影像NDVI-DFI特征空間圖Fig.4 Feature space of NDVI and DFI綠色、紅色和藍(lán)色圓圈分別代表PV、NPV和BS端元的位置

選用同期Landsat- 8 OLI中高分辨率影像通過交互式目視判別驗(yàn)證了三角形頂點(diǎn)可以作為純凈像元。最后采用PPI指數(shù)法確定了相應(yīng)端元的特征值(表1)。

表1 五期影像PV、NPV、BS端元特征值

NDVI: 歸一化植被指數(shù)Normalized Difference Vegetation Index;DFI: 干枯燃料指數(shù)Dead Fuel Index；PV: Photosynthetic Vegetation; NPV: 光合植被、非光合植被Non-photosynthetic Vegetation;BS: 和裸土Bare Soil

結(jié)合5期NDVI-DFI特征空間圖(圖4),隨著草原生長季(5—9月)的到來,呈現(xiàn)出NDVI值逐漸增大和DFI值逐漸減小的趨勢,反之,草原黃枯期(10—4月)時(shí),NDVI開始逐漸減小而DFI值逐漸增大。NDVI值的范圍為0—0.9左右,DFI值的范圍為5—30左右。研究表明,NPV的反射率隨時(shí)間而降低,即新鮮的NPV反射率較高,而對于長期的NPV(基底枯落物)反射率較低。11月26日NPV的DFI值為26.028,而4月5日NPV的DFI值為22.686(表1),此后DFI值繼續(xù)降低。

值得注意的是,7月31日和8月21日(圖4)的NDVI-DFI特征空間圖并沒有表現(xiàn)為理想的三角形。首先,這兩個(gè)時(shí)期PV和NPV的DFI指數(shù)值相對其他時(shí)期都較低(表1),端元之間的差異有所減小。其次,由于草原生長期大量PV的存在,使得NPV和BS被覆蓋,進(jìn)而導(dǎo)致DFI指數(shù)值較低(5—18左右)。分析其原因,可能是由于NPV隨時(shí)間的分解導(dǎo)致反射率的降低；PV與NPV相互重疊,交錯(cuò)分布,使得DFI值被低估。以上內(nèi)容有待于后續(xù)的研究。這說明,NDVI-DFI像元三分模型對草原生長季NPV的監(jiān)測不是十分敏感；從另一個(gè)角度來看,草原生長期NPV量比較少,而草原黃枯期會(huì)存在大量的NPV,地表覆蓋的NPV可以減緩?fù)寥狼治g,減緩地表徑流并增加土壤有機(jī)質(zhì)含量[4],因此可以利用NDVI-DFI像元三分模型對草原黃枯期土地荒漠化、土壤侵蝕和草原放牧等進(jìn)行監(jiān)測。

3.2fPV和fNPV估算結(jié)果

應(yīng)用像元三分模型對MOD09GHK影像進(jìn)行分解,得到錫林郭勒草原fPV、fNPV和fBS的RGB合成圖(圖5)。從圖中可以發(fā)現(xiàn),錫林郭勒草原西烏旗地區(qū)4月和11月被大量的NPV和BS所覆蓋,西烏旗東南部為低山丘陵,主要植被類型為林地,因此fPV較高；5月份時(shí)fPV開始增加,而fNPV開始減??；7、8月份錫林郭勒草原生長期來臨,大量PV的存在使得fPV明顯增加,但中西部地區(qū)(主要為波狀高平原、嘠亥額勒蘇沙地)仍主要以NPV和BS為主?？傮w上來看,西烏旗草原黃枯期除東南部分布有PV外,其他地區(qū)主要以NPV和BS為主；而草原生長期東部地區(qū)fPV明顯增加。

西烏旗草原地區(qū),夏季氣溫高降水較多,牧草生長旺盛,fPV高；隨著秋冬季的來臨,大量的PV進(jìn)入黃枯期,fNPV開始增加。此時(shí),草原地區(qū)覆蓋有大量的NPV,而火災(zāi)的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致fNPV的降低。據(jù)1957—1993年的資料統(tǒng)計(jì),每年的3—6月、9—11月是火災(zāi)的高發(fā)期[19],因此有必要進(jìn)一步研究火災(zāi)對fNPV的影響。

3.3fPV和fNPV季節(jié)性變化

通過對感興趣區(qū)fPV和fNPV的分析,模型估算的fPV和fNPV的季節(jié)性變化同牧草物候發(fā)育特征相吻合。選擇西烏旗地區(qū)受人為及牲畜影響較小的草地(圖5中黑色方框內(nèi))為感興趣區(qū),以均值代表感興趣區(qū),分析fPV和fNPV季節(jié)性變化。從圖6中可以發(fā)現(xiàn)：4月份草原地區(qū)分布大量的NPV,基本呈現(xiàn)荒蕪狀態(tài),NDVI值較低,DFI值較高,fNPV高達(dá)77.44%,fPV為6.33%,這也使得每年4月份是草原火災(zāi)高發(fā)期；4月中下旬,由于氣溫升高,草原開始返青,返青20d后進(jìn)入積極生長期；5月30日時(shí),NDVI值逐漸增加,DFI值逐漸下降,fPV開始增加到21.60%,fNPV下降到66%；多數(shù)牧草在7月中旬左右達(dá)到最大強(qiáng)度的生長,在7月31日時(shí),NDVI值高于DFI值,fPV高于fNPV；牧草成熟期一般發(fā)生在8月份,在8月21日時(shí),NDVI值達(dá)到0.6,DFI值為10左右,此時(shí)fPV高達(dá)74.43%,fNPV為23.48%；到了冬季11月份,草原地區(qū)被大量NPV覆蓋,恢復(fù)到荒蕪狀態(tài),此時(shí)NDVI值下降到0.2以下,DFI值高達(dá)25,fNPV為72.95%,fPV為11.33%。

圖5 fPV、fNPV和fBS的RGB合成圖Fig.5 The RGB image of fPV, fNPV and fBS綠色代表光合植被覆蓋度fPV,紅色代表非光合植被覆蓋度fNPV,藍(lán)色代表裸土fBS,白色為云和水掩膜的無效值,黑色方框?yàn)楦信d趣區(qū)

圖6 感興趣區(qū)fPV和fNPV變化圖Fig.6 Temporal variation of fPV and fNPV in the interested regionPV和NPV分別代表光合植被和非光合植被的覆蓋度,NDVI和DFI分別代表歸一化植被指數(shù)和干枯燃料指數(shù)

4 討論

目前利用多光譜遙感影像從BS背景下分離出NPV是復(fù)雜而困難的[8, 20]。以往研究提出的基于TM影像的多光譜指數(shù)對干旱半干旱地區(qū)3種組分(PV、NPV、BS)存在的情況下并不適用[2, 17]。曹鑫等人通過分析PV、NPV和BS平均光譜曲線,根據(jù)NPV和BS在MODIS波段范圍內(nèi)的光譜特征提出了DFI指數(shù),結(jié)果表明DFI指數(shù)在3種組分(PV、NPV、BS)存在的情況下具備區(qū)分NPV并估算fNPV的能力[17]。

草原牧草主要經(jīng)歷返青期、抽穗期、開花期、成熟期和黃枯期5個(gè)階段。牧草在返青期和黃枯期時(shí),PV和NPV錯(cuò)綜復(fù)雜,相互重疊,影響著表層植被的NDVI和DFI特征值,進(jìn)而影響估算fPV和fNPV的精度。此外,當(dāng)PV轉(zhuǎn)向NPV的過程中,葉片水分和葉綠素下降,而纖維素和木質(zhì)素增多,NDVI值逐漸減小,DFI值逐漸增大。葉片水分、葉綠素、纖維素的含量變化過程對NDVI和DFI值的影響十分復(fù)雜,從而加大估算fPV和fNPV的難度[12]。

純凈端元的提取及特征值確定直接影響到像元三分模型的估算精度。純凈像元指數(shù)是一種在多光譜和高光譜影像中尋找最純凈像元的一種方法[21]。PPI指數(shù)法對經(jīng)過最小噪聲分離(MNF)后的降維數(shù)據(jù)提取能夠代表地物的最純凈像元,可以確定純凈端元的空間位置,結(jié)合散點(diǎn)圖工具篩選像元,可以提高精度。但是PPI指數(shù)法存在光譜異質(zhì)性問題,不足以代表端元光譜特征,在端元的純凈像元較少時(shí),容易產(chǎn)生較大誤差。

NDVI-DFI像元三分模型基于混合像元的NDVI和DFI指數(shù)符合線性相關(guān)這一前提。首先,應(yīng)用最為廣泛的歸一化植被指數(shù)NDVI是植被生長狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指示因子,與植被覆蓋度具有良好的相關(guān)性。其次,曹鑫等人研究證實(shí)DFI指數(shù)與fNPV成線性相關(guān)[17],并將DFI指數(shù)應(yīng)用到評估內(nèi)蒙古草原火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)研究[18]。因此,NDVI-DFI像元三分模型應(yīng)用于估算典型草原植被覆蓋度是合理的。但是對7、8月份特征空間圖分析發(fā)現(xiàn),NDVI-DFI像元三分模型適用于對草原黃枯期NPV的監(jiān)測,對草原生長期NPV監(jiān)測并不十分敏感,有待于進(jìn)一步的研究。

值得注意的是,DFI指數(shù)也受到了其他因素的影響。由于不同植被類型、結(jié)構(gòu)和土壤類型與濕度以及PV隨時(shí)間分解的影響,在SWIR波段范圍,光譜的差異也會(huì)不同[22- 26]。研究表明,DFI指數(shù)對長期存在的基底枯落物并不敏感[17]。而基底枯落物在草原地區(qū)是普遍存在的,因此需要進(jìn)一步探討對估算fNPV的影響。研究還發(fā)現(xiàn)大氣層頂反射率也會(huì)影響DFI指數(shù)估算fNPV[17]。多種因素的影響需要進(jìn)一步的研究,以期將DFI指數(shù)推廣到其他地區(qū)。

利用MOD09GHK產(chǎn)品估算fPV和fNPV,充分發(fā)揮了MODIS低成本、長時(shí)間、大范圍觀測的優(yōu)勢?；诙喙庾V數(shù)據(jù)DFI指數(shù)的提出,進(jìn)一步的將像元三分模型從高光譜數(shù)據(jù)推廣到多光譜數(shù)據(jù)?？紤]到地面調(diào)查與遙感產(chǎn)品的尺度效應(yīng)[27],MODIS空間分辨率太低(500 m×500 m),難以開展大范圍的地面調(diào)查以此將地面相對真值與遙感估算值相對應(yīng),本文不足之處是未能夠利用實(shí)測數(shù)據(jù)對模型估算結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn),今后可以考慮以高分辨率遙感為橋梁,通過間接檢驗(yàn)法進(jìn)行產(chǎn)品檢驗(yàn),這也將是下一步研究的重點(diǎn)。NDVI-DFI像元三分模型在多光譜遙感中具有深遠(yuǎn)的研究前景。

5 結(jié)論

本文利用MODIS 500 m分辨率地表反射率產(chǎn)品MOD09GHK構(gòu)建NDVI-DFI像元三分模型估算了錫林郭勒草原的fPV和fNPV,得到以下結(jié)論：

(1)錫林郭勒草原NDVI-DFI特征空間表現(xiàn)為三角形,與理論上的概念模型基本一致,符合像元三分模型的基本假設(shè)。NDVI-DFI像元三分模型可以估算錫林郭勒草原的fPV和fNPV。

(2)NDVI-DFI像元三分模型適用于對草原黃枯期fNPV的監(jiān)測,對草原生長期fNPV監(jiān)測并不十分敏感。NPV主要存在于草原黃枯期,生長期較少,利用NDVI-DFI像元三分模型估算草原黃枯期的fNPV,對草原土地荒漠化監(jiān)測、土壤侵蝕和草原放牧具有重要的研究意義。

(3)基于MODIS 500 m分辨率地表反射率產(chǎn)品MOD09GHK,采用NDVI-DFI像元三分模型估算的fPV和fNPV動(dòng)態(tài)變化與牧草物候發(fā)育特征相吻合,可以進(jìn)一步應(yīng)用于長時(shí)間序列的錫林郭勒草原fPV和fNPV時(shí)空動(dòng)態(tài)變化。

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Estimationoffractionalcoverofphotosyntheticandnon-photosyntheticvegetationintheXilingolstepperegionusingtheNDVI-DFImodel

WANG Guangzhen1, WANG Jingpu1,*, ZOU Xueyong2, WANG Zhoulong1, ZONG Min1

1CollegeofResourceandEnvironmentEngineering,LudongUniversity,Yantai264025,China2StateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessandResourceEcology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41330746)

2016- 06- 10; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 04- 24

10.5846/stxb201606101111

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wjpu@mail.bnu.edu.cn

王光鎮(zhèn),王靜璞, 鄒學(xué)勇,王周龍,宗敏.基于像元三分模型的錫林郭勒草原光合植被和非光合植被覆蓋度估算.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(17):5722- 5731.

Wang G Z, Wang J P, Zou X Y, Wang Z L, Zong M.Estimation of fractional cover of photosynthetic and non-photosynthetic vegetation in the Xilingol steppe region using the NDVI-DFI model.Acta Ecologica Sinica,2017,37(17):5722- 5731.