基于高分六號衛(wèi)星的植被生態(tài)景觀監(jiān)測分析

張青 陳鵬

摘要：隨著國產(chǎn)高分衛(wèi)星對地觀測系統(tǒng)的建立和完善，精細(xì)化生態(tài)遙感監(jiān)測分析需求已提上議事日程。筆者以新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州和靜縣為例，利用GIS和遙感技術(shù)對高分6號衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化植被指數(shù)（NDVI）反演，生成植被指數(shù)覆蓋度等級，結(jié)合土地利用類型，對研究區(qū)植被生態(tài)景觀現(xiàn)狀進(jìn)行分析評價(jià)；并且用DEM數(shù)據(jù)提取高程、坡度2個(gè)主要的地形因子對NDVI值的空間分布進(jìn)行了相關(guān)分析。結(jié)果顯示：（1）和靜縣植被覆蓋度等級分布都具有明顯的空間異質(zhì)性，總體而言，以中度和較低覆蓋植被為主；（2）和靜縣植被指數(shù)在低海拔與高海拔地區(qū)較低，在中海拔地區(qū)（2500～3200 m）植被指數(shù)達(dá)到最大，最大值為0.48；（3）坡度對植被影響較大。在10°左右，植被長勢較好，植被指數(shù)達(dá)到最大。

關(guān)鍵詞：GIS；遙感技術(shù)；高分6號衛(wèi)星；NDVI；海拔；坡度

中圖分類號：TP751，X87文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A論文編號：cjas20191200315

Application of Gaofen No.6 Satellite in Vegetation Ecological Remote Sensing Monitoring

Zhang Qing， Chen Peng

（The Center for Ecological Meteorology and Satellite Remote Sensing of Xinjiang Uygur Autonomous Region， Urumqi 830011， Xinjiang， China）

Abstract： With the establishment and improvement of domestic Gaofen satellite ground observation system， the need for refined ecological remote sensing monitoring and analysis has been put on the agenda. The authors took Xinjiang Uygur Autonomous Region Bayinguoleng Mongolian Autonomous Prefecture Hejing County as an example， used GIS and remote sensing technology to perform normalized vegetation index （NDVI） inversion on the satellite data of Gaofen No.6， to generate vegetation index coverage levels and combined land use types， analyzed the current situation of vegetation ecological landscape in the study area； and used DEM data to extract the two main topographic factors of elevation and slope to conduct correlation analysis of the spatial distribution of NDVI values. The results show that： （1） the spatial distribution of vegetation coverage in Hejing County has obvious spatial heterogeneity， in general， it is mainly moderate and low coverage vegetation； （2） the vegetation index of Hejing County at low altitude and high altitude area is relatively low， and the vegetation index reaches the maximum in the middle altitude area （2500-3200 m）， the maximum value was 0.48； （3） the slope has greater impact on vegetation. At about 10°， the vegetation growth is good and the vegetation index reaches the maximum.

Keywords： GIS； Remote Sensing Technology； Gaofen No.6 Satellite； NDVI； Altitude； Slope

0引言

高分衛(wèi)星以其空間分辨率、時(shí)間分辨率和光譜分辨率高的特點(diǎn)及優(yōu)勢，在精細(xì)化遙感應(yīng)用中占有舉足輕重的地位。

2019年3月21日上午，國防科工局、國家航天局宣布，高分六號衛(wèi)星正式投入使用。高分六號具有高分辨率和寬覆蓋相結(jié)合的特點(diǎn)，是中國首顆精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)觀測的高分衛(wèi)星。高分系列衛(wèi)星的組網(wǎng)運(yùn)行，不但使農(nóng)業(yè)、林業(yè)、草原等資源監(jiān)測能力得到了提高，而且為生態(tài)文明建設(shè)等重大需求提供遙感數(shù)據(jù)支撐[1-2]。但高分衛(wèi)星在新疆植被生態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用研究報(bào)道甚少。筆者以具有典型綠洲特征的新疆巴音郭楞蒙古自治州和靜縣為例，研究高分六號衛(wèi)星在植被生態(tài)遙感監(jiān)測方面的應(yīng)用。

1研究區(qū)及數(shù)據(jù)

1.1研究區(qū)概況

和靜縣地處天山中段南麓、焉耆盆地西北部。和靜縣由山間盆地、山地峽谷和山前平原三大塊構(gòu)成，縣域地形呈東西長、南北寬、西北高、東南低[3]。轄區(qū)內(nèi)有著名的鞏乃斯森林公園、巴音布魯克大草原、天鵝湖自然保護(hù)區(qū)，和靜縣域有大小河流26條，年徑流量在1億m3以上的有7條河流。其中開都河是全國最大內(nèi)陸淡水湖博斯騰湖的源流。全國第二大高山草原——巴音布魯克是新疆最重要的畜牧業(yè)基地之一，也是新疆重要的商品糧基地縣。和靜縣的生態(tài)環(huán)境保護(hù)狀況對全疆特別是南疆具有極為重要的地位。

1.2研究方法

1.2.1歸一化植被指數(shù)歸一化植被指數(shù)（NDVI）主要利用綠色植物在可見光紅光波段（0.6～0.7μm）的強(qiáng)吸收和近紅外波段（0.7～1.1μm）的高反射特點(diǎn)對植被長勢進(jìn)行遙感監(jiān)測[4-5]，是植被生長狀態(tài)的最佳指示因子。計(jì)算如式（1）所示。

1.2.2植被覆蓋度計(jì)算方法利用植被指數(shù)近似估算植被覆蓋度是遙感測量中較為實(shí)用的方法。本研究采用李苗苗像元二分模型，根據(jù)研究區(qū)NDVI的灰度分布情況，選取NDVI在[6%，100%]內(nèi)的最大值、最小值進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算如式（2）所示。

1.3 GF-6數(shù)據(jù)處理

本研究采用的原始數(shù)據(jù)為中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心提供的高分6號遙感影像。遙感影像的獲取時(shí)間為2019年7月3日L1A級數(shù)據(jù)，16 m分辨率多光譜影像，成像質(zhì)量良好且數(shù)據(jù)含云量少于2%。利用ENVI 5.3對研究區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、FLAASH大氣校正、正射校正等預(yù)處理。按照Albers Conical EqualArea定義投影。圖1為三通道合成圖。

1.4土地利用類型的獲取與處理

和靜縣土地利用類型來源于清華大學(xué)提供的基于哨兵影像2017年全球10 m分辨率土地覆蓋產(chǎn)品。和靜縣共有10種景觀類型。本研究根據(jù)土地利用將10種景觀類型歸納為林地、草地、耕地、水域、山岳裸地和積雪共6種生態(tài)類。由于主要研究和靜縣的植被生態(tài)變化，因此只對林地、草地和耕地的植被覆蓋度進(jìn)行分析和研究。

1.5 DEM數(shù)據(jù)的處理

數(shù)字高程DEM為分辨率30 m SRTM，分別提取海拔高度和坡度。和靜縣的海拔高度在1045～5286 m之間，以20 m的間距將和靜縣不同海拔高度分為210個(gè)帶，得到DEM數(shù)據(jù)分級的結(jié)果。

和靜縣坡度在0°—78°之間，海拔起伏很大。依據(jù)地貌制圖坡地分類的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)地形劃分為8個(gè)等級：平坡0°—5°、緩坡6°—15°、斜坡16°—25°、陡坡26°—35°、急陡坡36°—40°、急坡41°—45°、峭壁46°—50°、垂直峭壁>55°。由圖2可見，和靜縣坡度以緩坡和陡坡為主。

2結(jié)果與分析

2.1 NDVI反演結(jié)果

GF6衛(wèi)星影像的3、4通道分別對應(yīng)可見光紅光波段和近紅外波段。選擇3、4通道數(shù)據(jù)計(jì)算歸一化植被指數(shù)，將計(jì)算得到的NDVI值帶入公式（2），將計(jì)算所得的蓋度分布結(jié)果分為5個(gè)等級（圖3）：VFC<0.1，低植被覆蓋度；0.1≤VFC<0.3，較低植被覆蓋度；0.3≤VFC<0.5，中度植被覆蓋度；0.5≤VFC<0.7，較高植被覆蓋度；VFC≥0.7，高植被覆蓋度。

從不同等級植被覆蓋度面積統(tǒng)計(jì)（表1）可以看出：較高度、中度和較低植被覆蓋度的面積比較接近，占比分別為25.84%、23.02%、22.47%；高植被覆蓋度的面積所占17.27%；低植被覆蓋度地區(qū)面積占比為11.40%。

2.2植被生態(tài)景觀格局空間特點(diǎn)分析

由圖3、4可見和靜縣植被覆蓋度空間分布情況。和靜縣地表覆蓋類型以草甸草場為主，占比達(dá) 60.24%；其次為森林3.21%、農(nóng)田2.44%；其它地物分別為山岳裸地29.58%、水體0.29%、冰雪4.24%。

和靜縣植被長勢西部高于東部。其中，巴音布魯克自然保護(hù)區(qū)、尤路都斯和鞏乃斯國家森林公園植被覆蓋度高，植被生態(tài)環(huán)境較優(yōu)；其次是農(nóng)業(yè)區(qū)植被覆蓋度較高；山岳盆地植被覆蓋度中等；居民區(qū)處于低植被覆蓋度范圍。

2.3研究區(qū)地形對植被分布的影響分析

分別將分級的高程值和坡度值與NDVI值進(jìn)行區(qū)域統(tǒng)計(jì)，分析坡度、坡向數(shù)據(jù)與NDVI數(shù)據(jù)間的相關(guān)關(guān)系。

2.3.1植被空間分布與高程的關(guān)系由于大于4200 m的像素點(diǎn)極少，因此，將和靜縣海拔范圍確定在1045～4200 m之間。由圖5可見，NDVI先出現(xiàn)了一個(gè)高值，這主要是位于低海拔區(qū)域的農(nóng)田引起的。草地森林NDVI值先隨高程增大而增大，在高程為3000 m左右時(shí)NDVI達(dá)到最大值，之后又隨高程的增大而減小，相關(guān)關(guān)系中x值表示高程值，y值表示NDVI值，兩者關(guān)系可擬合為拋物線。

2.3.2植被空間分布與坡度的關(guān)系NDVI值在0°～10°之間隨坡度的升高而增大，在10°左右達(dá)到最大值0.4，之后隨坡度的升高而下降，如圖6。相關(guān)關(guān)系中x值表示坡度值，y值表示NDVI值，兩者關(guān)系可擬合為直線。

3結(jié)論

（1）和靜縣植被覆蓋度等級分布都具有明顯的空間異質(zhì)性，從總體上看，以中度和較低覆蓋植被為主。

（2）和靜縣土地生態(tài)類型中，林地的植被覆蓋度最高。

（3）高程對植被影響較大，NDVI值在高程為3000 m左右時(shí)達(dá)到最大值0.48，在2500～3200 m之間變化幅度不大，在3200 m之后隨高程的增加而下降。故和靜縣植被指數(shù)在低海拔與高海拔地區(qū)較低，在中海拔地區(qū)（2500～3200 m）植被指數(shù)達(dá)到最大。

（4）坡度對植被影響較大。在10°左右，植被長勢較好，植被指數(shù)達(dá)到最大。

綜上，應(yīng)用高分六號衛(wèi)星資料進(jìn)行植被覆蓋度遙感監(jiān)測，可以滿足日常業(yè)務(wù)應(yīng)用；更多的模型和指標(biāo)有待今后進(jìn)一步的研究。

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