克什克騰旗草原植被長(zhǎng)勢(shì)MODIS遙感監(jiān)測(cè)

范雪松 翟志軍 尹 源

內(nèi)蒙古自治區(qū)克什克騰旗氣象局 內(nèi)蒙古 克什克騰旗 025350

草原植被長(zhǎng)勢(shì)情況是指某一地區(qū)草原植被總的生長(zhǎng)狀況及趨勢(shì)[1],用當(dāng)年監(jiān)測(cè)草原植被長(zhǎng)勢(shì)情況與往年草原植被長(zhǎng)勢(shì)情況進(jìn)行比較,這樣就可以清楚的說(shuō)明草原植被生長(zhǎng)情況及好壞,往年草原植被長(zhǎng)勢(shì)是可以是某一時(shí)間段內(nèi)草原植被生長(zhǎng)狀況或者是實(shí)際狀況[2]。根據(jù)具體情況,時(shí)間段可以是月、季、年等。通常草原植被長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)可以分為兩種,一是遙感監(jiān)測(cè),二是地面監(jiān)測(cè)。遙感監(jiān)測(cè)草原植被長(zhǎng)勢(shì),是通過(guò)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)與草原植被生長(zhǎng)狀況的相關(guān)特點(diǎn),對(duì)各個(gè)時(shí)段內(nèi)的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析,從而反映出草原植被長(zhǎng)勢(shì)好壞的一種科學(xué)方法;地面監(jiān)測(cè)草原植被長(zhǎng)勢(shì),是先選取固定樣地,對(duì)樣地內(nèi)的植被進(jìn)行測(cè)定,通過(guò)與往年的測(cè)定結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,從而說(shuō)明現(xiàn)在草原植被長(zhǎng)勢(shì)情況。

利用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)草原植被長(zhǎng)勢(shì)情況,主要是利用3S技術(shù),包括GIS(地理信息系統(tǒng))、GPS(全球定位系統(tǒng))、RS(遙感),與地面監(jiān)測(cè)相結(jié)合[3],實(shí)現(xiàn)對(duì)草原植被長(zhǎng)勢(shì)的全方位監(jiān)測(cè)。草原植被遙感監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要有草原植被長(zhǎng)勢(shì)、草原植被生物量等。近些年,3S技術(shù)不斷發(fā)展成熟,尤其是在對(duì)地觀測(cè)方面發(fā)展迅速,高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取技術(shù)不斷增強(qiáng),這些都為草原植被遙感監(jiān)測(cè)提供了強(qiáng)大支撐,我國(guó)利用遙感技術(shù)對(duì)草原植被、草原生物量、草原災(zāi)害等的監(jiān)測(cè)日益精準(zhǔn)。

草原植被是草地生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分,是動(dòng)植物資源的寶庫(kù)[4]。但是由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展。人們對(duì)于草原過(guò)度開(kāi)發(fā),如毀草開(kāi)地、過(guò)牧、過(guò)開(kāi)采等,加上全球氣候變化共同影響,導(dǎo)致植被退化、土地沙化、水土流失,草原植被退化成為我國(guó)最嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。利用遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠及時(shí)、準(zhǔn)確的了解草原植被情況[5],可以從宏觀上揭示植被生長(zhǎng)情況,實(shí)現(xiàn)草原植被可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

克什克騰旗地處于內(nèi)蒙古東部、赤峰市西北部,是內(nèi)蒙古高原與大興安嶺南端山地和燕山余脈七老圖山的交匯地帶,克什克騰旗總面積約20673平方公里。地理坐標(biāo)是:東經(jīng)126°21′～118°26′,北緯42°23′～44°22′,地勢(shì)呈西高東低,中部多為沙地,北部為草原,地處渾善達(dá)克和科爾沁兩大沙地的結(jié)合部,包括了草原、沙地、熔巖臺(tái)地和丘陵山區(qū),地形復(fù)雜多樣。克什克騰旗屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候,冬季寒冷干燥,夏季炎熱,冬季時(shí)間長(zhǎng),夏季時(shí)間短,年平均氣溫2～4℃,無(wú)霜期60～150天,年降雨量250～500毫米。

2 研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 利用2019年和2018年4月1日-9月30日每日覆蓋全國(guó)的遙感數(shù)據(jù)(MODIS數(shù)據(jù)),經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理,幾何校正、輻射定標(biāo)等過(guò)程[6],把每一個(gè)月的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行NDVI指數(shù)計(jì)算,并且對(duì)每一個(gè)月的NDVI指數(shù)進(jìn)行最大值合成,消除云、氣溶膠等因素的干擾,最后得到兩年監(jiān)測(cè)期間每個(gè)月的最大NDVI值,然后用2019年每個(gè)月的NDVI值減去2018年同時(shí)段每個(gè)月的NDVI值,得到2019年和2018年每個(gè)月NDVI差值圖,對(duì)差值圖進(jìn)行分類計(jì)算,得出2019年克什克騰旗草原植被每個(gè)月長(zhǎng)勢(shì)情況。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法 植被指數(shù)通常是利用植物本身在不同波段上的光譜反射特征來(lái)計(jì)算的[7]。歸一化指數(shù)計(jì)算NDVI(Normalized Difference Vegetation Index),NDVI指數(shù)與植被長(zhǎng)勢(shì)好壞呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。NDVI指數(shù)計(jì)算公式為:

NDVI=(B2-B1)/(B2+B1)

公式中的B1代表在MODIS第一波段反射率,B2表示第二波段反射率。最后算得NDVI指數(shù)數(shù)值越大,表示植被長(zhǎng)勢(shì)越好,植物越茂密[8],同理,如果NDVI指數(shù)越小,表示植被越稀疏。

2.3 數(shù)據(jù)處理 對(duì)2019年和2018年4月1日-9月30日遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行NDVI指數(shù)計(jì)算,然后在對(duì)每一個(gè)月NDVI指數(shù)進(jìn)行最大值合成,得到2019年和2018年4月到9月每個(gè)月的NDVI指數(shù),對(duì)同期的NDVI指數(shù)進(jìn)行比較分析[9],計(jì)算每個(gè)月植被長(zhǎng)勢(shì)差值,根據(jù)差值大小進(jìn)行等級(jí)劃分,表示植被長(zhǎng)勢(shì)等級(jí):

公式中D是草原植被長(zhǎng)勢(shì)指數(shù)差值,NDVI19表示2019年某一個(gè)月草原植被指數(shù),NDVI18表示2018年同時(shí)段草原植被指數(shù)[10]。

為了更好的對(duì)克什克騰旗草原植被進(jìn)行科學(xué)分析評(píng)價(jià),本人根據(jù)D值的大小,把NDVI指數(shù)分為8個(gè)等級(jí),從0.1至0.7以上,每個(gè)等級(jí)相差0.1,NDVI值越大表示長(zhǎng)勢(shì)越好。

對(duì)草原植被長(zhǎng)勢(shì)分析,利用GIS,按照鄉(xiāng)鎮(zhèn)單元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[11],得到4-9月每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的草原植被長(zhǎng)勢(shì)統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù),由此得到克什克騰旗的草原植被長(zhǎng)勢(shì)動(dòng)態(tài)變化圖表并加以分析。

3結(jié)果與分析

3.1 2019年克什克騰旗草原總體長(zhǎng)勢(shì)好于2018年 2019年4-9月份克什克騰旗草原植被每月監(jiān)測(cè)面積平均有1.89萬(wàn)km2。其中總體長(zhǎng)勢(shì)比2018年好的草原植被面積占20.19%;長(zhǎng)勢(shì)與去年持平的占67.99%;長(zhǎng)勢(shì)差于去年的占11.99%(圖1)。

圖1 2019年克什克騰旗草原植被長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)圖Fig 1 Result of grassland growth of Keshiketeng Banner in 2019 by remote sensing monitoring

3.2 中期長(zhǎng)勢(shì)較好,前期后期長(zhǎng)勢(shì)較差 從每個(gè)月的植被長(zhǎng)勢(shì)動(dòng)態(tài)變化來(lái)看,克什克騰旗草原植被在6-7月份長(zhǎng)勢(shì)最好,明顯好于8-9月份,克什克騰旗前期草原植被長(zhǎng)勢(shì)與去年基本持平,沒(méi)有太大變化,在4-5月草原植被長(zhǎng)勢(shì)基本不變面積占總面積的93.07%,進(jìn)入6月份后,草原植被長(zhǎng)勢(shì)發(fā)生逆轉(zhuǎn),6月份草原植被長(zhǎng)勢(shì)好于去年同期,長(zhǎng)勢(shì)好的面積占總面積的62.56%,7月份草原植被長(zhǎng)勢(shì)繼續(xù)變好,好于去年同期54.6%,但是8-9月草原植被長(zhǎng)勢(shì)開(kāi)始變差,較去年同期平均相差28.69%(表1)

圖2 2019年克什克騰旗各個(gè)時(shí)期草原植被長(zhǎng)勢(shì)對(duì)比Fig 2 Comparison of vegetation growth among different months of 2019

圖3 2019年克什克騰旗各個(gè)時(shí)期草原植被長(zhǎng)勢(shì)分布圖Fig 3 Spatial distribution of the overall grassland growth in 2019

表1 2019年克什克騰旗草原植被不同時(shí)期的長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 1 Vegetation growth in various months of 2019 by remote sensing monitoring

8月 1.4 1 0.0 3 9 0.4 4 7 9.3 8 3.0 0 1 7.6 4 9月 1.2 4 0.0 1 4 0.6 5 6 6.0 3 7.1 6 3 3.2 5平均A v e r a g e 1.2 8 0.3 8 0.2 3 6 7.9 4 2 2.1 9 1 0.7 0

從圖2可以看出,在4-5月份,克什克騰旗草原植被長(zhǎng)勢(shì)較好與長(zhǎng)勢(shì)不好占比都比較少,最大占比不超過(guò)13.3%,草原植被長(zhǎng)勢(shì)基本不變,但是從6月份開(kāi)始,草原植被長(zhǎng)勢(shì)好的占比明顯高于長(zhǎng)勢(shì)不好占比,7月份略有下降,但總體是以長(zhǎng)勢(shì)好的占比為主,8月份開(kāi)始,草原植被長(zhǎng)勢(shì)不好占比呈線性增長(zhǎng),形成了克什克騰旗草原總體長(zhǎng)勢(shì)“中期長(zhǎng)勢(shì)較好,前期后期長(zhǎng)勢(shì)較差”的演變格局。

3.3 克什克騰旗西北部較好,東南部較差 從遙感監(jiān)測(cè)圖上可以看出,克什克騰旗草原植被長(zhǎng)勢(shì)空間分布差異顯著。圖3為2019年4-9月克什克騰旗草原植被長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)圖,圖4為與2018年同期相比植被指數(shù)變化圖。由圖可知:克什克騰旗草原植被長(zhǎng)勢(shì)在西北部最好,主要包括:巴彥查干蘇木、達(dá)來(lái)諾日鎮(zhèn)、達(dá)日罕烏拉蘇木、經(jīng)棚鎮(zhèn)。

植被長(zhǎng)勢(shì)較差的地區(qū)主要集中在克什克騰旗的東南部,尤其是紅山子鄉(xiāng);其次是萬(wàn)合永鎮(zhèn)。

4 討論

在對(duì)2018年、2019年4-9月克什克騰旗草原植被進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)分析中發(fā)現(xiàn),2019年克什克騰旗草原植被整體好于去年,并在在6-7月份植被長(zhǎng)勢(shì)最好,在空間分布上以克什克騰旗西北部植被好于東南部。導(dǎo)致這一原因可是與水熱條件和地形條件相關(guān),充足的降水和較高的氣溫都有利于草原植被生長(zhǎng)。

利用遙感技術(shù)對(duì)草原植被生長(zhǎng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),可以從宏觀上為草原利用和草原管理提供重要決策材料[12]。精準(zhǔn)、及時(shí)的對(duì)草原植被長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)對(duì)于草原管理和利用十分重要,并且草原植被長(zhǎng)勢(shì)的精度受植被指數(shù)影響,根據(jù)研究表明,歸一化指數(shù)NDVI對(duì)于草原植被生長(zhǎng)季表現(xiàn)敏感,NDVI指數(shù)與植被量呈現(xiàn)線性關(guān)系。

為了使草原植被長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更加精確,最好是利用當(dāng)年的數(shù)據(jù)與去年的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比,這樣時(shí)間間隔較短,消除了年際變化帶來(lái)的誤差[13]。也可以更好的說(shuō)明草原植被長(zhǎng)勢(shì)情況。

對(duì)于利用遙感手段監(jiān)測(cè)草原植被長(zhǎng)勢(shì)情況,也存在一些困難,例如遙感數(shù)據(jù)分辨率的問(wèn)題[14],一般所用遙感數(shù)據(jù)分辨率是500m×500m以下,對(duì)所觀察地面的結(jié)果很難一一對(duì)應(yīng),但是利用人工觀測(cè)或者是無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)手段,可以彌補(bǔ)這方面的不足,三種方法相互驗(yàn)證,提高監(jiān)測(cè)精度。

圖4 2019年克什克騰旗草原植被與去年相比植被指數(shù)變化圖Fig 3 Vegetation index change of grassland compared with last year in 2019