草原植被長(zhǎng)勢(shì)遙感監(jiān)測(cè)方法適宜性研究*

饒新宇, 李紅軍, 張圣微, 雒 萌, 劉志強(qiáng), 張靜文

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院 呼和浩特 010018; 2.中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050022; 3.內(nèi)蒙古自治區(qū)水資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)大數(shù)據(jù)研究與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 呼和浩特 010018; 4.衡水市園林中心 衡水 053000)

草地資源是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 在人類(lèi)活動(dòng)、自然生態(tài)平衡及陸地生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)中發(fā)揮著重要作用[1-2]。我國(guó)是草地資源大國(guó), 擁有各類(lèi)天然草地約3.9×108hm2[3], 牧草種類(lèi)繁多, 保障了我國(guó)畜牧業(yè)的發(fā)展[4]。但由于長(zhǎng)期的掠奪式放牧、氣候變化、鼠蟲(chóng)害以及大面積草地的開(kāi)墾, 草地資源大規(guī)模退化, 惡化的草原生態(tài)環(huán)境威脅到畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[5-7]。草地資源作為畜牧業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ), 保護(hù)和建設(shè)草地資源也是我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的重要內(nèi)容, 對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略性調(diào)整具有重要意義[8]。2021年我國(guó)中央一號(hào)文件指出, 要科學(xué)開(kāi)展大規(guī)模國(guó)土綠化行動(dòng), 穩(wěn)步恢復(fù)草原生態(tài)環(huán)境。草地作為可更新資源, 地域遼闊, 要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)利用離不開(kāi)對(duì)草原的快速監(jiān)測(cè)。因此開(kāi)展草原植被長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)方法的研究和應(yīng)用, 對(duì)于草地資源的管理、保護(hù)以及生態(tài)環(huán)境的改善, 具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值[9]。

草原植被長(zhǎng)勢(shì)是指其植被的生長(zhǎng)狀況和趨勢(shì)。傳統(tǒng)的草原植被長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)多采用地面人工調(diào)查的方法, 主要測(cè)量和記錄牧草的植被覆蓋度、高度、牧草發(fā)育期和產(chǎn)草量等植被長(zhǎng)勢(shì)信息。人工監(jiān)測(cè)方法耗時(shí)費(fèi)力, 且只能得到若干點(diǎn)的數(shù)據(jù), 覆蓋范圍有限,代表性較差, 無(wú)法快速反映遼闊草原長(zhǎng)勢(shì)的時(shí)空變異, 影響到草原管理措施的時(shí)效性[2,10-12]。遙感具有高空間、高時(shí)間分辨率, 以及敏感波段與地表植被狀況存在密切相關(guān)的特征[13-14], 為植被長(zhǎng)勢(shì)的大范圍快速監(jiān)測(cè)提供了支持[15-16]。遙感技術(shù)首先在農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)中得到發(fā)展和廣泛應(yīng)用。作物長(zhǎng)勢(shì)遙感監(jiān)測(cè)的實(shí)質(zhì)是通過(guò)遙感反演獲得可反映其生長(zhǎng)特征的生物學(xué)指標(biāo)。因?yàn)橹参锏纳L(zhǎng)都需要葉片的光合作用, 因此葉面積指數(shù)(LAI)就是一個(gè)與作物長(zhǎng)勢(shì)特征密切相關(guān)的綜合指數(shù)?；诮t外和紅光波段對(duì)植被特征的敏感反映, 將這2個(gè)波段組合后形成的植被指數(shù)則可實(shí)現(xiàn)對(duì)LAI的估算[17]。常用的植被指數(shù)包括歸一化植被指數(shù)(NDVI)、垂直植被指數(shù)(PVI)、比值植被指數(shù)(RVI)和增強(qiáng)型植被指數(shù)(EVI)等, 其中NDVI最為常用[18-20], 可直接用于對(duì)作物長(zhǎng)勢(shì)的監(jiān)測(cè)。由于農(nóng)作物和草原植被長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)對(duì)象均是地表植被, 因而草原植被長(zhǎng)勢(shì)遙感監(jiān)測(cè)的方法多是借鑒于農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)的遙感監(jiān)測(cè)。李楠等[21]基于長(zhǎng)時(shí)間序列的MODIS NDVI數(shù)據(jù)分析了若爾蓋高原植被生長(zhǎng)季NDVI的變化趨勢(shì)、波動(dòng)程度及未來(lái)變化趨勢(shì)。田海靜等[5]利用MODIS NDVI對(duì)我國(guó)北方草原草地植被長(zhǎng)勢(shì)動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè), 分析發(fā)現(xiàn)近20年我國(guó)北方草原整體植被呈現(xiàn)恢復(fù)狀態(tài), 但局部地區(qū)植被存在退化現(xiàn)象。

農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)的遙感監(jiān)測(cè)方法主要包括: 直接監(jiān)測(cè)法、植被生長(zhǎng)過(guò)程曲線(xiàn)法、同期對(duì)比法, 其中同期對(duì)比法的應(yīng)用最為廣泛[22]?？紤]到同期對(duì)比法中不同時(shí)期土地利用變化以及參照年份作物長(zhǎng)勢(shì)不確定性對(duì)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)的影響, Li等[23]提出了利用作物多年同期NDVI大數(shù)據(jù)的百分位數(shù)評(píng)估法, 從而實(shí)現(xiàn)了作物長(zhǎng)勢(shì)的定量遙感監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)。上述遙感監(jiān)測(cè)方法都是利用了植被的NDVI, 從不同角度對(duì)其長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行評(píng)估。這些方法在草原植被長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)中適宜性如何? 其評(píng)估結(jié)果對(duì)草地長(zhǎng)勢(shì)的反映有何差異? 與農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)遙感監(jiān)測(cè)相比, 草原植被遙感監(jiān)測(cè)的研究相對(duì)較弱, 對(duì)于上述問(wèn)題的研究, 將有助于遙感技術(shù)在草原植被長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)中應(yīng)用和發(fā)展。基于此, 本研究以?xún)?nèi)蒙古自治區(qū)西烏珠穆沁旗(簡(jiǎn)稱(chēng)西烏旗)草原植被監(jiān)測(cè)為例, 對(duì)目前常用的長(zhǎng)勢(shì)遙感監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行適宜性分析, 比較不同方法對(duì)草地植被長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)的差異及存在的問(wèn)題, 以期為不同遙感監(jiān)測(cè)方法的選擇或綜合應(yīng)用提供依據(jù), 促進(jìn)草原植被遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究和應(yīng)用。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

西烏旗位于錫林郭勒盟東部(116°31′～119°46′E,43°93′～45°37′N(xiāo)), 下轄2個(gè)蘇木, 5個(gè)鎮(zhèn), 土地面積22 434.5 km2, 總?cè)丝?萬(wàn)。全旗可利用草場(chǎng)面積20 290 km2, 占土地總面積的90%, 草原類(lèi)型主要包括草甸草原和典型草原(圖1)。西烏旗屬于溫帶干旱半干旱大陸性氣候, 冬春寒冷漫長(zhǎng), 4月中旬?10月中旬日平均氣溫高于0 ℃。近5年(2016?2020年)年平均氣溫為2.82 ℃, 年平均降水量為402 mm。

圖1 西烏旗草原類(lèi)型及采樣區(qū)分布Fig.1 Distribution of grassland types and sampling areas of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

1.2.1 遙感數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)預(yù)處理

本研究使用MODIS的植被產(chǎn)品MODIS13Q1數(shù)據(jù) (http://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov), 數(shù)據(jù)格式為hdf, 空間分辨率為250 m, 時(shí)間間隔為16 d, 時(shí)間跨度為2016?2020年。MODIS NDVI產(chǎn)品提高了空間分辨率及其對(duì)地表植被葉綠素的相關(guān)性, 能夠很好地反映植被長(zhǎng)勢(shì)的變化, 是目前植被長(zhǎng)勢(shì)評(píng)估中應(yīng)用較為廣泛的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。利用MRT (MODIS Reprojection Tools)對(duì)MODIS13Q1數(shù)據(jù)進(jìn)行NDVI數(shù)據(jù)提取、拼接、投影及格式轉(zhuǎn)換等預(yù)處理。為了去除噪聲的影響, 利用TIMESAT軟件里的Savitzky-Golay濾波對(duì)MODIS NDVI時(shí)間序列進(jìn)行平滑處理。

獲得內(nèi)蒙古草原NDVI植被指數(shù)序列數(shù)據(jù)后, 參考http://www.globallandcover.com官網(wǎng)提供的土地覆蓋類(lèi)型數(shù)據(jù), 對(duì)研究區(qū)草原用地類(lèi)型進(jìn)行提取。利用決策樹(shù)法通過(guò)NDVI閾值調(diào)整, 獲得研究區(qū)典型草原與草甸草原的分布, 對(duì)分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行去斑處理, 結(jié)合地面調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)草原類(lèi)型分類(lèi)精度進(jìn)行檢驗(yàn), 總體精度達(dá)81% (圖1)。

1.2.2 地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

研究區(qū)草地生物量地面監(jiān)測(cè)調(diào)查時(shí)間為2017年7月31日至8月1日。在西烏旗選擇長(zhǎng)勢(shì)均一、具有代表性的24個(gè)樣區(qū)(圖1), 每個(gè)樣區(qū)設(shè)置3個(gè)1 m×1 m的樣方, 記錄每個(gè)樣區(qū)的地理位置, 采集全部地上生物量并稱(chēng)重, 在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)105 ℃恒溫下烘干至恒重, 稱(chēng)取地上生物量干重, 用于指示其草原長(zhǎng)勢(shì)。

2 研究方法

2.1 直接監(jiān)測(cè)法

直接監(jiān)測(cè)法利用遙感反演的植被指數(shù)通過(guò)不同等級(jí)閾值的劃分來(lái)直接區(qū)分草原長(zhǎng)勢(shì)的差異。本研究利用MODIS NDVI數(shù)據(jù), 通過(guò)對(duì)NDVI的等級(jí)劃分來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)草原植被長(zhǎng)勢(shì)的差異判讀。

NDVI計(jì)算公式:

式中: NIR為近紅外波段反射率,R為紅光波段反射率。

2.2 植被生長(zhǎng)過(guò)程曲線(xiàn)法

草原植被生長(zhǎng)是一個(gè)隨著時(shí)間漸變的過(guò)程, 按時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)草原NDVI的平均值, 即構(gòu)建監(jiān)測(cè)地區(qū)草原植被NDVI隨時(shí)間的變化過(guò)程曲線(xiàn),通過(guò)當(dāng)年草原生長(zhǎng)過(guò)程與參考年份的生長(zhǎng)曲線(xiàn)的比較, 來(lái)評(píng)價(jià)當(dāng)年長(zhǎng)勢(shì)好于、持平于或差于參考年份。如果生長(zhǎng)曲線(xiàn)高于參考年份, 則表示其長(zhǎng)勢(shì)要好于同期, 反之亦然。

2.3 同期對(duì)比法

利用當(dāng)年草原植被NDVI與去年或某一參考年份同期的草原植被NDVI相減, 得到相比參考年份草原植被長(zhǎng)勢(shì)的變化情況, 按照差值結(jié)果設(shè)定相應(yīng)的閾值, 將草原植被長(zhǎng)勢(shì)分為: 好于參考年, 與參考年持平, 差于參考年。計(jì)算公式為:

式中: Δ NDVI 為當(dāng)年與參考年草原植被NDVI的差值, NDVI1為 當(dāng)年NDVI值, NDVI2為參考年份草原的NDVI值。

2.4 基于NDVI的百分位數(shù)法

基于NDVI的百分位數(shù)法利用了多年同期同類(lèi)地物NDVI的大數(shù)據(jù), 分析獲得任一NDVI數(shù)值在這一大數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)的百分位數(shù), 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)其長(zhǎng)勢(shì)的定量評(píng)價(jià)。該方法仍屬于同期對(duì)比, 對(duì)研究區(qū)內(nèi)本年度及過(guò)去4年的同期草原NDVI大數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),計(jì)算不同NDVI值對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)量, 按照NDVI值的大小進(jìn)行排序, 統(tǒng)計(jì)不同NDVI值對(duì)應(yīng)的累計(jì)百分位, 建立近5年同期的NDVI百分位查詢(xún)表。計(jì)算公式如下:

草地NDVI取值范圍為0到1, 為了便于計(jì)算,將NDVI值乘以100后取整(NDVIint), 統(tǒng)計(jì)不同NDVI值對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)量, 再進(jìn)行百分位數(shù)的計(jì)算。

式中:Pn為NDVIint=n時(shí)的百分位數(shù)(%),n的取值范圍為0到100, NUMndvi,j為NDVIint=j時(shí)的像素?cái)?shù)量,NUMall為所有像素的數(shù)量。

建立NDVI百分位查詢(xún)表后, 查詢(xún)?nèi)我徊菰袼豊DVIint對(duì)應(yīng)的百分位數(shù), 以其百分位數(shù)代表其當(dāng)前的長(zhǎng)勢(shì)評(píng)分, 生成對(duì)應(yīng)的百分位數(shù)圖像, 從而評(píng)價(jià)當(dāng)前草原植被長(zhǎng)勢(shì)在這幾年中的長(zhǎng)勢(shì)水平, 如果百分位數(shù)較高, 則反映其長(zhǎng)勢(shì)在近5年中處于較好的水平, 反之亦然。本研究考慮到草甸草原與典型草原整體長(zhǎng)勢(shì)的自然差異, 對(duì)兩種草原類(lèi)型分別建立NDVI百分位查詢(xún)表進(jìn)行長(zhǎng)勢(shì)評(píng)價(jià)。

3 結(jié)果與分析

3.1 直接監(jiān)測(cè)法結(jié)果

利用西烏旗2020年7月26日草原的NDVI數(shù)據(jù), 按照0.1的間隔進(jìn)行長(zhǎng)勢(shì)等級(jí)劃分, 實(shí)現(xiàn)對(duì)其長(zhǎng)勢(shì)差異的直接監(jiān)測(cè), 其分布如圖2所示。該時(shí)期西烏旗草原植被處于盛草期, 草地植被覆蓋度普遍較高, 植被指數(shù)NDVI趨于全年最大值。在草地長(zhǎng)勢(shì)分布上, 西烏旗東南部大部分地區(qū)草原植被的NDVI>0.6, 西北部大部分地區(qū)NDVI<0.6, 長(zhǎng)勢(shì)存在明顯的區(qū)域差異。西烏旗草甸草原集中在其東南部, 而西北部多為典型草原, 草地長(zhǎng)勢(shì)與草原類(lèi)型的空間分布基本一致。直接監(jiān)測(cè)法能夠區(qū)分草地長(zhǎng)勢(shì)的空間差異, 但由于NDVI等級(jí)劃分閾值的限制, 對(duì)同一類(lèi)型草地內(nèi)部的長(zhǎng)勢(shì)差異信息反映不夠清晰, 即使典型草原長(zhǎng)勢(shì)較好, 草甸草原長(zhǎng)勢(shì)偏差, 其二者在自然條件上的差異仍會(huì)造成其整體長(zhǎng)勢(shì)的地區(qū)差別。圖2中草甸草原NDVI>0.7的比例為60%, 典型草原NDVI<0.6的比例為73%。

圖2 基于NDVI數(shù)值的西烏旗草原長(zhǎng)勢(shì)等級(jí)劃分(2020年7月26日)Fig.2 Division of grassland growth based on NDVI for the study area (July 26, 2020)

3.2 植被生長(zhǎng)過(guò)程曲線(xiàn)法監(jiān)測(cè)結(jié)果

從11月中旬到翌年1月底, 西烏旗大部分地區(qū)被雪覆蓋, 長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)沒(méi)有意義。本研究選取雪地消融后的時(shí)段, 計(jì)算各個(gè)時(shí)期該區(qū)域全部草原的NDVI平均值, 按照時(shí)間序列構(gòu)建其生長(zhǎng)過(guò)程曲線(xiàn)。按照同樣的時(shí)間步長(zhǎng)構(gòu)建2016?2020年平均NDVI的變化曲線(xiàn), 并對(duì)二者進(jìn)行比較, 如圖3所示。

圖3 2020年草原植被生長(zhǎng)過(guò)程曲線(xiàn)與近5年(2016-2020年)平均生長(zhǎng)過(guò)程曲線(xiàn)比較Fig.3 Comparison of grassland vegetation growth process in 2020 and the average one for 2016?2020

2020年西烏旗草原生長(zhǎng)曲線(xiàn)從2月初至4月中旬低于同期近5年的平均NDVI值, 2020年4月中旬之后的NDVI曲線(xiàn)明顯高于平均曲線(xiàn), 說(shuō)明本年度草原長(zhǎng)勢(shì)在前期偏差, 進(jìn)入5月份后逐漸好轉(zhuǎn)并明顯好于近5年平均長(zhǎng)勢(shì)。2020年與2016?2020年平均NDVI曲線(xiàn)最大值都出現(xiàn)在7月底左右, NDVI最大值分別為0.60和0.57。8月中旬之后, 草地逐漸干枯, NDVI值開(kāi)始減小, 2020年與近5年NDVI曲線(xiàn)接近重合。就全年生長(zhǎng)過(guò)程曲線(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的NDVI累計(jì)值而言, 2020年為6.27, 近5年平均累計(jì)值為6.12, 2020年草原整體長(zhǎng)勢(shì)略好于近5年平均。

3.3 同期對(duì)比法監(jiān)測(cè)結(jié)果

對(duì)2020年7月26日和2019年7月26日同期草地的NDVI做差值比較, 將NDVI差值>?0.05且<0.05設(shè)定其長(zhǎng)勢(shì)為“與去年持平”, 相應(yīng)地, NDVI差值0.05分別設(shè)定為“差于去年”和“好于去年”, 分級(jí)結(jié)果見(jiàn)圖4。相較于2019年同期, 西烏旗草原大部分地區(qū)好于去年或與去年持平, 其中好于去年的比例為40.5%, 多集中于西烏旗西部和北部地區(qū)的典型草原。與去年持平的比例為50.9%, 集中在西烏旗東南部地區(qū)的草甸草原。草地植被長(zhǎng)勢(shì)差于去年的比例為8.6%, 零星分布于西烏旗草原中部地區(qū)。整體來(lái)看, 2020年7月26日盛草期的草地植被長(zhǎng)勢(shì)明顯好于2019年的同期。

圖4 2020年與2019年7月同期草原植被長(zhǎng)勢(shì)比較Fig.4 Comparison of grassland vegetation growth in July of 2020 and 2019

3.4 百分位數(shù)法的長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)結(jié)果

利用2016?2020年7月26日同期NDVI數(shù)據(jù),基于西烏旗草甸草原和典型草原的分布, 分別統(tǒng)計(jì)近5年NDVI的數(shù)據(jù)分布, 建立2類(lèi)草原類(lèi)型的百分位查詢(xún)表, 對(duì)2020年的草甸草原和典型草原長(zhǎng)勢(shì)分別進(jìn)行評(píng)價(jià)然后將其合并成圖, 結(jié)果如圖5所示。2020年草甸草原長(zhǎng)勢(shì)評(píng)價(jià)得分較高的像素較多, 高于50分的草原比例為63%, 得分高于80的地區(qū)多集中在西烏旗東南部的邊界地區(qū), 得分低于20的像素很少, 零散分布于中西部。典型草原評(píng)價(jià)得分高于50的比例為66%, 得分高于80的像素不多, 分布較為分散。整體來(lái)看, 東部地區(qū)草地長(zhǎng)勢(shì)得分值要高于西部地區(qū), 2020年西烏旗草原植被長(zhǎng)勢(shì)在近5年中處于中等偏上水平。

圖5 基于NDVI百分位數(shù)法的草原植被長(zhǎng)勢(shì)評(píng)分Fig.5 Evaluation of grassland vegetation growth based on NDVI percentile method

3.5 4種草原植被長(zhǎng)勢(shì)遙感監(jiān)測(cè)方法適宜性分析

由于遙感信息的瞬時(shí)性, 直接監(jiān)測(cè)法只能通過(guò)草原植被NDVI的分級(jí), 直觀地反映某一時(shí)刻其長(zhǎng)勢(shì)的空間分布。要通過(guò)草原NDVI數(shù)值實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確地進(jìn)行長(zhǎng)勢(shì)分級(jí), 需要根據(jù)地面調(diào)查確定各長(zhǎng)勢(shì)等級(jí)的NDVI閾值。本研究中簡(jiǎn)單地對(duì)草地NDVI進(jìn)行了等級(jí)劃分, 用于展示其長(zhǎng)勢(shì)的空間異質(zhì)性, 屬于半定量的監(jiān)測(cè)方法。西烏旗草原NDVI分布顯示東南部地區(qū)草地植被長(zhǎng)勢(shì)好于西北部地區(qū), 這是因?yàn)槲鳛跗鞏|南部地區(qū)大部分是草甸草原, 而典型草原集中分布于西北部地區(qū)。由于自然環(huán)境自身的差異, 草甸草原更適合牧草的生長(zhǎng), 類(lèi)似于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的高產(chǎn)區(qū), 植被生長(zhǎng)明顯好于典型草原, 僅單從NDVI值大小而不考慮草原類(lèi)型來(lái)評(píng)估植被長(zhǎng)勢(shì)容易造成草原長(zhǎng)勢(shì)評(píng)價(jià)的偏差, 即使典型草原長(zhǎng)勢(shì)再好, 與草甸草原相比總是相對(duì)較差, 這類(lèi)似于農(nóng)作物遙感長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)中高產(chǎn)農(nóng)田與低產(chǎn)農(nóng)田的比較, 低產(chǎn)區(qū)長(zhǎng)勢(shì)的變化很難被監(jiān)測(cè)出來(lái)。

植被生長(zhǎng)過(guò)程曲線(xiàn)法監(jiān)測(cè)的是整個(gè)區(qū)域草原平均長(zhǎng)勢(shì)與參照年份的差異, 是對(duì)整體長(zhǎng)勢(shì)的相對(duì)評(píng)價(jià)。該方法通過(guò)整體長(zhǎng)勢(shì)(NDVI平均值)隨時(shí)間的變化曲線(xiàn), 顯示不同時(shí)期該區(qū)域在整體長(zhǎng)勢(shì)上好于、持平于、差于某一年份的同期, 適用于監(jiān)測(cè)區(qū)域植被長(zhǎng)勢(shì)空間相對(duì)均一的情形。本研究中, 西烏旗草原類(lèi)型包括草甸草原和典型草原, 草原類(lèi)型自身的差異往往會(huì)形成不同的生長(zhǎng)曲線(xiàn), 而集總式的監(jiān)測(cè)結(jié)果無(wú)法提供不同草原類(lèi)型的差異。圖6顯示了2020年草甸草原(a)與典型草原(b)不同的生長(zhǎng)曲線(xiàn)及其與近5年各自平均生長(zhǎng)曲線(xiàn)的比較。2種類(lèi)型草原生長(zhǎng)曲線(xiàn)在走勢(shì)上雖然相似, 但在變化幅度上存在顯著差異。草甸草原NDVI的峰值可達(dá)0.73, 而典型草原的峰值為0.55。

圖6 2020年草甸草原(a)與典型草原(b)植被生長(zhǎng)過(guò)程曲線(xiàn)與近5年(2016-2020年)平均生長(zhǎng)曲線(xiàn)比較Fig.6 Comparison of vegetation growth process for meadow grassland (a) and typical grassland (b) in 2020 and the average one for 2016?2020

相對(duì)于植被生長(zhǎng)過(guò)程曲線(xiàn)法, 同期對(duì)比法通過(guò)與不同年份草原同期NDVI的差值來(lái)半定量地評(píng)價(jià)與參考年份長(zhǎng)勢(shì)的差異。該方法的評(píng)價(jià)結(jié)果容易受參考年份的影響, 如果參考年份草原受災(zāi)或者風(fēng)調(diào)雨順而導(dǎo)致其長(zhǎng)勢(shì)較差或較好, 將會(huì)造成本年度長(zhǎng)勢(shì)評(píng)價(jià)過(guò)于樂(lè)觀或悲觀。同時(shí), 如果土地利用類(lèi)型發(fā)生變化, 如退耕還草等, 則會(huì)因?yàn)閰⒄盏匚镱?lèi)型的不一致造成不同用地類(lèi)型長(zhǎng)勢(shì)的比較。在本研究中,如果將參考年份設(shè)定為2018年或2017年, 其評(píng)價(jià)結(jié)果則如圖7所示。圖7a中2020年好于2018年的比例為36.97%, 與2018年持平的比例為50.66%, 差與2018年的比例為12.37%。圖7b中2020年好于2017年的比例為53.27%, 與2017年持平的比例為39.29%, 差與2017年的比例為7.44%?？梢?jiàn)對(duì)比法的評(píng)價(jià)結(jié)果易受參考年份的影響。

圖7 2020年與2018年(a)和2017年(b) 7月同期草原植被長(zhǎng)勢(shì)比較Fig.7 Comparison of grassland vegetation growth in July of 2020 with 2018 (a) and 2017 (b)

百分位數(shù)法的長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)方法利用相同草原類(lèi)型多年的NDVI大數(shù)據(jù), 建立相應(yīng)的百分位數(shù)查詢(xún)表,分別對(duì)典型草原和草甸草原進(jìn)行評(píng)價(jià), 解決了草地類(lèi)型變化、參考年份草地長(zhǎng)勢(shì)偏差過(guò)大等原因造成的長(zhǎng)勢(shì)評(píng)價(jià)誤差。百分位數(shù)法將監(jiān)測(cè)區(qū)域的所有草原像素NDVI值納入大數(shù)據(jù)中進(jìn)行評(píng)比分析, 通過(guò)其所處的百分位來(lái)定量評(píng)價(jià)其長(zhǎng)勢(shì)。因?yàn)椴捎枚嗄晖贜DVI數(shù)據(jù), 該方法納入了同類(lèi)草原類(lèi)型可能存在的從最差(最小NDVI)到最優(yōu)(最大NDVI)長(zhǎng)勢(shì)信息, 提高了長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)評(píng)分的合理性。

3.6 基于草原采樣的長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)方法驗(yàn)證

因?yàn)橹脖簧L(zhǎng)過(guò)程曲線(xiàn)法與同期對(duì)比法提供的是基于比較的半定量評(píng)價(jià)結(jié)果, 不適合結(jié)合地面監(jiān)測(cè)進(jìn)行精度的驗(yàn)證。對(duì)于直接監(jiān)測(cè)法(草原NDVI數(shù)值)和基于NDVI百分位數(shù)法, 本研究利用2017年7月31日至8月1日在西烏旗24個(gè)草原樣區(qū)的地面監(jiān)測(cè)對(duì)其長(zhǎng)勢(shì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。圖8為采樣區(qū)單位面積產(chǎn)草量干重與其N(xiāo)DVI數(shù)值、百分位數(shù)法長(zhǎng)勢(shì)評(píng)分的相關(guān)性分析。草原樣區(qū)產(chǎn)草量干重與其N(xiāo)DVI數(shù)值相關(guān)性的決定系數(shù)為0.5502, 略高于其與百分位數(shù)法長(zhǎng)勢(shì)評(píng)分的相關(guān)性(0.5047), 二者均達(dá)到顯著相關(guān)(P<0.01), 可見(jiàn)這2種方法適合于對(duì)草原長(zhǎng)勢(shì)的定量監(jiān)測(cè)。

圖8 2017年草原植被NDVI及百分位數(shù)長(zhǎng)勢(shì)評(píng)分與地面植被生物量相關(guān)性Fig.8 Correlation between grassland NDVI, vegetation growth score by percentile method and ground vegetation biomass in 2017

4 討論與結(jié)論

農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)遙感監(jiān)測(cè)關(guān)注的是其營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成過(guò)程, 到作物生長(zhǎng)后期長(zhǎng)勢(shì)信息(NDVI)則不再是重點(diǎn), 而應(yīng)利用長(zhǎng)勢(shì)的過(guò)程信息評(píng)價(jià)其對(duì)最終產(chǎn)量形成的影響。草原長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)更注重全年中生物量的增減變化, 因此植被的NDVI數(shù)值可一直作為長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)源。基于NDVI數(shù)值提出的直接監(jiān)測(cè)法、植被生長(zhǎng)過(guò)程曲線(xiàn)法、同期對(duì)比法都屬于半定量的監(jiān)測(cè)方法[24]。直接監(jiān)測(cè)法利用的植被NDVI數(shù)值, 也可定量地評(píng)估植被的長(zhǎng)勢(shì), 如本研究中植被NDVI數(shù)值與其產(chǎn)草量干重的顯著相關(guān)性, 但要實(shí)現(xiàn)對(duì)草原長(zhǎng)勢(shì)的等級(jí)分類(lèi), 則需要實(shí)時(shí)的地面監(jiān)測(cè)輔助信息來(lái)確定不同長(zhǎng)勢(shì)等級(jí)的NDVI閾值。隨著基于物聯(lián)網(wǎng)的草原生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè), 以及無(wú)人機(jī)搭載多光譜儀快速監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展, 天-空-地一體的草情長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)可為這些半定量監(jiān)測(cè)方法的準(zhǔn)確分類(lèi)提供實(shí)時(shí)的輔助信息[25]。

草原NDVI數(shù)值常被用于長(zhǎng)勢(shì)的評(píng)價(jià), 而NDVI在高植被覆蓋區(qū)(如草甸草原)存在飽和現(xiàn)象[26], 在低植被覆蓋區(qū)又易受到土壤背景的影響(如荒漠草原), 雖然針對(duì)不同的草原狀況可以選擇適宜的植被指數(shù)以提高監(jiān)測(cè)精度, 如增強(qiáng)植被指數(shù)(EVI)、土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)(SAVI)等, 但不同植被指數(shù)間的可比性及長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)的持續(xù)性需要研究。本研究中草原樣區(qū)的選點(diǎn)基本屬于典型草原(圖1), 因而其百分位數(shù)法長(zhǎng)勢(shì)評(píng)分與其N(xiāo)DVI數(shù)值密切相關(guān)(R2=0.55)。如果樣區(qū)分別來(lái)自典型草原和草甸草原, 因?yàn)椴煌菰?lèi)型百分位數(shù)評(píng)分的查詢(xún)曲線(xiàn)不同, 即不同草原類(lèi)型下相同NDVI數(shù)值對(duì)應(yīng)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)不同, 則會(huì)降低其評(píng)分與采樣區(qū)單位面積產(chǎn)草量干重的相關(guān)性。因此, 如果利用百分位數(shù)評(píng)分監(jiān)測(cè)草原的產(chǎn)草量, 必須基于相同的草原類(lèi)型。

及時(shí)掌握草原長(zhǎng)勢(shì)信息, 對(duì)牧民生產(chǎn)、政府禁放牧管理、草地資源的保護(hù)都具有重要的應(yīng)用價(jià)值。遙感技術(shù)高時(shí)效、低成本、大覆蓋的優(yōu)勢(shì)使得其特別適用于遼闊草地的長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)。本研究以?xún)?nèi)蒙古西烏旗為研究區(qū)域, 對(duì)常用的草地長(zhǎng)勢(shì)遙感監(jiān)測(cè)方法:直接監(jiān)測(cè)法、植被生長(zhǎng)過(guò)程曲線(xiàn)法、同期對(duì)比法、基于NDVI百分位法進(jìn)行了應(yīng)用和適宜性分析, 以期明確各類(lèi)監(jiān)測(cè)方法的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、監(jiān)測(cè)信息的差異及其局限性。研究結(jié)果表明: 直接監(jiān)測(cè)法技術(shù)簡(jiǎn)單, 能夠直觀反映草地植被長(zhǎng)勢(shì)的空間差異, 且與草原單位面積的產(chǎn)草量顯著性關(guān), 但要進(jìn)行長(zhǎng)勢(shì)等級(jí)的劃分則需要地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)支持, 其監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)不同草原類(lèi)型內(nèi)部長(zhǎng)勢(shì)的變化信息辨識(shí)度不高。生長(zhǎng)過(guò)程曲線(xiàn)法提供了草原整體長(zhǎng)勢(shì)隨時(shí)間的變化, 因其監(jiān)測(cè)信息過(guò)于集總, 適用于長(zhǎng)勢(shì)較為均一的地區(qū), 若要反映不同草原類(lèi)型長(zhǎng)勢(shì)過(guò)程的差異, 則需分類(lèi)型進(jìn)行監(jiān)測(cè)。同期對(duì)比法反映了當(dāng)前與參考年份同期草地長(zhǎng)勢(shì)差異的空間異質(zhì)性, 作為比較結(jié)果, 容易受參考年份草原長(zhǎng)勢(shì)變化的影響?；贜DVI的百分位法利用了監(jiān)測(cè)區(qū)多年草原NDVI的大數(shù)據(jù), 包含了從最好到最差的長(zhǎng)勢(shì)信息, 因而能合理地定量評(píng)價(jià)草地的長(zhǎng)勢(shì), 但該方法需要多年草地NDVI數(shù)據(jù)的支持。在草原長(zhǎng)勢(shì)遙感監(jiān)測(cè)工作中, 需要關(guān)注這些方法的局限性, 根據(jù)監(jiān)測(cè)目的選擇適宜的方法組合, 從不同角度展示草原長(zhǎng)勢(shì)信息, 為草原科學(xué)管理提供輔助依據(jù)。