荒漠化草原地上生物量遙感估算模型

文│鄭玉峰 劉雨金 郭艷梅（內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市氣象局）

草畜平衡是指為保持草原生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)，在一定區(qū)域和時間內(nèi)，使草原和其他途徑提供的飼草總量與飼養(yǎng)牲畜所需的飼草總量保持動態(tài)平衡。在草原保護和管理中，建立和推行草畜平衡管理制度是一項基礎(chǔ)性工作，對合理利用草原，保護草原生態(tài)環(huán)境，維護生態(tài)平衡，實現(xiàn)草地資源可持續(xù)利用以及社會、經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的作用。

3S技術(shù)是目前快速監(jiān)測草地產(chǎn)量的主要技術(shù)手段之一，且隨著遙感資料的變化而不斷更新。美國1992年發(fā)射的對地觀測系統(tǒng)（EOS）衛(wèi)星Terra和Aqua均帶有中分辨率成像光譜儀（MODIS），其產(chǎn)品光譜范圍包括0.415～14.235微米的36個波段，地面分辨率為250、500和l000米，能夠反映陸地、云特征、生物地理、地表溫度等特征信息，因此EOS/MODIS資料已廣泛應(yīng)用于植物長勢、土地覆蓋、自然災(zāi)害等方面的監(jiān)測和研究。

已有研究表明，MODIS植被指數(shù)能夠更好地反映植被的時空變化特征。除多等利用EOS/MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，分析了西藏藏北高原草地植被地上生物量時空分布特征及其與氣候因子的關(guān)系。楊英蓮等利用青海省22個氣象站在2003和2004年牧草生長季內(nèi)的牧草鮮草產(chǎn)量數(shù)據(jù)，構(gòu)建了基于增強植被指數(shù)（EVI）的草地類型的牧草鮮草產(chǎn)量模型。

綜合上述研究，國內(nèi)外研究均表明采用MODlS植被指數(shù)能夠監(jiān)測作物和草地產(chǎn)量，但不同地區(qū)因采用指數(shù)不同而存在差異，一般典型草原、荒漠化草原等植被蓋度較低的草地適合衛(wèi)星遙感植被歸一化指數(shù)（NDVI）進行監(jiān)測，高寒草甸、山地草甸、沼澤等植被蓋度較高的草地適合用EVI進行監(jiān)測。本文以內(nèi)蒙古鄂爾多斯市荒漠化草原為研究對象，基于2005—2010年NDVI遙感數(shù)據(jù)，采用3S技術(shù)和草地植被動態(tài)監(jiān)測的方法，對草地地上生物量進行估算，為當(dāng)?shù)卣謴?fù)退化草地、合理規(guī)劃草地資源的利用提供科學(xué)依據(jù)。

一、研究地區(qū)概況

鄂爾多斯市位于內(nèi)蒙古西南部，該地區(qū)屬溫帶內(nèi)陸干旱半干旱大陸性氣候區(qū)。冬季寒冷漫長，春季干旱多大風(fēng)，夏季溫?zé)幔晁校锛径檀伲瑲鉁叵陆悼欤獌鰜砼R早，日照充足，氣溫日變化大。年平均氣溫為6.2～7.7℃，年降水量少且分布不均，東南部地區(qū)年平均降水量為297.5～386.7毫米，西北部地區(qū)年平均降水量為179.3～276.3毫米，由東南向西北遞減。蒸發(fā)量的分布與降水量相反，東南部地區(qū)年平均蒸發(fā)量為1979.0～2425.8毫米，西北部地區(qū)年平均蒸發(fā)量2130.5～3240.8毫米。研究區(qū)牧草以狹葉錦雞兒、針茅、賴草、白草、堿草為主。

二、研究方法

1.數(shù)據(jù)來源。構(gòu)建模型所用的地面實測數(shù)據(jù)來自鄂爾多斯市烏審旗、烏審召、杭錦旗、鄂托克旗、鄂托克前旗等5個荒漠化草原生態(tài)觀測站的牧草干重數(shù)據(jù)，單位為千克/公頃，時間序列為2004—2010年6～8月，剔除異常值后共計95個樣本點。牧草產(chǎn)量的測定方法遵循《氣候生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，測定時間為月末。用來檢驗?zāi)Ｐ偷臄?shù)據(jù)來自鄂爾多斯市草原監(jiān)理所2011～2013年全市牧草總產(chǎn)量數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)來自風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)MODIS/Terra的HDF格式數(shù)據(jù)，空間分辨率為250米。為了和地面監(jiān)測數(shù)據(jù)時間對應(yīng)且消除云的干擾，遙感資料也取月末3天晴朗少云的影像進行最大合成去云處理。遙感數(shù)據(jù)選擇的時段為2004—2013年6～8月，共計90景影像數(shù)據(jù)，其中用來構(gòu)建模型的63景，檢驗?zāi)Ｐ偷?7景。模型構(gòu)建流程見圖1。

2.數(shù)據(jù)處理方法。首先利用ENVI軟件主菜單Map下拉菜單Georeference MODIS對下載的HDF格式數(shù)據(jù)進行幾何校正、去蝴蝶結(jié)等預(yù)處理，通過Transform菜單下NDVI功能生成歸一化植被指數(shù)圖，并輸出img格式數(shù)據(jù)。用Erdas軟件的Data Rreparation→Subset Image功能裁剪出研究區(qū)。用Arcgis軟件打開生態(tài)觀測站所在的點圖層shp數(shù)據(jù)和歸一化植被指數(shù)圖，在Arctoolbox中打開Spatial Analyst Tools→Extraction→Extract Values to Points，加載shp格式數(shù)據(jù)和遙感影像圖，生成采樣點插值數(shù)據(jù)圖，在新生成的圖上右鍵并點擊Open Attribute Table即可生成5個生態(tài)觀測站所所對應(yīng)經(jīng)緯度NDVI值。將提取出來的NDVI值并與地面牧草干重實測數(shù)據(jù)，構(gòu)建荒漠化草原地上生物量遙感估算模型。歸一化植被指數(shù)NDVI的定義為：

其中，CH1、CH2分別為AVHRR第1通道和第2通道的反射率。

三、結(jié)果與分析

◎圖1 地上生物量遙感估算模型構(gòu)建流程圖

1.草地牧草單產(chǎn)遙感估算模型。以地面牧草干重實測值為因變量，相應(yīng)的植被指數(shù)NDVI為自變量，通過SPSS統(tǒng)計軟件，采用線性、指數(shù)、乘冪和二次多項式4種回歸模型，分別模擬鄂爾多斯市荒漠化草原NDVI值與地面牧草干重實測數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系，4種模型的相關(guān)性系數(shù)表明，二次多項式回歸相關(guān)系數(shù)最高，最優(yōu)模型為y＝8089.237 x2－2988.875 x＋319.568，R2＝0.683，其中x為NDVI值，且在0.05水平上通過F檢驗。

2.草地牧草總產(chǎn)量計算。利用ENVI軟件的Band math功能將NDVI歸一化植被指數(shù)圖通過模型Y=-2325.321+6959.246x運算，輸出img格式的地上生物量分布圖，并用Erdas軟件打開，通過Raster attribute→Edit→Export功能輸出dat格式的數(shù)據(jù)文件，將數(shù)據(jù)復(fù)制到excell進行計算，其中列A為單產(chǎn)值，列B為不同單產(chǎn)對應(yīng)的象元值，首先求得列B象元值的總和，然后用列B的每一單元格除以列B的總和并乘以8.7×106（鄂爾多斯市總面積為8.7萬平方千米，即8.7×106公頃），計算結(jié)果置于列C對應(yīng)的單元格，即為不同單產(chǎn)所對應(yīng)的實際面積，最后計算列A與列C的乘積并求其總和即為該區(qū)域牧草總產(chǎn)量。模型如下：

表1 2011年、2012年、2013年牧草產(chǎn)量實測值與預(yù)測值對比表

式中 W為草地牧草的總產(chǎn)量（kg）；i代表單產(chǎn)等級；yi代表第i級牧草的單產(chǎn)千克/公頃；si代表第i級牧草單產(chǎn)的面積公頃。

圖2 2012年鄂爾多斯市牧草產(chǎn)量預(yù)測分布圖

3.草地牧草產(chǎn)量遙感估算模型的檢驗。利用建立的草地牧草產(chǎn)量遙感估算模型，對2011年、2012年、2013年鄂爾多斯市牧草產(chǎn)量進行預(yù)測，并與鄂爾多斯市農(nóng)牧業(yè)局草原監(jiān)理所牧草實測數(shù)據(jù)進行對比分析，具體見表1和圖2。從表1可知，近3年預(yù)測值與實測值十分相近，其中2011年的預(yù)測準確率高達98%。

四、結(jié)論與討論

一是本研究通過地面牧草監(jiān)測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感資料建立鄂爾多斯市草地地上生物量遙感估測模型，模型為Y＝－2325.321＋6959.246x，模型的相關(guān)系數(shù)達到極顯著水平，可以利用MODIS氣象衛(wèi)星植被指數(shù)（NDVI）對牧草產(chǎn)量進行模擬。

二是多項研究表明，NDVI在植被生長旺盛期容易達到飽和，但鄂爾多斯市屬于荒漠化草原，植被郁閉度不高，NDVI值不會達到飽和，因此，利用NDVI值能夠較好的反演該地區(qū)地上生物量。

三是目前該地區(qū)關(guān)于牧草地上生物量監(jiān)測的站點比較少，該模型的建立可以利用衛(wèi)星遙感技術(shù)客觀的反演出全市牧草產(chǎn)量，從而計算出合理的冷季載畜量，為當(dāng)?shù)卣靶袠I(yè)部門合理安排畜牧業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。