天山北坡草地蓋度高光譜遙感估算-萊森光學(xué)

1、引言

新疆是我國(guó)主要的牧區(qū)之一，草地面積分布較廣。其中，天然草地面積5.7X107ｈｍ２，可利用草地面積４.８×１０７ｈｍ２，是寶貴、經(jīng)濟(jì)、可更新的自然資源。由于新疆特殊的地形地貌，沿北部的阿爾泰山經(jīng)過中部的天山到南部的昆侖山，草地分布表現(xiàn)出明顯地帶性特征。植被種類、蓋度、生物量、反照率、葉 面積指數(shù)等是描述草地的主要生物物理參數(shù)。但植被蓋度是指區(qū)域內(nèi)植被的垂直投影面積占區(qū)域面積的百分比。植被覆蓋度不高已成為影響中國(guó)西北地區(qū)生態(tài)好轉(zhuǎn)的主要因素之一，植被覆蓋稀疏的自然生態(tài)特征、人類不適當(dāng)?shù)耐恋亻_墾和超載放牧，極易造成土地退化和荒漠化，因此，開展草地資源，特別是天然草地植被覆蓋度的研究具有重要的生態(tài)和社會(huì)意義。

早期植被蓋度的測(cè)定以采樣、儀器、目視估測(cè)等傳統(tǒng)的地面觀測(cè)方法為主，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展， 基于植被指數(shù)的遙感反演研究越來(lái)越多。有些學(xué)者將兩種方法結(jié)合起來(lái)，即將傳統(tǒng)的地面觀測(cè)植被蓋度數(shù)據(jù)用作遙感反演的驗(yàn)證數(shù)據(jù)，從而提高研究和建模精度。

新疆具有典型的大陸性氣候特征，由于干旱少雨，草地資源成為新疆自然生態(tài)的主體，對(duì)新疆的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)有著重要意義。但是關(guān)于新疆草地蓋度的高光譜遙感估算研究還較少。因此，本研究利用新疆天山北坡天然草地的冠層高光譜遙感數(shù)據(jù)和草地蓋度數(shù)據(jù)， 對(duì)兩者之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析并選取最佳參數(shù)建立估算模型，以期為天山北坡草地質(zhì)量的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

2、材料與方法

2.1 試驗(yàn)區(qū)介紹

研究區(qū)甘溝鄉(xiāng)位于天山北坡烏魯木齊縣境內(nèi)，與烏魯木齊市相距約56ｋｍ，屬于溫帶大陸性干旱氣候。該區(qū)春秋兩季較短，冬夏兩季較長(zhǎng)，晝夜溫差大。年平均降水量為194ｍｍ，最暖的７、８月平均氣溫為25.7℃，最冷的１月平均氣溫-15.2℃。極端氣溫最高為47.8℃，最低為-41.5℃。研究區(qū)主要草地類型是以廣泛分布 的鐮芒針茅、苔草和蒿子為主要優(yōu)勢(shì)種的荒漠草原和以羊茅、 針茅和苔草為主要優(yōu)勢(shì)種的典型草原。

2.2 草地樣本調(diào)查

研究區(qū)甘溝鄉(xiāng)位于天山北坡烏魯木齊縣境內(nèi)，與烏魯木齊市相距約56ｋｍ，屬于溫帶大陸性干旱氣候。該區(qū)春秋兩季較短，冬夏兩季較長(zhǎng)，晝夜溫差大。年平均降水量為194ｍｍ，最暖的７、８月平均氣溫為25.7℃，最冷的１月平均氣溫-15.2℃。極端氣溫最高為47.8℃，最低為-41.5℃。研究區(qū)主要草地類型是以廣泛分布 的鐮芒針茅、苔草和蒿子為主要優(yōu)勢(shì)種的荒漠草原和以羊茅、 針茅和苔草為主要優(yōu)勢(shì)種的典型草原。

圖2溫度變化帶來(lái)的光譜響應(yīng)度變化

圖3鹵鎢燈漫反射板測(cè)量時(shí)光譜響應(yīng)度變化

作為對(duì)比，實(shí)驗(yàn)室還考察了環(huán)境條件30℃，43%RH時(shí)光譜響應(yīng)度隨時(shí)間的變化。地物光譜儀放置在溫濕度控制箱中，通過側(cè)壁開口瞄準(zhǔn)箱體外部的積分球光源。與室溫條件相比，環(huán)境溫度30℃時(shí)地物光譜儀硅陣列探測(cè)器的溫度上升更為迅速。當(dāng)硅陣列探測(cè)器升至28.3℃時(shí)，光譜儀采集的信號(hào)與室溫22℃下硅陣列探測(cè)器升至28.3℃時(shí)采集的信號(hào)接近，差異在0.1%的水平。實(shí)驗(yàn)還對(duì)比了環(huán)境溫度30℃和室溫22℃時(shí)當(dāng)硅陣列探測(cè)器溫度從28.3℃升至35.2℃時(shí)對(duì)應(yīng)的光譜響應(yīng)度變化，見圖4。

2.3 高光譜數(shù)據(jù)采集

使用便攜式光譜儀及其軟件對(duì)新疆天山北坡草原植物群落的光譜進(jìn)行采集與分析處理。在晴朗干燥、微風(fēng)無(wú)云天氣的12:00-15:00,分別測(cè)定白板和各草地樣方的光譜數(shù)據(jù)。對(duì)每個(gè)樣方的光譜測(cè)量進(jìn) 行記錄，同時(shí)重復(fù)多次以減少隨機(jī)噪聲的影響，去異常線后取均值作為該草地樣方的反射光譜。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

荒漠草原植被稀疏，光譜反射率受土壤的影響較大，對(duì)后續(xù)的分析也會(huì)造成影響，而對(duì)光譜曲線進(jìn)行微分處理可以快速明確光譜曲線的特征點(diǎn)，有利于植被信息的提取，所以本研究對(duì)采集到的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行一階微分處理：

Ｒ′（λｉ）＝［Ｒ（λｉ＋１）－Ｒ（λｉ－１）］／２Δλ．

式中：λｉ為ｉｎｍ波段的波長(zhǎng)，Ｒ′（λｉ）為反射率在λｉ的一階微分，Ｒ（λｉ＋１）為波長(zhǎng)λｉ＋１處的植物光譜反射率， Ｒ（λｉ－１）為波長(zhǎng)λｉ－１處的植 物光譜反射率，Δλ 是波長(zhǎng)λｉ＋１到波長(zhǎng)λｉ的間隔。

2.5 建模與驗(yàn)證數(shù)據(jù)集選取

本研究共測(cè)量了25塊樣方的高光譜數(shù)據(jù)及蓋度數(shù)據(jù)，從中隨機(jī)抽取18塊樣方用來(lái)建立天然草地蓋度的估算模型，使用另外7塊樣方驗(yàn)證估算模型的精度。

3、結(jié)果和分析

3.1 草地光譜特征分析

草地的光譜反射率由于受大氣、土壤、水分等因素的影響并不是單純的植被光譜反射率。植被類型、大氣狀況、土壤質(zhì)地、水分含量等因素都會(huì)對(duì)草地的光譜反射率產(chǎn)生影響，所以草地光譜特性是植被及其所在環(huán)境的綜合反映。研究顯示，不同蓋度的草地光譜曲線雖然在局部區(qū)域存在較大差異，但是總體趨勢(shì)一致（圖１）。

圖１ 不同植被蓋度下的草地光譜曲線

這是因?yàn)槿~片色素含量、葉片結(jié)構(gòu)、葉片面積大小、含水量等因素的不同會(huì)使植被的光譜反射率產(chǎn)生差異，但由于產(chǎn)生光譜反射的要素相同，所以其光譜反射率曲線總體趨勢(shì)一致。草地光譜在３５０－４９０ｎｍ波段范圍內(nèi)較為平緩，反射率也較低，在２％～１５％；在４９０－７００ｎｍ波段范圍內(nèi)有明顯的兩谷一峰特征：在５５０ｎｍ附近有一個(gè)反射峰，反射率大概在３％～２０％，在５００ｎｍ和６８０ｎｍ附近分別有一個(gè)反射谷，這是由于在５５０ｎｍ波長(zhǎng)附近葉綠素對(duì)綠光的強(qiáng)烈反射和此波段范圍內(nèi)葉綠素對(duì)紅光和藍(lán)光的強(qiáng)烈吸收所致。在６８０－７６０ｎｍ波段范圍內(nèi)，由于葉綠素對(duì)紅光的強(qiáng)烈吸收和在葉片內(nèi)部近紅外光發(fā)生多次散射導(dǎo)致強(qiáng)烈的反射，草地的光譜反射率迅速增加。在近紅外波段（７６０－９２５ｎｍ），呈現(xiàn)出連續(xù)的強(qiáng)反射（１０％～３５％），這是因?yàn)榧t外波段的光在呈水溶膠狀態(tài)的葉綠素和葉肉內(nèi)海綿組織的作用下具有強(qiáng)烈的反射。在７６０－１３０0ｎｍ波段植被反射強(qiáng)烈，除低蓋度（４４％）草地光譜曲線以外，其余４條曲線都有兩個(gè)明顯的波峰和波谷，第１個(gè)波峰在１０８５ｎｍ附近，第２個(gè)波峰在１２８０ｎｍ附近。在１３５０－１４５０和１８７０－１９３０ｎｍ波段附近為植被的水吸收帶。在１６６０、１８４０和２２０５ｎｍ附近有明顯反射峰，反射率分別在１５％～３５％、１５％~３５％和１０％～４０％。當(dāng)植被蓋度發(fā)生變化時(shí)，其對(duì)應(yīng)的草地光譜反射率也發(fā)生變化，基本趨勢(shì)為植被蓋度越高，反射率越低。

3.2 天然草地蓋度與高光譜數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

3.2.1天然草地蓋度與原始光譜相關(guān)性分析

從研究區(qū)內(nèi)草地蓋度和草地原始光譜曲線之間的關(guān)系（圖 ２）可以看出，在可見光波段，草地原始光譜曲線與草地蓋度的相關(guān)系數(shù)小于０；波長(zhǎng)在３５４－７０４ｎｍ之間，相關(guān)性達(dá)到極顯著水平（Ｐ＜０．０１）；波長(zhǎng)在６７４ｎｍ處相 關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最大，相關(guān)系數(shù)為-0.906。在１０４６－ １０８６ｎｍ波長(zhǎng)范圍內(nèi)相關(guān)系數(shù)大于０，未達(dá)到顯著水平（Ｐ＞０．０５）；在長(zhǎng)波近紅外（１１００－２５２６ｎｍ）區(qū)域， 草地原始光譜曲線與草地 蓋度相關(guān)系數(shù)為負(fù)值，在１４２０－１４８１、１９０４－２５１２ｎｍ波長(zhǎng)范圍內(nèi)，相關(guān)性通過極顯著性檢驗(yàn)（Ｐ＜０．０１）；波長(zhǎng)在２４８５ｎｍ 處相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最大，相關(guān)系數(shù)為－０．９０４。

圖２ 草地蓋度與原始光譜相關(guān)性分析

3.2.2天然草地蓋度與一階微分光譜相關(guān)性分析

對(duì)天山北坡草地光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行一階微分處理并分析其與草地蓋度的相關(guān)性，結(jié)果顯示（圖３），一階微分光譜與蓋度在５５６－５７６、１０８６－１１４１、１２６６－１４３６、 ２３３３－２３９９ｎｍ波段均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（Ｐ ＜ ０．０５），相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值均大于０．８３。在５５６－５７６ｎｍ 波段內(nèi)，５６０ｎｍ處的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值達(dá)到最大，為－０．９７５；在１０８６－１１４１ｎｍ波段內(nèi)，１０９３ｎｍ處的相關(guān)系數(shù)值達(dá)到最大，為０．９７３；在１２６６－１４３６ｎｍ波段內(nèi)，１３２１ｎｍ處的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值達(dá)到最大，為－０．９８７；在２３３３－２３９９ｎｍ波段內(nèi)，２３６１ｎｍ處的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值達(dá)到最大，為－０．９９０。

圖３ 草地蓋度與一階微分光譜相關(guān)性分析

3.2.3天然草地蓋度與高光譜特征變量相關(guān)性分析

本研究主要選取高光譜位置變量、高光譜面積變量和高光譜植被指數(shù)變量３種形式的特征變量（表１）。

表１ 高光譜特征變量及定義算法

為了篩選出構(gòu)建蓋度模型的最佳高光譜變量，分析各高光譜特征變量與蓋度之間的相關(guān)性（表２）。植被蓋度與高光譜位置變量Ｄｒ、Ｒｇ和Ｒｒ的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值較大，均通過極顯著檢驗(yàn)水平（Ｐ＜０．０１），其中特征變量Ｄｒ與草地蓋度的相關(guān)系數(shù)最 大，為０．９５８；植被蓋度與高光譜面積變量ＳＤｒ和ＳＤｙ的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值均較大，通過極顯著性檢驗(yàn)水平（Ｐ＜０．０１）；植被蓋度與植被指數(shù)變量ＶＩ３、ＶＩ５和ＶＩ６的相關(guān)系數(shù)均大于０，通過極顯著檢驗(yàn)水平（Ｐ＜０．０１）。在全部１４個(gè)變量中，特征變量ＳＤｒ與植被蓋度的相關(guān)系數(shù)最大，為０．９７２。植被蓋度與Ｄｂ、ＳＤｂ和ＶＩ４的相關(guān)系數(shù)未通過顯著性檢驗(yàn)（Ｐ＞０．０５），說明當(dāng)植被蓋度發(fā)生變化時(shí)，這３個(gè)高光譜特征變量沒有發(fā)生顯著變化。

表２ 高光譜特征變量與草地蓋度之間的相關(guān)系數(shù)

3.3 天然草地蓋度的高光譜遙感估算模型構(gòu)建

對(duì)高光譜參數(shù)與草地蓋度的相關(guān)性和顯著性進(jìn)行比較，以相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值大于０．９５，且達(dá)到０．０１顯著相關(guān)的高光譜參量作為自變量，對(duì)應(yīng)的草地蓋度數(shù)據(jù)作為因變量，通過軟件進(jìn)行回歸分析，并進(jìn)行Ｆ檢驗(yàn)，構(gòu)建草地蓋度與高光譜參量之間的擬合模型，然后依據(jù)擬合決定系數(shù)大小，從中選出了相對(duì)較好的估算模型（表３）,較高的R2＞0.9，說明所選模型可以用于估算天然草地蓋度。

表３ 草地蓋度高光譜估算模型及其精度評(píng)價(jià)

3.4 天然草地蓋度估算模型精度分析

利用草地高光譜數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)草地蓋度對(duì)構(gòu)建的單變量線性模型進(jìn)行精度分析可知，所選估算模型相對(duì)誤差均小于１５％，均方根誤差均小于１０％，說明上述５個(gè)估算模型均能較好地預(yù)測(cè)草地蓋度。其 中，一階微分光譜在５６0ｎｍ處構(gòu)建的線性回歸模型相對(duì)于其 它估測(cè)模型，擬合Ｒ２較高（圖４），均方根誤差和相對(duì)誤差相對(duì)較小，分別為７．３４４％和９．６５７％，調(diào)整Ｒ２較高（０．９４２），而均方根誤差和相對(duì)誤差均較低，預(yù)測(cè)結(jié)果也較為理 想，因 此，基于草地光譜的一階微分模型ｙ＝－3８４．１５３ｘ＋７２．０９６可作為草地蓋度的最佳估測(cè)模型。

圖４ 草地蓋度估算模型檢驗(yàn)

4、討論

本研究對(duì)天山北坡天然草地原始光譜反射率、一 階微分光譜反射率與草地蓋度的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析發(fā) 現(xiàn)，草地蓋度與原始光譜相關(guān)性較強(qiáng)（ｒ＞０．７）的波段范圍是３５４－７１７、１４２０－１４８１、１９０４－２５１２ｎｍ，與一階微分光譜相關(guān)性較強(qiáng)的波段５５６－５７６、１２６６－ １ ４３６、２３３３－２３９９ｎｍ，且基于一階微分光譜曲線５６０、１３２１和２３６１ｎｍ波段處的反射率值的估算模型能夠較好估測(cè)草地蓋度，這與內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟的天然草地蓋度估算的研究結(jié)果相似，兩者之間的微小差異可能由多方面因素引起，儀器的選擇、采樣 時(shí)間、研究區(qū)的基本環(huán)境、植被高度、植被葉片構(gòu)造的不同，都會(huì)給研究結(jié)果帶來(lái)一定的影響。

近幾十年來(lái)遙感技術(shù)被廣泛應(yīng)用于草地監(jiān)測(cè)，但用于估測(cè)草地蓋度的植被指數(shù)大多由寬波段計(jì)算得出，易受土壤背景等條件的影響，而且用寬波段計(jì)算的植被指數(shù)很可能忽略掉一些主要信息。相較而言，高光譜遙感數(shù)據(jù)從細(xì)節(jié)刻畫地物光譜，其高光譜分辨率的特 點(diǎn)，能夠提高探測(cè)植被精細(xì)光譜信息的準(zhǔn)確性。但同時(shí)，由于高 光譜反射率對(duì)植被種類、生育期和不同的環(huán)境條件等非常敏感，為了減小誤差并將研究結(jié)論推廣到實(shí)際應(yīng)用中，還需要在更多地區(qū)擴(kuò)大試驗(yàn)規(guī)模，對(duì)不同時(shí)間段各種類型的草地的高光譜特性及其估算模型進(jìn)行研究。

5、結(jié)論

本研究分析了天然草地原始光譜、一階微分光譜和高光譜特征參數(shù)與草地蓋度之間的相關(guān)關(guān)系，主要得出以下結(jié)論：１）與“藍(lán)邊”參數(shù)、“黃邊”參數(shù)和植被指數(shù)相比，“紅邊”參數(shù)與草地蓋度的相關(guān)關(guān)系相對(duì)較高， 以參數(shù)Ｄｒ和ＳＤｒ?yàn)樽兞拷⒌膯巫兞烤€性估算模型 相對(duì)誤差也較小。２）基于草地光譜的一階微分 模型ｙ＝－３８４．１５３ｘ＋７２．０９６可作為本研究區(qū)草地蓋度的最佳估測(cè)模型。均方根誤差和相對(duì)誤差均較小，分別為７．３４４％和９．６５７％。３）本研究區(qū)位于西北干旱半干旱區(qū)域，植被蓋度低，相對(duì)于以“紅邊”參數(shù)為變量的估算模型，基于一階微分光譜敏感波段建立的估算模型能夠更好地對(duì)草地蓋度進(jìn)行估測(cè)。４）高光譜反射率對(duì)植被種類、生育期和不同的環(huán)境條件等非常敏感，將研究結(jié)論推廣應(yīng)用還需要進(jìn)一步擴(kuò)大研究區(qū)域和試驗(yàn) 規(guī)模，對(duì)更多類型和不同時(shí)間段的草地的高光譜特性 和估算模型進(jìn)行研究。

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審核編輯黃宇