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草地植被指数及生物量的遥感估测

2021-05-24 来源:客趣旅游网
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第21卷第3期 云南农业大学学报 V01.21 No.3 2006年6月 Journal of Yunnan Agrieuhural University Jun.2【xl6 草地植被指数及生物量的遥感估测木 王建伟,陈 功” (云南农业大学动物科学技术学院,云南昆明650201) 摘要:简要回顾了我国草地遥感技术的发展过程以及各阶段的主要特点,并对草地植物的反射光谱特征做了介 绍。在阐述植被指数在草地科学领域的运用的同时,介绍了植被指数NDVI和RVI的特点,就NDVI和RVI在草 地地上生物量估测上的运用做了初步的探讨。其结果表明,在目前草地生物量的估测领域植被指数NDVI运用 较RVI广泛。 关键词:遥感;光谱反射;植被指数;地上生物量 中图分类号:S 688.4 文献标识码:A 文章编号:1004—390X(2006)03—0372—04 Vegetation Index and Biomass Estimation For Grassland WANG Jian-wei,CHEN Gong (College of Animal Science and Technology,Yunnan Agricultural University,Kunming 650201,China) Abstract:In this paper,it was mainly run back the primary phases of pasture science remote sensing technology and briefly introduced the spectral reflection characteristics of grassland plants.Besides it compendious expatiated the traits of corresponding remote sensing phases.Additional,it was looked back the application of vegetation index in pasture science fields.And it also narrated the characteris- tics of vegetation index NDVI(normalized difference vegetation index)and RVI(ratio vegetation in- dex).Finally it was discussed the relationship between vegetation index and grassland biomass.In the field of estimation for grassland yield,many researches indicated that the application of vegetation NDV1 was prevalence than RVI. Key words:remote sensing;spectrla reflection;vegetation index;abovebiomass 在草地遥感科学领域,植被指数(vegetation in- 为实现草地资源的科学管理和合理利用提供可靠 dex)作为一种遥感手段已广泛用于植被覆盖密度 依据,对准确掌握草地产量资料,计算草地载畜景、 评价、作物识别、产量估测以及自然灾害预测预报 实现草畜平衡发展,具有十分重要的意义。 等方面。植被指数是将2个以上波段的反射比值 遥感技术在20世纪60年代初兴起得到发展 压缩到与植被特征相关的一个综合值。在草地科 以来,在资源调查、环境监测与评价、工业、农业、林 学领域,植被指数已用于草地植被的定量测量,以 业、牧业等领域得到了广泛的应用。遥感估产是结 表明草地植被的活力,运用植被指数可在诊断植被 合农学知识和环境因素预测大宗农作物的产量,预 生物物理参量的同时对植被的生长过程进行分析。 测草场产量等。目前世界上利用遥感资料预测作 近来,利用遥感技术对草地植被指数进行测定,以 物产量方面,美国利用卫片分析前苏联小麦产量的 此为依据对草地生物量进行估测,可在不破坏草地 准确率可达到97%,加拿大研究估算马铃薯产量 条件下对草地产量和长势进行准确、动态的监测, 的可靠率达90%(航空估产可达94%),1982年在 收稿日期:2005—07—16 }基金项目:云南省自然基金项目(2004CD251M);云南省自然基金重点项目(2003C0008Z) 通讯作者 作者简介:王建伟(1978一),男,四川越西人,在读硕士生,主要从事草地可持续发展的研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com

第3期 王建伟,等:草地植被指数及生物量的遥感估测 373 美国6个州内对小麦、棉花、大豆、玉米估产,精确 度达93%;我围小麦估产则是通过把小麦不同生 息工程进行草地初级、次极生产管理和监测的研 究。其特点是:开始重视开发“3s”和草地专家系 育期光谱特征与产量建立同归方程而估产…。 我国草地科学领域自20世纪80年代引进遥 统集成技术和体系的应用,“3S”一体化的技术和 理论在草地初级、次极生产动态监测和管理中的应 感技术以来,特别是近十几年来,草地科学与“3s 技术”遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位 系统(GPS)的结合,形成了具有一定特色、比较系 用,进行草地退化和荒漠化监测,各类草原灾害的 预报,畜牧平衡调控和草业生产管理。与此同时从 学术和理论研究上丰富了草地遥感科学的内涵,草 统完整的理论和技术体系,极大推动了我国草地信 息科学的发展 J 1 我国草地遥感技术发展的主要阶段 我国草地遥感技术的发展大致经历了以下4 个主要阶段,各阶段的运用领域及主要特点 是 : 第一阶段:为2O世纪80年代初期遥感技术知 识的引入、消化以及在草地资源调查中的运用。其 特点是:在此阶段部分高校和研究所开始将遥感信 息和技术在草地资源的调查、分类和制图中运用; 从以前的目视判读为主转向以计算机自动识别、分 类和制图为主;在草地资源调查中开始使用航卫片 进行分析,提高了资源调查和制图的精度,节省了 大量的人力、财力和物力,人们初步认识到了利用 遥感技术进行草地资源调查的好处。 第二阶段:为利用遥感资料和技术进行草地资 源动态资源监测、评价及其在草地土壤中的运用。 其特点是:自20世纪8O年代中期开始,结合利用 遥感技术进行草地资源动态监测和草地土壤普查 工作的开展,建立了国家级的遥感监测实验室、 NOAA气象卫星资料地面接受站,同时各省、自治 区广泛开展对草地遥感动态监测、土壤普查和应用 效果的评价。 第三阶段:为利用遥感和GIS系统的结合优势 进行草地估产、产量预报和各种自然灾害的监测以 及草地遥感信息科学的研究。特点是:从2O世纪 90年代开始,将遥感信息和GIS系统结合,从微机 环境上升到计算机工作站的水平。应用高分辨率 TM资料和动态、实时、宏观的NOAA资料,进行草 地光谱反射率变化规律分析、草地估产和预报、草 地黑白灾害和火灾监测系统与技术研究,提出了草 地信息科学的概念,极大地的推动了草地遥感科学 的诞生。 第四阶段:从2O世纪9O年代中期开始利用 RS,GIS和GPS技术以及草地专家系统一体化信 地遥感科学进一步完善和发展。 随着遥感技术开发研究,我国草地遥感技术有 了较大的突破性的进展,已成为草地科学中一个比 较活跃、成果丰硕的研究额域之一。目前草地遥感 技术广泛运用与草地资源调查、分类与制图、草地 资源动态监测与估产、草地资源管理与评估、草地 雪灾、火灾、干旱灾害、病虫鼠害监测等自然灾害的 监测与预报。目前对于草地生物量的估测,主要是 以草地光谱反射率估测生物量 J。 2草地植物的反射光谱特征 草地植物与其它绿色植物具有类似反射光谱 特征:在可见光谱段其光谱曲线分为3个区段,即 0.4~0.7 tzm的可见光谱反射区受植物色素影响, 在0,45 m和0,75 tzm附近分别出现两个反射谷, 在0,55 m处出现一个反射峰;0.7—1.3 tzm近红 外反射区受叶内部构造的影响,在0.5~1.3 tzm之 间出现一个较高的草坪状反射;1.3—3.0 m的中 红外反射区。我们研究的范围主要在前两个区段 上 一 。 草地光谱反射规律是草地植被、土壤、大气、地 形、地带性和水分含量等多种因素影响而形成的综 合反映。光谱反射率大小受到草地类型、种类组成、 植被盖度、叶绿素含量、植物水分、土壤物理特性、大 气状况等多种因素的影响,具有以下独特的特征: 2.1草地光谱反射率具有明显的日变化规律 随太阳高度角的变化而呈现有规律的变化,随 着早晨一中午一下午的时间变化,出现明显的波 动一稳定一波动变化。 2.2草地光谱反射率具有明显的季节变化规律 根据刘富洲(1985)和黄敬峰(1992)研究表明 草地植被光谱反射率具有明显的季节变化特征。 不同的植物生育期、植被盖度大小、种类组成、植物 叶片的形状、大小、着生位置对草地光谱反射率都 有明显影响。 维普资讯 http://www.cqvip.com

374 云南农业大学学报 第21卷 2.3草地植被具有渐进光谱反射特征规律 是指草地植被的光谱反射率开始时随着植被 盖度和生物量的增大而增加(或减少),当生物量 和盖度增加到一定程度后,随着生物量和盖度的增 大草地光谱反射率值不再增加(或减少),而是趋 于一个常数。因此找出光谱渐进线的“阈值”就能 大幅度提高估测草地生物量的精度。 2.4草地牧草产量与遥感植被指数问具有明显的 相关性 大量研究证明,植被指数RVI(比值植被指数) 和NDVI(归一化植被指数)对绿色植被变化灵敏, 对土壤或者枯草不灵敏,RVI和NDVt能较好地反 映出牧草的覆盖度、生物量和叶面积指数变化,与 地上现存净初级生物量有较好的相关性。一般 RVI和NDVI与牧草地上生物量存在显著的非线性 相关性P<0.01,(黄敬峰等,1992;李建龙等, 1994)研究还表明,TM,MSS,SPOT和NOAA/ AVHRR遥感资源在草地资源调查和分类、产量估 测和预报,旱灾、火灾和雪灾及病虫害预报预测及 草地退化实时监测等方面具有明显的优势,应用潜 力巨大(李建龙,1997)H'8 。 3 植被指数与草地地上生物量的关系 植被指数又称光谱绿度值,通常是用红光波段 (R)和近红外(IR)波段通过数学运算进行线性或非 线性组合得到的数值,用以表征地表植被的数量分 配和质量情况。它与植物的覆盖度(Rate of Vegeta- tion Coverage),叶面积指数(Leaf Area Index LAI)及 生物量(Biomass)大小有很大关系 j。目前常用的 植被指数有:差值植被指数(DVI=IR—R),比值指 数RVI=IR/R),归一化指数NDVI=(IR—R)/(IR+ )和变换指数(ND±NDs)={(/R±/s)一( ±S)}/ {(侬±/s)+(R±S)}等。其中侬为0.76一,0.90 Ixm近红外波段的反射比,相当于TM4通道接受的 地物光谱辐射能量。 为0.63~0.69 Ixm红光波段 的反射比,相当于TM3通道接受的地物光谱辐射能 量L4l6 J。植被指数可用来诊断植被一系列生物物 理参量:叶面积指数、植被覆盖率生物量、光合有效 辐射吸收系数(Absorbed Photosynthetically Active Radiation APAR)等;反过来又可用来分析植被生长 过程:净初级生产力(Net Primary Production NPP)和 蒸散(Transpire)等。 3.1 NDVI和 W的特点 许多研究者注意到影响植被指数的因子,这些 因子包括植被本身的特性如植被的水含量、年龄、 矿物质缺乏、寄生虫的伤害、覆盖几何、排列空间和 方向、叶子分布等,另外还有大气等因子的影响,如 波长范围、土壤特性差异、亮度和色度、遥感器影响 等 , 。近来,许多新的植被指数考虑了土壤、 大气等多种因素并得到发展。 NDV1当植被覆盖度较低时,对盖度增减反应 灵敏,当盖度较大时,NDVI趋向饱和;对大气效应 影响反应不灵敏。由于NDVI是将电磁波辐射、大 气、植被覆盖和土壤背景的相互作用结合在一起考 虑,通过数学和物理及逻辑经验以及通过模拟将 RVI等植被指数不断改进而发展的,在草地遥感估 产中应用最广。。J。 RV/是基丁波段的线性组合(差或和)或原始 波段的比值,由经验方法发展的,没有考虑土壤、植 被间的相互作用;且RV/是针对特定的遥感器 (Landsat MSS等)并为明确特定应用而设计的,表 现了严重的应用限制性。最早发展RV/是为了估 算和监测植被覆盖,因其对大气影响敏感,在植被 覆盖小于50%时,它的分辨能力也很弱,只有在植 被覆盖浓密的情况下效果最好 'g ’J。 据前人的研究,选用NDVI能很好地适应植被 盖度稀疏、盖度差异悬殊的区域景观特点。目前在 草地遥感领域应用最广的还是NDVI,并经常用 NDVI作参考来评价基于遥感影像和地面测量或模 拟的新的植被指数。 3.2 NDVI和RV1在不同草地类型生物量估测中 的运用 植被指数有助于增强遥感影像的解译力,已作 为一种遥感手段广泛应用于作物识别和作物产量 预报等方面。对草地地上生物量观测是建立草地 遥感光学模型的基础,也是草地遥感估产的必要条 件。许多国内学者认为RVI和NDVI与地上牧草 生物量存在显著的非线性相关性P<0.01(黄敬峰 等,1992;李博等,1993;李建龙等,1994) j。利用 计算NDVI和RVI来监测草地资源动态变化,并确 定了初级生产力。内蒙古草场资源遥感结合地面 样点光谱测定数据,指出RV/与产草量的关系为: W=一86.9+162.65RV/(相关系数r=0.966) 。 NDVI对绿色植被表现敏感,在大宗农作物的 估产中,在农作物生长的初始季节,将过高估计植 维普资讯 http://www.cqvip.com

第3期 王建伟,等:草地植被指数及生物量的遥感估测 1987,(2):47—51. 375 被覆盖的百分比;在农作物生长的结束季节,将产 生估计低值。而对于草地植被,一般在牧草返青至 其后的一段生长时段内,NDVI与RVI同产量具有 良好的相关性,牧草生长后期,RVI与产量的相关 [4]李建龙,黄敬峰,王秀珍 草地遥感[M].北京:气象 出版社,1997. [5]胡新博.草地光谱与牧草产量的相关分析[J].草食 家畜,1996,(4):43—47 关系最好 。大量试验表明在高寒草甸整个生 长季的遥感监测中,应用RVI的结果最为理想, NDVI适合于高覆盖度草地生长的早、中期阶段的 [6] 龙瑞军,牟新待,陈功.高山草地光谱反射特征及其 估产模式[J].草业科学,1994,(6):59—64. [7] 龙瑞军,牟新待,陈功.高山草地的反射光谱与牧草 遥感监测 ’“ ]。另有试验表明在低地盐化草甸 类、温性荒漠草原类和山地草甸草原类等类型草地 中,鲜草产量与RVI相关性好于NDVI,而在温性平 原荒漠类则是鲜草产量与NDVI的相关性好于 RVII 10,14,15]。RV/,NDVI的变化与产草量的变化基 本一致即RVI与牧草鲜草产量的关系较好,NDVI 与牧草干草重关系较好。 近年来针对高光谱遥感及热红外遥感而发展 的植被指数[如导数植被指数(DVI)、温度植被指 数( 一 )、生理反射植被指数(PRI)等]是基于 遥感技术的发展和应用的深入而产生的新的表现 形式㈠ 。DVI存利用高光谱遥感提取植被化学成 份信息方面得到成功运用;PRI对植被生化特性 的短期变化(如l d的植被的光合作用)进行探测。 而热红外辐射和植被指数在大尺度范围遥感应用 中可提高土地覆盖的制图和监测精度。 应用遥感技术估测地面植被产量是近年来迅 速发展起来的一种新型技术手段。国内外的研究 者们利用植被光谱反射特征,对各种农作物、天然 植被及草地估产等方面已建立了一系列植被一光 谱转化公式,用以估算植被叶面积指数、地上生物 量等指标。特别是近几年来,草地遥感技术已由实 验研究进入生产应用,F}1定性描述进入定量分析, 由静态调查进入动态监测阶段,多平台、多时相遥 感数据的综合利用是必然的趋势和选择 ・ ・ J。 在草地资源遥感技术在草地类型调查、草地地物光 谱测定、草地资源监测等方面都取得了可喜的进 展,现已成为草地科学中一个比较活跃、成果丰硕 的研究领域之一。 [参考文献] [1] 邓良基.遥感基础与应用[M].北京:中国农业出版 社,2002. [2] 李建龙,蒋平,粱天刚.我国草地遥感科学发展的轨 迹、内涵及展望[J],中 草地,1998,(3):53—56. [3]夏景新.草地生物量估测的遥感方法[J],中国草地, 长势的相关分析[J].草业科学,1994,(2):53—55. [8] 邓良基.遥感基础与应用[M].北京:中同农业出版 礼,2002. [9] 张云霞,李晓兵,陈云浩.草地植被盖度的多尺度遥 感与实地测量方法综述[J].地球科学进展.2003,18 (】):85—93. [10]赵德华,朱明,宋子健.3s技术在草地产量生态成囚 分析与农业资源估测中的应用研究[J] 中国草 地,2003,25(3):15—23. [1 1] 牛志春,倪绍祥.青海湖环湖地区草地植被生物量遥 感监测模型[J].地理学报,2003,58(5):695—702. [12] 田庆久,闵详军.植被指数研究进展[J].地球科学 进展,1998,13(4);327—333. [13] 刘海启,金敏毓,龚维鹏.美围农业遥感技术应用状 况概述[J].中国农业资源与区划,1999,20(2):56 —60. [14] 黄敬峰,王秀珍,胡新博.新疆北部不同类型天然草 地产草量遥感监测模型[J].中国草地,1999,(1):7 —11,18. [15] 李建龙,蒋平.遥感技术在大面积天然草地估产和 预报中的应用探讨[J].武汉测绘科技大学学报, 1998,23(2):153—157. [16]朴世龙,方精云,贺金生,等.中国草地植被生物量 及其空间分布格局[J].植物生态学报,2004,28 (4):491—498. [1 7] STONER E R,AUMGARDNER M F.Characteristic Variation in Reflectance of Surface soils[J].Sol Sci, OSc,Am.J.1981,45:1161—1165. [18]P KRISHNAN,ALEXANDER J D,BUTI ER B J,et a1. Reflectance technique for predicting soil organic matter [J],Soil Sci.Soe.Am.J.1980,44:1282—1288. [19] 李建龙,蒋平.利用遥感环境资料进行草地大面积 估产研究[J].草业科学.1996,13(2):14—2O, [2O]张建华.作物估产的遥感一数值模拟方法[J].T旱 区资源与环境,2000,14(2):82—86. [2 1] STONE E R,Atlas of Soil Reflectance Properties,Ag— ricultural Experiment Station,Purdue University[z]. West Lafayette.Indiana.1980.1—9. 

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