一種荒漠草原綠色植物鮮重遙感估算方法
【專利摘要】一種荒漠草原綠色植物鮮重遙感估測方法，其所述方法是選擇大樣地，測定大樣地綠色植物鮮重，MOD09A1數(shù)據(jù)下載與預(yù)處理，計(jì)算大樣地對應(yīng)像元波段1與波段5組合的歸一化指數(shù)，確定綠色植物鮮重估算模型，利用估算模型計(jì)算研究區(qū)域荒漠草原待監(jiān)測點(diǎn)的綠色植物鮮重，即得到研究區(qū)域荒漠草原待監(jiān)測點(diǎn)的綠色植物鮮重。本方法大大提高了荒漠草原綠色植物鮮重的估算精度，實(shí)現(xiàn)了基于衛(wèi)星遙感技術(shù)的荒漠草原大范圍區(qū)域綠色植物鮮重的準(zhǔn)確監(jiān)測。
【專利說明】一種荒漠草原綠色植物鮮重遙感估算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種遙感估算荒漠草原綠色植物鮮重的方法，尤其是一種利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確估算荒漠草原綠色植物鮮重格局與動(dòng)態(tài)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]處于干旱、半干旱地帶的荒漠草原，面積大、分布廣，在畜牧業(yè)經(jīng)濟(jì)中占有非常重要的地位，但其具有強(qiáng)烈的大陸性氣候，生境條件極為嚴(yán)酷，干旱、少雨、風(fēng)大、沙多，加之長期以來人類對荒漠草地資源的掠奪性利用，使原本脆弱的生態(tài)環(huán)境更加惡化。為維持生態(tài)脆弱的荒漠草原生態(tài)平衡，遏制荒漠草原退化的趨勢，必須及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握荒漠草原資源的動(dòng)態(tài)變化情況，這就要求進(jìn)行荒漠草原植被狀況的快速、精確監(jiān)測，其中對綠色植物鮮重的監(jiān)測是其主要內(nèi)容之一。同時(shí)，荒漠草原綠色植物鮮重的準(zhǔn)確估算對于合理利用荒漠草地資源，充分發(fā)揮氣候生產(chǎn)潛力以及荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)碳庫評估均是迫切需要解決的問題。能否及時(shí)準(zhǔn)確地掌握大面積荒漠草原綠色植物鮮重資料，對科學(xué)計(jì)算荒漠草原載畜量和合理安排草畜生產(chǎn)，提高荒漠草原畜牧業(yè)生產(chǎn)力，維護(hù)荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定，都具有十分重要的意義。
[0003]荒漠草原綠色植物鮮重獲取的傳統(tǒng)方法為實(shí)地測量，包括目測法、樣方法、樣帶法、樣點(diǎn)法等，但這些方法一般只適用于小區(qū)域尺度，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力、難以大面積展開及具有一定的破壞性。近年來，遙感技術(shù)迅猛發(fā)展，并以其宏觀性、時(shí)效性、信息量大等特點(diǎn)在草地資源調(diào)查等領(lǐng)域展示了日漸廣闊和不可替代的應(yīng)用前景。遙感技術(shù)的發(fā)展為荒漠草原綠色植物鮮重的獲取提供了新的技術(shù)手段，尤其是為大范圍荒漠草原綠色植物鮮重快速、準(zhǔn)確獲取提供了可能。
[0004]現(xiàn)有遙感技術(shù)中，利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)估算荒漠草原綠色植物鮮重的方法有兩類，一類是物理模型法，一類是植被指數(shù)法。大量研究表明，受模型精度、參數(shù)獲取及算法限制，利用物理模型估算荒漠草原綠色植物鮮重并不容易，在實(shí)際應(yīng)用中具有很大的不確定性。植被指數(shù)法是從衛(wèi)星遙感估算荒漠草原綠色植物鮮重最為經(jīng)濟(jì)、有效且常用的方法，其落腳點(diǎn)就是分析荒漠草原綠色植物鮮重與植被指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，尋找對綠色植物鮮重最為敏感，且對背景因素最不敏感的植被指數(shù)，建立估算荒漠草原綠色植物鮮重的回歸模型。
[0005]植被指數(shù)是指由遙感傳感器獲取的光譜數(shù)據(jù)，經(jīng)線性或非線性組合而構(gòu)成的對綠色植被有一定指示意義的各種數(shù)值。其中，最常用的植被指數(shù)是近紅外波段與紅波段組合的歸一化指數(shù) NDVI (Normalized Difference Vegetation Index)。但是，對于荒漠草原而言，利用NDVI指數(shù)估算綠色植物鮮重具有一定的局限性，這主要是因?yàn)榛哪菰脖幌∈瑁尘巴寥缹χ脖还趯庸庾V的影響特別明顯，綠色植物對像元反射率的貢獻(xiàn)較小，綠色植物在像元中的光譜貢獻(xiàn)易于被掩蓋，同時(shí)開放的植被冠層及明亮的土壤導(dǎo)致明顯的多重散射與非線性混合。
[0006]為克服背景土壤光譜的影響，在歸一化指數(shù)NDVI的基礎(chǔ)上，國外學(xué)者利用土壤的近紅外波段與紅波段反射率呈線性關(guān)系的特點(diǎn)，通過引入土壤線來土壤背景的影響，構(gòu)建了去除背景土壤光譜信息的植被指數(shù)，其中最常用的有SAVI (Soil-Adjusted VegetationIndex)、MSAVI (Modified Soil-Adjusted Vegetation Index)以及 OSAVI (OptimizedSoil-Adjusted Vegetation Index)。從理論上講,這些去除背景土壤光譜信息的植被指數(shù)估算荒漠草原綠色植物鮮重的精度將大大提高。但是，學(xué)者們已開展的利用SAV1、MSAV1、OSAVI等植被指數(shù)估算荒漠草原綠色植物鮮重的研究表明，這些去除土壤背景信息的植被指數(shù)估算荒漠草原綠色植物鮮重的精度并不理想。研究表明，土壤背景影響最大的情況不是植被非常稀疏的地球，而是中等覆蓋地區(qū)。植被過于稀疏地區(qū)，植被指數(shù)數(shù)值本身很小，由土壤背景光譜引起的變幅也比較小，這可能是上述去除土壤背景信息的植被指數(shù)估算荒漠草原綠色植物鮮重精度并不理想的原因。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種荒漠草原綠色植物鮮重遙感估算方法，以克服現(xiàn)有的遙感植被指數(shù)無法準(zhǔn)確估算荒漠草原綠色植物鮮重的不足。
[0008]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
一種荒漠草原綠色植 物鮮重遙感估算方法，其所述方法如下:
1)依據(jù)研究區(qū)域的植被類型圖，選擇并確定若干個(gè)大樣地及其地理位置；
2)在每個(gè)大樣地內(nèi)選取若干個(gè)小樣方，劉割每個(gè)小樣方內(nèi)生長的綠色植物稱重，并計(jì)算每個(gè)大樣地內(nèi)綠色植物鮮重的平均值，確定大樣地綠色植物鮮重；
3)在網(wǎng)站下載與大樣地綠色植物鮮重測定時(shí)間同步的覆蓋區(qū)域M0D09A1數(shù)據(jù)，并進(jìn)行格式與地圖投影轉(zhuǎn)換處理；
4)根據(jù)上述步驟3)預(yù)處理的M0D09A1地表反射率數(shù)據(jù)，提取與大樣地綠色植物鮮重測定時(shí)間同步的大樣地對應(yīng)像元波段I與波段5的地表反射率，計(jì)算大樣地對應(yīng)像元波段I與波段5組合的歸一化指數(shù)；
5)采用一元線性回歸對若干個(gè)大樣地綠色植物鮮重與其所對應(yīng)的上述步驟4)計(jì)算得到的波段I與波段5組合的歸一化指數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，確定荒漠草原研究區(qū)域綠色植物鮮重估算模型；
6)依據(jù)上述步驟3)與步驟4)描述的方法，計(jì)算荒漠草原區(qū)域待監(jiān)測點(diǎn)對應(yīng)像元波段I與波段5組合的歸一化指數(shù)，并通過上述步驟5)確定的綠色植物鮮重估算模型，計(jì)算出荒漠草原待監(jiān)測點(diǎn)的綠色植物鮮重。
[0009]進(jìn)一步地，一種荒漠草原綠色植物鮮重遙感估算方法是按下列步驟進(jìn)行的:
1)選擇大樣地
依據(jù)研究區(qū)域的植被類型圖，選取植被空間分布均勻的不同群落類型的30個(gè)大樣地，并記錄大樣地的經(jīng)度坐標(biāo)與緯度坐標(biāo)；
2)測定大樣地綠色植物鮮重
在每個(gè)大樣地內(nèi)隨機(jī)選取5個(gè)I m X I m的小樣方,將每個(gè)小樣方內(nèi)處于生長狀態(tài)的綠色植物齊地面刈割，用百分之一的天平對綠色植物稱其鮮重，作為小樣方實(shí)測綠色植物鮮重，然后計(jì)算每個(gè)大樣地內(nèi)5個(gè)小樣方綠色植物鮮重的平均值，并作為該大樣地的實(shí)測綠色植物鮮重，單位為g/m2;
3)M0D09A1數(shù)據(jù)下載與預(yù)處理在http://ladsweb.nascom.nasa.gov/數(shù)據(jù)產(chǎn)品網(wǎng)站下載與大樣地綠色植物鮮重測定時(shí)間同步的覆蓋研究區(qū)域的M0D09A1數(shù)據(jù)，使用MODIS Reprojection Tools軟件將下載的M0D09A1數(shù)據(jù)進(jìn)行格式與地圖投影轉(zhuǎn)換，HDF數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為TIFF數(shù)據(jù)格式，將正弦曲線地圖投影轉(zhuǎn)換為WGS84/AlberS地圖投影；
4)計(jì)算大樣地對應(yīng)像元波段I與波段5組合的歸一化指數(shù)
在ARCGIS軟件中，基于大樣地的經(jīng)度坐標(biāo)與緯度坐標(biāo)，根據(jù)上述步驟3)中預(yù)處理后的M0D09A1地表反射率數(shù)據(jù)，提取與大樣地綠色植物鮮重測定時(shí)間同步的大樣地對應(yīng)像元波段I與波段5的地表反射率；
在ARCGIS軟件中，利用提取的大樣地對應(yīng)像元波段I與波段5的地表反射率，根據(jù)如下公式計(jì)算波段I與波段5組合的歸一化指數(shù):
【權(quán)利要求】
1.一種荒漠草原綠色植物鮮重遙感估算方法，其所述方法如下: 1)依據(jù)研究區(qū)域的植被類型圖，選擇并確定若干個(gè)大樣地及其地理位置； 2)在每個(gè)大樣地內(nèi)選取若干個(gè)小樣方，劉割每個(gè)小樣方內(nèi)生長的綠色植物稱重，并計(jì)算每個(gè)大樣地內(nèi)綠色植物鮮重的平均值，確定大樣地綠色植物鮮重； 3)在網(wǎng)站下載與大樣地綠色植物鮮重測定時(shí)間同步的覆蓋區(qū)域M0D09A1數(shù)據(jù)，并進(jìn)行格式與地圖投影轉(zhuǎn)換處理； 4)根據(jù)上述步驟3)預(yù)處理的M0D09A1地表反射率數(shù)據(jù)，提取與大樣地綠色植物鮮重測定時(shí)間同步的大樣地對應(yīng)像元波段I與波段5的地表反射率，計(jì)算大樣地對應(yīng)像元波段I與波段5組合的歸一化指數(shù)； 5)采用一元線性回歸對若干個(gè)大樣地綠色植物鮮重與其所對應(yīng)的上述步驟4)計(jì)算得到的波段I與波段5組合的歸一化指數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，確定荒漠草原研究區(qū)域綠色植物鮮重估算模型； 6)依據(jù)上述步驟3)與步驟4)描述的方法，計(jì)算荒漠草原區(qū)域待監(jiān)測點(diǎn)對應(yīng)像元波段I與波段5組合的歸一化指數(shù)，并通過上述步驟5)確定的綠色植物鮮重估算模型，計(jì)算出荒漠草原待監(jiān)測點(diǎn)的綠色植物鮮重。
2.如權(quán)利要求1所述的荒漠草原綠色植物鮮重遙感估算方法，其所述方法是按下列步驟進(jìn)行的: 1)選擇大樣地 依據(jù)研究區(qū)域的植被類型圖，選取植被空間分布均勻的不同群落類型的30個(gè)500m *500m大樣地，并記錄大樣地的經(jīng)度坐標(biāo)與緯度坐標(biāo)； 2)測定大樣地綠色植物鮮重 在每個(gè)大樣地內(nèi)隨機(jī)選取5個(gè)I m X I m的小樣方,將每個(gè)小樣方內(nèi)處于生長狀態(tài)的綠色植物齊地面刈割，用百分之一的天平對綠色植物稱其鮮重，作為小樣方實(shí)測綠色植物鮮重，然后計(jì)算每個(gè)大樣地內(nèi)5個(gè)小樣方綠色植物鮮重的平均值，并作為該大樣地的實(shí)測綠色植物鮮重，單位為g/m2; 3)M0D09A1數(shù)據(jù)下載與預(yù)處理 在http://ladsweb.nascom.nasa.gov/數(shù)據(jù)產(chǎn)品網(wǎng)站下載與大樣地綠色植物鮮重測定時(shí)間同步的覆蓋研究區(qū)域的M0D09A1數(shù)據(jù)，使用MODIS Reprojection Tools軟件將下載的M0D09A1數(shù)據(jù)進(jìn)行格式與地圖投影轉(zhuǎn)換，HDF數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為TIFF數(shù)據(jù)格式，將正弦曲線地圖投影轉(zhuǎn)換為WGS84/AlberS地圖投影； 4)計(jì)算大樣地對應(yīng)像元波段1與波段5組合的歸一化指數(shù) 在ARCGIS軟件中，基于大樣地的經(jīng)度坐標(biāo)與緯度坐標(biāo)，根據(jù)上述步驟3)中預(yù)處理后的M0D09A1地表反射率數(shù)據(jù)，提取與大樣地綠色植物鮮重測定時(shí)間同步的大樣地對應(yīng)像元波段I與波段5的地表反射率； 在ARCGIS軟件中，利用提取的大樣地對應(yīng)像元波段I與波段5的地表反射率，根據(jù)如下公式計(jì)算波段I與波段5組合的歸一化指數(shù):V1 MODIE1，5=B5-B1/B5+B1其中，B5為M0D09A1第5波段地表反射率，B1為M0D09A1第I波段地表反射率； 5)確定綠色植物鮮重估算模型 采用一元線性回歸對30個(gè)大樣地綠色植物鮮重與其所對應(yīng)的上述步驟4)中計(jì)算得到的歸一化指數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，確定研究區(qū)域荒漠草原綠色植物鮮重估算模型； 6)利用估算模型計(jì)算荒漠草原研究區(qū)待監(jiān)測點(diǎn)的綠色植物鮮重 依據(jù)上述步驟3)與步驟4)計(jì)算出荒漠草原研究區(qū)待監(jiān)測點(diǎn)對應(yīng)像元波段I與波段5組合的歸一化指數(shù)，并通過上述步驟5)確定的綠色植物鮮重估算模型計(jì)算出荒漠草原待監(jiān)測點(diǎn)的綠色植物鮮 重。
【文檔編號(hào)】G01N21/55GK103439297SQ201310398372
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月5日
【發(fā)明者】任鴻瑞, 薛娟娟, 蘇巧梅 申請人:太原理工大學(xué)