引用本文
陈佼, 张丽. 天山北坡草地盖度高光谱遥感估算. 草业科学, 2017,34(1):30-39
Chen Jiao, Zhang Li. Estimating grassland coverage based on hyperspectral remote sensing in the northern Tianshan Mountains. Pratacultural Science,2017,34(1): 30-39  
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《草业科学》编辑部
天山北坡草地盖度高光谱遥感估算
陈佼, 张丽
新疆土壤与植物生态过程实验室,新疆农业大学草业与环境科学学院,新疆 乌鲁木齐 830052
通信作者:张丽(1977-),女,新疆奎屯人,讲师,博士,主要从事遥感与GIS技术的应用研究。E-mail:zhangli0628@163.com

第一作者:陈佼(1994-),女,江苏南京人,在读本科生,主要从事遥感与GIS技术的应用研究。E-mail:948115529@qq.com

收稿日期: 2016-10-24
基金: 新疆草地资源与生态重点实验室开放课题(XJDX0209-2013-03); 新疆土壤与植物生态过程实验室
摘要

以天山北坡乌鲁木齐县甘沟乡为研究区,利用美国SVC HR-768便携式光谱仪采集25块样方的高光谱数据,并测定对应样方中草地盖度,分析草地盖度与原始光谱、一阶微分光谱和高光谱特征变量之间的相关关系;采用回归统计的方法,基于高光谱位置变量、高光谱面积变量和高光谱植被指数变量构建草地盖度的估测模型,并进行模型精度评价。结果表明,研究区草地盖度与植被冠层光谱反射率相关性较强的波段范围为354-704、1 420-1 481和1 904-2 512 nm;基于一阶微分光谱和高光谱植被指数构建的估测模型能更好地反演草地盖度。通过模型检验,确定基于560 nm的光谱一阶微分模型 y=-384 .153 x+72 .096可作为草地盖度的最优估测模型,模型均方根误差为7.344%,估算精度为90.343%。

关键词: 新疆草地; 高光谱遥感; 估测模型; 草地盖度; 地物光谱仪; 微分光谱; 高光谱变量
中图分类号:S812-05 文献标志码:A 文章编号:1001-0629(2017)1-0030-10 doi: 10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0403
Estimating grassland coverage based on hyperspectral remote sensing in the northern Tianshan Mountains
Chen Jiao, Zhang Li
Xinjiang Key Laboratory of Soil and Plant Ecological Processes, College of Grassland and Environmental Sciences, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China
Corresponding author: Zhang Li E-mail:zhangli0628@163.com
Abstract

By taking the Gan’gou Township in Urumqi County on the northern slope of the Tianshan Mountains as the study area, and using an America SVC HR-768 portable spectroradiometer, we collected hyperspectral data and corresponding grassland coverage data at 25 sites. Using these data, we analysed the correlation between grassland coverage and the original spectrum and the first-order differential spectrum and the hyperspectral characteristic variables. We also constructed a hyperspectral estimation model of grassland coverage by using regression methods based on the hyperspectral position variables, the hyperspectral area variables, and the hyperspectral vegetation index variables, and evaluated the accuracy of simulation models. The results showed that there was a strong correlation between grassland coverage and vegetation canopy reflectance in the spectral ranges of 354-704 nm, 1 420-1 481 nm, and 1 904-2 512 nm; the estimation models based on first-order differential spectrum and hyperspectral vegetation index variables can invert grassland coverage better. Model testing indicated that the first-derivate model based on 560 nm y=-384 .153 x+72.096 can be considered to be the best estimation model of grassland coverage, for which the root mean square error was 7.344% and the estimation accuracy was 90.343%.

Keyword: Xinjiang grassland; hyperspectral remote sensing; estimating model; grassland coverage; spectroradiometer; differential spectrum; hyperspectral variables

新疆是我国主要的牧区之一, 草地面积分布较广[1]。其中, 天然草地面积5.7× 107 hm2, 可利用草地面积4.8× 107 hm2, 是宝贵、经济、可更新的自然资源[2]。由于新疆特殊的地形地貌, 沿北部的阿尔泰山经过中部的天山到南部的昆仑山, 草地分布表现出明显地带性特征[3]。植被种类、盖度、生物量、反照率、叶面积指数等是描述草地的主要生物物理参数[4]。但植被盖度是指区域内植被的垂直投影面积占区域面积的百分比[5]。植被覆盖度不高已成为影响中国西北地区生态好转的主要因素之一, 植被覆盖稀疏的自然生态特征、人类不适当的土地开垦和超载放牧, 极易造成土地退化和荒漠化, 因此, 开展草地资源, 特别是天然草地植被覆盖度的研究具有重要的生态和社会意义[6]。

早期植被盖度的测定以采样、仪器、目视估测等传统的地面观测方法为主[7], 随着遥感技术的发展, 基于植被指数的遥感反演研究越来越多[8]。有些学者将两种方法结合起来, 即将传统的地面观测植被盖度数据用作遥感反演的验证数据, 从而提高研究和建模精度[9]。目前, 国内外3S技术在草地盖度估算上的应用主要体现在利用TM、MODIS和NOAA/AVHRR等多光谱影像提取出的植被指数对植被盖度进行反演, 从而进一步对生态环境进行评估[10, 11, 12]。然而, 与多光谱数据相比, 高光谱数据包含近似连续的地物光谱信息, 因此识别地物覆盖的能力得到更大提升[13], 且高光谱遥感数据受背景光谱变化影响较小[14]。目前草地高光谱遥感的研究主要集中于反演草地生物量和利用高光谱遥感影像结合植被指数对草地盖度进行估测, 如, 利用甘南草原草地的高光谱数据和草地生物量数据对草地地上生物量进行估算, 结果表明, 基于特征参数D723的对数回归模型估算精度较高[15]; 利用甘南牧区2006-2008年的MODIS数据结合草地外业调查资料, 建立草地地上生物量鲜重的估算模型, 发现基于增强型植被指数(EVI)的草地生物量估算模型精度最高[16]; 采集内蒙古锡林郭勒草原30个样地的高光谱数据并从中提取光谱特征参数, 利用主成分分析的方法, 发现可见光波段与干草生物量之间的相关性最好[17]; 利用环境与灾害监测预报小卫星(HJ-1A/1B)影像结合野外实测数据, 对疏勒河上游植被盖度随生长季的变化特征进行分析发现, 植被盖度与NDVI之间相关性较好[4]。但基于地面实测高光谱数据及其变化形式对植被盖度进行定量分析的研究国内还较少。

新疆具有典型的大陆性气候特征, 由于干旱少雨, 草地资源成为新疆自然生态的主体, 对新疆的生态和经济有着重要意义。但是关于新疆草地盖度的高光谱遥感估算研究还较少。因此, 本研究利用新疆天山北坡天然草地的冠层高光谱遥感数据和草地盖度数据, 对两者之间的相关关系进行分析并选取最佳参数建立估算模型, 以期为天山北坡草地质量的监测与评价提供科学依据。

1 材料与方法
1.1 研究区介绍

研究区甘沟乡位于天山北坡乌鲁木齐县境内, 与乌鲁木齐市相距约56 km, 属于温带大陆性干旱气候。该区春秋两季较短, 冬夏两季较长, 昼夜温差大。年平均降水量为194 mm, 最暖的7、8月平均气温为25.7 ℃, 最冷的1月平均气温为-15.2 ℃。极端气温最高为47.8 ℃, 最低为-41.5 ℃。研究区主要草地类型是以广泛分布的镰芒针茅(Stipa caucasica)、苔草(Carex tristachya)和蒿子(Seriphidium transiliense)为主要优势种的荒漠草原和以羊茅(Festuca ovina)、针茅(Stipa capillata)和苔草为主要优势种的典型草原。

1.2 草地样本调查

调查时间为2014年5月下旬, 在研究区内随机布设了1 m× 1 m样方25个, 对每个样方内的植被采用针刺法测定盖度, 收割地上的植被, 称鲜重, 用卷尺测量植株的高度。

1.3 高光谱数据采集

使用美国SVC HR-768便携式光谱仪及其软件对新疆天山北坡草原植物群落的光谱进行采集与分析处理。SVC HR-768便携式光谱仪技术参数如下:光谱范围在350-2 500 nm, 通道数为768, 在350-1 000 nm光谱范围内光谱分辨率≤ 3.5 nm; 在1 000-1 500 nm和1 500-2 100 nm光谱范围内光谱分辨率均≤ 16 nm, 最小积分时间为1 ms。在晴朗干燥、微风无云天气的12:00-15:00, 分别测定白板和各草地样方的光谱数据。对每个样方的光谱测量进行记录, 同时重复多次以减少随机噪声的影响, 去异常线后取均值作为该草地样方的反射光谱。采用SVC HR-768光谱仪配套软件对原始草地光谱数据进行降噪处理, 用九点移动平均法对光谱曲线进行平滑去噪处理, 使数据具有更好的连续性。

1.4 数据处理与分析

荒漠草原植被稀疏, 光谱反射率受土壤的影响较大, 对后续的分析也会造成影响, 而对光谱曲线进行微分处理可以快速明确光谱曲线的特征点, 有利于植被信息的提取, 所以本研究对采集到的光谱数据进行一阶微分处理[18]:

R'(λ i)=[R(λ i+1)-R(λ i-1)]/2Δ λ .

式中:λ i为i nm 波段的波长, R'(λ i) 为反射率在λ i的一阶微分, R (λ i+1) 为波长λ i+1处的植物光谱反射率, R(λ i-1)为波长λ i-1处的植物光谱反射率, Δ λ 是波长λ i+1到波长λ i的间隔。

1.5 建模与验证数据集选取

本研究共测量了25块样方的高光谱数据及盖度数据, 从中随机抽取18块样方用来建立天然草地盖度的估算模型, 使用另外7块样方验证估算模型的精度。

2 结果与分析
2.1 草地光谱特征分析

草地的光谱反射率由于受大气、土壤、水分等因素的影响并不是单纯的植被光谱反射率。植被类型、大气状况、土壤质地、水分含量等因素都会对草地的光谱反射率产生影响, 所以草地光谱特性是植被及其所在环境的综合反映[19]。

研究显示, 不同盖度的草地光谱曲线虽然在局部区域存在较大差异, 但是总体趋势一致(图1)。这是因为叶片色素含量、叶片结构、叶片面积大小、含水量等因素的不同会使植被的光谱反射率产生差异, 但由于产生光谱反射的要素相同, 所以其光谱反射率曲线总体趋势一致[20]。草地光谱在350-490 nm波段范围内较为平缓, 反射率也较低, 在2%~15%; 在490-700 nm波段范围内有明显的两谷一峰特征:在550 nm附近有一个反射峰, 反射率大概在3%~20%, 在500 nm和680 nm附近分别有一个反射谷, 这是由于在550 nm波长附近叶绿素对绿光的强烈反射和此波段范围内叶绿素对红光和蓝光的强烈吸收所致。在680-760 nm波段范围内, 由于叶绿素对红光的强烈吸收和在叶片内部近红外光发生多次散射导致强烈的反射[21], 草地的光谱反射率迅速增加。在近红外波段(760-925 nm), 呈现出连续的强反射(10%~35%), 这是因为红外波段的光在呈水溶胶状态的叶绿素和叶肉内海绵组织的作用下具有强烈的反射[22]。在760-1 300 nm波段植被反射强烈, 除低盖度(44%)草地光谱曲线以外, 其余4条曲线都有两个明显的波峰和波谷, 第1个波峰在1 085 nm附近, 第2个波峰在1 280 nm附近。在1 350-1 450和1 870-1 930 nm波段附近为植被的水吸收带。在1 660、1 840和2 205 nm附近有明显反射峰, 反射率分别在15%~35%、15%~35%和10%~40%。当植被盖度发生变化时, 其对应的草地光谱反射率也发生变化, 基本趋势为植被盖度越高, 反射率越低。

图1 不同植被盖度下的草地光谱曲线Fig. 1 Spectrum curves of grassland at different vegetation coverage levels

2.2 天然草地盖度与高光谱数据相关性分析

2.2.1 天然草地盖度与原始光谱相关性分析 从研究区内草地盖度和草地原始光谱曲线之间的关系(图2)可以看出, 在可见光波段, 草地原始光谱曲线与草地盖度的相关系数小于0; 波长在354-704 nm之间, 相关性达到极显著水平(P< 0.01); 波长在674 nm处相关系数绝对值最大, 相关系数为-0.906。在1 046-1 086 nm波长范围内相关系数大于0, 未达到显著水平(P> 0.05); 在长波近红外(1 100-2 526 nm)区域, 草地原始光谱曲线与草地盖度相关系数为负值, 在1 420-1 481、1 904-2 512 nm波长范围内, 相关性通过极显著性检验(P< 0.01); 波长在2 485 nm处相关系数绝对值最大, 相关系数为-0.904。

图2 草地盖度与原始光谱相关性分析Fig. 2 Correlation analysis of grassland coverage and the original spectrum

2.2.2 天然草地盖度与一阶微分光谱相关性分析 对天山北坡草地光谱数据进行一阶微分处理并分析其与草地盖度的相关性, 结果显示(图3), 一阶微分光谱与盖度在556-576、1 086-1 141、1 266-1 436、2 333-2 399 nm波段均呈显著负相关关系(P< 0.05), 相关系数的绝对值均大于0.83。在556-576 nm波段内, 560 nm处的相关系数绝对值达到最大, 为-0.975; 在1 086-1 141 nm波段内, 1 093 nm处的相关系数值达到最大, 为0.973; 在1 266-1 436 nm波段内, 1 321 nm处的相关系数绝对值达到最大, 为-0.987; 在2 333-2 399 nm波段内, 2 361 nm处的相关系数绝对值达到最大, 为-0.990。

图3 草地盖度与一阶微分光谱相关性分析Fig. 3 The correlation relationship between grassland coverage and the first-order differential spectrum

2.2.3 天然草地盖度与高光谱特征变量相关性分析 本研究主要选取高光谱位置变量、高光谱面积变量和高光谱植被指数变量3种形式的特征变量(表1)。

表1 高光谱特征变量及定义算法 Table 1 Hyperspectral characteristic variables and definition algorithms

为了筛选出构建盖度模型的最佳高光谱变量, 分析各高光谱特征变量与盖度之间的相关性(表2)。植被盖度与高光谱位置变量Dr、Rg和Rr的相关系数绝对值较大, 均通过极显著检验水平(P< 0.01), 其中特征变量Dr与草地盖度的相关系数最大, 为0.958; 植被盖度与高光谱面积变量SDr和SDy的相关系数绝对值均较大, 通过极显著性检验水平(P< 0.01); 植被盖度与植被指数变量VI3、VI5和VI6的相关系数均大于0, 通过极显著检验水平(P< 0.01)。在全部14个变量中, 特征变量SDr与植被盖度的相关系数最大, 为0.972。植被盖度与Db、SDb和VI4的相关系数未通过显著性检验(P> 0.05), 说明当植被盖度发生变化时, 这3个高光谱特征变量没有发生显著变化。

表2 高光谱特征变量与草地盖度之间的相关系数 Table 2 Correlation coefficient between hyperspectral characteristic variables and grassland coverage
2.3 天然草地盖度的高光谱遥感估算模型构建

对高光谱参数与草地盖度的相关性和显著性进行比较, 以相关系数的绝对值大于0.95, 且达到0.01显著相关的高光谱参量作为自变量, 对应的草地盖度数据作为因变量, 通过SPSS 20.0软件进行回归分析, 并进行F检验, 构建草地盖度与高光谱参量之间的拟合模型, 然后依据拟合决定系数大小, 从中选出了相对较好的估算模型(表3), 较高的R2> 0.9, 说明所选模型可以用于估算天然草地盖度。

表3 草地盖度高光谱估算模型及其精度评价 Table 3 Hyperspectral estimation models for grassland coverage
2.4 天然草地盖度估算模型精度分析

利用草地高光谱数据和实测草地盖度对构建的单变量线性模型进行精度分析可知, 所选估算模型相对误差均小于15%, 均方根误差均小于10%, 说明上述5个估算模型均能较好地预测草地盖度。其中, 一阶微分光谱在560 nm处构建的线性回归模型相对于其它估测模型, 拟合R2较高(图4), 均方根误差和相对误差相对较小, 分别为7.344%和9.657%, 调整R2较高(0.942), 而均方根误差和相对误差均较低, 预测结果也较为理想, 因此, 基于草地光谱的一阶微分模型y=-384.153x+72.096可作为草地盖度的最佳估测模型。

图4 草地盖度估算模型检验
注:Ⅰ 、Ⅱ 、Ⅲ 为光谱一阶微分线性模型, Ⅳ 为Dr一元线性模型, Ⅴ 为SDr一元线性模型。Fig. 4 Precision test of the prediction model for cover of grassland
Note: In figures Ⅰ , Ⅱ , and Ⅲ , the linear models are based on the first derivation. In figure Ⅳ , linear models are based on Dr. In figure Ⅴ , linear models are based on SDr.

3 讨论

本研究对天山北坡天然草地原始光谱反射率、一阶微分光谱反射率与草地盖度的相关关系进行分析发现, 草地盖度与原始光谱相关性较强(r> 0.7)的波段范围是354-717、1 420-1 481、1 904-2 512 nm, 与一阶微分光谱相关性较强的波段556-576、1 266-1 436、2 333-2 399 nm, 且基于一阶微分光谱曲线560、1 321和2 361 nm波段处的反射率值的估算模型能够较好估测草地盖度, 这与内蒙古自治区锡林郭勒盟的天然草地盖度估算的研究结果[6]相似, 两者之间的微小差异可能由多方面因素引起, 仪器的选择、采样时间、研究区的基本环境、植被高度、植被叶片构造的不同, 都会给研究结果带来一定的影响[23, 24, 25]。

本研究分析了原始光谱、一阶微分光谱和14个特征变量与草地盖度的相关关系, 通过回归建模和模型精度评价发现, 以高光谱位置变量R'560、 R'1 321、R'2 361和高光谱参数Dr和SDr为自变量建立的估算模型具有较小的误差和较高的精度。而在锡林郭勒盟的天然草地盖度高光谱估算模型的研究中也发现, 高光谱特征变量Dr和SDr与草地盖度的相关系数较大, 均大于0.7, 达到极显著检验水平(P< 0.01)[6], 本研究结果与此基本一致。相对于高光谱植被指数, “ 红边” 参数与草地盖度的相关性更强。也有研究发现, 测量草地生物量经常用到的参数归一化植被指数(NDVI)对土壤和大气的环境的变化非常敏感, 与其相比“ 红边” 更加稳定[26]。

本研究通过对天然草地原始光谱和一阶微分光谱与草地盖度的相关关系和估算模型进行对比分析发现, 基于一阶微分光谱敏感波段的估算模型能更好地对草地盖度进行估测。这可能是因为盖度较低的植被高光谱受下垫面土壤的影响, 红边特征减弱[27]。一些研究结果也表明, 对植被光谱数据进行一阶微分处理能更加有效地提取植被信息[28, 29, 30]。

近几十年来遥感技术被广泛应用于草地监测, 但用于估测草地盖度的植被指数大多由宽波段计算得出, 易受土壤背景等条件的影响, 而且用宽波段计算的植被指数很可能忽略掉一些主要信息。相较而言, 高光谱遥感数据从细节刻画地物光谱[31], 其高光谱分辨率的特点, 能够提高探测植被精细光谱信息的准确性[26]。但同时, 由于高光谱反射率对植被种类、生育期和不同的环境条件等非常敏感, 为了减小误差并将研究结论推广到实际应用中, 还需要在更多地区扩大试验规模, 对不同时间段各种类型的草地的高光谱特性及其估算模型进行研究。

4 结论

本研究分析了天然草地原始光谱、一阶微分光谱和高光谱特征参数与草地盖度之间的相关关系, 主要得出以下结论:1)与“ 蓝边” 参数、“ 黄边” 参数和植被指数相比, “ 红边” 参数与草地盖度的相关关系相对较高, 以参数Dr和SDr为变量建立的单变量线性估算模型相对误差也较小。2)基于草地光谱的一阶微分模型y=-384.153x+72.096可作为本研究区草地盖度的最佳估测模型。均方根误差和相对误差均较小, 分别为7.344%和9.657%。3)本研究区位于西北干旱半干旱区域, 植被盖度低, 相对于以“ 红边” 参数为变量的估算模型, 基于一阶微分光谱敏感波段建立的估算模型能够更好地对草地盖度进行估测。4)高光谱反射率对植被种类、生育期和不同的环境条件等非常敏感, 将研究结论推广应用还需要进一步扩大研究区域和试验规模, 对更多类型和不同时间段的草地的高光谱特性和估算模型进行研究。

The authors have declared that no competing interests exist.

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