基于環境衛星數據的黃河濕地植被生物量反演研究

高明亮，趙文吉，* ，宮兆寧，赫曉慧

(1．首都師范大學三維信息獲取與應用教育部重點實驗室，資源環境與地理信息系統北京市重點實驗室，資源環境與旅游學院，北京 100048;2．鄭州大學水利與環境學院，鄭州 450001)

濕生植被是濕地生態系統的重要組成部分，其生物量是衡量濕地生態系統初級生產力的主要指標之一［1］。同時，植被是濕地生態系統運行的能量基礎和物質來源，是度量植被結構和功能變化的重要指標。利用現代遙感技術可以快速、有效地提取濕地的植被生物量信息，直觀地反映濕地植被的生長狀態和發展變化，對濕地生態環境監測和保護具有重要意義。

基于植被指數的植被生物量反演是目前大面積生物量估算的主要方法。童慶禧等［2］開展了濕地植被成像光譜研究，對鄱陽湖濕地進行植被光譜識別分類與生物量制圖;Zheng等［3-6］曾對植被指數反演LAI(葉面積指數)展開過相關研究，結果表明LAI與多種植被指數具有良好的相關性，并得到不同植被指數反演LAI的估算模型;李仁東［7］等基于Landsat ETM數據估算鄱陽湖濕地植被生物量，研究不同植被指數及遙感影像第一主成分與實地采樣生物量數據的相關性，并建立相關性模型估算鄱陽湖2000年4月的植被生物量;吳濤［8］、陳鵬飛［9］等分別用一元回歸方法估算遼東灣雙臺子河口濕地翅堿蓬和呼倫貝爾草地地上生物量;Foody［10-12］等分別基于TM、HJ-1A及SPOT影像數據結合線性回歸模型估算森林生物量;Susan等［13-16］多位國內外研究者都曾基于不同的遙感數據，采用不同的回歸分析方法得到植被指數與不同植被生物量之間的關系模型，并且形成了比較成熟的計算體系，即采用一元線性或曲線模型來擬合不同植被指數與生物量之間的的關系，并對估算結果進行精度評價，從而估算研究區域的植被生物總量或者生成研究區域的植被生物量空間分布圖;Aurélie［17］等研究基于分類樹算法的濕地監測方法，認為不同季節應采用不同的植被指數作為指示因子;王立海［18］等采用引入地形因子的增強型B-P神經網絡建立了森林生物量非線性遙感模型，生成了總體精度為88．04%的研究區域森林生物量定量分布圖。姚延娟［19］等研究遙感模型多參數反演的相互影響機理，分析了反演過程中參與反演的未知參數的個數、參與反演的每個參數的敏感性及各個參數敏感性之間的相關性。用單一植被指數作為輸入因子，在擬合中覆蓋度植被生物量時，具有較高的精度和靈敏度，而在植被覆蓋不均勻的區域，其預測結果存在較大誤差，不能準確地反映真實的生物量信息。研究在此基礎上綜合多種植被光譜指數作為輸入因子，采用MLRM擬合生物量分布，在一定程度上提高了基于植被光譜指數的生物量估算方法的精度和可靠性。

1 數據獲取與方法

1．1 研究區域概況

鄭州黃河濕地自然保護區位于黃河中下游交界區域，水域遼闊，灘涂廣布，濕地類型多樣，是我國中部地區濕地生物多樣性分布的重要地區和河流濕地中最具代表性的地區之一，也是我國鳥類重要的繁殖地、越冬地和我國候鳥遷徙的三大重要通道之一。保護區地理坐標在北緯34°48'—35°06'，東經112°48'—114°14'之間屬暖溫帶大陸性季風氣候區，年平均氣溫14．2℃，年平均日照為2366 h，平均無霜期227 d，年均降水量為616 mm，年均蒸發量1664．2 mm。保護區內植被種類豐富，有維管束植物80科284屬598種。其中木本植物有38種，草本植物560種。主要植被類型有水生植被、沙生植被、鹽生植被、防護林和果木林植被等。

研究區域位于鄭州黃河濕地自然保護區范圍內，地處鄭州市北部、新鄉市及焦作市南部，以黃河大堤作為南北邊界(圖 1)。地理坐標在北緯 34°54'—35°05'，東經 113°15'—114°06' 之間，總面積為 47374 hm2。研究區域植被分布較均勻，由黃河沿岸至灘區混雜分布著香蒲等挺水植物群落，茅草、艾蒿、馬唐、狗尾草等常見草本植物群落(多為叢生)，及檉柳等小型灌木。研究對象為香蒲、蘆葦、水蜈蚣、水蓼等典型濕生挺水植物以及馬塘、狗尾草等為主的植物群落，約占研究區域植被的80%—90%，為研究區域的優勢種群。

圖1 研究區位置示意圖Fig．1 Location of study area schematic plot

1．2 數據獲取

1．2．1 遙感影像數據

研究的基礎數據選用2010年8月16日獲取的HJ-1A衛星CCD2多光譜影像，在選取同步影像時，考慮到數據質量和云層遮蓋影響，與地面采樣有4d的時差。影像覆蓋山西省東南部、河北省南部、河南省北部及山東省西部區域。

HJ-1A衛星CCD相機星下點空間分辨率為30 m，掃描幅寬360 km(單臺)，光譜范圍覆蓋包括藍色波段(0．43 —0．52 μm)、綠色波段(0．52—0．60 μm)、紅色波段(0．63—0．69 μm)以及近紅外波段(0．76—0．90 μm)，可以滿足植被指數提取和相關研究的要求。HJ-1A衛星具高時空分辨率，建有配套地面系統，可以快速高效地實現數據接收、處理和分發，同時具有應急快速處理能力和快速存取能力。研究充分利用國產衛星數據特征優勢，對推廣國產衛星數據產品應用具有重要意義［20］。

1．2．2 樣點布設及地面實測數據

地面生物量采集于2010年8月20日進行，野外實地調查采樣數據將用于反演模型的擬合及其精度和預測能力的檢驗。根據研究區植被生長密度分割結果，考慮到植被分布特征，沿南北方向設若干列30 m×30 m的樣區，每個樣區內根據植被株叢分布劃定若干1 m×1 m有代表性的樣點，最終共選取樣區45個。涉及的植被類型以香蒲、蘆葦水蜈蚣等挺水植物以及馬塘、狗尾草等植物群落為主，占到樣本總量的90%左右，是具有代表性的優勢種群。樣區分布見圖2。

圖2 實地樣區位置分布圖Fig．2 The distribution of sample districts

在每個樣點區域內齊地剪取地上生物量，然后將同一個樣區所有樣點的采樣混合后進行稱重，并作記錄，記錄內容包括樣區編號、中心點GPS坐標、植被種類、樣本鮮重、距河岸距離、高程、株高、蓋度等。然后將每個樣區內采集的樣本分別取100 g放入自封袋中并標記樣區號，帶回實驗室恒溫烘干并記錄凈重，計算出含水率μi。最后通過公式(1)將樣點鮮重換算成為樣點凈重(干重)。最終每個樣區植被生物量記錄結果為樣區干生物量單位面積均值(g/m2):

式中，wi1、wi2、wi3為第i個樣區內n個樣本植被的鮮重，μi為第i個樣區樣本植被含水率，Wi為該樣區樣本植被生物量凈重(干重)。

將所有樣點的記錄數據按照樣區均勻分布的原則劃分為兩個組。選取1—33號樣區33個樣本組數據結合其植被指數用于擬合生物量模型，剩余的34—45號12個樣區樣本組數據用于對模型預測精度進行檢驗。

1．3 數據處理方法及流程

1．3．1 數據處理

本次研究的數據處理包括遙感數據的處理及地面實地采樣數據的處理兩部分。首先根據絕對輻射定標系數對影像進行輻射定標，將各波段DN(像元亮度值)值轉為表觀輻射亮度;鑒于影像獲取時研究區上空晴朗無云，選取改進的暗像元法［21］大氣校正模型計算并獲得大氣校正參數，綜合表觀輻射量度圖像和大氣校正參數建模，得到反射率圖像;然后采用多項式法對影像進行幾何校正，誤差控制在0．5個像元以內;最后沿黃河大堤對影像進行裁剪，得到研究區域影像。

遙感影像上的植被信息，主要是通過綠色植物葉片和植被冠層的光譜特性及其變化差異而反映的。不同光譜波段所獲得的植被信息與植被的不同要素或某種特征狀態有各種不同的相關性。因此，在建立遙感生物量方程時，選定適合該區域該季節的遙感指示因子就顯得極為重要。

研究選取 EVI、GNDVI、MSAVI、MTVI2、NDVI、OSAVI、RVI和 SAVI共 8 種常用植被光譜指數(表 1)作為研究對象。考慮到研究區優勢種群占到植被總量的90%，且群落分布較為均勻，故認為植被指數圖像中，一個混合像元的值代表地面一個樣區內(30 m×30 m)混合植被指數。由于采樣點數據是矢量結構，故各樣本點的植被指數值取其所在植被指數圖像上對應像元值。配合生物量統計結果為每個樣區單位面積(1 m×1 m)混合植被干生物量的均值，以保證反演結果的可靠性。

表1 本研究中用到的植被光譜指數Table 1 Spectral vegetation index used in this study

1．3．2 SCRM 數學模型

采用回歸擬合方法估算生物量，將單一植被指數作為自變量采用回歸擬合的方法得到一個線性或者非線性方程(如SCRM)的方法已被廣泛應用。SCRM(一元曲線回歸模型)多用于擬合植被指數與生物量之間的曲線相關關系，主要采用指數模型或者高次方程，雖然模型擬合精度有所提高，但由于數學算法本身的原因，在植被覆蓋不均勻區域，反演結果會出現較大誤差。實際研究中常用多項式方程作為生物量SCRM的基本模型(公式(2))。

式中，Y為植被干生物量，x為植被指數，a0，a1，…，am為回歸系數，ε為剩余誤差。

研究采用函數逼近的方法來確定公式(2)中植被指數的次數，首先從一次多項式開始，直至多項式的剩余誤差平方和小于某個給定的任意值為止。

1．3．3 MLRM 數學模型

這里引用的MLRM(多元線性回歸模型)最早是為解決實際經濟問題而定義的。在實際經濟問題中，一個變量往往受到多個變量的影響，如家庭經濟支出，后被引申到地理科學及數據統計領域［29］。事實上，一種現象常常是與多個因素相聯系的，由多個自變量的最優組合共同來預測或估計因變量，比只用一個自變量進行預測或估計更有效，更符合實際。實際應用中，為了保證模型具有優良的解釋能力和預測效果，須遵循MLRM的變量選擇準則。

用于擬合生物量MLRM數學模型的建立是研究探討的核心。設y為因變量x1，x2，…，xk為自變量，并且自變量與因變量之間為線性關系時，則多元線性回歸模型為:

公式(3)稱為回歸方程，式中b0為常數項，b1，b2，…，bk為回歸系數，ε為隨機誤差。這里y對應于生物量，x對應于不同植被指數。b0+b1x1+b2x2+bkxk+ε設有n組樣本點數據，其中xij表示xj在第i次的觀測值，于是有:

式中，b0，b1，b2，…，bk為 k+1 個待定參數，ε1，ε2，…，εn為 n 個相互獨立的且服從同一正態分布 ε—N(0，δ2)的隨機變量。這里xij表示某一植被指數xj在第i個樣本點的值，y1，y2，…，yn為各樣本點實測生物量。公式(4)稱為多元(k元)線性回歸的數學模型。

課程標準提出識字教學要“力求識用結合”，課堂中，先從文本中習得，再進行當堂的指導運用，識字伴隨著閱讀的進程而展開，所學的生字就不容易混淆，容易鞏固，也不顯得枯燥，這樣能激發學生學習漢字的興趣和欲望。如《田家四季歌》教學最后，感受農民伯伯的辛苦與忙碌中，由“戴”字入手，從早忙到晚，農民伯伯在忙什么？再現前面學到的各種農活，再次體會到農民的辛苦，從而積累“披星戴月”這個成語。再由文中的“戴月光”引入到自身戴的東西，學生主動地找尋著在生活中的各種“戴”：戴圍巾、戴紅領巾、戴項鏈等等，在課堂上對“戴”進行了運用。學生就掌握扎實，也不會與“帶”混淆了。

式中，Y為因變量矩陣，這里對應于實測生物量矩陣;X為自變量矩陣，這里對應于各樣本點植被指數;b為系數矩陣;ε'為隨機誤差。公式(5)稱為生物量MLRM的矩陣形式。

研究表明，處于生長狀態的植被干生物量與多種植被指數存在相關關系［30-33］。在進行生物量反演模型構建時，綜合考慮多種植被指數的最優組合來預測或估算生物量，比只用一種植被指數進行預測或估計更準確，更具有實際意義。

研究將植被生物量抽象為一種現象，將各種植被指數抽象為多個不同影響因子，將植被生物量與植被指數的相關關系抽象成一種數學模型，并嘗試采用MLRM擬合方法來解釋它們的這種相關關系。

1．3．4 技術流程

研究處理流程主要包括3個部分:基礎遙感數據的預處理及植被光譜指數提取;地面采樣數據的處理篩選;模型擬合及精度評價。主要技術流程見圖3。其中，遙感數據預處理包括影像的輻射定標、大氣校正、幾何校正及影像裁剪，之后提取植被指數;地面采樣數據通過換算為生物量干重單位面積均值;采用MLRM方法及SCRM方法分別對植被指數和生物量進行擬合，得到擬合模型并對其進行精度評價。然后通過對比選出最優的擬合模型，估算研究區域植被總量，并繪制研究區域2010年8月植被生物量空間分布圖。

SCRM和MLRM擬合結果精度評價指標選用相關系數法及實測生物量方法。相關系數法包括求解相關系數(預測決定系數)r、精度(或系統誤差)SE及均方根誤差RMSE(公式(6)—(8))。實際生物量法是通過對研究區地物進行解譯分類，聚類得到不同密度植被的面積，乘以各相應區域的樣方單位面積實測平均生物量，然后進行求和得到研究區總的干生物量(公式(9))，將其結果與反演模型估算總生物量結果進行對比，計算其相對誤差。

需要說明的是:相關系數r反映某一植被指數與生物量之間的相關關系，其取值范圍為(-1，+1)。|r|越大，表明變量之間的線性相關程度越高，反之相關程度越低。當相關系數小于0時，稱為負相關;大于0時，稱為正相關;等于0時，稱為零相關。

研究采用多種檢驗指標對MLRM擬合結果進行精度檢驗，在保證模型精度的基礎上，進一步提高模型的預測能力，并用實地采樣數據對其預測能力進行檢驗。

圖3 整體技術流程圖Fig．3 Total technique flowcharts

2 生物量反演及精度檢驗

2．1 生物量反演

SCRM方法擬合生物量采用回歸分析法，利用(2)式對生物量進行擬合，在要求誤差平方和 (∑ εi()2)為最小的前提下，用最小二乘法求解參數。各植被指數擬合生物量結果見表2。

輸入植被指數的篩選是MLRM建立的關鍵。其遵循的準則為:(1)所選用植被指數與生物量呈密切相關性;(2)所選用植被指數之間具有一定的互斥性，其相互間相關程度不應高于與生物量之間的相關程度;(3)生物量實地采樣值具有完整的統計數據，其預測值容易確定。

將33個樣本點的光譜指數進行變量相關性分析及篩選，結果表明EVI、GNDVI、MSAVI、MTVI2、NDVI及RI符合互斥原則，且與生物量具有較好的相關關系，被選入MLRM作為模型擬合自變量;而SAVI、OSAVI因與NDVI存在較強線性關系被剔除。在要求誤差平方和(∑ εi()2)為最小的前提下，用最小二乘法求解b0、b1、b2、b3、b4、b5和b6，得到6種植被指數對生物量的多元線性回歸擬合結果:

2．2 精度檢驗

SCRM及MLRM擬合結果精度和預測能力檢驗采用相關系數法(公式(6)—(8))及實際生物量方法(公式(9))，分別選取模型擬合變量輸入組33個、模型預測能力檢驗組12個樣本點的實際采樣值作為參考進行精度檢驗。SCRM及MLRM擬合生物量數據結果見附表(共45組)。SCRM及MLRM擬合模型精度及預測能力檢驗分別見表2和表3。

表2中可以看出，NDVI、OSAVI等擬合的曲線模型達到較高的精度，但是預測能力檢驗略有降低，預測能力分析結果見圖4。可以看出預測生物量分布呈現不同程度的離散，特別是生物量值實測較高的地方出現了明顯偏離，因此不能很好地反演生物量分布。

表2和表3的對比中可知，MLRM擬合生物量精度及預測能力檢驗結果均優于SCRM擬合生物量精度及預測能力檢驗結果，模型相關系數為0．9791，擬合精度達到29．8 g/m2，預測決定系數達0．8742，誤差為49．9 g/m2。圖5中各樣本點數據均落在1∶1等值線周圍，表明MLRM對濕地生物量反演結果有較好預測能力。

表2 SCRM擬合結果及精度檢驗Table 2 Comparison between Results of SCRM

表3 MLRM擬合結果及精度檢驗Table 3 Accuracy check results of MLRM

圖4 不同SCRM擬合生物量預測結果對比圖Fig．4 Comparison of predicted results between different models

圖5 MLRM擬合生物量預測結果圖Fig．5 Comparison between predicted and actual biomass by MLRM

MLRM擬合結果建模進行生物量反演，得到研究區植被生物量為6．849 199 t/hm2，反演得到生物量空間分布見圖6。通過對研究區地物解譯聚類將植被覆蓋區域按植被生長密度分割為不同區域，采用實際生物量方法估算的生物量為6．525 450 t/hm2，兩者相差0．323 749 t/hm2，相對誤差為4．73%。

與圖7地物分類結果進行對比，圖6中黃河北岸村落周邊的混合像元被很好地識別出來，村落的輪廓線清晰，道路縱橫交錯;此外，近年來黃河水量減少，增加了許多河心灘，其上生滿了綠色植被，部分區域目測生物量覆蓋甚至超過陸地表面，這在圖6中也有所體現;MLRM擬合結果很好地區分開黃河南岸的丘陵地帶植被和裸地，以及水田和旱地;這些均與實地調查情況相吻合。由此可見，基于MLRM和植被光譜指數及實地采樣數據可以較為準確估算濕地生物量分布。

圖6 MLRM反演生物量空間分布圖Fig．6 Spatial distribution of biomass estimation by MLRM

圖7 研究區地表覆蓋分類結果圖Fig．7 The classification of the land cover

3 結論與討論

利用遙感技術反演濕地植被生物量，有利于對濕地植被資源進行實時監測和精準管理。本研究基于HJ-1A衛星CCD2影像和多種回歸模型以鄭州黃河濕地自然保護區為例對生物量進行反演計算。結論及討論如下:

(1)基于環境減災衛星數據提取植被指數，結合野外實地采樣數據可以估算濕生植被生物量是可行的，同時為濕地植被監測及生態資源管理提供了一個有力工具，對于推動國產衛星數據在資源環境領域的應用具有重要意義。

(2)對于研究區濕地植被干生物量，MLRM擬合結果具有較好的精度和預測能力，能夠較好地用于估算濕地植被生物量。其模型顯著性檢驗為極顯著，模型相關系數為0．9791，擬合精度達到29．8 g/m2;其模型預測結果系統誤差為49．9 g/m2，預測決定系數為0．8742，均方根誤差為67．2 g/m2，比傳統的一元回歸模型具有更高的精度和可靠性。估算研究區域2010年8月濕生植被生物量為6．849 199 t/hm2，與實際生物量法估算生物量結果相差0．323 749 t/hm2，相對誤差為4．73%。

(3)經過選取不同樣本組數據進行實驗，本研究提出的采用MLRM擬合生物量方程方法所得到的結果與實際采樣對比結果各項誤差指標變化不大，表明本研究提出的方法具有一定的可復制性。

(4)混合像元的存在是影響反演精度的主要因素之一。為解決這一問題，根據研究區植被分布特點，選擇分布相對均勻且有代表性的地塊作為樣區，調查組成混合像元的典型地物的比例［34-35］，并按照這一原則抽取樣方。

濕地是人類最重要的環境資本之一，也是自然界富有生物多樣性和較高生產力的生態系統，濕地的水陸過渡性使環境要素在濕地中的耦合和交匯作用復雜化，它對自然環境的反饋作用是多方面的。MLRM用作估算濕地植被生物量，具有超越傳統一元回歸模型的精度和預測能力，作為一種基于遙感技術的可靠的植被生物量檢測和反演手段，對生態資源管理和濕地生態環境保護具有重要意義。

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附表 擬合生物量數據與實測數據/(g/m2)Accessories table Comparison between fitting results and actual data