克什克騰旗草原植被長勢MODIS遙感監測

范雪松 翟志軍 尹 源

內蒙古自治區克什克騰旗氣象局 內蒙古 克什克騰旗 025350

草原植被長勢情況是指某一地區草原植被總的生長狀況及趨勢[1],用當年監測草原植被長勢情況與往年草原植被長勢情況進行比較,這樣就可以清楚的說明草原植被生長情況及好壞,往年草原植被長勢是可以是某一時間段內草原植被生長狀況或者是實際狀況[2]。根據具體情況,時間段可以是月、季、年等。通常草原植被長勢監測可以分為兩種,一是遙感監測,二是地面監測。遙感監測草原植被長勢,是通過遙感衛星數據與草原植被生長狀況的相關特點,對各個時段內的遙感數據進行處理、分析,從而反映出草原植被長勢好壞的一種科學方法;地面監測草原植被長勢,是先選取固定樣地,對樣地內的植被進行測定,通過與往年的測定結果進行對比,從而說明現在草原植被長勢情況。

利用遙感技術監測草原植被長勢情況,主要是利用3S技術,包括GIS(地理信息系統)、GPS(全球定位系統)、RS(遙感),與地面監測相結合[3],實現對草原植被長勢的全方位監測。草原植被遙感監測內容主要有草原植被長勢、草原植被生物量等。近些年,3S技術不斷發展成熟,尤其是在對地觀測方面發展迅速,高分辨率衛星數據獲取技術不斷增強,這些都為草原植被遙感監測提供了強大支撐,我國利用遙感技術對草原植被、草原生物量、草原災害等的監測日益精準。

草原植被是草地生態系統中的重要組成部分,是動植物資源的寶庫[4]。但是由于經濟發展。人們對于草原過度開發,如毀草開地、過牧、過開采等,加上全球氣候變化共同影響,導致植被退化、土地沙化、水土流失,草原植被退化成為我國最嚴重的生態環境問題。利用遙感監測技術能夠及時、準確的了解草原植被情況[5],可以從宏觀上揭示植被生長情況,實現草原植被可持續發展。

1 研究區概況

克什克騰旗地處于內蒙古東部、赤峰市西北部,是內蒙古高原與大興安嶺南端山地和燕山余脈七老圖山的交匯地帶,克什克騰旗總面積約20673平方公里。地理坐標是:東經126°21′～118°26′,北緯42°23′～44°22′,地勢呈西高東低,中部多為沙地,北部為草原,地處渾善達克和科爾沁兩大沙地的結合部,包括了草原、沙地、熔巖臺地和丘陵山區,地形復雜多樣。克什克騰旗屬于中溫帶大陸性季風氣候,冬季寒冷干燥,夏季炎熱,冬季時間長,夏季時間短,年平均氣溫2～4℃,無霜期60～150天,年降雨量250～500毫米。

2 研究方法

2.1 實驗數據 利用2019年和2018年4月1日-9月30日每日覆蓋全國的遙感數據(MODIS數據),經過數據處理,幾何校正、輻射定標等過程[6],把每一個月的遙感數據進行NDVI指數計算,并且對每一個月的NDVI指數進行最大值合成,消除云、氣溶膠等因素的干擾,最后得到兩年監測期間每個月的最大NDVI值,然后用2019年每個月的NDVI值減去2018年同時段每個月的NDVI值,得到2019年和2018年每個月NDVI差值圖,對差值圖進行分類計算,得出2019年克什克騰旗草原植被每個月長勢情況。

2.2 實驗方法 植被指數通常是利用植物本身在不同波段上的光譜反射特征來計算的[7]。歸一化指數計算NDVI(Normalized Difference Vegetation Index),NDVI指數與植被長勢好壞呈現正相關關系。NDVI指數計算公式為:

NDVI=(B2-B1)/(B2+B1)

公式中的B1代表在MODIS第一波段反射率,B2表示第二波段反射率。最后算得NDVI指數數值越大,表示植被長勢越好,植物越茂密[8],同理,如果NDVI指數越小,表示植被越稀疏。

2.3 數據處理 對2019年和2018年4月1日-9月30日遙感數據進行NDVI指數計算,然后在對每一個月NDVI指數進行最大值合成,得到2019年和2018年4月到9月每個月的NDVI指數,對同期的NDVI指數進行比較分析[9],計算每個月植被長勢差值,根據差值大小進行等級劃分,表示植被長勢等級:

公式中D是草原植被長勢指數差值,NDVI19表示2019年某一個月草原植被指數,NDVI18表示2018年同時段草原植被指數[10]。

為了更好的對克什克騰旗草原植被進行科學分析評價,本人根據D值的大小,把NDVI指數分為8個等級,從0.1至0.7以上,每個等級相差0.1,NDVI值越大表示長勢越好。

對草原植被長勢分析,利用GIS,按照鄉鎮單元進行統計分析[11],得到4-9月每個鄉鎮的草原植被長勢統計分析數據,由此得到克什克騰旗的草原植被長勢動態變化圖表并加以分析。

3結果與分析

3.1 2019年克什克騰旗草原總體長勢好于2018年 2019年4-9月份克什克騰旗草原植被每月監測面積平均有1.89萬km2。其中總體長勢比2018年好的草原植被面積占20.19%;長勢與去年持平的占67.99%;長勢差于去年的占11.99%(圖1)。

圖1 2019年克什克騰旗草原植被長勢監測圖Fig 1 Result of grassland growth of Keshiketeng Banner in 2019 by remote sensing monitoring

3.2 中期長勢較好,前期后期長勢較差 從每個月的植被長勢動態變化來看,克什克騰旗草原植被在6-7月份長勢最好,明顯好于8-9月份,克什克騰旗前期草原植被長勢與去年基本持平,沒有太大變化,在4-5月草原植被長勢基本不變面積占總面積的93.07%,進入6月份后,草原植被長勢發生逆轉,6月份草原植被長勢好于去年同期,長勢好的面積占總面積的62.56%,7月份草原植被長勢繼續變好,好于去年同期54.6%,但是8-9月草原植被長勢開始變差,較去年同期平均相差28.69%(表1)

圖2 2019年克什克騰旗各個時期草原植被長勢對比Fig 2 Comparison of vegetation growth among different months of 2019

圖3 2019年克什克騰旗各個時期草原植被長勢分布圖Fig 3 Spatial distribution of the overall grassland growth in 2019

表1 2019年克什克騰旗草原植被不同時期的長勢監測結果Table 1 Vegetation growth in various months of 2019 by remote sensing monitoring

8月 1.4 1 0.0 3 9 0.4 4 7 9.3 8 3.0 0 1 7.6 4 9月 1.2 4 0.0 1 4 0.6 5 6 6.0 3 7.1 6 3 3.2 5平均A v e r a g e 1.2 8 0.3 8 0.2 3 6 7.9 4 2 2.1 9 1 0.7 0

從圖2可以看出,在4-5月份,克什克騰旗草原植被長勢較好與長勢不好占比都比較少,最大占比不超過13.3%,草原植被長勢基本不變,但是從6月份開始,草原植被長勢好的占比明顯高于長勢不好占比,7月份略有下降,但總體是以長勢好的占比為主,8月份開始,草原植被長勢不好占比呈線性增長,形成了克什克騰旗草原總體長勢“中期長勢較好,前期后期長勢較差”的演變格局。

3.3 克什克騰旗西北部較好,東南部較差 從遙感監測圖上可以看出,克什克騰旗草原植被長勢空間分布差異顯著。圖3為2019年4-9月克什克騰旗草原植被長勢監測圖,圖4為與2018年同期相比植被指數變化圖。由圖可知:克什克騰旗草原植被長勢在西北部最好,主要包括:巴彥查干蘇木、達來諾日鎮、達日罕烏拉蘇木、經棚鎮。

植被長勢較差的地區主要集中在克什克騰旗的東南部,尤其是紅山子鄉;其次是萬合永鎮。

4 討論

在對2018年、2019年4-9月克什克騰旗草原植被進行遙感監測分析中發現,2019年克什克騰旗草原植被整體好于去年,并在在6-7月份植被長勢最好,在空間分布上以克什克騰旗西北部植被好于東南部。導致這一原因可是與水熱條件和地形條件相關,充足的降水和較高的氣溫都有利于草原植被生長。

利用遙感技術對草原植被生長情況進行監測,可以從宏觀上為草原利用和草原管理提供重要決策材料[12]。精準、及時的對草原植被長勢進行監測對于草原管理和利用十分重要,并且草原植被長勢的精度受植被指數影響,根據研究表明,歸一化指數NDVI對于草原植被生長季表現敏感,NDVI指數與植被量呈現線性關系。

為了使草原植被長勢監測數據更加精確,最好是利用當年的數據與去年的數據進行分析對比,這樣時間間隔較短,消除了年際變化帶來的誤差[13]。也可以更好的說明草原植被長勢情況。

對于利用遙感手段監測草原植被長勢情況,也存在一些困難,例如遙感數據分辨率的問題[14],一般所用遙感數據分辨率是500m×500m以下,對所觀察地面的結果很難一一對應,但是利用人工觀測或者是無人機監測手段,可以彌補這方面的不足,三種方法相互驗證,提高監測精度。

圖4 2019年克什克騰旗草原植被與去年相比植被指數變化圖Fig 3 Vegetation index change of grassland compared with last year in 2019