基于哨兵2号多光谱遥感数据的草原植被盖度反演——以内蒙古自治区为例

田海静,王 林,韩立亮,范云豹,杨吉林

(1.国家林业和草原局林草调查规划院,北京 100714；
2.国家林业和草原局草原资源监测中心,北京 100714；
3.中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101)

草原是重要的生态屏障,具有涵养水源、保持水土、净化空气、维护生物多样性、应对气候变化等重要生态功能。据第三次全国国土调查结果显示[1],全国草地26 453.014万hm2,其中,天然牧草地21 317.214万hm2,占80.59%；
人工牧草地58.06万hm2,占0.22%；
其他草地5 077.74万hm2,占19.19%。

植被盖度是指一定区域内全部鲜活植物个体地上部分(包括叶、茎、枝等)的垂直投影面积占区域总面积的百分比[2],是植被生长状况的直观量化指标[3],能够表征生态系统植被群落生长状况及生态环境质量,其在精确量化土壤侵蚀[4-5]、水土保持[6-9]、陆-气相互作用和荒漠化治理[10-12]等诸多研究中至关重要。因此,建立高精度植被盖度估算模型对草原资源监测意义重大。

目前,根据植被盖度测量的空间尺度大小可将植被盖度测量方法分为传统的地面测量法和遥感监测法。传统地面测量中,常用目视估测法、采样法和仪器法,以传统的样地、样方尺度进行观测,该方法的优点是数据测量精度高,但工作效率低,且只能获取点上数据,无法获取空间分布数据,对草原精细化管理的支撑力度不足。遥感监测方法可以概括为3种[14]：第一种是基于植被指数的估算方法,如,经验模型法、植被指数法、像元分解模型法；
第二种是基于数据驱动的机器学习估算方法,如,决策树分类法、人工神经网络法；
第三种是基于遥感物理过程模型的估算方法,如,几何光学模型和辐射传输模型的估算等方法。遥感监测植被盖度的优点是可以快速获取植被盖度的空间分布,但缺点是当样地数据较少时,精度难以保证。

本研究以内蒙古自治区为研究区,通过2021年地面实测1 906个样地的植被盖度数据,利用哨兵2号多光谱遥感数据进行草原植被盖度遥感建模与反演,获取形成了内蒙古自治区草原植被盖度空间分布,对支撑草原精细化管理提供了数据和技术支撑。

1.1 研究区概况

内蒙古草原是欧亚大陆草原的重要组成部分,根据内蒙古自治区第三次全国国土调查主要数据公报结果,内蒙古自治区共有草地5 437.42万hm2,主要分布在锡林郭勒盟、阿拉善盟、呼伦贝尔市、鄂尔多斯市、巴彦淖尔市和乌兰察布市等6个盟市,占全区草地的84%。内蒙古草原分为7个种类,植物种类有2 781多种。内蒙古自治区自东向西依次分布着温性草甸草原、温性草原、温性荒漠草原、温性草原化荒漠和温性荒漠5个地带性草地类,占全区草原总面积的89%；
山地草甸和低地草甸占全区草原总面积的11%。

1.2 草地类与样地数据

本研究利用2021年内蒙古自治区草原监测采集的1 906个样地开展草原植被盖度遥感建模研究。样地采用森林资源连续清查样地与草原典型抽样相结合的方式进行布设,采用地面调查的方法进行数据采集。

样地布设原则:1)利用方式及利用强度有明显差异的同类型草地分别设置样地；
2)依据不同程度退化、沙化、盐渍化和石漠化的草地分别设置样地；
3)对分布均匀、生物量较低、人烟稀少的区域适当减少样地布设数量,对于相对重要或代表性强的区域适当增加样地布设数量；
4)在集中连片的具有较好代表性、一致性的草地区域设置样地,避免在草地边缘地带设置样地；
5)样地位置相对固定,并记录现地范围明显标识或主要拐点坐标。

样地面积:对于草地集中连片、分布广阔区域,满足遥感建模分析需求的,按照北方不小于100 hm2,南方不小于10 hm2的标准开展样地监测；
对于草地不集中连片、分布零散,无法满足遥感建模需求的,设置统计分析小样地,按照不小于0.25 hm2的标准开展样地监测。

样地调查时间:在草原生长旺盛时期开展调查,其中7月份调查样地590个,8月份调查样地881个,9月份调查样地431个,每个样地监测3个样方。通过样地数据质量检查,对坐标记录有误、样方植被盖度记录与样方照片存在明显偏差、不适用于遥感建模的数据进行了剔除,剔除掉12个样地数据,得到质量合格的样地数据1 894个。

样地覆盖了内蒙古自治区的7种草地类,其中温性草原773个样地,温性荒漠草原384个样地,温性草甸草原260个样地,温性荒漠240个样地,温性草原化荒漠101个样地,低地草甸132个样地,山地草甸11个样地,为了保证各类建模样本数量都超过100个,将相近的低地草甸、山地草甸合并为一类进行建模。不同草地类样地数量及建模分类如表1所示。

表1 不同草地类地面实测样地数量及归类建模分类

1.3 样地调查指标

样地主要调查指标包括:资源类型、草地类、草地型、植被盖度、单位面积鲜草产量、优势草种、裸斑面积比例、砾石覆盖面积比例、覆沙厚度、盐碱斑块面积比例、地表侵蚀类型、地表侵蚀程度等。

1.4 样方调查方法

样地植被盖度通过样方调查得到,按照代表性、均匀性原则,在样地内设置样方。样方的选取要求能够反映整个样地内植被盖度的平均水平。按照样方内植物的高度和株丛幅度分为两类:一类是以植物高度<80cm的草本或<50cm的灌木、半灌木为主的中小草本及小半灌木样方；
另一类是以植物高度≥80cm的草本或≥50cm的灌木为主的灌木及高大草本样方。对于草本及矮小灌木,每个样地设置3个1m×1m的样方,样方之间水平距离不小于250m,样方植被盖度采用目测法或针刺法测量,样地植被盖度取3个样方植被盖度的平均值。

样地内具有高大草本或灌木时进行高大草本、灌木和半灌木调查,每个样地内设置1个10m×10m的高大草灌样方,记载100m2样方内灌木和高大草本株丛的数量,再在样方内设置3个1m×1m的草本及矮小灌木样方。高大草灌株丛测量方法一:先将样方内灌木或高大草本按照冠幅直径的大小划分为大、中、小3类(当样地中灌丛大小较为均一,冠幅直径相差不足10%～20% 时,可以不分类,也可以只分为大、小两类),并分别记数；
方法二:按灌木种类选择一个标准株丛,记录其长、宽、高度和鲜草产量,以此株为标准株,对样方内同一种的其它株丛进行折算,相同株丛为1株,小的折为0.5株,大的折为2～3株。样地植被盖度=100m2内灌木覆盖面积+(100-灌木覆盖面积)×3个1m2样方植被盖度的平均值。

1.5 遥感数据

本研究采用的遥感数据源为哨兵2号多光谱数据。哨兵2号是高分辨率多光谱成像卫星,分为2A和2B两颗卫星,携带一枚多光谱成像仪,可覆盖13个光谱波段,高度为786km,幅宽达290km。一颗卫星的重访周期为10d,两颗互补,重访周期为5d。从可见光和近红外到短波红外,具有10,20m和60m不同的空间分辨率,在光学数据中,哨兵2号数据是唯一一个在红边范围含有3个波段的数据,这对监测植被信息非常有效。采用的遥感数据源主要特征如表2所示。

表2 哨兵2号卫星数据主要特征

选取影像获取时间在2021年7—9月份的数据,根据质量控制,经过去云、云影等处理后,采用最大值合成技术获得了草地生长最旺盛时期影像数据,保证遥感影像获取时间与外业调查时间间隔在30d之内。

2.1 植被盖度分草地类建模

2.1.1植被指数计算

考虑到不同草地类植被特征的差异,本研究分别对不同草地类进行植被盖度遥感建模。采用指数模型法构建了DVI,EVI,GCVI等23种指数模型,具体情况如表3所示。

2.1.2分草地类建模

对合并后的6个分组草地类的样地实测植被盖度与23种植被指数分别进行了相关性分析。表3、图1为以温性草原为例,实测植被盖度与各植被指数的相关性。

表3 实测植被盖度与各植被指数的相关性和显著性水平

图1 不同植被指数与实测植被盖度的相关性

以温性草原为例,研究表明23种植被指数与实测植被盖度均呈现显著相关性(P<0.001),其中相关系数最高的为NDVI,相关系数达到0.834,相关系数绝对值超过0.8的指数还有RENDVI1,NDPI,GNDVI,NDWI3共4种植被指数,其它18种植被指数与实测植被盖度的相关系数绝对值均超过0.5。

2.2 高值与低值校正

在确定相关系数最高的植被指数为NDVI后,研究采用线性函数、指数函数、正弦函数等多种方法进行了NDVI与实测植被盖度的拟合,发现在正弦函数、线性函数拟合情况下,NDVI与实测植被盖度的相关性最强,然而正弦函数在高值部分(植被盖度>75%)的低估现象更明显,而线性函数在低值部分(植被盖度<25%)的高估现象更明显。为此,当植被盖度小于25%时,采用正弦函数；
当植被盖度大于75%时,采用线性函数；
植被盖度在25%～75%之间时,采用线性函数。两种函数组合情况下,模拟植被盖度与实测植被盖度的累计概率密度曲线如图2所示。

图2 不同函数拟合情况下模拟与实测植被盖度的累计概率密度曲线

2.3 模型精度评估

对6种根据草地类分组后的样地数据分别进行植被盖度建模后,内蒙古自治区1 894个样地模拟植被盖度与实测植被盖度的相关系数R2=0.722,显著性水平P<0.01,RMSE=12%,结果如图3所示。

图3 模拟植被盖度与实测植被盖度之间的相关性分析

3.1 内蒙古自治区草原植被盖度分布

通过草原植被盖度分类遥感建模反演,最终得到了内蒙古自治区草原植被盖度分级分布情况。结果表明,内蒙古自治区植被盖度在5%～30%的草地主要分布在内蒙古自治区西部,主要涉及阿拉善盟、巴彦淖尔市、鄂尔多斯市、包头市、呼和浩特市；
植被盖度在30%～45%的草地主要分布在鄂尔多斯市、包头市、呼和浩特市、乌兰察布市、锡林郭勒盟西北部；
植被盖度在45%～60%的草地主要分布在乌兰察布市东部、锡林郭勒盟、赤峰市、通辽市、兴安盟和呼伦贝尔市西部；
植被盖度在60%～75%的草地主要分布在锡林郭勒盟东部、赤峰市、通辽市、兴安盟和呼伦贝尔市东部；
植被盖度在75%～100%的草地主要分布在内蒙古自治区东部,与东北林区交界地带。

3.2 不同草地类植被盖度分析

将6套遥感估算模型应用于内蒙古自治区7种草地类植被盖度反演(低山草旬类,山地草旬类共用一套模型)。结果表明,内蒙古自治区7个草地类植被盖度差别较大,植被盖度从高到低分别为山地草甸78.91%、温性草甸草原73.7%、低地草甸53.89%、温性草原52.57%、温性荒漠草原32.76%、温性草原化荒漠25.52%、温性荒漠19.29%。

本研究选取内蒙古自治区为研究对象,通过2021年地面实测1 894个样地的植被盖度数据,利用哨兵2号多光谱遥感数据进行草原植被盖度遥感建模与反演,获取形成了内蒙古自治区草原植被盖度空间分布。

1)23种植被指数与实测植被盖度均呈现显著相关性(P<0.001),其中相关系数最高的为NDVI,相关系数达到0.834,相关系数绝对值超过0.8的还有RENDVI1,NDPI,GNDVI,NDWI3共4种植被指数,其它18种植被指数与实测植被盖度的相关系数绝对值均超过0.5。

2)正弦函数、线性函数拟合情况下,NDVI与实测植被盖度的相关性最强,然而正弦函数在高值部分的低估现象更明显,而线性函数在低值部分的高估现象更明显。为此,当植被盖度<25%时,采用正弦函数；
当植被盖度>75%时,采用线性函数；
当植被盖度在25%～75%之间时,采用线性函数,通过两种函数组合,模拟结果较好。

3)对6种分组草地类分别进行植被盖度建模后,内蒙古自治区1 894个样地模拟植被盖度与实测植被盖度的相关系数R2=0.722,显著性水平P<0.01,RMSE=12%。

4)内蒙古自治区7种草地类植被盖度从高到低分别为山地草甸78.91%,温性草甸草原73.7%,低地草甸53.89%,温性草原52.57%,温性荒漠草原32.76%,温性草原化荒漠25.52%,温性荒漠19.29%。