一种荒漠草原绿色植物鲜重遥感估算方法
【专利摘要】一种荒漠草原绿色植物鲜重遥感估测方法，其所述方法是选择大样地，测定大样地绿色植物鲜重，MOD09A1数据下载与预处理，计算大样地对应像元波段1与波段5组合的归一化指数，确定绿色植物鲜重估算模型，利用估算模型计算研究区域荒漠草原待监测点的绿色植物鲜重，即得到研究区域荒漠草原待监测点的绿色植物鲜重。本方法大大提高了荒漠草原绿色植物鲜重的估算精度，实现了基于卫星遥感技术的荒漠草原大范围区域绿色植物鲜重的准确监测。
【专利说明】一种荒漠草原绿色植物鲜重遥感估算方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种遥感估算荒漠草原绿色植物鲜重的方法，尤其是一种利用卫星遥感数据快速准确估算荒漠草原绿色植物鲜重格局与动态的方法。
【背景技术】
[0002]处于干旱、半干旱地带的荒漠草原，面积大、分布广，在畜牧业经济中占有非常重要的地位，但其具有强烈的大陆性气候，生境条件极为严酷，干旱、少雨、风大、沙多，加之长期以来人类对荒漠草地资源的掠夺性利用，使原本脆弱的生态环境更加恶化。为维持生态脆弱的荒漠草原生态平衡，遏制荒漠草原退化的趋势，必须及时、准确地掌握荒漠草原资源的动态变化情况，这就要求进行荒漠草原植被状况的快速、精确监测，其中对绿色植物鲜重的监测是其主要内容之一。同时，荒漠草原绿色植物鲜重的准确估算对于合理利用荒漠草地资源，充分发挥气候生产潜力以及荒漠草原生态系统碳库评估均是迫切需要解决的问题。能否及时准确地掌握大面积荒漠草原绿色植物鲜重资料，对科学计算荒漠草原载畜量和合理安排草畜生产，提高荒漠草原畜牧业生产力，维护荒漠草原生态系统的持续稳定，都具有十分重要的意义。
[0003]荒漠草原绿色植物鲜重获取的传统方法为实地测量，包括目测法、样方法、样带法、样点法等，但这些方法一般只适用于小区域尺度，且费时费力、难以大面积展开及具有一定的破坏性。近年来，遥感技术迅猛发展，并以其宏观性、时效性、信息量大等特点在草地资源调查等领域展示了日渐广阔和不可替代的应用前景。遥感技术的发展为荒漠草原绿色植物鲜重的获取提供了新的技术手段，尤其是为大范围荒漠草原绿色植物鲜重快速、准确获取提供了可能。
[0004]现有遥感技术中，利用卫星数据估算荒漠草原绿色植物鲜重的方法有两类，一类是物理模型法，一类是植被指数法。大量研究表明，受模型精度、参数获取及算法限制，利用物理模型估算荒漠草原绿色植物鲜重并不容易，在实际应用中具有很大的不确定性。植被指数法是从卫星遥感估算荒漠草原绿色植物鲜重最为经济、有效且常用的方法，其落脚点就是分析荒漠草原绿色植物鲜重与植被指数之间的相关关系，寻找对绿色植物鲜重最为敏感，且对背景因素最不敏感的植被指数，建立估算荒漠草原绿色植物鲜重的回归模型。
[0005]植被指数是指由遥感传感器获取的光谱数据，经线性或非线性组合而构成的对绿色植被有一定指示意义的各种数值。其中，最常用的植被指数是近红外波段与红波段组合的归一化指数 NDVI (Normalized Difference Vegetation Index)。但是，对于荒漠草原而言，利用NDVI指数估算绿色植物鲜重具有一定的局限性，这主要是因为荒漠草原植被稀疏，背景土壤对植被冠层光谱的影响特别明显，绿色植物对像元反射率的贡献较小，绿色植物在像元中的光谱贡献易于被掩盖，同时开放的植被冠层及明亮的土壤导致明显的多重散射与非线性混合。
[0006]为克服背景土壤光谱的影响，在归一化指数NDVI的基础上，国外学者利用土壤的近红外波段与红波段反射率呈线性关系的特点，通过引入土壤线来土壤背景的影响，构建了去除背景土壤光谱信息的植被指数，其中最常用的有SAVI (Soil-Adjusted VegetationIndex)、MSAVI (Modified Soil-Adjusted Vegetation Index)以及 OSAVI (OptimizedSoil-Adjusted Vegetation Index)。从理论上讲,这些去除背景土壤光谱信息的植被指数估算荒漠草原绿色植物鲜重的精度将大大提高。但是，学者们已开展的利用SAV1、MSAV1、OSAVI等植被指数估算荒漠草原绿色植物鲜重的研究表明，这些去除土壤背景信息的植被指数估算荒漠草原绿色植物鲜重的精度并不理想。研究表明，土壤背景影响最大的情况不是植被非常稀疏的地球，而是中等覆盖地区。植被过于稀疏地区，植被指数数值本身很小，由土壤背景光谱引起的变幅也比较小，这可能是上述去除土壤背景信息的植被指数估算荒漠草原绿色植物鲜重精度并不理想的原因。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种荒漠草原绿色植物鲜重遥感估算方法，以克服现有的遥感植被指数无法准确估算荒漠草原绿色植物鲜重的不足。
[0008]本发明的目的通过以下技术方案来实现的:
一种荒漠草原绿色植 物鲜重遥感估算方法，其所述方法如下:
1)依据研究区域的植被类型图，选择并确定若干个大样地及其地理位置；
2)在每个大样地内选取若干个小样方，刘割每个小样方内生长的绿色植物称重，并计算每个大样地内绿色植物鲜重的平均值，确定大样地绿色植物鲜重；
3)在网站下载与大样地绿色植物鲜重测定时间同步的覆盖区域M0D09A1数据，并进行格式与地图投影转换处理；
4)根据上述步骤3)预处理的M0D09A1地表反射率数据，提取与大样地绿色植物鲜重测定时间同步的大样地对应像元波段I与波段5的地表反射率，计算大样地对应像元波段I与波段5组合的归一化指数；
5)采用一元线性回归对若干个大样地绿色植物鲜重与其所对应的上述步骤4)计算得到的波段I与波段5组合的归一化指数之间的关系进行拟合，确定荒漠草原研究区域绿色植物鲜重估算模型；
6)依据上述步骤3)与步骤4)描述的方法，计算荒漠草原区域待监测点对应像元波段I与波段5组合的归一化指数，并通过上述步骤5)确定的绿色植物鲜重估算模型，计算出荒漠草原待监测点的绿色植物鲜重。
[0009]进一步地，一种荒漠草原绿色植物鲜重遥感估算方法是按下列步骤进行的:
1)选择大样地
依据研究区域的植被类型图，选取植被空间分布均匀的不同群落类型的30个大样地，并记录大样地的经度坐标与纬度坐标；
2)测定大样地绿色植物鲜重
在每个大样地内随机选取5个I m X I m的小样方,将每个小样方内处于生长状态的绿色植物齐地面刈割，用百分之一的天平对绿色植物称其鲜重，作为小样方实测绿色植物鲜重，然后计算每个大样地内5个小样方绿色植物鲜重的平均值，并作为该大样地的实测绿色植物鲜重，单位为g/m2;
3)M0D09A1数据下载与预处理在http://ladsweb.nascom.nasa.gov/数据产品网站下载与大样地绿色植物鲜重测定时间同步的覆盖研究区域的M0D09A1数据，使用MODIS Reprojection Tools软件将下载的M0D09A1数据进行格式与地图投影转换，HDF数据格式转换为TIFF数据格式，将正弦曲线地图投影转换为WGS84/AlberS地图投影；
4)计算大样地对应像元波段I与波段5组合的归一化指数
在ARCGIS软件中，基于大样地的经度坐标与纬度坐标，根据上述步骤3)中预处理后的M0D09A1地表反射率数据，提取与大样地绿色植物鲜重测定时间同步的大样地对应像元波段I与波段5的地表反射率；
在ARCGIS软件中，利用提取的大样地对应像元波段I与波段5的地表反射率，根据如下公式计算波段I与波段5组合的归一化指数:
【权利要求】
1.一种荒漠草原绿色植物鲜重遥感估算方法，其所述方法如下: 1)依据研究区域的植被类型图，选择并确定若干个大样地及其地理位置； 2)在每个大样地内选取若干个小样方，刘割每个小样方内生长的绿色植物称重，并计算每个大样地内绿色植物鲜重的平均值，确定大样地绿色植物鲜重； 3)在网站下载与大样地绿色植物鲜重测定时间同步的覆盖区域M0D09A1数据，并进行格式与地图投影转换处理； 4)根据上述步骤3)预处理的M0D09A1地表反射率数据，提取与大样地绿色植物鲜重测定时间同步的大样地对应像元波段I与波段5的地表反射率，计算大样地对应像元波段I与波段5组合的归一化指数； 5)采用一元线性回归对若干个大样地绿色植物鲜重与其所对应的上述步骤4)计算得到的波段I与波段5组合的归一化指数之间的关系进行拟合，确定荒漠草原研究区域绿色植物鲜重估算模型； 6)依据上述步骤3)与步骤4)描述的方法，计算荒漠草原区域待监测点对应像元波段I与波段5组合的归一化指数，并通过上述步骤5)确定的绿色植物鲜重估算模型，计算出荒漠草原待监测点的绿色植物鲜重。
2.如权利要求1所述的荒漠草原绿色植物鲜重遥感估算方法，其所述方法是按下列步骤进行的: 1)选择大样地 依据研究区域的植被类型图，选取植被空间分布均匀的不同群落类型的30个500m *500m大样地，并记录大样地的经度坐标与纬度坐标； 2)测定大样地绿色植物鲜重 在每个大样地内随机选取5个I m X I m的小样方,将每个小样方内处于生长状态的绿色植物齐地面刈割，用百分之一的天平对绿色植物称其鲜重，作为小样方实测绿色植物鲜重，然后计算每个大样地内5个小样方绿色植物鲜重的平均值，并作为该大样地的实测绿色植物鲜重，单位为g/m2; 3)M0D09A1数据下载与预处理 在http://ladsweb.nascom.nasa.gov/数据产品网站下载与大样地绿色植物鲜重测定时间同步的覆盖研究区域的M0D09A1数据，使用MODIS Reprojection Tools软件将下载的M0D09A1数据进行格式与地图投影转换，HDF数据格式转换为TIFF数据格式，将正弦曲线地图投影转换为WGS84/AlberS地图投影； 4)计算大样地对应像元波段1与波段5组合的归一化指数 在ARCGIS软件中，基于大样地的经度坐标与纬度坐标，根据上述步骤3)中预处理后的M0D09A1地表反射率数据，提取与大样地绿色植物鲜重测定时间同步的大样地对应像元波段I与波段5的地表反射率； 在ARCGIS软件中，利用提取的大样地对应像元波段I与波段5的地表反射率，根据如下公式计算波段I与波段5组合的归一化指数:V1 MODIE1，5=B5-B1/B5+B1其中，B5为M0D09A1第5波段地表反射率，B1为M0D09A1第I波段地表反射率； 5)确定绿色植物鲜重估算模型 采用一元线性回归对30个大样地绿色植物鲜重与其所对应的上述步骤4)中计算得到的归一化指数之间的关系进行拟合，确定研究区域荒漠草原绿色植物鲜重估算模型； 6)利用估算模型计算荒漠草原研究区待监测点的绿色植物鲜重 依据上述步骤3)与步骤4)计算出荒漠草原研究区待监测点对应像元波段I与波段5组合的归一化指数，并通过上述步骤5)确定的绿色植物鲜重估算模型计算出荒漠草原待监测点的绿色植物鲜 重。
【文档编号】G01N21/55GK103439297SQ201310398372
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年9月5日 优先权日:2013年9月5日
【发明者】任鸿瑞, 薛娟娟, 苏巧梅 申请人:太原理工大学