基于modis的內(nèi)蒙古典型草原植被動態(tài)變化特征分析

基于modis的內(nèi)蒙古典型草原植被動態(tài)變化特征分析

1空間分辨率特征合適的時間分辨率可以更好地反映草地植被的時間變化特征。MODIS空間分辨率為250m、500m和1km,其中用于計算NDVI(歸一化植被指數(shù))的1、2波段為250m,用于計算EVI(增強型植被指數(shù))的第1、2、3波段最低為500m,這樣的空間分辨率,比以往研究常用的1.1km分辨率的AVHRR能更詳盡地反映草地的空間差異。MODIS每天上午覆蓋一次,時間分辨率足以滿足實時反映草地變化的要求。MODIS植被指數(shù)包括MODIS_NDVI和MODIS_EVI,本文選用比較成熟的MODIS_NDVI。MODIS-NDVI比AVHRR-NDVI先進之處在于:輸入的RED和NIR是已經(jīng)過大氣校正的地表反射值,而且波幅更窄,避免了NIR區(qū)水汽吸收問題;MODIS不僅在發(fā)射前做了定標(biāo),而且在運行過程中可不斷修正偏差,這使它在整體上比AVHRR性能穩(wěn)定。因此,利用MODIS數(shù)據(jù)定期地對NDVI值進行分析,有助于對草地分布、初級生產(chǎn)力、草場利用和退化狀況進行有效的動態(tài)監(jiān)測。2草地生長周期考慮到研究區(qū)域的代表性,選擇內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟作為研究區(qū),研究區(qū)包括9旗1縣2市。錫林郭勒草地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部偏東,地處北緯41°35′~46°46′、東經(jīng)111°09′~119°58′,是一個以高平原為主體、兼有多種地貌單元的草地區(qū),地勢南北高、中間低。中溫帶半干旱大陸性氣候類型,冬季寒冷,夏季炎熱,降水不均,雨熱同期。土壤類型多樣,草地資源類型廣泛,覆蓋著草甸草原、干草原、荒漠草原、荒漠、草甸的各個亞類,在類型上具有一定的典型性和完整性,在空間分布上具有一定的連續(xù)性。因此,選擇該區(qū)利用MODIS數(shù)據(jù)研究其植被指數(shù)的時空變化特征,可以較詳細地反映不同類草地在其生長周期內(nèi)的長勢情況,以及各類草地生長狀況在空間上的過渡和差異性。研究過程中選擇蘇尼特左旗、右旗的荒漠草原,正鑲白旗、正藍旗的沙地草原,錫林浩特市和西烏珠穆沁旗的典型草原和草甸草原草地區(qū)作為地面實測樣區(qū),以實測的草地產(chǎn)量、蓋度、高度、土壤濕度等數(shù)據(jù)輔助分析遙感數(shù)據(jù),為植被指數(shù)的時空特征分析提供參照信息,并可為草地類型監(jiān)測、草地產(chǎn)量估測提供有價值的參數(shù)信息。3地面實測數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)源為2002年4~10月MODIS遙感數(shù)據(jù)和2002年5~9月地面實測數(shù)據(jù)。研究方法以MODIS植被指數(shù)(NDVI)的提取分析為主,以地面同步實測數(shù)據(jù)分析為輔。3.1無云天氣值以2002年4~10月的MODIS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),首先對MODIS1B數(shù)據(jù)進行幾何精度校正,圖像中心星下點校正誤差小于0.1個像元,邊緣小于0.3個像元,圖像幾何精度能較好地滿足分析要求。NDVI計算選取MODIS的1、2通道,即紅波段(波長為620~670nm)、近紅外波段(波長為841~876nm),采用以下公式計算:NDVI=(近紅外-紅)/(近紅外+紅)為了避免MODIS數(shù)據(jù)中云的影響,用于NDVI計算分析的數(shù)據(jù)取無云天氣數(shù)據(jù),所選數(shù)據(jù)日期為:3月30、31日;4月7、9、10、11、16、18、23、24、25、27、29、30日;5月1、2、4、9、13、17、22、24、25、26、27、29、31日;6月2、5、14、16、17、19、20、30日;7月7、11、12、23、30、31日;8月12、13、14、15、17、21、22、29、30日;9月5、9、13、14、15、16、19、22、23、29日;10月2、7、8、9、14、15、16、18、19、23、25、29、30、31日;11月1、3日。植被指數(shù)提取每月的上、中、下旬的最后一日的NDVI值,即每月的10日、20日、30日的NDVI值,個別當(dāng)日值殘缺者利用前后數(shù)據(jù)插值,插值所利用的數(shù)據(jù)時間差不超過5日。3.2數(shù)據(jù)的采集及測定選取錫林郭勒盟的草甸草原、典型草原、沙地草原和荒漠草原四種具有代表性的草地類型區(qū),于2002年5~9月每月對各類草地進行一次野外實測。取樣方法為樣方法。實測前首先由草地專家根據(jù)經(jīng)驗和實地考察,對上述各類草地進行分析,選擇在群落結(jié)構(gòu)、草地多度、蓋度、生態(tài)環(huán)境條件等方面具有代表性的樣地。每月對各類草地進行一次野外實測,每次實測中對每類草地選取10個樣地,并對每個樣地進行固定大小樣方的實測。草本樣方大小為1m×1m,分布有灌木的草地樣方大小為20m×20m,共采集40個樣地的200個地面測產(chǎn)數(shù)據(jù);同時采集其種屬組成、優(yōu)勢種、蓋度、主要種類高度及樣地土壤濕度等數(shù)據(jù),為NDVI時空變化分析提供參考信息。產(chǎn)量測量方法為:剪割地上生物量部分,裝袋、稱重;蓋度測量方法為目測直接估計法,同時確定總蓋度和分蓋度;高度用卷尺法測量,測量優(yōu)勢種及主要組成種屬的地上部分單株最大高度。采集過程中利用GPS(精度為5m)定位,保證每次實測樣地地理位置的一致性,以提高空間分析的準(zhǔn)確性。4不同草地物種和草地物種指數(shù)的變化4.1月生存率:7月至20d草甸草原草地植被指數(shù)旬度變化曲線如圖1所示。NDVI變化在0.41~0.8之間,峰值出現(xiàn)在7月22日。研究區(qū)草甸草原屬溫性草甸草原類平原丘陵草甸草原亞類,主要為針茅草原群系組貝加爾針茅草原群系。實測的主要草地型有貝加爾針茅(Stipabaicalensis)+日陰苔草(Carexpediformis)、貝加爾針茅+羊草(Leymuschinense)、貝加爾針茅+羊草+日陰苔草等群落。4月初,牧草尚未返青,植被指數(shù)為0.41左右;從草地生長周期看,4月末5月初,貝加爾針茅草原處于萌動返青期,牧草開始返青,整個5月份都處于返青期,植被長勢緩慢,所以植被指數(shù)不高,在0.42~0.46之間,植被指數(shù)的增幅也較小,平均每日增長不到0.002。植被指數(shù)是草地植被蓋度、植被長勢的數(shù)量表達,與草地植被地上生物量關(guān)系密切,低的NDVI值意味著蓋度低、長勢弱、地上生物量低。5月20日地面實測數(shù)據(jù)顯示,植被蓋度最高不高于40%,平均蓋度在23%左右,貝加爾針茅的絕對高度為10~40cm之間,各樣地平均地上生物量僅為55.60g/m2(鮮重)。從5月底6月初開始,植被指數(shù)開始快速增長,7月22日左右植被指數(shù)達到最高值0.8,這期間NDVI平均日增幅為0.006,這是因為6月植被由返青期進入生長期生長迅速。到7月下旬至8月初,貝加爾針茅草原植被抽穗開花,進入盛草期,地面實測數(shù)據(jù)顯示,植被蓋度在6月18日為40%~60%之間,平均為5.3%,7月22日蓋度猛增到80%~100%,平均為91%,6月各樣地平均地上生物量為104.50g/m2(鮮重),與5月相比絕對增幅為48.90g/m2(鮮重),相對增幅為88%。7月份各樣地平均地上生物量為493.48g/m2(鮮重),生物量月絕對增幅為388.98g/m2(鮮重),相對增幅為372%,比上月同期高284個百分點,7月22日貝加爾針茅高度最高達77cm。8月份仍處盛草期,植被指數(shù)由最高值逐漸降低,但基本保持在0.67~0.8之間的高水平,只是在8月中旬左右略低,這是由于溫帶半干旱大陸性氣候在7~8月氣溫最高,進入8月累積的高溫使蒸散量增大,地面實測數(shù)據(jù)顯示土壤濕度在8月為最低,使得牧草稍顯枯萎,植被蓋度也降至55%~85%之間,樣地平均地上生物量為275.79g/m2(鮮重),地上生物量月絕對增幅為-217.69g/m2(鮮重),相對增幅為-44%。8月末9月初,氣溫開始降低,貝加爾針茅草地由生長旺盛期進入果實成熟期,植被開始枯黃,植被指數(shù)明顯下降,9月末降到0.48以下,NDVI日平均降幅為0.006,實測數(shù)據(jù)顯示:地上生物量也降到208.24g/m2(鮮重)。10月,NDVI繼續(xù)降低,但降幅趨于平緩,至10月下旬牧草完全枯黃,植被指數(shù)為0.44,之后進入冬季休眠期。4.2草地ndvi的生長動態(tài)典型草原草地植被指數(shù)旬度變化曲線如圖2所示。NDVI變化在0.39~0.68之間,峰值出現(xiàn)在7月底。研究區(qū)典型草原屬溫性典型草原類平原丘陵典型草原亞類。主要群系為針茅草原群系組大針茅草原群系,實測的主要草地型有大針茅(Stipagrandis)+羊草+糙隱子草(Cleistogenessongorica)、大針茅+日陰苔草、羊草+大針茅+糙隱子草等群落。與草甸草原草地不同的是,典型草原草地的NDVI值總是低于同時期的草甸草原,各旬差值平均為0.069。5月15日之前,典型草原草地NDVI值低于0.4,這是由于在季節(jié)發(fā)育節(jié)律上受干旱氣候及類型本身生態(tài)特征的限制,大針茅草原大多數(shù)植被于5月中下旬返青,返青時間較草甸草原要晚。5月底,NDVI依然不超過0.43,5月NDVI增幅不明顯,平均日增幅為0.001(比草甸草原草地要低0.001),這是由于草地仍然處于返青期,不茂盛,蓋度小;5月19日地面實測數(shù)據(jù)顯示,植被蓋度最高為25%,平均蓋度為19.25%,各樣地平均地上生物量為27.00g/m2(鮮重),比同期草甸草原低28.6g/m2;從6月上旬開始,植被指數(shù)有明顯增長,但增長速度較草甸草原草地要慢得多,平均日增幅為0.0045,到7月末達最大值為0.68,因為6、7月生長迅速,于7月下旬至8月初之間達到生長高峰。由于受典型草原地帶活動積溫和植物生長期的影響,生長高峰比草甸草原來得晚,即7月底NDVI才達最大。實測數(shù)據(jù)顯示的植被蓋度:6月17日植被蓋度為15%~55%,平均為27.5%;7月21日蓋度為10%~90%,平均為53.9%,這與植被指數(shù)的增長趨勢相一致。6月份樣地地上生物量平均值為43.30g/m2(鮮重),絕對增幅為16.30g/m2,相對增幅為60%;7月份各樣地地上生物量平均值為223.49g/m2(鮮重),絕對增幅為180.19g/m2,相對增幅為416%,比上月同期多356個百分點。之后,從7月底到9月中旬,NDVI呈緩慢下降趨勢,植被慢慢枯萎;9月下旬,秋季來臨,氣溫驟降,植被迅速枯黃,所以植被指數(shù)迅速降至0.46;10月,NDVI繼續(xù)下降,但幅度不大,10月底霜降后降至0.41左右,此時植被完全枯黃,漸漸進入冬季休眠期。4.3灌木生長季動態(tài)沙地草原草地植被指數(shù)旬度變化曲線如圖3所示。NDVI變化在0.38~0.63之間,峰值出現(xiàn)在7月底。研究區(qū)沙地草原草地屬溫性典型草原類沙地典型草原亞類。地面實測的主要草地型為以小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)+沙竹(Psammochoavillosa)+沙生冰草(Agropyrondesertorum)、冷蒿(Artemisiafrigida)+沙生冰草等灌木及半灌木為建群種的草地群落?？偟膩砜?整個生長期內(nèi),與前兩者相比沙地草原草地的植被指數(shù)變化類似典型草原,但要比典型草原草地更趨于平緩,數(shù)值上6月中旬以前與典型草原接近(都在0.4~0.5之間),之后直到枯草期到來都比典型草原要低。這主要是因為:植被分布異質(zhì)性大,植被蓋度低,地面裸露較多,多沙地、覆沙地,NDVI值受地表反射特征影響較大,因此其變幅相對較小,曲線更平緩。4月初到5月上旬,植被指數(shù)停留在0.4以下,植被尚未返青。5月中下旬,植被指數(shù)才開始增長,由于沙地草原的返青期與典型草原相似,比草甸晚,5月22日地面實測數(shù)據(jù)顯示各樣地平均地上生物量為84.32g/m2(鮮重)。5月中下旬到6月中旬,NDVI在0.4~0.5之間,日增幅較小,僅為0.0018,由于此期間大多數(shù)植被尚處于返青期,生長較慢;6月19日地面實測數(shù)據(jù)顯示:各樣地平均地上生物量為147.56g/m2(鮮重),比5月增長75%。6月下旬到7月,NDVI增長迅速,7月31日達最大值,此期間平均日增幅也只為0.0044,各樣地平均地上生物量為351.54g/m2(鮮重),其月增幅為整個生長季最大,也只有138%,相比典型草原和草甸草原小很多;NDVI逐漸下降,至9月末降至0.42,比同期的典型草原和草甸草原草地分別低0.2和0.4左右。10月下旬霜降后,NDVI降到0.39以下,牧草完全枯黃,進入休眠期。4.4不同草地類型ndvi的季節(jié)性生長荒漠草原草地植被指數(shù)旬度變化曲線如圖4所示。NDVI數(shù)值范圍在0.34~0.43之間,整個生長期內(nèi)波動不大,波峰不明顯,最大值出現(xiàn)在7月末。研究區(qū)荒漠草原屬溫性荒漠草原類平原丘陵荒漠草原亞類。主要群系為以小葉錦雞兒為建群種的灌木組和以小針茅為建群種的叢生禾草組。地面實測的主要草地型為小針茅(Stipaklement)+無芒隱子草(Cleistogenessongorica)+沙生冰草、沙蔥(Alliumsemenovii)+小針茅、小葉錦雞兒+沙蔥+小針茅等群落。NDVI之所以呈現(xiàn)以上特征,就是因為其分布在氣候干旱的荒漠草原地區(qū),植被多以上述旱生及超旱生灌叢和禾草為主,地表植被覆蓋度小,實測蓋度數(shù)據(jù)顯示,荒漠草原草地的地表裸露程度比沙地草原草地還要強烈,整個生長期內(nèi)植被蓋度分布在5%~40%之間,平均值僅為14.06%,各樣地地上生物量為12.08~100.25g/m2(鮮重),平均值為61.3g/m2(鮮重)。因此,NDVI值受土壤背景值影響也最大,在四種草地類型中NDVI曲線變化幅度是最小的,極差僅為0.09。但是,其NDVI的變化仍然呈現(xiàn)一定的季節(jié)性規(guī)律:4月初至5月初,基本無變化,在0.34附近,說明尚未有植被返青;5月中旬至6月中旬,NDVI略有增長,6月中增至0.37,植被處于返青階段;6月下旬,有明顯增長;7月末達到最大值0.43;8月有所下降,0.4的高值一直保持到9月中旬;9月末10月初明顯下降,進入荒漠草原的枯草期和休眠期。5各種草坪植物的指狀空間變化特征5.1ndvi的分級經(jīng)比較,選取天氣狀況最好的9月份每日MODIS1B數(shù)據(jù),經(jīng)BOWTIE處理、地理校正并通過計算生成每日的NDVI圖像,按照最大值合成法(MVI)將30日中最大的NDVI值作為9月份的NDVI值,得到2002年9月錫林郭勒盟草地NDVI圖像,然后在ENVI中對NDVI圖像進行密度分割,得到NDVI的分級分布圖(圖5)。將NDVI值按照0~0.001、0.001~0.37、0.37~0.41、0.41~0.48、0.48~0.56、0.56~0.83的值域劃分為6級,理由是:這種分級基本可以體現(xiàn)荒漠草原、沙地草原、典型草原和草甸草原幾個大的類別的空間差異和過渡性。如果分級過于簡單,不能切實反映出類別間的差異,同時鑒于MODIS的中尺度空間分辨率及在只考慮了NDVI一維要素的情況下,滿足更詳細的分類精度有一定的難度,所以沒有進行更詳細的分級,只分到6級。5.2草地草原的生長與分布植被指數(shù)分級分布圖體現(xiàn)了錫林郭勒盟各類草地的空間分布差異性、連續(xù)性和過渡性,體現(xiàn)了各類草地空間分布的實際特征。各個級別NDVI值域?qū)?yīng)不盡相同的草地類型區(qū),由于實際情況是:在荒漠草原與沙地草原之間、典型草原與草甸草原之間均無明顯的界線,沙地草原與荒漠草原和典型草原有一定重疊,所以通過NDVI分級分布所顯示的空間差異也不是明顯的,而是漸變性的,NDVI分級分布圖中圖斑的顏色由深到淺的變化表示NDVI值由小到大的變化,對應(yīng)著草地類型由荒漠草原→沙地草原→典型草原→草甸草原的變化趨勢。雖然不是一一對應(yīng),但其變化趨勢是相同的,而它的不一一對應(yīng)恰恰反映了各類草地之間在特征上的過渡性和在空間上的重疊性。0~0.001值域區(qū)間為水體,分布在道圖諾爾及查干諾爾處,正鑲白旗也有小塊分布,NDVI值為0,這與水體對近紅外的強烈吸收有關(guān)。0.001~0.37值域區(qū)間主要散布于本區(qū)西南部的小塊灘地、沙地(非沙地草原)及草原化荒漠地區(qū)