荒漠化草原地上生物量遥感估算模型

文│郑玉峰 刘雨金 郭艳梅（内蒙古自治区鄂尔多斯市气象局）

草畜平衡是指为保持草原生态系统良性循环，在一定区域和时间内，使草原和其他途径提供的饲草总量与饲养牲畜所需的饲草总量保持动态平衡。在草原保护和管理中，建立和推行草畜平衡管理制度是一项基础性工作，对合理利用草原，保护草原生态环境，维护生态平衡，实现草地资源可持续利用以及社会、经济可持续发展具有十分重要的作用。

3S技术是目前快速监测草地产量的主要技术手段之一，且随着遥感资料的变化而不断更新。美国1992年发射的对地观测系统（EOS）卫星Terra和Aqua均带有中分辨率成像光谱仪（MODIS），其产品光谱范围包括0.415～14.235微米的36个波段，地面分辨率为250、500和l000米，能够反映陆地、云特征、生物地理、地表温度等特征信息，因此EOS/MODIS资料已广泛应用于植物长势、土地覆盖、自然灾害等方面的监测和研究。

已有研究表明，MODIS植被指数能够更好地反映植被的时空变化特征。除多等利用EOS/MODIS卫星遥感数据，分析了西藏藏北高原草地植被地上生物量时空分布特征及其与气候因子的关系。杨英莲等利用青海省22个气象站在2003和2004年牧草生长季内的牧草鲜草产量数据，构建了基于增强植被指数（EVI）的草地类型的牧草鲜草产量模型。

综合上述研究，国内外研究均表明采用MODlS植被指数能够监测作物和草地产量，但不同地区因采用指数不同而存在差异，一般典型草原、荒漠化草原等植被盖度较低的草地适合卫星遥感植被归一化指数（NDVI）进行监测，高寒草甸、山地草甸、沼泽等植被盖度较高的草地适合用EVI进行监测。本文以内蒙古鄂尔多斯市荒漠化草原为研究对象，基于2005—2010年NDVI遥感数据，采用3S技术和草地植被动态监测的方法，对草地地上生物量进行估算，为当地政府恢复退化草地、合理规划草地资源的利用提供科学依据。

一、研究地区概况

鄂尔多斯市位于内蒙古西南部，该地区属温带内陆干旱半干旱大陆性气候区。冬季寒冷漫长，春季干旱多大风，夏季温热，雨水集中，秋季短促，气温下降快，霜冻来临早，日照充足，气温日变化大。年平均气温为6.2～7.7℃，年降水量少且分布不均，东南部地区年平均降水量为297.5～386.7毫米，西北部地区年平均降水量为179.3～276.3毫米，由东南向西北递减。蒸发量的分布与降水量相反，东南部地区年平均蒸发量为1979.0～2425.8毫米，西北部地区年平均蒸发量2130.5～3240.8毫米。研究区牧草以狭叶锦鸡儿、针茅、赖草、白草、碱草为主。

二、研究方法

1.数据来源。构建模型所用的地面实测数据来自鄂尔多斯市乌审旗、乌审召、杭锦旗、鄂托克旗、鄂托克前旗等5个荒漠化草原生态观测站的牧草干重数据，单位为千克/公顷，时间序列为2004—2010年6～8月，剔除异常值后共计95个样本点。牧草产量的测定方法遵循《气候生态环境监测技术规范》，测定时间为月末。用来检验模型的数据来自鄂尔多斯市草原监理所2011～2013年全市牧草总产量数据。遥感数据来自风云卫星遥感数据服务网MODIS/Terra的HDF格式数据，空间分辨率为250米。为了和地面监测数据时间对应且消除云的干扰，遥感资料也取月末3天晴朗少云的影像进行最大合成去云处理。遥感数据选择的时段为2004—2013年6～8月，共计90景影像数据，其中用来构建模型的63景，检验模型的27景。模型构建流程见图1。

2.数据处理方法。首先利用ENVI软件主菜单Map下拉菜单Georeference MODIS对下载的HDF格式数据进行几何校正、去蝴蝶结等预处理，通过Transform菜单下NDVI功能生成归一化植被指数图，并输出img格式数据。用Erdas软件的Data Rreparation→Subset Image功能裁剪出研究区。用Arcgis软件打开生态观测站所在的点图层shp数据和归一化植被指数图，在Arctoolbox中打开Spatial Analyst Tools→Extraction→Extract Values to Points，加载shp格式数据和遥感影像图，生成采样点插值数据图，在新生成的图上右键并点击Open Attribute Table即可生成5个生态观测站所所对应经纬度NDVI值。将提取出来的NDVI值并与地面牧草干重实测数据，构建荒漠化草原地上生物量遥感估算模型。归一化植被指数NDVI的定义为：

其中，CH1、CH2分别为AVHRR第1通道和第2通道的反射率。

三、结果与分析

◎图1 地上生物量遥感估算模型构建流程图

1.草地牧草单产遥感估算模型。以地面牧草干重实测值为因变量，相应的植被指数NDVI为自变量，通过SPSS统计软件，采用线性、指数、乘幂和二次多项式4种回归模型，分别模拟鄂尔多斯市荒漠化草原NDVI值与地面牧草干重实测数据的相关关系，4种模型的相关性系数表明，二次多项式回归相关系数最高，最优模型为y＝8089.237 x2－2988.875 x＋319.568，R2＝0.683，其中x为NDVI值，且在0.05水平上通过F检验。

2.草地牧草总产量计算。利用ENVI软件的Band math功能将NDVI归一化植被指数图通过模型Y=-2325.321+6959.246x运算，输出img格式的地上生物量分布图，并用Erdas软件打开，通过Raster attribute→Edit→Export功能输出dat格式的数据文件，将数据复制到excell进行计算，其中列A为单产值，列B为不同单产对应的象元值，首先求得列B象元值的总和，然后用列B的每一单元格除以列B的总和并乘以8.7×106（鄂尔多斯市总面积为8.7万平方千米，即8.7×106公顷），计算结果置于列C对应的单元格，即为不同单产所对应的实际面积，最后计算列A与列C的乘积并求其总和即为该区域牧草总产量。模型如下：

表1 2011年、2012年、2013年牧草产量实测值与预测值对比表

式中 W为草地牧草的总产量（kg）；i代表单产等级；yi代表第i级牧草的单产千克/公顷；si代表第i级牧草单产的面积公顷。

图2 2012年鄂尔多斯市牧草产量预测分布图

3.草地牧草产量遥感估算模型的检验。利用建立的草地牧草产量遥感估算模型，对2011年、2012年、2013年鄂尔多斯市牧草产量进行预测，并与鄂尔多斯市农牧业局草原监理所牧草实测数据进行对比分析，具体见表1和图2。从表1可知，近3年预测值与实测值十分相近，其中2011年的预测准确率高达98%。

四、结论与讨论

一是本研究通过地面牧草监测数据和卫星遥感资料建立鄂尔多斯市草地地上生物量遥感估测模型，模型为Y＝－2325.321＋6959.246x，模型的相关系数达到极显著水平，可以利用MODIS气象卫星植被指数（NDVI）对牧草产量进行模拟。

二是多项研究表明，NDVI在植被生长旺盛期容易达到饱和，但鄂尔多斯市属于荒漠化草原，植被郁闭度不高，NDVI值不会达到饱和，因此，利用NDVI值能够较好的反演该地区地上生物量。

三是目前该地区关于牧草地上生物量监测的站点比较少，该模型的建立可以利用卫星遥感技术客观的反演出全市牧草产量，从而计算出合理的冷季载畜量，为当地政府及行业部门合理安排畜牧业生产提供科学依据。