克什克腾旗草原植被长势MODIS遥感监测

范雪松 翟志军 尹 源

内蒙古自治区克什克腾旗气象局 内蒙古 克什克腾旗 025350

草原植被长势情况是指某一地区草原植被总的生长状况及趋势[1],用当年监测草原植被长势情况与往年草原植被长势情况进行比较,这样就可以清楚的说明草原植被生长情况及好坏,往年草原植被长势是可以是某一时间段内草原植被生长状况或者是实际状况[2]。根据具体情况,时间段可以是月、季、年等。通常草原植被长势监测可以分为两种,一是遥感监测,二是地面监测。遥感监测草原植被长势,是通过遥感卫星数据与草原植被生长状况的相关特点,对各个时段内的遥感数据进行处理、分析,从而反映出草原植被长势好坏的一种科学方法;地面监测草原植被长势,是先选取固定样地,对样地内的植被进行测定,通过与往年的测定结果进行对比,从而说明现在草原植被长势情况。

利用遥感技术监测草原植被长势情况,主要是利用3S技术,包括GIS(地理信息系统)、GPS(全球定位系统)、RS(遥感),与地面监测相结合[3],实现对草原植被长势的全方位监测。草原植被遥感监测内容主要有草原植被长势、草原植被生物量等。近些年,3S技术不断发展成熟,尤其是在对地观测方面发展迅速,高分辨率卫星数据获取技术不断增强,这些都为草原植被遥感监测提供了强大支撑,我国利用遥感技术对草原植被、草原生物量、草原灾害等的监测日益精准。

草原植被是草地生态系统中的重要组成部分,是动植物资源的宝库[4]。但是由于经济发展。人们对于草原过度开发,如毁草开地、过牧、过开采等,加上全球气候变化共同影响,导致植被退化、土地沙化、水土流失,草原植被退化成为我国最严重的生态环境问题。利用遥感监测技术能够及时、准确的了解草原植被情况[5],可以从宏观上揭示植被生长情况,实现草原植被可持续发展。

1 研究区概况

克什克腾旗地处于内蒙古东部、赤峰市西北部,是内蒙古高原与大兴安岭南端山地和燕山余脉七老图山的交汇地带,克什克腾旗总面积约20673平方公里。地理坐标是:东经126°21′～118°26′,北纬42°23′～44°22′,地势呈西高东低,中部多为沙地,北部为草原,地处浑善达克和科尔沁两大沙地的结合部,包括了草原、沙地、熔岩台地和丘陵山区,地形复杂多样。克什克腾旗属于中温带大陆性季风气候,冬季寒冷干燥,夏季炎热,冬季时间长,夏季时间短,年平均气温2～4℃,无霜期60～150天,年降雨量250～500毫米。

2 研究方法

2.1 实验数据 利用2019年和2018年4月1日-9月30日每日覆盖全国的遥感数据(MODIS数据),经过数据处理,几何校正、辐射定标等过程[6],把每一个月的遥感数据进行NDVI指数计算,并且对每一个月的NDVI指数进行最大值合成,消除云、气溶胶等因素的干扰,最后得到两年监测期间每个月的最大NDVI值,然后用2019年每个月的NDVI值减去2018年同时段每个月的NDVI值,得到2019年和2018年每个月NDVI差值图,对差值图进行分类计算,得出2019年克什克腾旗草原植被每个月长势情况。

2.2 实验方法 植被指数通常是利用植物本身在不同波段上的光谱反射特征来计算的[7]。归一化指数计算NDVI(Normalized Difference Vegetation Index),NDVI指数与植被长势好坏呈现正相关关系。NDVI指数计算公式为:

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指数数值越大,表示植被长势越好,植物越茂密[8],同理,如果NDVI指数越小,表示植被越稀疏。

2.3 数据处理 对2019年和2018年4月1日-9月30日遥感数据进行NDVI指数计算,然后在对每一个月NDVI指数进行最大值合成,得到2019年和2018年4月到9月每个月的NDVI指数,对同期的NDVI指数进行比较分析[9],计算每个月植被长势差值,根据差值大小进行等级划分,表示植被长势等级:

公式中D是草原植被长势指数差值,NDVI19表示2019年某一个月草原植被指数,NDVI18表示2018年同时段草原植被指数[10]。

为了更好的对克什克腾旗草原植被进行科学分析评价,本人根据D值的大小,把NDVI指数分为8个等级,从0.1至0.7以上,每个等级相差0.1,NDVI值越大表示长势越好。

对草原植被长势分析,利用GIS,按照乡镇单元进行统计分析[11],得到4-9月每个乡镇的草原植被长势统计分析数据,由此得到克什克腾旗的草原植被长势动态变化图表并加以分析。

3结果与分析

3.1 2019年克什克腾旗草原总体长势好于2018年 2019年4-9月份克什克腾旗草原植被每月监测面积平均有1.89万km2。其中总体长势比2018年好的草原植被面积占20.19%;长势与去年持平的占67.99%;长势差于去年的占11.99%(图1)。

图1 2019年克什克腾旗草原植被长势监测图Fig 1 Result of grassland growth of Keshiketeng Banner in 2019 by remote sensing monitoring

3.2 中期长势较好,前期后期长势较差 从每个月的植被长势动态变化来看,克什克腾旗草原植被在6-7月份长势最好,明显好于8-9月份,克什克腾旗前期草原植被长势与去年基本持平,没有太大变化,在4-5月草原植被长势基本不变面积占总面积的93.07%,进入6月份后,草原植被长势发生逆转,6月份草原植被长势好于去年同期,长势好的面积占总面积的62.56%,7月份草原植被长势继续变好,好于去年同期54.6%,但是8-9月草原植被长势开始变差,较去年同期平均相差28.69%(表1)

图2 2019年克什克腾旗各个时期草原植被长势对比Fig 2 Comparison of vegetation growth among different months of 2019

图3 2019年克什克腾旗各个时期草原植被长势分布图Fig 3 Spatial distribution of the overall grassland growth in 2019

表1 2019年克什克腾旗草原植被不同时期的长势监测结果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

从图2可以看出,在4-5月份,克什克腾旗草原植被长势较好与长势不好占比都比较少,最大占比不超过13.3%,草原植被长势基本不变,但是从6月份开始,草原植被长势好的占比明显高于长势不好占比,7月份略有下降,但总体是以长势好的占比为主,8月份开始,草原植被长势不好占比呈线性增长,形成了克什克腾旗草原总体长势“中期长势较好,前期后期长势较差”的演变格局。

3.3 克什克腾旗西北部较好,东南部较差 从遥感监测图上可以看出,克什克腾旗草原植被长势空间分布差异显著。图3为2019年4-9月克什克腾旗草原植被长势监测图,图4为与2018年同期相比植被指数变化图。由图可知:克什克腾旗草原植被长势在西北部最好,主要包括:巴彦查干苏木、达来诺日镇、达日罕乌拉苏木、经棚镇。

植被长势较差的地区主要集中在克什克腾旗的东南部,尤其是红山子乡;其次是万合永镇。

4 讨论

在对2018年、2019年4-9月克什克腾旗草原植被进行遥感监测分析中发现,2019年克什克腾旗草原植被整体好于去年,并在在6-7月份植被长势最好,在空间分布上以克什克腾旗西北部植被好于东南部。导致这一原因可是与水热条件和地形条件相关,充足的降水和较高的气温都有利于草原植被生长。

利用遥感技术对草原植被生长情况进行监测,可以从宏观上为草原利用和草原管理提供重要决策材料[12]。精准、及时的对草原植被长势进行监测对于草原管理和利用十分重要,并且草原植被长势的精度受植被指数影响,根据研究表明,归一化指数NDVI对于草原植被生长季表现敏感,NDVI指数与植被量呈现线性关系。

为了使草原植被长势监测数据更加精确,最好是利用当年的数据与去年的数据进行分析对比,这样时间间隔较短,消除了年际变化带来的误差[13]。也可以更好的说明草原植被长势情况。

对于利用遥感手段监测草原植被长势情况,也存在一些困难,例如遥感数据分辨率的问题[14],一般所用遥感数据分辨率是500m×500m以下,对所观察地面的结果很难一一对应,但是利用人工观测或者是无人机监测手段,可以弥补这方面的不足,三种方法相互验证,提高监测精度。

图4 2019年克什克腾旗草原植被与去年相比植被指数变化图Fig 3 Vegetation index change of grassland compared with last year in 2019