高寒草地生物量变化对归一化物候指数的响应.pdf
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1、第 卷第 期 年 月生态学报 .:/.基金项目:甘肃省委组织部 年度陇原青年创新创业人才项目(甘组通字 号)国家自然科学基金资助项目()收稿日期:网络出版日期:通讯作者 .:.:./.于惠杨世君李晶蔡海珍李丽.高寒草地生物量变化对归一化物候指数的响应.生态学报():.?.():.高寒草地生物量变化对归一化物候指数的响应于 惠杨世君李 晶蔡海珍李 丽 甘肃省水土保持科学研究所兰州 甘肃省水文站兰州 摘要:准确评价草地地上生物量()对草地资源的可持续利用和保护具有重要意义 以甘南为典型研究区利用 年 地表反射率和野外实测地上生物量数据借助()平台和数理统计方法评价了 种植被指数对高寒草地 的估算精
2、度构建了高寒草地地上生物量反演模型在此基础上分析了 年甘南州草地产量的时空动态变化 结果表明:在所有植被指数中归一化物候指数()与草地 的 值最高(.)其次为归一化植被指数()(.)拟合效果最差的为增强型植被指数()(.)和差值植被指数()(.)对高寒草地 更为敏感在 构建的 类估算模型中乘幂模型的预测精度最高基于 的回归模型明显提高了高寒草地 预测精度 年甘南高寒草地地上生物量空间分布差异明显表现为西南部较高东部和北部较低对不同草地类型而言山地草甸 多年平均值略高于高寒草甸和沼泽过去 年间高寒草甸和山地草甸地上生物量呈先增加后减小的趋势沼泽草地则呈持续降低的趋势 基于本研究的结果 能够反映大
3、范围的高寒草地生物量的时空变化特征关键词:高寒草地归一化物候指数地上生物量植被指数?:().().()(.)()(.)()(.)()(.).:/.:地上生物量是反映草地生长状况和指示草地生态系统碳循环的重要指标对草地生态系统健康评价、可持续发展和优化管理具有重要意义 因此准确评价草地 的动态变化对草地资源和生态环境的可持续利用和保护以及了解草地对气候变化的响应具有重要意义草地 可以通过地面实测和遥感反演方法进行监测 地面实测法虽然能在小范围内进行地上生物量的精确测量但这种方法不仅费时、费力而且对草地具有一定的破坏性在时间和空间上都具有局限性 遥感技术的发展为草地地上生物量监测提供了时间和空间相
4、对连续的数据 近几十年来大量的草地生物量估算方法得到了发展和验证当前最流行、研究最深入的遥感方法是基于草地实测 与卫星植被指数之间关系的经验模型 归一化植被指数 是目前应用最广泛的模拟草地 时空变化的植被指数 但 容易受土壤背景信号和在高植被覆盖区过饱和的影响为了解决这些问题相关学者开发了一系列植被指数如土壤调整植被指数()改良土壤调整植被指数()优化土壤调整植被指数()和增强型植被指数 等并将其成功应用到草地 的预测中 上述指数虽然形式不同但都是基于土壤线概念提出的 而不同的土壤类型、含水量和粗糙度对应不同的土壤线所以通用的土壤线并不存在因此基于土壤线概念的植被指数可能无法显著降低土壤对于大
5、范围草地监测的影响 如何降低土壤对植被指数的影响仍然是大范围草地遥感监测亟需解决的问题 年 等人开发了归一化物候指数()以提高融雪地区春季物候的监测能力 利用土壤和雪的反射率从红色到短波红外波段()呈单调变化而植被在近红外波段反射率高在红色和短波红外波段反射率低的特性采用加权的 组合代替 中的红波段通过加权计算使得不同类型土壤和雪的 组合波段的值近似等于近红外波段的值从而使不同类型土壤和积雪的 值接近于零 因此 在显著缓解土壤背景不利影响的同时保证了对植被的高敏感性 等将 应用到内蒙古温带干旱半干旱区草地地上生物量鲜重的监测中发现 对研究区草地 的估算比其他植被指数更可靠、更准确基于 的反演模
6、型在空间和时间上均具有较好的可扩展性然而干旱与半干旱区草地与高寒草地在立地条件和植被类型方面具有显著差异 对高寒草地地上生物量监测效果还有待进一步验证鉴于此本研究以甘南高寒草地作为研究对象基于 平台利用 遥感数据和野外样地实测数据分析、和比值植被指数()等 种常用植被指数与草地 的关系找到高寒草地 监测的最优植被指数构建稳健的草地地上生物量估算模型并进行精度验证旨在改进现有的高寒草地地上生物量监测方法 最后分析 年高寒草地地上生物量时空动态特征以期为当地草地资源合理利用和生态环境的动态监测和评价提供科学基础生 态 学 报 卷:/.数据与方法.研究区概况 甘南藏族自治州地处青藏高原和黄土高原过渡
7、带地理位置介于 之间平均海拔大于 是长江、黄河重要的水源涵养和补给区 该区属于典型的高原大陆性气候多年平均气温仅为.无霜期短日照时长年降水量大于 但季节和空间分布差异显著 独特的地理位置和气候条件使得甘南既是气候敏感区又属于生态脆弱区 甘南州草地资源丰富是甘肃省重要的畜牧业基地畜牧业是当地农牧民的主要经济来源 全州共有草地面积.占全州土地总面积的.草地主要分布在玛曲县、夏河县、碌曲县和卓尼县境内包括高寒草甸、山地草甸和沼泽等草地类型(图)图 甘南州采样点和草地类型分布图.数据获取 数据是利用 平台获取的 平台具有行星尺度的地理空间分析能力通过 或 应用程序接口可以快速获取长时间序列的卫星预处理
8、数据 包括 颗极地轨道卫星(和)其上搭载的多光谱成像仪包含可见光、近红外至短波红外在内的 个光谱波段 本研究所采用的 数据为 级别的经过大气校正的地表反射率数据数据空间分辨率为 时间分辨率为 时间序列为 年 月 年 月 通过 平台直接访问 数据并在平台完成相关植被指数的计算.地面实测数据 年 月草地生长季期间在甘南草地选取地势平坦、植被分布均匀、面积大于 的代表性样地开展外业调查工作 每个样地内设置 个.的样方调查内容包括样地草地类型、经纬度、海拔高度、地上生物量鲜重以及在 烘箱里烘干 后测量的干物质产量等指标、和 年分别调查样地、个 将每个样地内 个样方的平均值作为 条记录最终得到 条有效样
9、地记录 辅助数据包括:万草地类型图、行政分区等相关数据库.植被指数计算本研究总共选取了包括、和转换植被指数(期 于惠 等:高寒草地生物量变化对归一化物候指数的响应:/.)在内的 种常用的草地地上生物量反演的植被指数 首先在 中调用 年 月所有覆盖研究区的 产品建立甘南高寒草地时间序列影像集合然后将影像集合经过去云掩膜后提取与地面实测点在空间和时间相对应的、和 波段的光谱值为了最小化遥感数据与地面数据时间不匹配造成的误差尽量选择与地面监测时间最接近的 影像进行提点 结合表 中的计算公式来计算相应的植被指数以上步骤全部在 平台完成表 草地 估算植被指数 植被指数 计算公式参考文献 .()()()(
10、)等.().()等()/()()/.()等/.()/.()()/().等 :差值植被指数 :增强植被指数 :改良土壤调整植被指数 :归一化物候指数 :归一化植被指数 :优化土壤调整植被指数 :比值植被指数 :土壤调整植被指数 :转换植被指数 、和 分别代表蓝、红、近红和短波红外波段的地表反射率本研究中 数据对应的蓝、红、近红和短波红外波段分别为、和.模型构建和精度分析利用普通最小二乘法分析多种指数和地上生物量干重之间的关系系统比较不同植被指数和统计模型估算草地地上生物量干重的能力 采用留一法交叉验证()方法对地上生物量反演模型的精度进行评估 模型的性能使用决定系数 和预测值均方根误差()来验证
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