呼伦湖流域芨芨草群落地上生物量多尺度遥感监测

发布时间：2020-08-13 10:20

【摘要】：芨芨草(Achnatherum Splendens)是一种遍及我国内蒙古高原、黄土高原、青藏高原东部等干旱半干旱典型草原区的多年生密丛性非地带性禾本科植被。芨芨草既是牧区牲畜的重要饲养饲料,又能防风固沙,是草原生态系统的天然保护屏障。芨芨草群落的演替反应了植被对流域气候及人类活动变化的响应,因而芨芨草是草原生态环境变化的指示因子,对干旱半干旱区域气候、生态等研究具有重要作用。因此,及时准确的对其生物量进行估算能够促进草地资源的科学管理与合理利用,为保障区域生态草地系统可持续发展提供数据支撑。芨芨草作为高密度植被,其光学敏感性与典型草原植被差异性较大,为减弱草地空间异质性影响,细化草地地上生物量遥感估算方法,本文选择呼伦湖流域广泛分布的芨芨草群落为研究目标,采用星—机—地三种数据源相结合的方式,对生物量进行纵向升尺度变换分析,即将芨芨草生物量野外采集数据通过两次升尺度反演,研究呼伦湖流域芨芨草群落生物量空间分布。并在此基础上对其土壤生长环境及其影响因素进行探索,为芨芨草定量遥感反演后续研究提供科学依据。主要内容如下:(1)芨芨草群落空间分布提取:本文采用Landsat8影像,依据芨芨草野外采样点选取纯芨芨草斑块作训练样本集,分析芨芨草光谱特性(主要是芨芨草与典型草原植被光谱差异性)、形状指数、空间关系及纹理信息,将分类图像按最佳尺度分割,结合训练样本构建规则集进行影像分类,提取其空间分布并对提取结果进行修正和精度验证。试验结果表明芨芨草群落的提取精度为88%。(2)芨芨草生物量升尺度反演:通过无人机RGB影像计算出芨芨草样方植被覆盖度,将1m×1m实测生物量数据经样方植被覆盖度升尺度反演为10m×0m生物量。通过分析芨芨草样方植被覆盖度与10m×10m生物量的敏感性关系,验证芨芨草植被覆盖度升尺度反演的准确性、合理性及可行性。最后,结合Landsat8影像光谱指数构建芨芨草生物量反演模型,将10m×10m生物量升尺度反演为30m×30m的生物量数据,进而得到呼伦湖流域尺度芨芨草生物量空间分布。(3)芨芨草生物量纯植被指数模型构建:芨芨草纯植被指数模型构建,包括背景信息像元分解和纯植被指数线性生物量反演模型构建两部分。本文通过改进的三波段梯度差法模型反演流域内芨芨草植被覆盖度(经验证R~2为0.65,RMSE为0.098(P0.001),估算精度E_A为78.95%),进而对芨芨草混合像元做背景信息像元分解,得到芨芨草纯反射率。通过对芨芨草纯反射率与生物量的相关性分析,发现芨芨草生物量与近红外波段反射率相关性最高,R~2为0.43,其次是红光与短波红外波段,R~2为0.35上下。与蓝、绿光波段反射率相关性最差,R~2仅为0.04左右,最终确定芨芨草参与构建芨芨草生物量反演模型的光谱指数为NDVI、EVI、SAVI、RVI、SIPI、NDWI(归一化植被水分指数)、CI_(green)及NDSI_(64),试验结果表明,EVI指数模型效果最好,其中模型构建中R~2为0.74,RMSE为98.74kg/100m~2,而模型验证中R~2为0.87,RMSE为40.17kg/100m~2,估算精度E_A为61.89%。基于此反演了呼伦湖流域内芨芨草生物量,并对其平均生物量空间分布进行制图。研究表明:呼伦湖流域芨芨草生物量大多在在20kg/100m~2,其中芨芨草生物量较高(40-80kg/100m~2)的地方主要集中在呼伦湖以西,河流周边地区芨芨草生物量最高(80kg/100m~2)。最后利用芨芨草群落土壤生长环境PH、氮、磷及土壤有机质等的监测数据与生物量进行相关性分析,结果表明土壤极度贫瘠的状态下,土壤理化特性与生物量无明显相关性。
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S812;TP751
【图文】：

芨芨草

分别是耕地和林地的 2.65 和 1.95 倍，是中国面积最大色天然屏障[22, 23]。作为草原生态系统的重要组成部分，草地地草地群落生长及生产状况、牲畜承载能力和生态植被演替趋势，循环、物质循环和能量循环的重要组成部分，是评测草地生态系水平和结构功能的重要指标。草地地上生物量是群落结构、环境因素共同作用的结果，在生态系统中发挥着举足轻重的作用[24]。物量也是草地生态系统获取能量的集中体现，对生态系统结构重要作用，更为直接的是草地地上生物量是牧业发展重要的物遥感技术在森林生物量空间反演等方面的研究取得了显著成效态变化方面的监测与研究仍很薄弱。因此，开展流域草地动态变作非常必要。

技术流程

技术流程图

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图 2-1 研究区地理位置图Fig.2-1 Spatial location of the study area 野外数据采集与处理野外数据采集时间选取2016年呼伦湖流域植被最茂盛的7月底到8月初，为期，总行程4200km。本次实验采用大疆Phantom4四旋翼电动无人机(无人机重kg，续航时间28min)，云台搭载高清数码相机，相机分辨率12万(无人机飞行前过去噪以及曝光调整)，无人机视场角为94°。野外数据采集包括：（1）芨芨草样点、无人机样方及生物量数据获取在研究区内，根据野外实验方案路线采集芨芨草分布样点的经纬度及高程信并按照“植被长势和盖度的差异性、样地可达性”原则[80]随机选取无人机样地，样地面积10m×10m，在其中心位置布设一个1m×1m的样方，通过手持GPS对行准确定位（如图2—1）。首先将无人机云台下调，镜头垂直向下拍摄芨芨草RGB照片，然后沿根剪取芨芨草根部以上部分，去除干枯枝叶并称重记录，即1m×1m样方芨芨草地上生物量数据。

【参考文献】