一種草地綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算方法
【專利摘要】一種草地綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算方法，所述方法是研究區草地空間分布數據獲取；地面采樣點定位；采樣點綠色植物與枯萎植物重量比例測定；估算綠色植物與枯萎植物重量比例光譜指數的確定；確定研究區綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算模型；計算研究區待估算的光譜指數；研究區待估算日期綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算；研究區草地綠色植物與枯萎植物重量比例動態遙感估算研究。本方法通過遙感技術尋找對綠色植物與枯萎植物敏感的光譜波段，構建了估算綠色植物與枯萎植物重量比例關系的光譜指數，實現了一種草地綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算方法，為草原生態研究及發展戰略提供技術支撐。
【專利說明】
一種草地綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種遙感估算草地綠色植物與枯萎植物重量比例的方法，尤其是一種利用衛星遙感數據快速準確估算草地綠色植物與枯萎植物重量比例格局與動態的方法。
【背景技術】
[0002]綠色植物與枯萎植物重量比例是草地生態系統重要的結構參數，是反映草地植被生長狀況最直接的指標，對草地生態系統的結構、功能與過程起著決定性作用。綠色植物與枯萎植物重量比例被廣泛應用于開展草地植被生長動態監測、草地火災預警、草地干旱監測、草地生長力模型、畜牧業規劃等方面的實踐與研究工作。對草地綠色植物與枯萎植物重量比例進行快速評估，對指導區域草地科學利用具有重要的現實意義。
[0003]草地綠色植物與枯萎植物重量比例獲取的傳統方法為實地測量，包括目測法、樣點法、樣方法、樣線法等，但這些方法一般只適用于小區域尺度，且費時費力、難以大面積展開及具有一定的破壞性。近年來，遙感技術迅猛發展，并以其宏觀性、時效性、信息量大等特點在草地資源調查等領域展示了日漸廣闊的應用前景。遙感技術的發展為草地綠色植物與枯萎植物重量比例的獲取提供了新的技術手段，尤其是為大范圍草地綠色植物與枯萎植物重量比例快速、準確估算提供了可能。
[0004]然而，目前利用遙感技術估算草地綠色植物與枯萎植物重量比例還沒有切實有效的光譜指數。盡管基于紅波段與近紅外波段反射率組合的歸一化植被指數NDVKRouse等，1974)可以準確地估算草地綠色植物重量，但利用NDVI估算草地綠色植物與枯萎植物重量比例具有很大的誤差。此外，學者們將用于估算草地枯萎植物覆蓋度的STI指數(VanDeventer等，1997)用于估算草地枯萎植物重量。不過，STI指數估算草地枯萎植物重量的比例并不理想。進一步研究表明，STI指數也無法準確估算草地綠色植物與枯萎植物重量比例。為科學合理利用草地資源，亟需提供一種草地綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算方法。
【發明內容】
[0005]本發明要解決的具體技術問題是如何通過遙感技術尋找對綠色植物與枯萎植物敏感的光譜波段，構建估算綠色植物與枯萎植物重量比例關系的光譜指數，實現一種草地綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算方法。
[0006]—種草地綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算方法是按下列步驟進行的:
1)研究區域草地空間分布數據獲取；
獲取研究區域的土地覆蓋遙感影像產品MCD12Q1，進行數據格式與地圖投影轉換，生成研究區域的草地空間分布圖；
2)地面采樣點定位
依據上述步驟I)描述方法得到的研究區域草地空間分布圖，選取草地植被空間分布均勻的η個采樣點，記錄采樣點四個角的經瑋度坐標； 3)采樣點綠色植物與枯萎植物重量比例測定
將每個采樣點分成η個10 m X 10 m的網格，每個網格再分成I m X I m的樣方，并選取I個樣方獲取綠色植物與枯萎植物，70°C恒溫烘干至恒重，求取樣方綠色植物與枯萎植物重量比例，計算每個采樣點所有樣方綠色植物與枯萎植物重量比例的均值，作為該采樣點的綠色植物與枯萎植物重量比例；
4)估算綠色植物與枯萎植物重量比例光譜指數的確定
提取采樣點對應M0D09Y1像元1-7波段反射率，計算兩兩波段反射率組合的差值、比值、歸一化等形式的63個光譜指數，采用線性回歸分析對采樣點綠色植物與枯萎植物重量比例與其所對應的63個光譜指數之間的關系進行擬合，通過比較擬合方程的決定系數R2，確定估算綠色植物與枯萎植物重量比例的光譜指數為第6波段與第4波段反射率組合的歸一化指數；
5)確定研究區綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算模型
采用一元線性回歸模型對采樣點綠色植物與枯萎植物重量比例與其對應的上述步驟
4)中確定的光譜指數之間的關系進行回歸擬合，確定研究區綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算模型；
6)計算研究區待估算日期的步驟4)中確定的光譜指數
獲取研究區待估算日期的MYD09A1遙感影像，進行數據格式與地圖投影轉換，依據上述步驟I)獲得的研究區域草地空間分布圖，逐像元計算草地分布區域待估算日期的步驟4)中確定的短波紅外波段第6波段與綠波段第4波段反射率組合的歸一化指數；
7)研究區待估算日期綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算
依據上述步驟6)計算的研究區草地區域待估算日期的短波紅外與綠波段反射率組合的歸一化指數，并通過上述步驟4)與步驟5)確定的綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算模型逐像元計算研究區草地分布區域待估算日期的綠色植物與枯萎植物重量比例。
[0007]8)研究區草地綠色植物與枯萎植物重量比例動態遙感估算研究
利用上述步驟1)-7)的草地綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算方法對研究區草地綠色植物與枯萎植物重量比例進行一天、一周、一月或一年的變化過程監測，研究草地綠色植物與枯萎植物重量比例的動態變化規律，為草原生態研究及發展戰略提供數據支撐。
[0008]上述技術方案的實施，挖掘了草地綠色植物與枯萎植物重量比例在短波紅外波段、綠波段的反射率信息，構建了監測草地綠色植物與枯萎植物重量比例的光譜指數及估算模型，并應用此模型對研究區的綠色植物與枯萎植物重量比例進行了空間反演，克服了傳統的實地調查方法的局限性。本方法彌補了基于遙感數據估算草地綠色植物與枯萎植物重量比例的空白，為及時準確估算大區域范圍草地綠色植物與枯萎植物重量比例提供了一種新方法，實現了基于遙感技術的草地大范圍區域性綠色植物與枯萎植物重量比例的快速準確監測，為草原生態研究及發展戰略研究提供了數據支撐。
【附圖說明】
[0009]圖1是本發明實施案例所述的一種草地綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算方法中蘇尼特草地空間分布圖。
[0010]圖2是本發明實施案例所述的一種草地綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算方法中蘇尼特草地采樣點分布圖。
[0011]圖3是本發明實施案例所述的一種草地綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算方法中采樣點短波紅外波段與綠波段反射率組合的歸一化指數與實測綠色植物與枯萎植物重量比例相關關系圖。
[0012]圖4是本發明實施案例所述的一種草地綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算方法中蘇尼特草地綠色植物與枯萎植物重量比例估算結果空間分布圖。
[0013]圖5是本發明實施案例所述的一種草地綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算方法中對比例NDVI與實測綠色植物與枯萎植物重量比例相關關系圖。
圖6是本發明實施案例所述的一種草地綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算方法中對比例STI與實測綠色植物與枯萎植物重量比例相關關系圖。
【具體實施方式】
[0014]實施一種草地綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算方法，所述方法是按下列步驟進行的。
[0015]I)研究區草地空間分布數據獲取。獲取研究區的土地覆蓋遙感影像產品MCD12Q1，進行數據格式與地圖投影轉換，生成研究區的草地空間分布圖。
[0016]2)地面采樣點定位。依據上述步驟I)獲得的研究區草地空間分布圖，選取草地植被空間分布均勻的η個采樣點，記錄采樣點四個角的經瑋度坐標。
[0017]3)采樣點綠色植物與枯萎植物重量比例測定。將每個采樣點分成η個10 m X 10m的網格，每個網格再分成I m X I m的樣方，并選取I個樣方獲取綠色植物與枯萎植物，70°(:恒溫烘干至恒重，求取樣方綠色植物與枯萎植物重量比例，計算每個采樣點所有樣方綠色植物與枯萎植物重量比例的均值，作為該采樣點的綠色植物與枯萎植物重量比例。
[0018]4)估算綠色植物與枯萎植物重量比例光譜指數的確定。提取采樣點對應M0D09Y1像元1-7波段反射率，計算兩兩波段反射率組合的差值、比值、歸一化等形式的63個光譜指數，采用線性回歸分析對采樣點綠色植物與枯萎植物重量比例與其所對應的63個光譜指數之間的關系進行擬合，通過比較擬合方程的決定系數(R2)，確定估算綠色植物與枯萎植物重量比例的光譜指數為第6波段(短波紅外)與第4波段(綠)反射率組合的歸一化指數。
[0019]5)確定研究區綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算模型。采用一元線性回歸模型對采樣點綠色植物與枯萎植物重量比例與其對應的上述步驟4)中確定的光譜指數之間的關系進行回歸擬合，確定研究區綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算模型。
[0020]6)計算研究區待估算日期的步驟4)中確定的光譜指數
獲取研究區待估算日期的MYD09A1遙感影像，進行數據格式與地圖投影轉換，依據上述步驟I)獲得的研究區域草地空間分布圖，逐像元計算草地分布區域待估算日期的步驟4)中確定的短波紅外波段第6波段與綠波段第4波段反射率組合的歸一化指數；
7)研究區待估算日期綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算依據上述步驟6)計算的研究區草地區域待估算日期的短波紅外與綠波段反射率組合的歸一化指數，并通過上述步驟4)與步驟5)確定的綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算模型逐像元計算研究區草地分布區域待估算日期的綠色植物與枯萎植物重量比例。
[0021 ] 8)研究區草地綠色植物與枯萎植物重量比例動態遙感估算研究利用上述步驟1)-7)的草地綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算方法對研究區草地綠色植物與枯萎植物重量比例進行一天、一周、一月或一年的變化過程監測，研究草地綠色植物與枯萎植物重量比例的動態變化規律，為草原生態研究及發展戰略提供數據支撐。
[0022]
下面通過一種蘇尼特草地綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算方法的應用案例，對本發明的【具體實施方式】作進一步說明。
[0023]實施一種草地綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算方法是按下列步驟進行的: 步驟一、蘇尼特草地空間分布數據獲取
獲取蘇尼特區域土地覆蓋遙感影像產品MCD12Q1，使用MRT軟件將MCD12Q1數據進行格式與地圖投影轉換，HDF格式轉換為TIFF格式，正弦曲線地圖投影轉換為WGS84/Albers地圖投影，生成蘇尼特草地空間分布圖，如附圖1;
步驟二、地面采樣點定位
依據上述步驟一描述的方法得到的蘇尼特草地空間分布圖，如附圖1，選取草地植被空間分布均勻的30個1000 m X 1000 m的采樣點，如附圖2，記錄采樣點4個角的經瑋度坐標；步驟三、采樣點綠色植物與枯萎植物重量比例測定
將每個采樣點分成100個10 m X 10 m的網格，每個網格內選取I個樣方(I m X I m)獲取綠色植物與枯萎植物，70°C恒溫烘干至恒重，求取樣方綠色植物與枯萎植物重量比例，計算每個采樣點100個樣方綠色植物與枯萎植物重量比例的均值，作為該采樣點的綠色植物與枯萎植物重量比例；
步驟四、計算采樣點短波紅外波段與綠波段反射率組合的歸一化指數獲取與測定時間同步的覆蓋采樣點的MYD09A1遙感影像，使用MRT軟件將MYD09A1數據進行格式與地圖投影轉換，HDF格式轉換為TIFF格式，正弦曲線地圖投影轉換為WGS84/Albers地圖投影。
[0024]依據上述步驟二中記錄的采樣點經瑋度坐標，提取位于采樣點內的像元的短波紅外波段(第6波段)與綠波段(第4波段)反射率，計算兩波段反射率組合的歸一化指數，
VI= (B6-B4) / (B6+B4)
其中，B6為MYD09A1第6波段(短波紅外波段)反射率，B4為MYD09A1第4波段(綠波段)反射率；
步驟五、確定蘇尼特草地綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算模型采用一元線性分析對30個采樣點綠色植物與枯萎植物重量比例與其對應的上述步驟四中計算出的歸一化指數之間的關系進行回歸擬合，如附圖3，確定蘇尼特草地綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算模型如下，
rat1 = 15.09X((B6-B4) / (B6+B4)) -5.02 (n=30, R2=0.6, Ρ〈0.001)
其中，rat1為綠色植物與枯萎植物重量比例，η為采樣點數量，R2為決定系數，Ρ〈0.001表明模型具有極顯著意義；
步驟六、計算蘇尼特草地短波紅外與綠波段反射率組合的歸一化指數獲取蘇尼特草地2005年8月下旬的MYD09A1遙感影像，使用MRT軟件將MYD09A1數據進行格式與地圖投影轉換，HDF格式轉換為TIFF格式，正弦曲線地圖投影轉換為WGS84/Albers地圖投影。
[0025]依據上述步驟一描述的方法得到的蘇尼特草地空間分布圖，如附圖1，計算2005年8月下旬蘇尼特草地短波紅外波段(第6波段)與綠波段(第4波段)反射率組合的歸一化指數，
VI= (B6-B4) / (B6+B4)
其中，B6為MYD09A1第6波段(短波紅外波段)反射率，B4為MYD09A1第4波段(綠波段)反射率；
步驟七、蘇尼特草地綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算
依據上述步驟六描述的方法計算得到的2005年8月下旬蘇尼特草地短波紅外波段與綠波段反射率組合的歸一化指數，并通過估算模型rat1 = 15.09X((B6-B4) / (B6+B4))-5.02，逐像元計算2005年8月下旬蘇尼特草地綠色植物與枯萎植物重量比例，如附圖4。
[0026]在上述實施例中，根據記錄的采樣點經瑋度坐標，提取位于采樣點內對應M0D09Y1像元所有波段反射率，即第I波段(紅)反射率、第2波段(近紅外)反射率、第3波段(藍)反射率、第4波段(綠)發射率、第5波段(短波紅外)反射率、第6波段(短波紅外)反射率、第7波段(短波紅外)反射率;計算1-7波段反射率兩兩組合的差值、比值、歸一化等3種形式的植被指數，共63個;采用一元線性模型對30個采樣點綠色植物與枯萎植物重量比例與其所對應的計算出的63個指數之間的關系進行回歸擬合;通過比較擬合方程的決定系數(R2)，決定系數系數越大，估算精度越高，確定估算草地綠色植物與枯萎植物重量比例的最佳光譜指數為短波紅外波段(第6波段)與綠波段(第4波段)反射率組合的歸一化指數。
[0027]與【背景技術】中介紹的用于估算草地綠色植物重量的NDVI指數以及用于估算草地枯萎植物重量的STI指數相比(附圖5)，本發明方法估算草地綠色植物重量與枯萎植物重量比例的決定系數(附圖3)分別提高了 0.58、0.59，具有重要的實用推廣意義。
【主權項】
1.一種草地綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算方法，所述方法是按下列步驟進行的: .1)研究區草地空間分布數據獲取 獲取研究區的土地覆蓋遙感影像產品MCD12Q1，進行數據格式與地圖投影轉換，生成研究區的草地空間分布圖； .2)地面采樣點定位 依據上述步驟I)獲得的研究區草地空間分布圖，選取草地植被空間分布均勻的η個采樣點，記錄采樣點四個角的經瑋度坐標； .3)采樣點綠色植物與枯萎植物重量比例測定 將每個采樣點分成η個1 m X 10 m的網格，每個網格再分成I m X I m的樣方，并選取I個樣方獲取綠色植物與枯萎植物，70°C恒溫烘干至恒重，求取樣方綠色植物與枯萎植物重量比例，計算每個采樣點所有樣方綠色植物與枯萎植物重量比例的均值，作為該采樣點的綠色植物與枯萎植物重量比例； .4)估算綠色植物與枯萎植物重量比例光譜指數的確定 提取采樣點對應M0D09Y1像元1-7波段反射率，計算兩兩波段反射率組合的差值、比值、歸一化等形式的63個光譜指數，采用線性回歸分析對采樣點綠色植物與枯萎植物重量比例與其所對應的63個光譜指數之間的關系進行擬合，通過比較擬合方程的決定系數R2，確定估算綠色植物與枯萎植物重量比例的光譜指數為第6波段與第4波段反射率組合的歸一化指數；. 5 )確定研究區綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算模型 采用一元線性回歸模型對采樣點綠色植物與枯萎植物重量比例與其對應的上述步驟.4)中確定的光譜指數之間的關系進行回歸擬合，確定研究區綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算模型； .6)計算研究區待估算日期的步驟4)中確定的光譜指數 獲取研究區待估算日期的MYD09A1遙感影像，進行數據格式與地圖投影轉換，依據上述步驟I)獲得的研究區域草地空間分布圖，逐像元計算草地分布區域待估算日期的步驟4)中確定的短波紅外波段第6波段與綠波段第4波段反射率組合的歸一化指數； .7)研究區待估算日期綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算 依據上述步驟6)計算的研究區草地區域待估算日期的短波紅外與綠波段反射率組合的歸一化指數，并通過上述步驟4)與步驟5)確定的綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算模型逐像元計算研究區草地分布區域待估算日期的綠色植物與枯萎植物重量比例； .8)研究區草地綠色植物與枯萎植物重量比例動態遙感估算研究 利用上述步驟1)-7)的草地綠色植物與枯萎植物重量比例遙感估算方法對研究區草地綠色植物與枯萎植物重量比例進行一天、一周、一月或一年的變化過程監測，研究草地綠色植物與枯萎植物重量比例的動態變化規律，為草原生態研究及發展戰略提供數據支撐。
【文檔編號】G01G19/64GK106092915SQ201610371556
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月31日
【發明人】任鴻瑞, 閆美芳, 蘇巧梅
【申請人】太原理工大學