基于無(wú)人機(jī)高光譜遙感的典型草原打草對(duì)植被表型差異分析

一、引言

植被光譜反射率和窄波段植被指數(shù)作為植被表型的主要參數(shù)，廣泛應(yīng)用在草地生物量估算研究中。對(duì)打草場(chǎng)來(lái)講，因打草機(jī)刀片高度的差異，打草后的地上現(xiàn)存生物量和實(shí)際產(chǎn)草量均不同，這對(duì)精確估算產(chǎn)草量有一定的影響。

因此，利用無(wú)人機(jī)高光譜遙感數(shù)據(jù)結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析植被光譜反射率和窄波段植被指數(shù)等表型參數(shù)對(duì)打草行為的敏感性，通過(guò)獲取特征波段和植被指數(shù)，揭示打草前后牧草表型變化特征，為精確估算牧區(qū)產(chǎn)草量提供技術(shù)支撐。

二、數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)概況

以內(nèi)蒙古自治區(qū)東烏珠穆沁旗薩麥蘇木境內(nèi)的典型草原打草場(chǎng)為試驗(yàn)區(qū)，地理坐標(biāo)為116°41′E，45°58′N，1月平均氣溫為-18～-22℃，7月平均氣溫為19～22℃，年平均降水量為200～300mm。全年季相更替明顯，冬季受蒙古高壓控制，氣溫嚴(yán)寒、大風(fēng)日居多，夏季雨熱同期。該地區(qū)屬于典型草原區(qū)，主要優(yōu)勢(shì)種為克氏針茅、糙隱子草等。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)采集

本次試驗(yàn)包括野外數(shù)據(jù)采集、室內(nèi)樣品整理和數(shù)據(jù)分析等內(nèi)容。野外工作主要包括無(wú)人機(jī)高光譜、地面光譜和地上生物量等數(shù)據(jù)的采集。在典型草原打草場(chǎng)內(nèi)選擇已打草和未打草對(duì)稱分布的200×200m2的區(qū)域，均勻鋪設(shè)42個(gè)1×1m2的樣方框（圖1），依次開(kāi)展無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集和地面實(shí)測(cè)工作。

圖 1 試驗(yàn)區(qū)位置圖

采用機(jī)載高光譜成像儀采集高光譜影像數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集于2019年9月20日10：00—14：00期間，天氣情況晴朗無(wú)風(fēng)，視野良好。無(wú)人機(jī)飛行高度設(shè)置為100m、航速為6m·s-1，航向和旁向重疊率均為70%，傳感器視角為90°。數(shù)據(jù)采集后，利用軟件對(duì)影像進(jìn)行校正并提取有效波段，用軟件進(jìn)行拼接，獲得高光譜正射影像。

采用地物光譜儀采集地面樣方的光譜反射率數(shù)據(jù)，該設(shè)備波長(zhǎng)范圍是350～1075nm，能夠與無(wú)人機(jī)高光譜成像儀的波長(zhǎng)范圍匹配。無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集結(jié)束后立刻開(kāi)展地面光譜數(shù)據(jù)采集工作。采集視角選擇垂直地面90°，同時(shí)離地高度保持1m，并對(duì)同一樣方采集5次之后取平均值。地上生物量的采集使用了收割法，將樣方框內(nèi)的植被齊地裁剪后放入密封保鮮袋內(nèi)排凈空氣保存，帶回試驗(yàn)室稱鮮重后在75℃恒溫烘干箱內(nèi)烘干36h至恒定質(zhì)量后測(cè)量干重。

2.3分析方法

本研究主要采用光譜反射率比較、窄波段植被指數(shù)計(jì)算和生物量擬合等分析方法。采用地面樣方的地物光譜反射率和無(wú)人機(jī)高光譜影像的光譜反射率數(shù)據(jù)對(duì)已打草和未打草區(qū)域光譜反射率變化特征進(jìn)行分析，且無(wú)人機(jī)高光譜的空間分辨率能達(dá)到2.5cm的高空間分辨率，因此混合像元較少，背景土壤的影響比較少。根據(jù)打草對(duì)植被冠層的形態(tài)參數(shù)的影響特征，選擇ARI等8種窄波段植被指數(shù)（表1）作為特征參數(shù)，選擇并分析打草行為最敏感的特征參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，與打草前后的生物量進(jìn)行擬合，構(gòu)建估算產(chǎn)草量的最佳統(tǒng)計(jì)模型。

表 1采用的窄波段植被指數(shù)

三、結(jié)果與分析

 3.1 打草前后牧草光譜反射率變化特征

       植物光譜特征除了受自身結(jié)構(gòu)的影響外也受外界條件的影響。外界影響主要包括季節(jié)的變化、植被的健康狀況、植物含水量的變化和植株?duì)I養(yǎng)物質(zhì)的變化等。但外界的影響總是通過(guò)植物本身生長(zhǎng)發(fā)育的特點(diǎn)在有機(jī)體的結(jié)構(gòu)特征中反映出來(lái)。對(duì)打草前后牧草光譜反射率變化特征進(jìn)行分析時(shí)首先對(duì)地物光譜儀和高光譜成像儀的波段進(jìn)行了重采樣，調(diào)為一致后對(duì)比分析了每個(gè)樣方的平均反射率（圖2）。

圖 2 打草前后地面光譜儀（A）與高光譜成像儀（B）反射率

圖2（A）和圖2（B）分別是地物光譜儀和高光譜成像儀光譜曲線，從圖2能看出2個(gè)數(shù)據(jù)的反射率曲線比較一致，未打草區(qū)域的反射率均高于已打草區(qū)域。而不同的是，圖2（A）的反射率曲線更具有綠色植物的特征，即具備了“綠峰”和“紅谷”特征，而圖2（B）的反射率曲線比較平滑，“綠峰”和“紅谷”特征不明顯。地物光譜曲線離散程度較高，而高光譜成像儀的較低。另外，已打草和未打草區(qū)域的光譜反射率在地物光譜曲線的450~750nm間有明顯的光譜重疊現(xiàn)象，而750~950nm間不重疊。但在高光譜曲線中450~950nm間都重疊?？傮w上，未打草區(qū)域的光譜反射率值均高于已打草區(qū)域的值，并且有明顯的差距。

3.2打草前后牧草植被指數(shù)差異分析

利用無(wú)人機(jī)高光譜影像數(shù)據(jù)計(jì)算了歸一化植被指數(shù)（NDVI）、紅綠比值植被指數(shù)（RGI）、紅邊指數(shù)（VOGI）、光化學(xué)植被指數(shù)（PRI）、類胡蘿卜素反射指數(shù)（CRI）、花青素反射指數(shù)（ARI）、比值植被指數(shù)（SRI）和紅邊位置指數(shù)（REPI）等8種窄波段植被指數(shù)（圖3）。其中，PRI、RGI、CRI、ARI等指數(shù)出現(xiàn)了大量的無(wú)效值，而且多數(shù)出現(xiàn)在未打草區(qū)域，因此，對(duì)比分析時(shí)未采用。

圖 3 試驗(yàn)區(qū)不同植被指數(shù)影像對(duì)比

圖3中的NDVI、SRI、VOGI和REPI等4項(xiàng)植被指數(shù)的值在正常范圍內(nèi)，從中直觀地看出已打草區(qū)的值均高于未打草區(qū)，其中，VOGI指數(shù)最明顯。為了量化已打草和未打草區(qū)域的植被指數(shù)上的差異，提取了地面樣方范圍內(nèi)的指數(shù)，并制作了箱形統(tǒng)計(jì)圖（圖4）。

圖 4 未打草區(qū)域和已打草區(qū)域牧草不同植被指數(shù)差異

從圖4能看出NDVI、SRI和VOGI指數(shù)的已打草區(qū)域的均值均高于未打草區(qū)域，而且離散程度較低；REPI指數(shù)上2個(gè)區(qū)域的離散程度均較低，而未打草區(qū)域的值高于已打草區(qū)域

3.3打草前后牧草生物量差異分析

為了分析已打草區(qū)域和未打草區(qū)域牧草生物量的差異，對(duì)比分析了已采集的地面樣方生物量差異。打草區(qū)域采集了牧草地上生物量較多部分，但因打草機(jī)的不同或打草方式的不同，地上會(huì)殘留一定的生物量。并且打草時(shí)采集的是牧草的冠層部分，包括了頂部的葉子、花朵和果實(shí)等，留下的是貼地面的少量的葉子和根莖部分。把已采集的42個(gè)樣方的生物量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后制作成圖5。

圖 5 牧草場(chǎng)地上生物量對(duì)比

圖5中，A是未打草區(qū)域的生物量，B是已打草區(qū)域的生物量。從圖5能看出未打草區(qū)域的鮮重是最重，均值約180g·m-2，并且每個(gè)樣方之間的離散程度較大，而打草后留下的生物量比較少，鮮重均值約100g·m-2。因牧草冠層部分的水分含量較高，烘干后的干重大大減少，均值約125g·m-2，約蒸發(fā)了55g·m-2水分，而貼地面的根莖部分的含水量較少，烘干后的干重約70g·m-2，僅損耗了約30g·m-2水分。

圖 6 未打草（8號(hào)）和已打草（23號(hào)）樣方照片

已打草和未打草區(qū)樣方內(nèi)的牧草狀態(tài)見(jiàn)圖6，其中，8號(hào)樣方是未打草之前的牧草，能看出針茅冠層已經(jīng)枯黃，而打草后剩下的是比較綠的部分。從生物量的對(duì)比分析中看出，已打草區(qū)域剩余的生物量遠(yuǎn)低于未打草區(qū)域。

四、結(jié)論

通過(guò)對(duì)比典型草原區(qū)牧草打草前后光譜反射率變化特征、植被指數(shù)差異、牧草地上生物量等表型差異得出如下結(jié)論：

（1）在典型草原打草期打草前后地面光譜反射率和高光譜反射率在450~730nm區(qū)域表現(xiàn)出較高的一致性，在750~950nm區(qū)域打草前的地物光譜曲線高于打草后，且兩者沒(méi)有重疊部分，已打草區(qū)的無(wú)人機(jī)高光譜曲線大約有1/3與打草前的光譜曲線重疊，其主要原因是地面光譜儀探頭視場(chǎng)角小于高光譜成像儀，所以受到樣方內(nèi)背景值（土壤）的光譜反射率影響導(dǎo)致出現(xiàn)了打草后750~950nm區(qū)域反射率均小于打草前的現(xiàn)象。

（2）未打草區(qū)域的NDVI、SRI和VOGI指數(shù)值均低于已打草區(qū)域的值，其中，VOGI值差異比較明顯?？梢杂糜诖虿輬?chǎng)的識(shí)別等工作中。

（3）打草前后的生物量的差異很明顯，從試驗(yàn)區(qū)的實(shí)測(cè)值來(lái)講，未打草區(qū)域和已打草區(qū)域的生物量均值大約相差80g·m-2，說(shuō)明打草時(shí)采集的是這個(gè)相差的部分，還有一部分留在原地。這個(gè)結(jié)果能很好地糾正混淆產(chǎn)草量和生物量的現(xiàn)象。采集生物量時(shí)經(jīng)常采用刈割法，就是齊地面裁剪采集所有地上生物量，而打草是采用打草機(jī)，打草后在地表上留下較多的生物量，這個(gè)部分無(wú)法統(tǒng)計(jì)到產(chǎn)草量中。

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