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《山东农业大学》 2011年
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基于遥感数据的草地信息提取及动态监测研究

李百红  
【摘要】:我国草地面积广阔,草地不仅是发展国民经济的物质基础,还是维护陆地生态环境的天然屏障。同时草地也是比较脆弱的生态系统,我国天然草地面临着面积减少、质量下降、草畜矛盾尖锐等问题,及时准确地了解草地资源的时空配置状况至关重要。遥感监测具有面积大尺度、时间小尺度的特点,能够实时把握草地资源的状况,为草地的动态监测与分析管理提供了有力支持。 本研究以新疆维吾尔自治区哈巴河县为例,采用多时相的MODIS、LANDSAT和HJ星多光谱影像数据,在对数据进行预处理之后,通过分析草地资源的光谱特征,采用多时相信息复合后的决策树分类和监督分类的方法提取了草地资源信息,并对草地信息进行等级划分,监测了研究区2007年生长期内和2000-2010年草地的年内和年际时空动态变化。 (1)遥感数据的预处理 不同传感器遥感数据前期处理略有不同, MODIS数据主要利用MRT软件进行投影转换,保证所有研究数据在同一投影信息下;对TM/HJ星数据的预处理主要包括:对HJ星数据进行波段计算,将DN值转换为辐射亮度值,并求取光谱响应函数,然后采用FLAASH模型分别对TM/HJ星数据进行大气纠正。以TM数据为参照数据,对HJ星数据采用多项式纠正模型重新定位,三次卷积内插法重新采样以完成几何精纠正,其RMS误差为0.37个像元。结果显示:辐射纠正较好的消除了大气等对遥感数据的干扰,高保真地恢复地物波谱信息,保证了NDVI指数的精确度;几何精纠正为后期的草地信息年际时空动态变化分析打下了基础。 (2)草地资源信息提取 参照2007年的哈巴河县土地利用现状图和1:20万哈巴河县草地等级图,分析不同草地类生长期内MODIS的NDVI时空特征,对多时相遥感数据进行复合处理,依据主要地类与典型草地类的NDVI时空差异性,采用决策树分类方法,提取哈巴河县的主要地类及典型草地类,分类结果与参照数据进行叠加对比,获取分类精度。为了更好的分析草地资源生长期内的时空特征,对MODIS-NDVI数据等间距分等级,为下一步动态监测做准备。 对预处理后的TM/HJ星数据选择训练样区,分析其可分离度,选择最大似然法分类器,进行监督分类,对分类结果数据进行精度验证后提取草地地类,并通过逻辑运算求得草地的NDVI指数,依据其频率分布信息,采用自然拐点法分等级,提取草地等级时空分布信息。 结果显示,采用多时相遥感数据复合后决策树分类方法对MODIS数据进行草地信息提取,分类精度为83.37%,为基于MODIS数据的草地遥感研究提供了一种新的思路。对30m的遥感影像进行最大似然法的监督分类,分类精度分别为88.36%和87.18%,较好的满足了实验要求。 (3)草地资源动态监测 对MODIS数据的草地信息进行各草地类型不同时期NDVI均值的统计和各时期草地等级面积统计。从草地资源NDVI均值角度分析:草地各类型的NDVI随着时间的变化其变化趋势基本一致,都是先增后减,草地指数的峰值发生在夏季,山地草甸类和温性草甸草原类的指数峰值出现在6月底7月初,温性草原类和温性荒漠草原类的峰值出现在5月底6月初,高寒草甸类和低地草甸类的指数峰值为7月底8月初。从草地等级面积角度分析,草地高覆盖度期在5月底至8月初,这三期NDVI0.6的面积依次为1125.87 km~2、1507.97 km~2和1418.96 km~2,明显高于其他月份。 对TM/HJ星数据的草地信息进行动态分析,统计2000年和2010年典型地类面积,并进行转移矩阵分析,分析各地类间转换情况;统计草地各等级的面积,对2期NDVI数据进行栅格计算,获取草地NDVI指数的时空动态分布信息,结果表明:2000 -2010年草地面积减少了325.03 km~2,其中冬季牧场减少142.10 km~2,夏季牧场减少205.80 km~2。宜农耕地面积增加了183.75 km~2,居民点用地增加了3.27 km~2。荒漠面积进一步增加,达到852.59 km~2,新增加149.45 km~2。由于春秋牧场重复利用,载畜压力大,草地退化较为严重,冬季牧场农田外围,居民点增加,人类活动加剧,草地退化明显。 哈巴河县位于阿勒泰山南麓,属于典型山区,草地资源的空间分布受海拔影响明显。以100 m为间距对DEM进行等间距划分,统计各等级内草地指数均值。结果显示:草地生长期的NDVI与DEM存在一定的相关性,平原区域NDVI基本稳定,变化不大;700-800 m的山前平原区域受水资源限制,产生了下降的拐点,随着海拔的升高和降水的增加,海拔800-1800 m的山前丘陵区域NDVI与DEM呈正相关,海拔1800 m以上的高山区域,受温度影响,NDVI与DEM呈负相关。整体看来,除5月底6月初的拟合度为0.8977外,其余时间段的拟合度都在0.90以上, NDVI与DEM相关性明显。定量分析DEM等级内草地NDVI均值,结果显示2000年明显高于2010年,说明草地覆盖度整体呈下降趋势。 该研究以哈巴河县为例,采用多源遥感数据,充分发挥草地遥感的优势,综合GIS、数理统计等知识,采用多种遥感分类方法提取草地资源信息,并分析了2007年草地生长期内和2000-2010年年际时空特征。该研究为草地资源信息提取与时空动态分析提供了切实可行的技术方法,对及时准确地了解草地资源的时空配置状况,科学合理地利用、管理草地,保证畜牧业生产持续稳定发展和生态环境的改善具有极其重要的参考价值及指导意义。
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