基于GF-1/WFV时间序列的荒漠草原猪毛蒿群落提取及时空特征研究

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草地生态系统作为陆地生态系统中分布面积最为广泛的生态系统类型之一,在自然和人为因素影响下,其植被类型不断发生着演替。蒿属植物作为荒漠化恢复植被演替过程中广泛分布的优势物种,大量学者围绕其生态学特性开展了研究,具有重要的生态学指示意义,而利用遥感方法提取蒿属典型植被猪毛蒿(Artemisia scoparia)能够在时空分布特征方面进一步验证其生态学意义。近年来,遥感时序数据可以准确反映植被生长季相变化的规律,为草地植被信息识别和监测提供了有力的支撑。以我国高分一号卫星WFV影像(GF-1WFV)为数据源,辅之以地面观测和调查资料,在对研究区开展不同植被类型群落结构调查的基础上,选取典型样地开展植物生长时序特征监测,同步观测冠层光谱,分析了典型植被猪毛蒿生长的时序谱特征,建立了基于时间序列谱的猪毛蒿识别模型,提取了研究区猪毛蒿群落空间分布,遥感估算了其生物量和盖高积,进而分析猪毛蒿生长的变化规律。以期为较大范围的草地群落监测提取提供一种新的思路。研究成果如下:(1)通过对研究区典型植被猪毛蒿样方进行长期固定监测,从而研究其生态特征,通过重要值统计及分析,得出猪毛蒿重要值在研究区占有绝对比重,且猪毛蒿与短花针茅存在明显竞争关系,而与苦豆子存在伴生关系。通过统计研究区1950-2016年降水资料,划分降水年型,结合连续监测2012年至2016年猪毛蒿群落生长与降雨的关系得出,猪毛蒿生长在该区域具有连续性,且春夏季降水与春夏秋季猪毛蒿高度及盖度的相关关系较显著,尤其4至8月的降水量与猪毛蒿生长状况关系非常密切,同时研究区不同降水事件对猪毛蒿萌发生长存在一定的影响,但降雨并未打破猪毛蒿年内的生长特征变化规律,其年内的生长曲线在不同年份均表现出了较高的一致性,为时间序列遥感提取奠定了较好的基础条件。(2)通过对研究区不同草地类型进行其生长期内的冠层光谱测量,分析了典型植被猪毛蒿、短花针茅及苦豆子的冠层光谱特征,并按GF-1WFV光谱响应函数对地面测量光谱进行重采样处理。结合野外实地调查采集的样方与植被生长状态,分析各类植被在时间序列上的曲线差异特征。结果显示,地面实测光谱曲线能够较好的表达不同类型植被在不同生长时段、不同生长状况的生物特征。以猪毛蒿生长期不同时段作为参考,短花针茅、苦豆子光谱曲线与猪毛蒿有较大差异,不同盖度猪毛蒿在不同时期其光谱曲线特征差异较为明显。在猪毛蒿生长期不同阶段,随着盖度增加,其光谱重采样结果在红光和近红外波段反射率差异较大,其中旺盛期对光谱反射更为敏感。NDVI的时间序列曲线能够准确的表征苦豆子、短花针茅和猪毛蒿的生长曲线,且不同类型植被时间序列曲线间的差异性显著。因此,三种植物在时间序列遥感影像上具有可分性。(3)在分析地面测量NDVI时间序列曲线的基础上,结合固定监测样地对应GF-1 WFVNDVI时序曲线特征,确定了猪毛蒿NDVI时序标准特征曲线,基于综合时序谱值的遥感信息提取方法,对猪毛蒿分布信息进行提取,结果表明:研究区猪毛蒿分布范围较广,且同一区域不同盖度比猪毛蒿均有分布。由于研究区北部盐碱化较为严重,因此该区域猪毛蒿长势较差,分布更为密集,而猪毛蒿在研究区中南部地区,不同盖度分布较为均匀。利用综合时序谱提取猪毛蒿总体精度可达到89.05%,表明该方法是一种有效的草地信息提取方法。同时由于光谱相似尺度可同时度量光谱间的大小和形状,因此有利于减少异物同谱现象的影响,进一步提高了遥感信息提取的精度。(4)运用回归分析方法,建立了基于地面实测NDVI与草地样方地上生物量和盖高积之间一元线性回归模型(相关系数R2分别为0.575、0.645),并应用模型基于GF-1WFVNDVI分别对研究区猪毛蒿地上生物量和盖高积进行估算提取,分析了研究区猪毛蒿地上生物量及盖高积的时空格局,总结了其在时间和空间上的分布规律和动态变化。
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