基于Landsat 8 OLI和MODIS卫星遥感资料,结合2013-2014年甘南州夏河县桑科草原试验区野外实测盖度数据,对草地盖度敏感的OLI波段及其组合指数进行了筛选,构建并确立了试验区基于MODIS植被指数的草地盖度反演模型,探讨了不同空间升尺度方式对草地盖度的空间效应。结果表明,1)OLI比值植被指数r(Band7/Band5)对草地盖度的响应最敏感,基于该指数的草地盖度最优反演模型为yoli=-270.064xoli+115.987(R2=0.833,P<0.001);2)基于MODIS MEVI和Landsat 8 OLI比值植被指数r(30 m)反演的盖度重采样数据(250 m)的对数模型为最优草地盖度评估模型(R2=0.795,P<0.001),其决定系数较MODIS MEVI与基于农业多光谱照相机(agricultural digital camera,ADC)的盖度数据建立的回归模型高(R2=0.706),绝对误差和相对误差较低;3)基于OLI和MODIS植被指数的3种草地盖度回归模型(方法1~3)精度均优于直接使用MODIS植被指数建立的回归模型(方法4);方法3利用OLI 比值指数r反演盖度(30 m),将其升尺度至250 m,再反演盖度构建的对数模型的精度最高(R2=0.795),其次依次为方法2构建的模型(R2=0.760)、方法1构建的模型(R2=0.730)和方法4构建的模型(R2=0.706)。
This research used remote sensing data of MODIS and Landsat 8 OLI, combined with ground observations during 2013 and 2014 in XiaheSangke grassland, Gansu Province. Both individual bands and combinations of bands of Landsat 8 OLI were tested, with a view to selecting band combinations sensitive to grassland coverage. Then, grassland coverage inversion models were established based on MODIS vegetation index data. At the same time, the spatial scale effect was analyzed with a 30 m resolution and up-scaled to 250 m resolution for spectral reflectance, vegetation index, and estimated grassland coverage. It was found that: 1) the ratio of Band7/Band5 of the OLI data was the most sensitive combination for detecting grassland coverage, and the best grassland coverage inversion model was the linear function: yoli=-270.064xoli+115.987, R2=0.833, P<0.001; 2) The best grassland coverage inversion model was the logarithmic model (y=64.160ln(xMEVI)+136.927, R2=0.795, P<0.001), which was established by using MODIS MEVI and up-scaling ratio index of OLI. The coefficient of fit was higher than for the models based on MODIS MEVI and Agricultural Digital Camera pictures (R2=0.706), and its average absolute error and average relative error were lower. 3) The accuracy of the logarithmic model (R2=0.795) based on MODIS MEVI and up-scaling grassland coverage using a ratio index (Band7/Band5) of OLI was higher than other models.
全 文 :书犇犗犐:10.11686/犮狔狓犫2015433 犺狋狋狆://犮狔狓犫.犾狕狌.犲犱狌.犮狀
孟宝平,崔霞,杨淑霞,高金龙,胡远宁,陈思宇,梁天刚.基于Landsat8OLI和 MODIS数据的高寒草地盖度升尺度效应研究———以夏河县桑科
草原试验区为例.草业学报,2016,25(7):112.
MENGBaoPing,CUIXia,YANGShuXia,GAOJinLong,HUYuanNing,CHENSiYu,LIANGTianGang.Scalingupmethodologyforalpine
grasslandcoveragemonitoringbasedonLandsat8OLIandMODISremotesensingdata:AcasestudyinXiaheSangkegrassland.ActaPrataculturae
Sinica,2016,25(7):112.
基于犔犪狀犱狊犪狋8犗犔犐和 犕犗犇犐犛数据的高寒草地盖度
升尺度效应研究———以夏河县桑科草原试验区为例
孟宝平1,崔霞2,杨淑霞1,高金龙1,胡远宁1,陈思宇1,梁天刚1
(1.草地农业生态系统国家重点实验室,兰州大学草地农业科技学院,甘肃 兰州730020;2.兰州大学
西部环境教育部重点实验室,兰州大学资源与环境学院,甘肃 兰州730000)
摘要:基于Landsat8OLI和 MODIS卫星遥感资料,结合2013-2014年甘南州夏河县桑科草原试验区野外实测盖
度数据,对草地盖度敏感的OLI波段及其组合指数进行了筛选,构建并确立了试验区基于 MODIS植被指数的草
地盖度反演模型,探讨了不同空间升尺度方式对草地盖度的空间效应。结果表明,1)OLI比值植被指数狉(Band7/
Band5)对草地盖度的响应最敏感,基于该指数的草地盖度最优反演模型为狔oli=-270.064狓oli+115.987(犚2=
0.833,犘<0.001);2)基于 MODISMEVI和Landsat8OLI比值植被指数狉(30m)反演的盖度重采样数据(250m)
的对数模型为最优草地盖度评估模型(犚2=0.795,犘<0.001),其决定系数较 MODISMEVI与基于农业多光谱照
相机(agriculturaldigitalcamera,ADC)的盖度数据建立的回归模型高(犚2=0.706),绝对误差和相对误差较低;3)
基于OLI和 MODIS植被指数的3种草地盖度回归模型(方法1~3)精度均优于直接使用 MODIS植被指数建立的
回归模型(方法4);方法3利用OLI比值指数狉反演盖度(30m),将其升尺度至250m,再反演盖度构建的对数模
型的精度最高(犚2=0.795),其次依次为方法2构建的模型(犚2=0.760)、方法1构建的模型(犚2=0.730)和方法4
构建的模型(犚2=0.706)。
关键词:Landsat8OLI;MODIS;敏感波段;盖度反演;空间升尺度
犛犮犪犾犻狀犵狌狆犿犲狋犺狅犱狅犾狅犵狔犳狅狉犪犾狆犻狀犲犵狉犪狊狊犾犪狀犱犮狅狏犲狉犪犵犲犿狅狀犻狋狅狉犻狀犵犫犪狊犲犱狅狀犔犪狀犱狊犪狋8
犗犔犐犪狀犱犕犗犇犐犛狉犲犿狅狋犲狊犲狀狊犻狀犵犱犪狋犪:犃犮犪狊犲狊狋狌犱狔犻狀犡犻犪犺犲犛犪狀犵犽犲犵狉犪狊狊犾犪狀犱
MENGBaoPing1,CUIXia2,YANGShuXia1,GAOJinLong1,HUYuanNing1,CHENSiYu1,
LIANGTianGang1
1.犛狋犪狋犲犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犌狉犪狊狊犾犪狀犱犃犵狉狅犲犮狅狊狔狊狋犲犿狊,犆狅犾犾犲犵犲狅犳犘犪狊狋狅狉犪犾犃犵狉犻犮狌犾狋狌狉犲犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔,犔犪狀狕犺狅狌犝狀犻
狏犲狉狊犻狋狔,犔犪狀狕犺狅狌730020,犆犺犻狀犪;2.犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犠犲狊狋犲狉狀犆犺犻狀犪’狊犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犪犾犛狔狊狋犲犿狊(犕犻狀犻狊狋狉狔狅犳犈犱狌犮犪狋犻狅狀),犆狅犾犾犲犵犲
狅犳犈犪狉狋犺犪狀犱犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犪犾犛犮犻犲狀犮犲狊,犔犪狀狕犺狅狌犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔,犔犪狀狕犺狅狌730000,犆犺犻狀犪
犃犫狊狋狉犪犮狋:ThisresearchusedremotesensingdataofMODISandLandsat8OLI,combinedwithgroundobser
vationsduring2013and2014inXiaheSangkegrassland,GansuProvince.Bothindividualbandsandcombina
tionsofbandsofLandsat8OLIweretested,withaviewtoselectingbandcombinationssensitivetograssland
第25卷 第7期
Vol.25,No.7
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
1-12
2016年7月
收稿日期:20150914;改回日期:20151116
基金项目:国家自然科学基金项目(31372367,31228021,41401472),农业部公益性行业(农业)科研专项项目(201203006)和长江学者和创新团
队发展计划(IRT13019)资助。
作者简介:孟宝平(1989),男,甘肃陇西人,在读博士。Email:mengbp09@lzu.edu.cn
通信作者Correspondingauthor.Email:tgliang@lzu.edu.cn
coverage.Then,grasslandcoverageinversionmodelswereestablishedbasedonMODISvegetationindexdata.
Atthesametime,thespatialscaleeffectwasanalyzedwitha30mresolutionandupscaledto250mresolution
forspectralreflectance,vegetationindex,andestimatedgrasslandcoverage.Itwasfoundthat:1)theratioof
Band7/Band5oftheOLIdatawasthemostsensitivecombinationfordetectinggrasslandcoverage,andthebest
grasslandcoverageinversionmodelwasthelinearfunction:狔oli=-270.064狓oli+115.987,犚2=0.833,犘<
0.001;2)Thebestgrasslandcoverageinversionmodelwasthelogarithmicmodel(狔=64.160ln(狓MEVI)+
136.927,犚2=0.795,犘<0.001),whichwasestablishedbyusingMODISMEVIandupscalingratioindexof
OLI.ThecoefficientoffitwashigherthanforthemodelsbasedonMODISMEVIandAgriculturalDigital
Camerapictures(犚2=0.706),anditsaverageabsoluteerrorandaveragerelativeerrorwerelower.3)Theac
curacyofthelogarithmicmodel(犚2=0.795)basedonMODISMEVIandupscalinggrasslandcoverageusinga
ratioindex(Band7/Band5)ofOLIwashigherthanothermodels.
犓犲狔狑狅狉犱狊:Landsat8OLI;MODIS;sensitivecombinationofbands;coverinversionmodel;spatialupscaling
植被盖度是指样地中全部植物个体地上部分(包括叶、茎、枝等)的垂直投影面积占样地总面积的百分比[1],
是植被生长状况的直观量化指标[2],能够表征生态系统植被群落生长状况及生态环境质量[3],对其精确量化在土
壤侵蚀[45]、水土保持[69]、陆-气相互作用[10]和荒漠化治理[1112]等诸多研究中至关重要。因此,建立高精度植被
盖度估算模型对相关领域研究具有十分重要的意义。
目前,根据盖度测量的空间尺度大小可将草地盖度测量方法分为传统的地面测量法和遥感监测法。传统地
面测量中常用目视估测法、采样法和仪器法,以传统的样方尺度(50cm×50cm 或1m×1m)进行观测,测量精
度高,尤其是仪器法中的数码照相机方法,是目前地面测量中精度最高的测量方法[1314];遥感监测方法包括经验
模型(精度依赖于地面样方实测数据)、植被指数、像元分解模型、森林郁闭度制图模型(forestcanopydensity
mappingmodel,FCD)、决策树分类和神经网络等方法。地面测量方法由于受地表空间异质性和人为主观性的影
响很难扩展到整个区域,此方法估算的大范围植被盖度状况精度较低,但基于照相机的草地样方尺度的植被盖度
精度较高,可为遥感反演建模和精度验证提供基础数据[1516]。遥感测量的优势在于可以频繁和持久的提供多种
时空尺度的地表面状信息,这对传统的以稀疏离散点为基础的对地观测手段而言是一场革命性的变化[17]。由于
地表植被分布具有空间异质性,用极其有限代表性的地面观测盖度数据验证中分辨率遥感反演的面上信息,对遥
感反演的植被盖度的真实性检验带来很大困难。此外,植被盖度遥感反演模型的构建不仅需要遥感影像反射率
数据,也需要野外观测的盖度数据,采样点的空间代表性及测量误差会影响模型反演的精度[1718]。为了研究不同
遥感资料之间的空间尺度效应,王海宾[19]使用Bottomup方法建立森林盖度经验模型,分析了森林盖度的空间
变化规律。刘良云[20]探讨了草地叶面积指数由高分辨率小像素影像升尺度为低分辨率大像素时,“先反演再平
均”与“先平均再反演”两种方法之间的空间效应及其差异。早在20世纪80年代,学者们对LandsatMSS卫星
资料各波段反射率对地表植被盖度信息敏感性已做了大量研究[2124]。随着科学技术的不断发展,Landsat从
1972年第一颗陆地卫星(Landsat1)发射到2013年 Landsat8的运行已有40多年历史[2527]。Landsat8较
Landsat5和Landsat7有了很多改进[2829],针对其不同波段及其组合指数对草地植被盖度的敏感性研究尚鲜有
报道。
如何既能保证地面采样点盖度精确性,又能克服采样点空间代表性和不同遥感资料之间的空间效应,将采样
点的点状盖度信息扩展到更大空间区域,是遥感监测植被盖度研究中急需解决的问题。目前,在草地植被盖度监
测中,基于高分辨率影像的盖度反演精度较高,但其覆盖面积较中低分辨率影像小,并且受时间分辨率和云等因
素影响,不能够应用于长时间序列的大区域研究;基于中低分辨率影像的草地盖度反演精度较低,但其覆盖区域
广阔,数据时间序列较长且连续,适用于长时间序列的大区域研究。为了在较大范围内得到高精度的草地盖度时
2 ACTAPRATACULTURAESINICA(2016) Vol.25,No.7
空动态变化信息,本研究以夏河县桑科试验区为例,基于农业多光谱照相机(agriculturaldigitalcamera,ADC)的
草地盖度数据及Landsat8OLI影像,研究对草地盖度敏感的波段及其组合指数,建立基于中分辨率成像光谱仪
(moderateresolutionimagingspectroradiometer,MODIS)EVI、NDVI和由 OLI影像不同升尺度方法得到的
250m空间分辨率数据的盖度反演模型,以期探索结合高分辨率遥感数据提高低分辨遥感资料反演草地盖度模
拟精度的方法。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
夏河县试验区位于该县桑科乡央吉社区(图1),地理位置为102°23′-102°26′E,35°5′-35°7′N,试验区总
面积11km2,南北长约3.86km,东西长约2.77km,平均海拔3050m。试验区内共有5个样区,根据试验目的
不同,1~5号样区依次为天然草地人工改良区(主要进行补播试验,面积约为19.38hm2),天然草地合理利用技
术集成创新与示范区(为放牧利用试验地,面积约为16.06hm2),试验的对照组(面积约7.52hm2),优质饲草生
产技术集成创新与示范区(封育草地,面积约19.30hm2),天然畜产品生产加工技术与营销模式集成与示范研究
区(人工施肥试验地,面积在5个样区中最大,约为99.10hm2,占总试验区面积的61.55%)。试验区天然草地类
型为高寒草甸,主要优势牧草有高山嵩草(犓狅犫狉犲狊犻犪狆狔犵犿犪犲犪)、垂穗披碱草(犈犾狔犿狌狊狀狌狋犪狀狊)、羊茅(犉犲狊狋狌犮犪狅狏犻
狀犪)、早熟禾(犘狅犪犪狀狀狌犪)、郦氏洽草(犓狅犲犾犲狉犻犪犾犻狋狏犻狀狅狑犻犻)、黄芪(犃狊狋狉犪犵犪犾狌狊犿犲犿犫狉犪狀犪犮犲狌狊)等,主要毒杂草有黄
帚橐吾(犔犻犵狌犾犪狉犻犪狏犻狉犵犪狌狉犲犪)、火绒草(犔犲狅狀狋狅狆狅犱犻狌犿犼犪狆狅狀犻犮狌犿)、委陵菜(犘狅狋犲狀狋犻犾犾犪犮犺犻狀犲狀狊犻狊)、马先蒿(犘犲
犱犻犮狌犾犪狉犻狊spp.)等[3031]。放牧家畜以牦牛、甘加羊为主。试验区常年寒冷湿润,属大陆性高原温带季风气候[32],
年平均气温2.1℃,年均降水量为580mm。
1.2 地面观测数据
野外实测数据采集于2013年8月和2014年7-10月,总计5次。样地设置在试验区内草地生长状况均一
的区域(图1),2013年在1~5号试验区内选取大小为30m×30m 样地14个,每个样地内随机布设3个
0.5m×0.5m样方,以3个样方盖度平均值作为该样地的草地盖度。同时,利用手持GPS设备,在试验区内采
集了20个地面控制点(groundcontrolpoint,GCP),记录了经度、纬度和高程等信息,用于Landsat卫星影像的
几何精校正。为了更加准确的获取与遥感数据匹配的地面实测数据,2014年在试验区布设了13个固定样地(图
2),每个样地采用5点法布设样方(图3),以整个样地的中心点作为第一个样方,再选取4个角点作为其余4个
样方,用ADC拍摄各样方相片,并记录草地类型、优势种等指标,以5个样方盖度平均值作为该样地的草地盖度。
每个样方草地植被盖度信息通过ADC拍摄的相片处理获得。同时,利用DJI无人机携带的GoProHero3+相
机在各样地中心点拍摄图像(大小与Landsat8卫星 OLI遥感数据的像元一致,为30m×30m,分辨率约2
cm),用于草地盖度反演模型的精度验证。
1.3 Landsat8OLI数据预处理
Landsat8OLI数据来源于美国地质勘探局(unitedStatesgeologicalsurvey,USGS)网站,本项研究检索并
下载了覆盖夏河县试验区无云影像5景(表1)。
在ENVI5.0软件中对OLI数据进行处理,利用RadiometricCalibration模块、FLAASHAtmosphericCor
rection模块和Registration下的ImagetoImage模块对OLI影像分别进行辐射定标、大气校正和几何精校正,
并将影像投影定义为 WGS_1984_UTM_ZONE_47N。利用BandMath模块计算Landsat8OLI不同波段组合
指数,利用Sample工具提取采样点对应的各波段及其组合指数的像元值。
1.4 MODIS13Q1数据预处理
本项研究选用美国国家宇航局 MODIS16d最大合成NDVI和EVI植被指数产品(MOD13Q1),时间序列
为2013年8月和2014年7-10月,空间分辨率为250m,轨道号为h26v05,共计10景影像。使用最大值合成方
法(maximumvaluecomposition,MVC),合成了2013年8月和2014年7-10月的月最大归一化植被指数
3第25卷第7期 草业学报2016年
(maximumnormalizeddifferencevegetationindex,MNDVI)和月最大增强型植被指数(maximumenhanced
vegetationindex,MEVI)数据。
图1 夏河县试验区地理位置、草地类型及2014年8月29日资源3号卫星真彩色合成影像
犉犻犵.1 犔狅犮犪狋犻狅狀,犵狉犪狊狊犾犪狀犱狋狔狆犲犪狀犱犣犢3狉犲犪犾犮狅犾狅狉犮狅犿狆狅狊犻狋犲犻犿犪犵犲狅犳犲狓狆犲狉犻犿犲狀狋犪犾犪狉犲犪犻狀犡犻犪犺犲犮狅狌狀狋狔狅狀狋犺犲犃狌犵狌狊狋29狋犺犻狀2014
图2 夏河县试验区2014年7-10月样方位置分布示意图
犉犻犵.2 犜犺犲狊犮犺犲犿犪狋犻犮犱犻犪犵狉犪犿狅犳狇狌犪犱狉犪狋犱犲狊犻犵狀犱狌狉犻狀犵犑狌犾狔-犗犮狋狅犫犲狉犻狀2014犻狀犲狓狆犲狉犻犿犲狀狋犪犾犪狉犲犪,犡犻犪犺犲犮狅狌狀狋狔
4 ACTAPRATACULTURAESINICA(2016) Vol.25,No.7
对影像进行以下处理:1)利用 MODIS数据重投影
图3 样地和样方设置图
犉犻犵.3 犜犺犲犱犲狊犻犵狀犳狅狉狆犾狅狋犪狀犱狇狌犪犱狉犪狋
工具(MODISreprojectiontools,MRT),对 MODIS
数据进行转格式和定义投影。将 HDF文件转为TIF
格式,定义投影为 WGS84;2)在 ArcMap中将投影转
为 WGS_1984_UTM_ZONE_47N,空间分辨率定义为
250m。在ArcMap中,利用CelStatistics工具分别
得到2013年8月和2014年7-10月的 MNDVI和
MEVI。
1.5 基于Landsat8OLI的草地盖度反演模型的建
立与精度评价
Landsat8OLI的Band6主要用于地表温度反
演[3336]。除 该 波 段 外,本 研 究 将 OLI的 单 波 段
Band1~Band5和Band7及其两两相加、相减、相比和
归一化组合指数(共计154项)作为自变量,将试验区
基于ADC图像的样地草地植被盖度作为因变量,利用SPSS软件分别分析各波段及其组合指数与草地植被盖度
之间的线性回归模型,并筛选出相关系数较高的前10个组合指数或波段,然后通过SPSS软件估算前10个波段
组合指数或波段的线性、对数、指数和乘幂模型的参数,将DJI拍摄的39景样地影像(2014年8-10月)计算的
盖度数据作为真实值,以各模型估算值作为反演值,分别计算草地盖度反演模型的平均绝对误差和平均相对误
差,检验各种模型精度,从而确立30m空间分辨率的草地盖度最优遥感反演模型。
Δ=
∑
狀
犻=1
Δ犻
狀 =
∑
狀
犻=1
|狓犻-犾犻|
狀
(1)
δ=
∑
狀
犻=1
(Δ犻/犾犻)
狀 ×100
(2)
式中,Δ表示整个试验区草地盖度的平均绝对误差,Δ犻表示某一样地草地盖度的绝对误差,狓犻表示某一样地模型
计算的草地盖度,犾犻表示基于ADC相片(或无人机图像)计算的草地盖度,δ表示平均相对误差(%)。犻表示某一
样地,狀表示样地数目。
表1 犔犪狀犱狊犪狋8犗犔犐影像及外业调查数据列表
犜犪犫犾犲1 犜犺犲犾犻狊狋狅犳犔犪狀犱狊犪狋8犗犔犐犪狀犱犵狉狅狌狀犱狅犫狊犲狉狏犪狋犻狅狀犱犪狋犪
影像时间
Dateofsateliteimages
(年/月/日 Year/month/day)
传感器类型
Sensor
type
行列号
Pathand
row
外业采样时间
Samplingtime
(年/月/日 Year/month/day)
基于ADC的样地
Plotbasedon
ADCdata
基于DJI的样地
Plotbasedon
DJIdata
2013/08/08 Landsat8OLI 131/36 2013/08/0513 14 -
2014/07/26 Landsat8OLI 131/36 2014/07/2431 13 -
2014/08/27 Landsat8OLI 131/36 2014/08/1418 13 13
2014/09/28 Landsat8OLI 131/36 2014/09/2829 13 13
2014/10/14 Landsat8OLI 131/36 2014/10/2023 13 13
1.6 基于 MODIS数据的草地盖度反演模型的构建
本项研究采用Fazakas[37]提出的Bottomup方法,建立草地植被盖度反演模型。首先,利用较高空间分辨率
遥感数据(Landsat8OLI)反演草地盖度,再通过升尺度途径建立较低空间分辨率遥感数据(MODIS)的草地盖
5第25卷第7期 草业学报2016年
度反演模型,并探讨不同升尺度方法对草地盖度反演精度的影响。本研究分别基于OLI30m空间分辨率敏感
波段反射率、敏感波段组合指数和基于敏感波段组合指数反演的草地盖度,分别采用双线性重采样方法得到OLI
250m空间分辨率草地盖度数据,构建经过较高空间分辨率遥感数据(Landsat8OLI)校正的基于 MODIS影像
的草地盖度反演模型。这3种计算草地盖度的方法分别简记为方法1、方法2和方法3。方法1是将 OLI的
Band7和Band5升尺度至250m,计算Band7/Band5,再结合MODIS的月最大植被指数反演草地盖度;方法2通
过计算OLI比值指数Band7/Band5(30m),将其升尺度至250m,再结合MODIS的月最大植被指数反演草地盖
度;方法3利用OLI比值指数 (Band7/Band5)反演草地盖度(30m),将其升尺度至250m,再结合 MODIS的月
最大植被指数反演草地盖度(图4)。除此之外,草地盖度估算的第4种方法为基于 MODIS数据的传统方法,即
利用ADC相片计算的盖度数据和 MODIS植被指数数据直接建立盖度回归模型,反演草地盖度。
将DJI拍摄的39幅样地影像(2014年8-10月)计算的盖度数据作为真实值,以4种算法计算的草地盖度作
为反演值,分别计算4种算法的平均绝对误差和平均相对误差(式1和2),分析各种算法的模拟精度,从而确立
250m空间分辨率的草地盖度最优遥感反演模型。
图4 基于 犕犗犇犐犛植被指数的草地盖度反演模型的4种构建方法
犉犻犵.4 犉狅狌狉犵狉犪狊狊犾犪狀犱犮狅狏犲狉犻狀狏犲狉狊犻狅狀犿犲狋犺狅犱狊犫犪狊犲犱狅狀犕犗犇犐犛狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀犻狀犱犲狓
2 结果与分析
2.1 基于OLI30m分辨率数据的试验区草地盖度模型比较分析
根据OLI不同波段及其组合指数和试验区草地盖度之间的线性回归模型的决定系数犚2 和均方根误差
(rootmeansquareerror,RMSE),筛选出的前10个波段组合指数或敏感波段依次为:Band7/Band5、(Band5-
Band7)/(Band5+Band7)、(Band3-Band4)/(Band3+Band4)、Band3-Band4、(Band3-Band7)/(Band3+
Band7)、Band2+Band5、Band1+Band5、Band3+Band5、Band5和Band5+Band7(表2)。其中,Band5及所有波
6 ACTAPRATACULTURAESINICA(2016) Vol.25,No.7
段组合指数的回归方程均达极显著水平(犘<0.001),决定系数介于0.633~0.833之间,均方根误差介于
6.241%~9.254%之间。常见植被指数NDVI和草地盖度之间的相关系数并没有出现在前10个波段组合中,其
决定系数为0.627,RMSE达9.327%,精度较前10个组合的线性模型差。波段比值指数Band7/Band5与草地
盖度之间的线性相关系数最大,达0.833,均方根误差最小,为6.241%。
表2 犗犔犐犅犪狀犱5及不同波段组合指数与草地盖度线性
回归模型的犚2 和犚犕犛犈
犜犪犫犾犲2 犚2犪狀犱犚犕犛犈狅犳犾犻狀犲犪狉狉犲犵狉犲狊狊犻狅狀犿狅犱犲犾狊犫犲狋狑犲犲狀
犵狉犪狊狊犮狅狏犲狉犪犵犲犪狀犱犱犻犳犳犲狉犲狀狋犫犪狀犱犮狅犿犫犻狀犪狋犻狅狀
犻狀犱犲狓(犻狀犮犾狌犱犻狀犵犗犔犐犅犪狀犱5)
序号
Number
指数
Index
犚2 RMSE
(%)
1 Band7/Band5 0.833 6.241
2 (Band5-Band7)/(Band5+Band7)0.821 6.462
3 (Band3-Band4)/(Band3+Band4)0.777 7.205
4 Band3-Band4 0.759 7.506
5 (Band3-Band7)/(Band3+Band7)0.720 8.085
6 Band2+Band5 0.664 8.857
7 Band1+Band5 0.664 8.857
8 Band3+Band5 0.655 8.971
9 Band5 0.651 9.031
10 Band5+Band7 0.633 9.254
11 NDVI 0.627 9.327
,犘<0.001.下同 Thesameblow.
表3 犗犔犐犅犪狀犱5及不同波段组合指数反演草地
盖度的最优回归模型
犜犪犫犾犲3 犜犺犲犫犲狊狋狉犲犵狉犲狊狊犻狅狀犿狅犱犲犾犳狅狉犻狀狏犲狉狊犻狅狀
犵狉犪狊狊犾犪狀犱犮狅狏犲狉犫犪狊犲犱狅狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋犫犪狀犱
犮狅犿犫犻狀犪狋犻狅狀犻狀犱犲狓犪狀犱犗犔犐犅犪狀犱5
指数
Index
公式
Model
犚2
Band7/Band5 狔=-270.064狓+115.987 0.833
(Band5-Band7)/(Band5+Band7)狔=132.714ln(狓)+115.682 0.782
(Band3-Band4)/(Band3+Band4)狔=38.889狓+87.462 0.777
Band3-Band4 狔=0.071狓+84.929 0.759
(Band3-Band7)/(Band3+Band7)狔=37.832狓+87.955 0.720
Band2+Band5 狔=36.111ln(狓)-203.312 0.619
Band1+Band5 狔=33.919ln(狓)-185.310 0.619
Band3+Band5 狔=40.623ln(狓)-244.637 0.611
Band5 狔=42.878ln(狓)-259.098 0.605
Band5+Band7 狔=48.648ln(狓)-310.538 0.589
NDVI 狔=130.861狓-18.764 0.627
表3列出了通过决定系数筛选出的前10种波
段组合指数及基于 OLINDVI的草地盖度回归模
型。由该表可知,Band7/Band5、(Band3-Band4)/
(Band3+ Band4)、Band3- Band4、(Band3-
Band7)/(Band3+Band7)以及NDVI的最优回归模
型形式为线性模型,而(Band5-Band7)/(Band5+
Band7)、Band2+Band5、Band1+Band5、Band3+
Band5、Band5和Band5+Band7最优回归模型形式
为对数模型。
2.2 OLI30m空间分辨率的草地盖度模型精度检
验
以2014年8月15-16日、9月28-29日以及
10月21-22日期间无人机拍摄图像计算的盖度数
据为真值,检验基于 Landsat8OLI影像 NDVI、
Band5和9种波段组合指数反演的2014年8月27
日、2014年9月28日以及2014年10月14日的草
地盖度精度,结果如表4所示。其中,Band7/Band5
表4 犗犔犐犅犪狀犱5及不同波段组合指数的草地
盖度最优反演模型误差分析
犜犪犫犾犲4 犈狉狉狅狉犪狀犪犾狔狊犻狊犳狅狉犻狀狏犲狉狊犻狅狀犵狉犪狊狊犾犪狀犱犮狅狏犲狉犫犪狊犲犱狅狀
犗犔犐狑犻狋犺犱犻犳犳犲狉犲狀狋犫犪狀犱犮狅犿犫犻狀犪狋犻狅狀犻狀犱犲狓犪狀犱犅犪狀犱5
模型自变量
Independentvariable
平均绝对误差
Averageabsolute
error(Δ,%)
平均相对误差
Averagerelative
error(δ,%)
Band7/Band5 3.9779 5.22
(Band5-Band7)/(Band5+Band7) 3.9858 5.27
(Band3-Band4)/(Band3+Band4) 6.0458 8.67
Band3-Band4 5.8627 7.64
(Band3-Band7)/(Band3+Band7) 7.9174 11.02
Band2+Band5 7.7954 10.46
Band1+Band5 7.8378 10.48
Band3+Band5 7.8309 10.57
Band5 7.6390 10.38
Band5+Band7 8.1058 11.03
NDVI 6.8655 9.61
7第25卷第7期 草业学报2016年
表5 基于不同方法的试验区草地盖度回归模型
犜犪犫犾犲5 犚犲犵狉犲狊狊犻狅狀犿狅犱犲犾狊犳狅狉犵狉犪狊狊犾犪狀犱犮狅狏犲狉犫犪狊犲犱狅狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋犿犲狋犺狅犱狊
方法 Method 指数Index 模型Function 公式 Model 犚2 Δ δ
方法1
Method1
MODISMEVI 线性Linear 狔=143.621狓+20.783 0.703 8.815 15.155
指数Exponential 狔=36.660e1.844狓 0.654 10.130 16.916
对数Logarithmic 狔=62.493ln(狓)+136.370 0.730 8.256 14.292
乘幂Power 狔=162.797狓0.811 0.694 9.399 16.381
MODISMNDVI 线性Linear 狔=128.521狓-3.388 0.664 9.377 16.151
指数Exponential 狔=26.552e1.667狓 0.629 10.016 17.853
对数Logarithmic 狔=86.285ln(狓)+118.040 0.680 9.324 16.079
乘幂Power 狔=128.728狓1.129 0.656 9.658 16.173
方法2
Method2
MODISMEVI 线性Linear 狔=134.484狓+24.461 0.751 8.778 15.621
指数Exponential 狔=39.407e1.678狓 0.720 10.095 17.419
对数Logarithmic 狔=58.239ln(狓)+132.558 0.760 8.104 14.819
乘幂Power 狔=152.308狓0.731 0.738 9.390 16.522
MODISMNDVI 线性Linear 狔=121.233狓+1.197 0.725 9.099 16.068
指数Exponential 狔=29.288e1.523狓 0.704 9.434 16.488
对数Logarithmic 狔=80.652ln(狓)+115.549 0.726 9.040 16.061
乘幂Power 狔=123.230狓1.017 0.712 9.253 16.163
方法3
Method3
MODISMEVI 线性Linear 狔=147.780狓+18.086 0.778 8.415 14.822
指数Exponential 狔=35.370e1.902狓 0.713 9.843 16.721
对数Logarithmic 狔=64.160ln(狓)+136.927 0.795 7.880 13.901
乘幂Power 狔=164.566狓0.836 0.747 9.252 16.138
MODISMNDVI 线性Linear 狔=129.137狓-4.622 0.728 8.965 16.104
指数Exponential 狔=26.209e1.673狓 0.676 9.196 16.217
对数Logarithmic 狔=85.741ln(狓)+117.100 0.733 8.211 14.760
乘幂Power 狔=127.256狓1.120 0.693 9.113 16.174
方法4
Method4
MODISMEVI 线性Linear 狔=1.268狓+0.280 0.671 10.233 17.836
指数Exponential 狔=0.398e0.2599狓 0.640 10.274 17.631
对数Logarithmic 狔=0.561ln(狓)+1.313 0.706 9.628 17.074
乘幂Power 狔=1.514狓0.727 0.677 10.219 18.075
MODISMNDVI 线性Linear 狔=1.301狓-0.046 0.695 10.052 17.886
指数Exponential 狔=0.260e1.687狓 0.672 10.273 18.001
对数Logarithmic 狔=0.868ln(狓)+1.184 0.700 9.917 17.477
乘幂Power 狔=1.282狓1.127 0.687 10.179 17.947
反演的草地盖度精度最高,其平均绝对误差和相对误差最小,分别为3.9779%和5.22%;Band5+Band7反演的
草地盖度的精度最低,其平均绝对误差和相对误差最大,分别达8.1058%和11.03%。Band5和其他波段组合指
数的盖度反演精度由高到低依次为(Band5-Band7)/(Band5+Band7)、Band3-Band4、(Band3-Band4)/
(Band3+Band4)、NDVI、Band5、Band2+Band5、Band3+Band5、Band1+Band5和(Band3-Band7)/(Band3+
Band7)。从精度检验的结果可知,夏河县桑科试验区30m空间分辨率的草地盖度最优模型为基于OLIBand7/
Band5的线性模型:
狔oli=-270.064狓oli+115.987 (3)
式中,狔oli表示基于Landsat8OLIBand7/Band5反演的草地盖度(%);狓oli表示Landsat8OLI的比值植被指数
8 ACTAPRATACULTURAESINICA(2016) Vol.25,No.7
Band7/Band5。
2.3 MODIS250m空间分辨率的草地盖度反演模型构建及精度检验
将 MODISMNDVI、MEVI作为自变量,通过OLIBand7和Band5反射率数据及其3种不同处理方法(图
4)反演的盖度数据作为因变量,建立的线性、指数、对数和乘幂4类回归模型如表5所示。就4类模型而言,在利
用方法1~3构建的模型中,MODISMNDVI和 MODISMEVI对数模型的平均绝对误差和平均相对误差均最
小,决定系数最大,模型的精度最高;其次为线性模型;指数模型的平均绝对误差和平均相对误差均最大,决定系
数最小;乘幂模型的平均绝对误差、平均相对误差和决定系数介于线性模型和指数模型之间,其精度仅优于指数
模型。在利用方法4构建的盖度模型中,基于 MODISMNDVI和 MEVI的对数模型的精度最高,与方法1~3
不同的是方法4中基于 MODISMEVI构建的模型精度由高到低依次为对数、乘幂、线性和指数模型。就4种方
法而言,基于方法1~3构建的 MODISMEVI的线性、指数、对数和乘幂模型精度均优于 MODISMNDVI对应
的模型,这说明 MODISMEVI较 MODISMNDVI能更准确的模拟试验区草地盖度情况;利用方法4建立的
MEVI的对数模型的决定系数最高,平均绝对误差和平均相对误差最小,但其线性、指数和乘幂模型的决定系数
均小于 MNDVI所对应的模型,平均绝对误差和平均相对误差均大于 MNDVI所对应的模型。比较草地盖度的
4种反演方法发现,基于方法3构建的 MODISMEVI对数模型的精度最高(犚2=0.795,Δ=7.880%,δ =
13.901%),基于其他方法的对数模型的精度从高到低依次为方法2(犚2=0.760,Δ=8.104%,δ=14.819%)、方
法1(犚2=0.730,Δ=8.256%,δ=14.292%)和方法4(犚2=0.706,Δ=9.628%,δ=17.074%)。因而,基于
MODIS250m空间分辨率的草地盖度最优反演模型为:
狔=64.160ln(狓MEVI)+136.927 (4)
式中,狔表示基于Landsat8OLI数据及方法3反演的草地盖度与 MODISMEVI之间的回归关系;狓MEVI表示
MODISMEVI。
3 讨论
本研究表明Landsat8OLIBand5与试验区草地盖度之间呈显著的正相关关系,OLIBand7则呈显著的负
相关关系,而波段组合指数Band7/Band5与试验区草地盖度呈极显著的负相关关系,其线性回归模型可以解释
试验区内草地盖度变化的83.3%。这与众多学者的研究结果一致。Band5为近红外波段,其波长范围为
0.845~0.885μm,对地表植被反应敏感,与草地植被盖度之间呈现显著的正相关关系
[3840]。Band7为中红外波
段,其波长范围为2.100~2.300μm,对矿物、干草等地表信息反映敏感
[2124],与地表植被信息之间呈现负相关关
系[2223]。
在利用不同升尺度方法和地面观测的盖度数据及 MODISEVI、NDVI建立的各类回归模型中,MODISEVI
的线性、对数、指数和乘幂模型的决定系数均高于 MODISNDVI所对应的模型。这与马琳雅[41]、黄晓东等[42]对
甘南草地植被盖度研究的结果一致。MODISNDVI在高植被覆盖区域容易饱和,这可能是导致基于 MNDVI的
草地盖度模型精度较 MEVI差的主要原因[43]。
方法1~3构建的草地盖度模型精度均优于方法4,说明较高空间分辨率的Landsat8OLI图像对中分辨率
MODIS数据的校正可以提高其反演草地盖度的精度;也表明试验区设置的样地大小(30m×30m)与Landsat8
OLI图像的空间分辨率相匹配,一个样地采用3~5个样点的采样方法较为合理,基于ADC图像计算的3~5个
样点的草地盖度的平均值可以很好的代表一个样地内草地植被盖度的变化状况。然而,这种地面采样方法,与空
间分辨率为250m×250m的 MODIS植被指数的空间匹配性不够强,但使用Landsat8OLI图像及多种处理方
法可以提高 MODIS反演草地盖度的精度。就3种升尺度方法而言,其共同特点是草地盖度均使用了空间分辨
率为30m的Landsat8OLIBand5、Band7反射率数据及其比值植被指数(Band7/Band5),是基于高分辨率小像
素尺度的遥感监测结果[20]。其中,方法3建立的回归模型的精度最高,并且基于该方法构建的草地盖度最优模
型精度远大于其他方法建立的最优模型,其次为方法2,方法1的精度最差。基于方法1构建的 MODISEVI的
对数模型的精度最接近方法4直接建立的基于 MODISEVI与地面观测盖度数据的模型精度,这是因为方法1
9第25卷第7期 草业学报2016年
和方法4均使用粗分辨率(250m)的光谱反射率数据计算植被指数,是基于低分辨率大像素尺度的遥感监测结
果[20],导致其结果不同的原因除了来自地面采样点的空间代表性外,还与不同卫星传感器对草地盖度反应的灵
敏程度有很大关系。方法1和2之间的差异主要在于对遥感图像的重采样及植被指数计算的先后顺序不一样,
方法1对OLI图像的Band7及Band5的反射率先重采样后计算植被指数,方法2则相反,这可能是导致草地盖
度反演精度存在较大差异的重要原因。草地植被具有较大的空间异质性,对草地盖度敏感的遥感图像的反射率
及植被指数重采样引起的尺度效应、植被指数的空间异质性及盖度估算时的非线性计算方式等因素是造成草地
盖度反演误差的主要来源。
4 结论
本研究选取了夏河县桑科试验区2013-2014年间5次野外调查的草地数据,结合该时段Landsat8OLI和
MODIS数据,筛选分析了新一代Landsat8OLI对试验区草地盖度敏感的波段及其组合指数,并建立了试验区
基于Landsat8OLI敏感波段的盖度反演模型。在此基础上,通过使用多种数据处理及建模方法,确立了 MO
DISMNDVI、MEVI与草地盖度之间的最优反演模型。结果表明,1)OLI多光谱数据中B7/B5波段组合指数对
试验区草地盖度反应最为敏感,该指数与草地盖度之间的线性模型为试验区草地盖度的最优反演模型,决定系数
犚2 达0.833,精度高达94.78%;2)与基于ADC相片计算的盖度数据和 MODIS植被指数数据直接建立的最优
回归模型相比较,使用 OLI数据及不同建模方法所建的草地盖度最优回归模型精度更高,犚2 可提高0.004~
0.107,平均绝对误差较后者减小了0.431%~1.817%,平均相对误差较后者减小0.910%~3.174%;3)在3种
升尺度方法中,基于方法3所建立的草地盖度的反演模型较其他2种升尺度方法建立的模型精度高,其中基于
MODISMEVI的对数模型为试验区草地盖度的最优反演模型,其决定系数、平均绝对误差和平均相对误差分别
为0.795,7.880%和13.901%。
犚犲犳犲狉犲狀犮犲狊:
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