全 文 ：第21卷　第2期
　Vol.21　 No.2
草　地　学　报
ACTA AGRESTIA SINICA
　　　　　2013年 3月
　 Mar.　2013
doi:10.11733/j.issn.1007-0435.2013.02.006
内蒙古不同利用方式温性草原植被光谱特征分析
曹　巍,邵全琴∗,喻小勇,樊江文
(中国科学院地理科学与资源研究所,北京　100101)
摘要:人类对草地资源的利用方式和利用程度影响着草地的生长发育,进而影响草地的光谱特征。采集不同利用
方式下内蒙古锡林郭勒盟温性草原地面高光谱数据并分析其光谱特征,可为温性草原植被类型遥感分类和草地退
化遥感监测提供基础数据。结果表明:750~950nm处反射率、730nm处反射率的一阶导数、红边斜率、NDVI和
EVI等特征值的组合可以将粟(Setariaitalica)、大针茅(Stipagrandis)及羊草(Leymuschinensis)植被类型加以区
分;且红边斜率、NDVI和EVI等特征值分别能对内蒙古温性草原围封和天然放牧2种利用方式下大针茅植被,以
及打草前和打草后的羊草打草地进行区分。在内蒙古温性草原,NDVI与植被覆盖度和地上生物量的相关性较好,
线性拟合R2 分别为0.601和0.818,优于EVI的0.281和0.675,因此在估算该地区草地生物量和植被盖度时,应
选择植被指数NDVI而非EVI,且用NDVI来估算地上生物量的可信度远高于植被盖度。
关键字:温性草原;植被光谱;光谱特征分析;利用方式
中图分类号:O657.3;S812　　　　文献标识码:A　　　　　文章编号:1007-0435(2013)02-0243-10
AnalysisofspectralcharacteristicsofInnerMongolia’sTemperate
SteppeinDifferentUsePatterns
CAOWei,SHAOQuan-qin∗,YUXiao-yong,FANJiang-wen
(InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing,100101,China)
Abstract:Grasslandisthemostimportantandwidelyspreadterrestrialecosystem.Theusepatternsand
degreeofgrasslandinfluencegrassland’sgrowthandthereforeaffectthespectrumofthegrassland.Inthis
study,hyper-spectraldataoftemperatesteppesindifferentusepatternsanddegreearecolectedfromIn-
nerMongoliain2011.Spectralcharacteristicsofthedataincludingreflectance,firstderivationofreflec-
tance,continuumremovedreflectanceandvegetationindicesareanalyzed.Theanalysisishelpfulforthe
remotesensingclassificationoftemperatesteppeandprovidesastrongsupportforremotesensingmonito-
ringofgrasslanddegeneration.Theanalysisresultshowsthatthecombinationofthespectralreflectance
between750~950nm,thefirstderivativereflectanceat730nm,therededgeslope,NDVIandEVIisa-
bletoclearlyclassifythevegetationtypesofSetariaitalica,StipagrandisandLeymuschinensis.Thered
edgeslope,NDVIandEVIcandifferentiateenclosedStipagrandisandgrazedStipagrandis,anddistin-
guishcutLeymuschinensisfromuncutLeymuschinensisrespectively.Thelong-termroundenclosingwil
leadtograsslanddegeneration.Conservativegrazingisusefultokeepgrasslandecosystemhealthy.In
temperatesteppeofInnerMongolia,vegetationfractionandabovegroundbiomasswithNDVIhasahigh
correlation,andtheR2valueis0.601and0.818whichishigherthantheR2valueof0.281and0.675in
thecorrelationwithEVI,respectively.SoNDVIisabetterchoicethanEVItoestimatethegrasslandbio-
massorvegetationcoverageofthetemperatesteppeinInnerMongolia.Estimationofabovegroundbio-
massismorereliablethantheestimationofvegetationcoveragebasedonNDVI.
Keywords:Temperatesteppe;Vegetationspectrum;Spectralcharacteristicsanalysis;Usepatternsofgrassland
　　植被光谱测量与光谱特征分析是植被遥感的重
要内容之一,其应用包括植被分类[1]、估产[2]、植被
覆盖度提取[3]以及植被生理参数反演,如叶面积指
数[4]、含水量[5]、植被叶绿素含量[6]和光能利用率[7]
收稿日期:2012-09-10;修回日期:2013-01-24
基金项目:国家973计划(2010CB950900)(2009CB421105);全国生态环境十年(2000-2010)变化遥感调查与评估(STSN-14-00)资助
作者简介:曹巍(1982-),男,湖北武汉人,助理研究员,研究方向为GIS与生态系统评估,E-mail:caowei@igsnrr.ac.cn;∗通信作者 Au-
thorforcorrespondence,E-mail:shaoqq@lreis.ac.cn
草　地　学　报 第21卷
等。对于草地光谱,国内外研究人员进行了广泛的
研究。在草种分类方面,Schmidt等[8]对8种非洲
牧草的高光谱数据进行了分析,得出8种牧草的光
谱有明显差异,能用高光谱数据对它们进行区分。
牟新待等[9]分析了甘肃省天祝藏族自治县高山草甸
植被中4个草本植物群落和1个灌丛群落的光谱反
射特征,发现该地区不同的植物群落在可见光和近
红外波段的反射比存在显著差异,利用光谱反射率
特征区分草地植被群落是可行的;在草地退化方面,
Yamano等[10]利用高光谱反射率670~720nm之
间的4次导数峰值,成功的将小叶锦鸡儿(Caraga-
namicrophyllaLam.)这种较干草地的特征草种与
其他内蒙古锡林浩特的典型草地区分开来,其结果
表明高光谱反射率数据的高次导数能作为草地制图
与草地退化检测的有效工具。王艳荣等[11]对内蒙
古不同退化程度草地多时相的地面反射率数据进行
了分量分析(PCA),得到了区分羊草(Leymus
chinensis)和大针茅(Stipagrandis)草原不同退化
程度草地的最佳时相和最佳波段组合。在草地化学
元素含量方面,Mutanga等[12]利用机载HyMAP传
感器测量的高光谱数据和神经网络法对非洲稀疏草
原草类的磷含量进行了估算,R2为0.63,RMSE为
0.07(磷含量平均观测值的28%),Cho等[13]利用
高光谱数据探索了在反演草地生物量时,偏最小
二乘回归是否比与归一化植被指数(NDVI)和红
边位置(REP)这2个植被指数的估算精度更高,结
果表明,在反演意大利 Majela国家公园的草地生
物量时,基于高光谱数据的偏最小二乘回归方法
优于基于植被指数的一元回归。喻小勇等[14]对三
江源区不同退化程度的高寒草甸光谱进行了分
析,结果表明不同退化程度高寒草甸地上生物量
与红边斜率以及NDVI相关性较好。
本文利用2011年8月在内蒙古锡林郭勒盟采
集的粟(Setariaitalica)(人工种植)、大针茅围封地
(32年)、大针茅天然放牧地(中度退化)、羊草围封
地(32年)、羊草打草地(打草后)和羊草打草地(未
打草)共6种植被下垫面地面高光谱数据,并计算这
些植被群落的连续统去除反射率和6种植被指数,
以揭示6种不同利用温性草原植被下垫面之间的反
射率光谱差异、连续统去除反射率和最大波段深度
差异、植被指数差异以及植被指数与地上生物量和
植被盖度的线性关系,为该地区草原植被的自动分
类与监测提供依据。
1　材料与方法
1.1　研究区概况
研究区位于锡林郭勒盟中国科学院内蒙古草原
生态系统定位研究站周围20km地区,地理位置为
N43°26′~44°08′,E116°04′~117°05′,海拔1000~
1300m。地貌类型为三级玄武岩台地构成的玄武
岩高原,土壤为玄武岩残坡母质上发育的暗栗钙土,
质地为沙壤。地下水埋藏较深,因此草地多缺水或
无水。该区属于中温带大陆性气候,冬季严寒而漫
长,夏季短暂而凉爽,春秋季多大风天气。年均温
-0.4℃,1月和7月均温分别为-23℃和17.9℃,
年均降雨量350mm,主要集中在6-8月。牧草生
长期由4月下旬至10月中旬,约5个月。该地区植
被类型以温性草原为主,其中以大针茅、羊草草原占
绝对优势。
1.2　数据测定
1.2.1　光谱测量时间　在8月和9月内蒙古温性
草原不同植被群落的光谱差异显著,在其他月份不
显著[15-16],因此,本研究选择在2011年8月5日-
12日进行植被光谱测定。
1.2.2　光谱测量样地调查　在中国科学院内蒙古草
原生态系统定位研究站附近放牧的大针茅草地、围封
的大针茅草地、围封的羊草草地和人工种植的粟样地
和作为打草地的羊草样地测量其冠层光谱信息,并按
照草地样方测量规范进行样方调查。样方大小1m
×1m,重复5次,调查内容包括植被群落高度、植被
盖度、地上地下生物量、群落组成和百分比等(表1)。
1.2.3　光谱测量仪器　本试验测量仪器采用美国
AnalyticalSpectralDevicesInc公司设计生产的便
携式光谱测量仪,光谱测量范围为325~2500nm;
积分时间用户可选,最短积分时间为17ms;视场角
为25°;测量方式为手持;附带的RS3软件可对325
~2500nm光谱范围的原始数据、反射、辐照度和辐
亮度光谱数据采集、存储和显示。
1.2.4　光谱测量　本试验按照以下规范进行测量:
每个样地选择5个样点进行测量。每次测量之前先
进行优化和参考板测量,每个样点的测量在1min
内完成。测量时间选择在10:00-14:00,且尽量与
所用卫星数据的过境时间一致。测量样点进行了
GPS定位,以便与遥感数据匹配。保证在晴朗、风
速小于3级的天气状况下进行测量,探头垂直向下,
442
第2期 曹巍等:内蒙古不同利用方式温性草原植被光谱特征分析
与被测样点保持1.0m左右的距离。在ASDField-
Spec3手持便携式光谱分析仪的输出光谱设置项中,
每条光谱的平均采样数不小于10,对同一目标的观
测次数(记录的光谱曲线条数)不小于10次。
表1　不同利用方式温性草原群落样点主要特征
Table1　Mainfeaturesoftemperatesteppesamplefieldsindifferentusagepatterns
植被群落类型
(利用方式)
Plantcommunitytype
(Usepatterns)
地理坐标
Coordinates
群落高度
Plantcommunity
height
/cm
植被覆盖度
Vegetation
coverage
/%
地上生物量
Aboveground
biomass
/g·m-2
群落组成和盖度
Community
composition
andcoverage
大针茅(天然放牧)
Stipagrandis
(Freelygrazing)
N43°32′22.16″
E116°33′39.36″
18 37 68.58
大针茅Stipagrandis(10%),羊草Leymus
chinensis(5%),冰草Agropyron(8%),糙隐
子 草 Cleistogenessquarrosa (12%),苔 草
Carex(2%)
大针茅(围封)
Stipagrandis
(Enclosed)
N43°32′25.91″
E116°33′28.44″
55 100 332.32
大针 茅 Stipagrandis(60%),羊 草 Leymus
chinensis(15%),木 地 肤 Kochia prostrata
(10%),糙隐子草Cleistogenessquarrosa(10%),
瓣蕊唐松草Thalictrumpetaloideum(5%)
羊草(围封)
Leymuschinensis
(Fenced)
N43°33′04.98″
E116°40′34.12″
60 85 268.90
羽 茅 Achnatherumsibiricum (50%),冰 草
Agropyron(20%),木 地 肤 Kochiaprostrata
(2%),糙隐子草Cleistogenessquarrosa(3%),
细叶韭Alliumtenuissimum(3%),大针茅Stipa
grandis(5%),苔草Carex(2%)
粟(人工饲草)
Setariaitalica
(Artificialforage)
N43°35′23.86″
E116°44′58.02″
55 95 611.16
粟Setariaitalica(80%),黍Panicummiliaceum
(10%),灰藜Chenopodiumalbum(1%),田旋
花Convolvulusarvensis(1%),狗尾草Setaira
viridis(1%),刺穗藜Chenopodiumaristatum
(1%),反枝苋Amaranthusretroflexus(1%),
猪毛菜Salsolacollina(1%)
羊草(打草)
Leymuschinensis
(Mowing)
N43°29′23.12″
E116°47′50.18″
12 10 34.62
羊草Leymuschinensis(6%),糙隐子草(3%),
苔草Cleistogenessquarrosa(1%)
1.3　光谱数据分析方法
在对获取的高光谱数据进行分析时,本研究着
重以光谱反射率的一阶导数、包络线去除反射率
(continuumremovedreflectance,CRR)和植被指
数作为分析对象。
1.3.1　一阶导数　导数光谱是分析光谱数据的重
要方法之一,植被光谱的“红边”参数就是通过求解
光谱的一阶导数而得到的,其中“红边”位置是表示
红光范围内一阶导数光谱最大值对应的波长,而“红
边”幅值(又称“红边”斜率)则是红光范围内一阶导
数光谱最大值。光谱数据的一阶导数的计算公式如
下:
FDSλ(i)=(Rλ(i+1)-Rλ(i))/Δλ (1)
其中:FDSλ(i)代表第i波段的反射率的一阶导
数,Rλ(i)代表第i波段的原始反射率,Δλ代表波长的
变化量。
1.3.2　包络线去除法　包络线去除法(continnum
removal)是一种分析高光谱数据的常用方法,它通
过将反射光谱吸收强烈部分的波段特征进行转换,
放大并形成一种归一化的吸收光谱。由于该方法用
于分析植被光谱时能很好地消除土壤背景和光照条
件的影响,因此逐渐应用到植被营养元素含量的估
算[17]和植被分类中。包络线RCλ(i)为反射率光谱曲
线反射峰之间的连线。反射峰之间各波段的包络线
去除反射率CRλ(i)则为各波段的原始反射率Rλ(i)除
以对应的包络线RCλ(i)。
CRλ(i)=Rλ(i)/Rcλ(i) (2)
由CRλ(i)可以得到波段深度BDλ(i),其计算公式
如下:
BDλ(i)=1-CRλ(i) (3)
1.3.3　植被指数　植物叶面在可见光红光波段有
很强的吸收特性,在近红外波段有很强的反射特性,
这是植被遥感监测的物理基础,通过这2个波段测
值的不同组合可得到不同的植被指数。同时,植被
指数与植被的生理参数(如叶面积指数等)、冠层结
构等有很好的相关性,所以常被用来进行植被的光
谱分析。目前常用的植被指数有以下6种。
DVI:Broge等[18]的研究使用了差值植被指数
(DVI)来分析植被信息,发现DVI与植被冠层的叶
绿素含量相关性好。它是通过近红外波段与红外波
542
草　地　学　报 第21卷
段反射率之差计算得到,具体公式如下:
DVI=ρNIR-ρR (4)
其中:ρNIR和ρR 分别表示近红外和红外波段处
的反射率(下文同)。
NDVI:Gamon等[19]的研究发现归一化植被指
数(NDVI)与植被的叶绿素含量、植被水分含量、植
被冠层的胡萝卜素含量相关性较好。NDVI的计算
公式如下:
NDVI=(ρNIR-ρR)/(ρNIR+ρR) (5)
RVI:Chappele等[20]研究了比值植被指数
RVI与植被体内色素的关系,发现 RVI与叶绿素
a,b含量以及胡萝卜素含量相关性好,RVI的计算
公式如下:RVI=ρNIR/ρR (6)
EVI:Huete等[21]提出了增强型植被指数EVI,
并发现该指数与植被的光合作用相关,且比 NDVI
更适合用于高植被覆盖地区的植被研究,EVI的计
算公式如下:
EVI=2.5×(ρNIR-ρR)/(ρNIR+6×ρR-7.5×
ρB+1) (7)
ARVI:Kaufman等[22]提出了大气阻抗植被指
数ARVI,该指数能够利用蓝光波段消除红光波段
中的大气影响,ARVI的计算公式如下:
ARVI=[ρNIR-(2×ρR-ρB)]/[ρNIR+(2×ρR
-ρB)] (8)
SAVI:Huete[23]提出土壤调节植被指数SA-
VI,并成功减弱了植被指数中的土壤信息,提高了
植被指数与植被的相关性,SAVI的计算公式如下:
SAVI=[(1+L)×(ρNIR-ρR)]/(ρNIR+ρR+L)(9)
由于光谱测量仪在获取光谱数据时采样波长间
隔较小,波段数量大,使用所有波长反射率进行分析
时会产生信息的冗余,同时占据较大的数据存储空
间;另外结合图1所示粟和大针茅(围封)在红外波
段、红光波段和蓝光波段的反射波峰和波谷,分别采
用880nm、674nm和554nm处的反射率代表近红
外波段的反射率(ρNIR)、红光波段的反射率(ρR)和
蓝光波段的反射率(ρB)进行植被指数的计算。
2　结果与分析
2.1　不同利用方式和利用程度下温性草原植被光
谱差异分析
2.1.1　反射率光谱曲线差异　太阳辐射光谱通过
大气层的吸收、散射、反射之后剩余的部分通过大气
窗口到达目标地物。不同类型的地物由于其物理化
学特征的不同,表现出电磁波吸收、反射的差异,从
而使得不同的目标地物有光谱响应特征的差异。
通过对研究区6种植被下垫面的反射光谱进行
比较分析得知(图1),不同利用方式的温性草原植
被在可见光波段与近红外波段的过渡区间均发生急
剧上升,这是植被光谱曲线最明显的特征。粟(人工
饲草地)在550nm绿光波段有一个较高的反射峰,
在700nm红光波段有一个吸收低谷,在750~1350
nm近红外波段上反射率很强,高达50%以上,远高
于其他类型草地。这主要是由于粟为人工饲草地,在
该类型草地上通过合理的灌溉和施肥,使得草地能吸
收较好的营养,生长茂盛,覆盖度高,在绿光波段,由
于受到植被体内叶绿素含量的影响使得粟在该波段
有较强反射率;在红光部分,粟体内的叶绿素对红光
部分有强烈吸收;在近红外波段,由于覆盖度较高,植
被冠层厚叶子多孔壁结构对近红外波段反射强烈。
围封大针茅与天然放牧大针茅的反射率相比,
在近红外波段,围封大针茅的反射率明显高于天然
放牧大针茅的反射率,而在可见光范围,前者整体低
于后者。另一方面,围封大针茅在550~562nm绿
光波段出现一次明显的反射峰,在668~678nm红
光波段出现吸收低谷,这与粟相似,而天然放牧大针
茅没有出现以上特征,通过这些差异可以较好的对
2种不同利用方式的大针茅进行区别。上述差异主
要缘于两者植被覆盖度的差异。天然放牧下大针茅
样地的覆盖度只有37%,裸土的比例很大,而裸土
在可见光波段的反射率高于健康绿色植被,在近红
外波段明显低于健康绿色植被,在高比例裸土的干
扰下,植被反射率也受到了较大的影响。
在3种羊草样地中,围封羊草与未打草的羊草
样地在可见光波段具有相似的光谱曲线,光谱反射
率均低于打草的羊草样地,这是因为打草后,草地的
覆盖度低于围封羊草样地和未打草羊草样地,降为
10%左右,剩余均为裸土,光谱反射率受裸土影响较
大,而裸土在可见光波段的反射率高于植被,因此出
现了上述结果;而在近红外波段,羊草围封样地的反
射率最低,这是因为羊草围封样地1979年开始围
封,由于自然的退化,到2011年,样地中的主要草种
并非羊草,而是羽茅(Achnatherumsibiricum)、冰
草(Agropyromcristatum)和木地肤(Kochiapros-
trata)等,这些草种组成的群落虽然覆盖度高,但是
植被含水量和叶绿素含量很低,草色偏黄褐色,较低
的叶绿素含量将使近红外波段反射率减弱。
天然放牧的大针茅样地和打草后的羊草样地,
642
第2期 曹巍等:内蒙古不同利用方式温性草原植被光谱特征分析
在可见光波段的反射率高于粟和围封大针茅,而在
近红外波段的反射率又低于后者,这反映出它们之
间的健康差异,粟和围封大针茅为健康植被,而天然
放牧的大针茅和打草羊草为非健康植被。因为,健
康绿色植被在近红外波段通常反射40%~50%的
能量,而在可见光范围内只能反射10%~20%的能
量,因为植被中的叶绿素吸收多数的可见光。而枯
萎植被中叶绿素含量大量减少,在可见光波段反射
率要高于健康植被,反过来在近红外波段,反射率将
明显低于健康植被。
图1　不同利用方式温性草原植被的反射率
Fig.1　Reflectanceoftemperatesteppevegetationindifferentusagepatterns
2.1.2　一阶导数差异分析　不同利用方式的温性
草原植被样地反射率一阶导数如图2所示。不同利
用方式植被均在515~532nm之间的绿光波段出
现第1次峰值,粟(人工饲草)最大,大针茅次之,其
他3种不太显著;在703~730nm之间的红光波段
出现第2次峰值,且明显高于第1次,表明反射率的
变化率明显升高。作为人工饲草的粟在500~550
nm绿光波段和700~780nm红光波段的一阶导数
最大,在560~670nm的一阶导数为负数。这是因
为粟在500~550nm绿光波段和700~780nm红
光波段的反射最强,反射率最高,而在560~670nm
处吸收较强造成的。由于围封大针茅样地在绿光和
红光波段的反射强于天然放牧下的大针茅样地,其
一阶导数也大于后者。打草的羊草样地因为植被覆
盖度低,裸土比例高,在绿光和红光波段的反射峰明
显低于其他样地,所以打草的羊草样地在绿光和红
光波段的一阶导数最低。
图2　不同利用方式温性草原植被的反射率的一阶导数
Fig.2　Firstderivativereflectanceoftemperatesteppevegetationindifferentusagepatterns
　　对于不同利用方式的温性草原植被样地一阶导
数的最大值(图2),粟(人工饲草)最大,其次是围封
的大针茅样地,其余不同利用方式植被的一阶导数
最大值均小于粟和围封的大针茅样地,且相互之间
的差异较小。这表明,反射率一阶导数进一步反映
了围封与非围封方式下植被的光谱差异,围封的大
针茅以及羊草均有铁丝网保护,防止了草地被破坏,
而放牧和打草由于牲畜的采食和牧草的割除均会导
致草地生物量和盖度的降低,从而改变植被与背景
地物的组成比例,同时放牧以及打草因为人和牲畜
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草　地　学　报 第21卷
对草地的践踏而对植被造成二次破坏,从而改变植
被的冠层结构,这些因素都将导致植被光谱反射率
的差异,出现“同物不同谱”的情况。
　　在一阶导数的基础上,将不同利用方式下植被
的红边位置和红边幅值信息进行了提取,结果如表
2所示。红边幅值表现为粟(人工饲草)>大针茅
(围封)>羊草(未打草)>大针茅(天然放牧)>羊草
(围封)>羊草(打草),且粟(人工饲草)的幅值要明
显高于其他植被,据此可以将粟与其他几种植被进
行有效的区分;围封的大针茅相对于天然放牧方式
的大针茅,光谱的红边位置呈现“蓝移”现象;围封的
羊草相对于打草的羊草,光谱的红边位置呈现“红
移”现象,打草后羊草样地与围封的打草样地之间的
幅值相差很小。
表2　不同利用方式植被的红边位置及红边幅值
Table2　Rededgepositionandslopeindifferentusagepatterns
植被类型
Vegetationtype
红边位置
Rededgeposition/nm
红边幅值
Rededgeslope/(100nm)-1
粟(人工饲草)Setariaitalica(Artificialforage) 726 0.99
大针茅(围封)Stipagrandis(Enclosed) 711 0.46
大针茅(天然放牧)Stipagrandis(Freelygrazing) 724 0.24
羊草(围封)Leymuschinensis(Fenced) 719 0.19
羊草(打草)Leymuschinensis(Mowing) 707 0.18
羊草(未打草)Leymuschinensis(Notmowing) 716 0.30
2.1.3　包络线去除反射率差异分析　图3和图4所
示为560~760nm波段的6个样地包络线去除反射
率曲线以及最大波段深度,可以发现在该波段6种植
被对光谱吸收的强度关系为:粟(人工饲草)>大针茅
(围封)>羊草(未打草)>羊草(围封)>大针茅(天然
放牧)>羊草(打草),围封大针茅与天然放牧大针茅
之间差异明显,围封羊草与打草羊草之间同样差异较
明显,且围封方式的吸收强度均大于非围封方式的植
被。包络线去除反射率曲线反映出的差异较原始的
反射率曲线差异更明显,能够更精确地区分不同植被。
图3　不同利用方式温性草原植被的包络线去除反射率
Fig.3　Continuumremovedreflectance(CCR)oftemperatesteppevegetationindifferentusagepatterns
2.1.4　植被指数的差异分析　由利用方式的温性草
原植被样地反射率计算得到的植被指数如图5所示,
6种植被指数对6种植被的区分特性不一样。其中,
粟(人工饲草)的各项指数值均明显高于其他类型植
被,表明粟(人工饲草)与其他5种植被之间存在明显
的差异,围封大针茅以及未打草羊草的各项植被指数
值始终处在第2和第3的位置;NDVI和ARVI指数
在围封与不围封植被间的差异较为明显,且围封的指
数值要更高一些;在EVI和SAVI指数方面,围封大
针茅与天然放牧大针茅之间均存在较大的差异,围封
大针茅远大于天然放牧大针茅,而在围封羊草和打草
羊草之间,虽然前者高于后者,但差异很小。因此,没
有一种指数能够同时反映6种植被之间的差异,联合
不同的植被指数才能对它们进行分类。
2.2　地上生物量、植被覆盖度与植被指数的相关分析
2.2.1　植被指数与地上生物量的相关分析　植被
指数,特别是NDVI,一个较广泛的运用就是估算植
被的生物量和覆盖度。本文根据地面实测的光谱数
据计算出植被指数,与样点实测的地上生物量数据
进行线性拟合,探讨由地面光谱仪测量的光谱数据
得到的植被指数与植被地上生物量的相关性。
842
第2期 曹巍等:内蒙古不同利用方式温性草原植被光谱特征分析
图4　不同利用方式温性草原植被的最大波段深度
Fig.4　Maximumbanddepthoftemperatesteppevegetationindifferentusagepatterns
图5　不同利用方式下温性草原植被的植被指数
Fig.5　 Vegetationindicesoftemperatesteppevegetationindifferentusagepatterns
　　图6所示为6种植被指数与对应的地上生物量
的线性拟合结果,均通过极显著性检验。NDVI与
ARVI指数与地上生物量的相关性最高,R2 分别为
0.818和0.813;DVI与地上生物量的相关性最差,
R2 仅为0.675。
2.2.2　植被指数与植被覆盖度的相关分析　图7
所示为6种植被指数与对应的植被覆盖度线性拟合
结果,其中DVI与覆盖度的拟合通过了显著性检
验,其余均通过极显著性检验。可以发现6种植被
指数与植被覆盖度的确定系数R2 均不高,最高的
为0.615,最低的为0.281。这可能是因为植被覆盖
度只是影响植被光谱的因素之一,它与植被的群落
高度和冠层结构结合在一起影响植被光谱。由表1
所示的不同利用方式下植被群落的描述信息看,不
同利用方式下的植被群落不仅覆盖度存在较大差
异,群落的平均高度差异也较大。如果植被覆盖度
一定,不同的群落高度造成群落的冠层厚度差异较
大,这可能会造成植被的光谱有较大差异,进而影响植
被指数与覆盖度的关系。6种植被指数中与植被覆
盖度相关性最好的是ARVI和NDVI,最差的是DVI。
942
草　地　学　报 第21卷
图6　温性草原植被指数与地上生物量的相关分析
Fig.6　Correlationanalysesbetweentemperatesteppevegetation’sVIsandabovegroundbiomass
3　讨论与结论
根据高光谱数据中750~950nm处反射率、
730nm处反射率的一阶导数、红边斜率、NDVI和
EVI等特征值均可以将粟与大针茅和羊草植被类
型区分开来;红边斜率、NDVI和EVI等特征值则
均可区分围封大针茅和天然放牧大针茅(中度退
化)植被,以及是否已经打过草的羊草打草地(表
3)。
　　植被光谱曲线及750~950nm处反射率、730
nm处反射率的一阶导数、红边斜率、NDVI和EVI
等所有特征值,均反映出围封32年的羊草地为非
健康植被,甚至不如尚未打草的羊草地,主要原因
是羊草地围封时间长,发生了退化,群落以羽茅为
主,羽茅开的白花影响了光谱反射率。而围封的
大针茅则没有发生退化,各种光谱特征反映其是
一类健康的植被。所以,羊草草地不适宜长时间
围封,应适度放牧,才能保证羊草草地生态系统的
健康。
DVI,NDVI,EVI,ARVI,SAVI和RVI等植被
指数与草地地上生物量的相关性,远高于与草地
植被覆盖度的相关性。在所有植被指数与地上生
物量的相关性中,NDVI和 ARVI与地上生物量
的相关性最好,R2 分别达到0.818和0.813,而
DVI与地上生物量的相关系数R2 只有0.675;在
所有植被指数与草地植被覆盖度的相关性中,ND-
VI和ARVI与植被盖度的相关性最好,R2 分别为
0.601和0.615,而 DVI与植被盖度的相关系数
R2 只有0.281,EVI与植被盖度的相关系数R2 只
有0.314。目前,NASA提供的 MODIS植被指数
有NDVI和EVI这2种产品,大家常用来估算草
地生物量和植被盖度。由本研究可知,在内蒙古
温性草原估算草地生物量和植被盖度,应选择植
被指数NDVI而非EVI,而且用NDVI来估算地上
生物量的可信度远高于植被盖度。
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第2期 曹巍等:内蒙古不同利用方式温性草原植被光谱特征分析
图7　温性草原植被指数与植被覆盖度的相关分析
Fig.7　Correlationanalysesbetweentemperatesteppevegetation’sVIsandvegetationcoverage
表3　不同利用方式下温性草原植被遥感判别/分类特征值表
Table3　Characteristicvaluesforclassifyingtemperatesteppevegetationindifferentusagepatternsbyremotesensingtechnology
750~950nm反射率
Average
reflectance
(750~950nm)
730nm反射率
一阶导数
Firstderivative
reflectance
at730nm
红边斜率
Red
edge
slope
CRR最大波段深度
Maximum
band
depthofCRR
NDVI EVI
光谱曲线反映
植被健康状况
Health
condition
粟(人工种植)Setariaitalica(Artificialforage) 0.55 0.95 0.99 0.86 0.83 0.80 健康植被
大针茅围封地(32年)
Stipagrandis(Enclosed32years)
0.32 0.41 0.46 0.72 0.67 0.48 健康植被
大针茅天然放牧地(中度退化)Stipagrandis
(Freelygrazingandmoderatedegradation)
0.26 0.23 0.24 0.37 0.40 0.26 非健康植被
羊草围封地(32年)
Leymuschinensis(Fenced32years)
0.15 0.18 0.19 0.60 0.57 0.25 非健康植被
羊草打草地(打草后)Leymuschinensis(Mowing) 0.22 0.13 0.18 0.36 0.37 0.22 非健康植被
羊草打草地(未打草)
Leymuschinensis(Notmowing)
0.22 0.26 0.30 0.66 0.62 0.34 较健康植被
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(责任编辑　李美娟)
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