全 文 ：文章编号: 1007-0435( 2007) 03-0201-05
草原关键生育期遥感模式与信息提取方法
刘爱军1, 2, 韩建国1*
( 1. 中国农业大学草地研究所, 北京　100094; 2. 内蒙古草原勘察设计院, 呼和浩特市　010051)
摘要: 利用2005 年中分辨率光谱辐射仪( M ODIS)数据, 提取植被指数(N DVI )数据集, 并定义、提取内蒙古锡林郭
勒盟草原4 种草地类型(草甸草原、典型草原、沙地草原和荒漠草原)的关键生育期。通过与生育期观测资料对比来
评价应用N DVI 数据集识别和预测不同草地类型出现返青期和成熟期的能力。研究结果表明, 在锡林郭勒草原,利
用NDVI 的旬度变化可以鉴别出2 个关键生育期(返青期和抽穗期 )。遥感估测结果与地面观测和历史资料比较接
近, 说明10 d 合成250 m 分辨率NDVI 数据集可以用来监测草原生育期。
关键词: 草原; 生育期; 遥感模式; 信息提取
中国分类号: S 812　　　　文献标识码: A
Remote Sensing Monitoring for the Key Phonological Stages of Rangeland
A Case Study about Xilingol Grassland
LIU Ai-jun
1, 2 , HAN Jian-guo
1*
( 1. Inst itute of Grass lan d S cience, Ch ina Agricultural University, Beijing 100094, China;
2. Inner Mon gol ia Rangeland Survey & Design Inst itute, Huhh ot , Inner M ongolia 010051, China)
Abstract: T wo key pheno logical stag es, turning green and heading, of four rangeland types w ere defined
pr imarily based on T er ra/ MODIS-NDVI t ime series data collected fr om 2005. T he results show that the
satellite-derived data w ere proved to be consistent with the ‘green w ave’moving through the rangeland in
spring. The turning green stage of meadow g rassland and typical grassland recorded by satel lite w as in the
14th decad, the 15th decad for desert grassland, and the 13th decad for sand gr assland. T he heading stage of
the four grassland types recor ded by satellite w as all in the 23
th
decad. T he results clo sely cor related w ith
temperatures and precipitat ion. Comparisons betw een r emote sensing results and g round phenolog ical
observat ions as w ell as histor ic data conf irmed the coher ence o f satellite-derived pheno logy data.
Key words : Natur al gr assland; Key phonolog ical stages; Remo te sensing model; Informat ion ext ract ing
　　生育期数据是重要的农业信息,生长季的长短
与产量密切相关,它是畜牧业生产、管理、计划决策
等的重要依据。时间分辨率极高的MODIS 数据为
大范围快速监测草地植被的物候期提供了可能。
利用遥感资料研究农作物物候以及生育期的报
道多为北美、非洲、欧洲及热带林区, 而亚洲较少。这
些研究先前也只针对一年一熟制作物,且多侧重于
生长季开始或结束, 20世纪 80年代以后, 才陆续开
展了对地表植被的物候研究。
Clevers和辛景峰等利用NDVI 系列数据集对
作物的长势和物候进行了监测研究 [ 1～3] , 认为遥感
数据集具有探测作物主要物候期出现的能力。
Duchem in 利用 NOAA / AVHRR 数据监测了温带
落叶林生态系统的关键物候期和出现的周期[ 4]。
Kennedy 等[ 5～8]分别利用AVHRR时间序列在区域
尺度上监测了突尼斯放牧草地和内蒙古锡林郭勒草
原的物候变化和阿拉斯加等地区地表植被的物候变
化特征和返青期出现日期。在更大尺度上, Just ice
收稿日期: 2006-04-13; 修回日期: 2007-02-05
基金项目: 内蒙古科技厅草业虚拟研究院科技项目( 20040601)
作者简介: 刘爱军 ( 1964-) ,女, 呼和浩特市人, 博士研究生, 副研究员, 主要从事草地遥感监测应用与研究; * 通讯作者 Author for
correspondence, E-mail: grasslab@ public3. bta. net . cn
第 15 卷　第3 期
　Vol. 15　 No . 3
草　地　学　报
ACTA AGREST IA SIN ICA
　　　2007年　 5月
　M ay　　 2007
和Luedeke 利用NDVI 数据集以及植被物候模型对
全球地表植被的物候进行了监测, 并对植被物候模
型进行了校正 [ 9, 10]。
在畜牧业生产实践中, 管理者需要了解牧草何时
返青, 何时是成熟期,以便确定科学的休牧计划,以及
进行草原最高生育期产量计算、草畜平衡计算等工作。
为解决此类问题, 本研究利用2005年MODIS-NDV I
数据集对内蒙古锡林郭勒盟草原定义、提取草甸草
原、典型草原、沙地草原和荒漠草原4种草地类型的
关键生育期, 并通过与生育期观测资料对比来评价
应用NDV I 数据集识别和预测不同的草地类型出现
返青期(出苗期)和成熟期的能力。
1　材料与方法
1. 1　研究区概况
锡林郭勒盟位于内蒙古中部,属中温带干旱、半
干旱大陆性气候,光照资源丰富,海拔800～1400 m,
平均无霜期100～120 d,年平均气温1. 3℃～4. 8℃,
年均风速为3. 5～5. 6 m / s。水资源总量只有39. 8亿
m3 ,属于贫水区。雨季短,降水量150～400 mm ,雨量
自西向东递增,而且年内降雨分布不均, 70%的年降
雨量集中在6- 8月份, 年际间变化较大。
1. 2　研究方法
1. 2. 1　试验设计　为了观测4种类型草原关键生
育期出现的日期, 将研究区选择在锡林郭勒盟 4个
旗(乌拉盖开发区、锡林浩特市、西苏旗和正蓝旗)的
4种草原类型区, 即草甸草原区、典型草原区、荒漠
草原区和沙地草原。研究区共设置8个样点(地) ,样
点全部设置200 m 2围栏围封, 以避免家畜和其他人
为干扰。每类型草地设置2个观测样方。
数据观测从 2005年 4月上旬开始, 到9月上旬
结束。每隔10 d观测1次,并记录。
1. 2. 2　遥感数据处理
1. 2. 2. 1　图像处理对 260 景遥感数据全部进行
Bow-t ie 处理、大气纠正、几何校正、重采样, 最后与
ETM 影像进行配准。
1. 2. 2. 2　植被指数的合成常用的植被指数为标准差
植被指数,又称为归一化植被指数, 它可以部分消除太
阳高度角变化、卫星视角和大气削弱等影响[ 11]。
根据NDV I 的计算原理,选取MODIS 第1、2波
段,波长分别为620～670
m(红)、841～876
m(近
红外) , 采用如下公式: NDV I= ( N IR- Red ) / ( N IR
+ Red ) , 其中: NIR (近红外)、Red (红光)为经过大
气校正的地面反射率。
最大值合成( MVC) :本文采用求NDVI 最大值
技术,逐日对每个像元的NDVI 值进行比较, 采取生
育期内NDVI 最大值合成法( MVC)、每月最大值合
成法和每10 d 为一旬的合成数据, 以便消除太阳高
度角以及云等噪音的影响。
尽管利用最大值技术合成的NDVI 数据能消除
一些云和大气的影响,但10 d合成数据图像局部仍
然受到云的影响。为了进一步校正云的干扰, 采用与
临近值距离倒数为权重的内插法对NDVI 数据进行
去云处理。同时采用模板插值法将条带噪声像元灰
度值用其周边非噪声像元的灰度数据以距离的倒数
为权重值进行加权平均而得到的数值替换,以此消
除MODIS 数据中的条带噪声。
1. 2. 3　生育期遥感定义　根据辛景峰对作物生育
期的遥感定义: 遥感返青期定义为最早可能出现日
期后的两个连续NDV I 增加,成熟期定义为最早出
现的两个连续NDV I 下降[ 3]。因为随着植被返青生
长, NDVI 相应地持续增加, 随着进入成熟期,
NDV I 相应地持续下降。为了避免噪音的影响, 用
两个连续NDVI 增加或下降来确定返青期或成熟期
的出现。许多学者对利用NDV I 估测生长季开始和
结束进行了研究,其主要思想是只要植被开始生长,
NDV I 就相应地反应。研究NDVI 的连续增加或减
少以及最大值出现时间与生育时期的关系,从而由
NDV I 确定生育期。因为NDV I 数据时间分辨率为
10 d,所以,本文所说的某一生育期的出现日期是指
某旬而不是某日。
2　结果分析
2. 1　4种草原类型非放牧区植被指数的旬度动态
利用2005年18个NDV I 旬度最大值合成数据
文件,在选择信息提取区域时,首要考虑了数据的真
实性。因此,首先选取训练区(训练区选择时, 避免选
择云污染区域, 因为经过去云处理的数据区, 将会影
响NDV I 值真实性)作为信息提取区域。
在每个训练区以 3×3 个像素( pixels)为窗口,
求取9个像素的NDVI 平均值作该训练区的NDVI
旬度值, 每个草地亚类选择 3～5个训练区, 再取其
平均值代表各草地亚类旬度植被指数值。
研究发现, 选择不同的训练区将产生截然不同
的结果。
202 草　地　学　报 第 15卷
在遥感影像上标注出4个草地亚类中非放牧场
对应的位置, 按上述方法选择训练区,得到各亚类植
被指数旬度动态(图1) ,从图1 可以看出, 植被指数
的旬度变化表现出比较明显的季节规律性。
图1　非放牧区四类草原NDVI 旬度变化
Fig. 1　Dynamic changes for decadal N DVI o f four types
of g rassland ( non-grazing)
2. 2　4种草原类型放牧区植被指数旬度动态
采用相同的方法, 在遥感影像上标注出4种草
地亚类中放牧场对应的位置, 按上述方法选择训练
区,得到各亚类放牧草原植被指数旬度动态(图2) ,
从图2可以看出, 植被指数的旬度变化表现出不明
显的生育期规律。
图 2　放牧区4 种草原类型NDVI 旬度变化
Fig. 2　Dynamic changes for decadal N DVI o f four types
o f past ur es gr assland ( g razed)
2. 3　植被指数旬度动态与历史资料相关性分析
图1显示,典型草原从第13旬度开始出现连续
两个NDVI 增加,定义第14旬度为典型草原在2005
年度的返青期; 草甸草原与典型草原返青期出现的
日期一致,也是在第14旬返青;沙地草原在第12旬
开始出现连续两个NDV I 上升, 定义第13旬为沙地
草原在2005年的返青期;而荒漠草原植被指数分别
在第14旬开始出现连续两个NDV I 上升,定义第15
旬度为荒漠草原在2005年度的返青期。
典型草原、草甸草原和沙地草原生育期成单峰
曲线,峰值几乎都出现于第23旬(沙地草原提前半
旬出现) ; 23旬度后NDVI 出现连续两个下降,定义
该3种类型草地最高生物量期均在第23 旬( 8月中
旬) ; 荒漠草原NDVI 在第18旬度后开始下降,第23
旬又出现第2次 NDV I 上升, 在生育期出现双峰现
象,即两个峰值,定义第2个峰值出现的日期及第23
旬为荒漠草原的最高生物量期。
根据植被指数旬度动态曲线, 4种不同草原类
型返青期出现时间早晚不一致,但到达最高生物量
期(抽穗期)的时间基本一致(表1)。
根据历史资料和辜智慧[ 8] 在该地区的研究报
道,上述4种草地类型关键生育期出现范围为:草甸
草原返青期最早可能出现的时间为第 11旬( 4月中
旬) , 最晚可能出现的日期为第 14旬( 5月中旬) , 最
高生物量期最早可能出现的日期为第 22旬( 8月上
旬) , 最晚可能出现的日期为第 25旬( 9月上旬) ; 典
型草原返青期最早可能出现的日期为第9旬( 3月下
旬) , 最晚可能出现的日期为第 13旬( 5月上旬) ; 荒
漠草原返青期最早可能出现的时间为第13旬( 5月
上旬) ,最晚可能出现的日期为第15旬( 5月下旬) ,
最高生物量期最早可能出现的日期为第22旬( 8月
上旬) ,最晚可能出现的日期为第25旬( 9月上旬) ;
沙地草原返青期最早可能出现的时间为第9旬( 3月
下旬) ,最晚可能出现的日期为第13旬( 5月上旬) ,
最高生物量期最早可能出现的日期为第22旬( 8月
上旬) ,最晚可能出现的日期为第25旬( 9月上旬) ;
显然,图1给出的NDVI 变化规律能够与历史资料
和前人研究结果相吻合。
2. 4　关键生育期监测结果验证
2. 4. 1　放牧区和非放牧区地面观测数据的旬度变
化趋势　由于地面无法观测植被指数, 所以本文利
用旬度产量动态趋势检验草原生育期遥感模式, 因
为植被指数是预测产量和盖度的指标。
将观测的4种不同亚类型草原地面各旬度产量
制图(图3)。
203第 3期 刘爱军等:草原关键生育期遥感模式与信息提取方法
表1　利用NDVI 定义生育期时间表
Table 1　N DVI definitions of pheno lo gy
类型 Types 生育期 Phenology 定义 Def init ion 旬度范围 Decad
草甸草原 Meadow gr as sland 返青期 T urn green 最初两个连续的NDV I 增加
Sequent ial incr ease of pr imary N DVI valu es
14
最高生物量期 Top biomass N DVI 最大值出现时 Max value of N DVI 23
典型草原 Typical grass land 返青期 T urn green 最初两个连续的NDV I 增加
Sequent ial incr ease of pr imary N DVI valu es
14
最高生物量期 Top biomass N DVI 最大值出现时 Max value of N DVI 23
荒漠草原 Desert grass land 返青期 T urn green 最初两个连续的NDV I 增加
Sequent ial incr ease of pr imary N DVI valu es
14
最高生物量期 Top biomass N DVI 最大值出现时 Max value of N DVI 23
沙地草原 Sand gr as sland 返青期 T urn green 最初两个连续的NDV I 增加
Sequent ial incr ease of pr imary N DVI valu es
12
最高生物量期 Top biomass N DVI 最大值出现时 Max value of N DVI 23
图3　各亚类围栏内外旬度地上生物量变化(左图为围栏内,右图为放牧区)
F ig . 3　The changes of Decadal gr een above-gr ound biomass bet ween for ever y sub-type four g ra ssland types at
different Decad( t he left one is r epresents enclosed area w it hout g razing ; the r ight the st ate in the fence,
another is that r epr esent s g r azed ar eas in the comparison)
　　地面监测的生物量旬度变化规律基本与遥感监
测结果相同。从图3可以看出:在围栏内,草甸草原
生物量旬度变化规律基本上能够反映出植被在生长
发育期内正常的季节变化规律。理论上,围栏内典型
草原旬度生物量变化规律也应该反映出类似的曲线,
但是,由于围栏内有可能被家畜牧食,数据受到一定
的干扰,因而该曲线的走向有些“失常”。典型草原亚
类观测的返青期在第 13 旬, 最高生物量期在第 23
旬;草甸草原观测的返青期在第14 旬, 最高生物量
期在第23旬;荒漠草原观测的返青期也在第14旬,
最高生物量期在第23旬。围栏外由于受放牧等人为
因素干扰,旬度产量变化曲线与正常情况下(围栏
内)有所不同。
2. 4. 2　地面观测的关键生育期旬度变化趋势与遥
感生育期模式　为了进一步验证草原生育期遥感监
测结果,利用草原生育期历史资料以及2005年地面
观测资料与遥感监测的生育期进行对比分析, 结果
见表2。
　　结果表明: 遥感监测的草原返青期与地面实际
观测返青期时间误差在一个旬度内; 2005年遥感估
测的沙地草原返青期在第12旬度,实际观测的返青
期在第13旬度;估测的典型草原返青期在第14旬,
实测的返青期也在第13旬;草甸草原估测的返青期
在第14旬,但实测的返青期在第14旬;荒漠草原估
测的返青期在14旬,实测的返青期在第14旬。遥感
监测的4个草原类型的最高生物量期与地面观测到
的出现时间基本吻合,都在第 23旬出现。由于遥感
数据合成期为10 d,因此前后相差一个旬度是在允
许精度范围内, 说明遥感监测草地关键生育期是可
行的。
204 草　地　学　报 第 15卷
表2　锡林郭勒草原关键生育期出现时间
Table 2　The Possible Star tbeg inning and Ending t ime of t he key Phenolog ical Stages
生育期 Phenology 资料 History date 2005年观测日期 Observed date 遥感监测 M on itoring
沙地草原 返青期 T urn green 9- 13旬( 9- 13decad) 第 13旬( 13th decad) 12旬( 12th decad)
San d gr as sland 最高生物量期 Top biomass 22- 25旬( 22- 25 decad) 第 24旬( 24th decad) 23旬( 23th decad)
典型草原 返青期 T urn green 9- 13旬( 9- 13 decad) 第 13旬( 13th decad) 14旬( 14th decad)
Typical grass land 最高生物量期 Top biomass 22- 25旬( 22- 25 decad) 第 23旬( 23th decad) 23旬( 23th decad)
草甸草原 返青期 T urn green 11- 14旬( 11- 14 decad) 第 14旬( 14th decad) 14旬( 14th decad)
Meadow grass land 最高生物量期 Top biomass 22- 25旬( 22- 25 decad) 第 23旬( 23th decad) 23旬( 23th decad)
荒漠草原 返青期 T urn green 13- 15旬( 13- 15 decad) 第 14旬( 14th decad) 14旬( 14th decad)
Deser t grass lan d 最高生物量期 Top biomass 22- 25旬( 22- 25 decad) 第 23旬( 23th decad) 23旬( 23th decad)
3　讨论与结论
3. 1　从NDV I 的旬度变化基本上可以鉴别出草原
生育期变化规律, 特别是两个关键生育期: 返青期和
最高生物量期。需要指出的是,由于锡林郭勒草原具
有放牧利用的特点,因此,利用多时相遥感数据提取
植被指数时, 将信息提取窗口选择在非放牧场, 这样
提取的植被指数季节动态变化才能比较准确反映本
身的规律。
3. 2　在植被生长发育期,以 10 d为合成期的遥感
植被指数数据系列,与植被生育期有相关性。辜智
慧[ 8]利用AVHRR时间序列在区域尺度上(锡林郭
勒草原) , 监测草原植被的增长阶段和衰败阶段,认
为利用植被指数旬度序列,能够细微地监测草原从
生长发育阶段到衰败阶段的发育过程。本研究用类
似方法得出的初步结果表明,利用2005年MODIS-
NDVI 旬度时序,可以初步估测出草甸草原等 4个
草原亚类的两个关键生育期, 结果与地面同期观测
数据以及历史资料较接近。可以初步说明10 d 合成
的250 m 分辨率NDVI 数据集可以用来监测区域草
地植被的生育期变化。
3. 3　通过遥感数据可获得植被物候期,可以宏观地
反映植被生长季开始期的早晚, 生长高峰期的出现,
生长季结束的迟早。本研究利用遥感方法定义草原
植被生育期, 并不是特指某一个种的生育期概念,而
是一个草群的生育期。某一个生育期的出现日期也
不是指某一日,而是指某一旬度。研究中提出的验证
方法, 在时间尺度上的不一致性,会影响检验结果。
若用 5 d合成的NDVI 数据集计算生育期,无疑将
更接近于常规的有关生育期的定义,提高关键生育
期估测精度。但5 d一个遥感数据合成周期很难选
到理想数据, 合成时不能去除云的污染,很难保证监
测结果的正确判断。
3. 4　通过遥感数据处理可获得植被物候期,可以宏
观地反映植被生长季开始期的早晚,生长高峰期的
出现,生长季结束的迟早。植被物候期受气候、环境、
人类活动影响, 与光合作用和生产力密切相关。通过
研究遥感物候期的变化, 并结合长期气象资料,可以
预测区域乃至全球植被动态变化。
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(责任编辑　才　杰)
205第 3期 刘爱军等:草原关键生育期遥感模式与信息提取方法