全 文 ：文章编号: 1007-0435( 2006) 03-0242-06
中国草原植被长势MODIS遥感监测
徐　斌1, 2 , 陶伟国1 , 杨秀春1 , 覃志豪1 , 刘海启2 , 缪建明3
( 1. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所, 北京　100081;
2. 农业部遥感中心综合运行部, 北京　100026; 3. 农业部草原监理中心, 北京　100026)
摘要: 利用遥感技术和地理信息系统等技术手段,基于MODIS 数据对我国2005 年的草原植被长势进行监测。结果表明:
2005 年全国草原植被长势总体上比 2004 年略差,并呈现“前期较好、后期较差”的时间演变特征; 长势好的区域主要分布
在内蒙古东北部、青藏高原东部青海与四川交界区域、新疆天山北部等区域,总体长势差的区域则分布在内蒙古中部、西
南地区, 以及西藏西南高山草原等地区; 重点省区草原长势变化各异,例如内蒙古总体长势与 2004 年接近,但时空分布
不平衡, 而西藏前期长势好于2004 年同期, 后期则差于2004 年同期。
关键词: 草原; 植被长势; 遥感监测
中图分类号: S 812　　　　文献标识码: A
MODIS-Based Remote Sensing Monitoring upon the Vegetation
Growth of Chinas Grassland
XU Bin
1, 2, TAO Wei-guo
1, YAN G Xiu-chun
1 , QIN Zhi-hao
1 , L IU Hai-qi
2 , M IAO Jian-ming
3
( 1. Inst itute o f Ag ricultur e Resources and Regional P lanning , CAAS, Beijing 100081, China;
2. Int egr ated-oper ation Depar tment, Remo te Sensing Cent er, MOA , Beijing 100026, China;
3. G rassland Super vision Center , MOA , Beijing 100026, China)
Abstract: T he g rassland vegetat ion g row th relates to the overall g row th state of the area. The integ rat ion of 3S
( RS, GIS , GPS ) w ith MODIS data w as used to monito r the gr assland gr ow th of 2005. Some conclusions are
dr aw n as fo llow s: ( 1) Grassland vegetat ion grow th throughout the country w as slight ly wo rse than that of
2004. ( 2) T he grassland vegetat ion w as featured as “g row ing better in the early but w or se in the late period of
the year”. ( 3) T he 2005 bet ter-g row th area included the grassland of nor theaster n Inner M ongo lia, that of the
border area betw een Qinghai and Sichuan provinces, east of the Qinghai-T ibet Plateau, and g rassland of the
northern T ianshan Mountains o f Xinjiang Ughur Autonomous Reg ion. The poo rly grow ing area consisted of
gr assland in the central and the southw ester n Inner M ongolia Autonomous Reg ion, and the southw estern alpine
gr assland o f T ibet Autonomous Reg ion. ( 4) T he vegetat ion g row th of the various important prov inces and re-
gions w ith vast g rasslands dif ferent iated one f rom the other . For instance, the overall grow th of the Inner
M ongolia g rassland in 2005 w as basical ly the same as that in 2004, though the area and the t ime leng th of the
healthy and scanty g row th w er e different . In T ibet , the vegetat ion grow th in the early period o f 2005 was bet-
ter than that in the same period o f 2004; but w o rse in the late period of the year than that of the pr ev ious year.
Key words : Grassland; V egetat ion grow th; Remo te sensing monitoring
收稿日期: 2006-01-26; 修回日期: 2006-04-22
基金项目: 农业部“2005年全国草原遥感监测”项目
作者简介: 徐斌( 1957-) ,男,研究员,博士生导师,主要从事草原遥感研究
第14卷　第 3期
　Vo l. 14　 No . 3
草　地　学　报
ACT A AGRESTIA SIN ICA
　　　2006年　 9 月
　Sep. 　　 2006
　　草原植被长势是指草原植被的总体生长状况与趋
势,通常与以往草原植被的状况进行对比, 来说明现在
草原植被生长情况, 以往的植被状况可以是过去某个
时间段的平均状况或实际状况; 根据需要, 时间段可以
分为年、季、月、旬等[ 1]。草原植被长势监测分为地面监
测和遥感监测,地面监测是通过样地、样方测定植被的
长势指标,并与以往的测定结果进行比较, 来说明现在
草原植被的生长情况; 草原植被长势遥感监测, 则是利
用地面遥感信息与草原植被状况密切相关的特点, 对
不同时期遥感信息进行处理, 间接反映草原植被长势
的一种方法[ 2]。T ucker 等 [ 3～5]对比分析了用红外波段
和近红外波段的各种组合来监测植被状况,结果表明,
NDVI、T VI 和RV I 用来监测活体植被的效果最好。
综合而言, 归一化植被指数( NDV I )是目前长势监测
中应用最广泛一种植被指数 [ 6～8] , 并且具有快速、覆盖
面广的特点,应用前景广阔 [ 9, 10]。及时、准确地进行草
原植被长势遥感监测,可以从宏观上揭示草原的生长
状况,为草原管理部门提供决策依据,从而实现草原的
可持续发展[ 11, 12]。
1　材料与方法
利用2004年和2005年6月1日- 9月10日每日覆
盖全国的MODIS数据,经过辐射定标、几何校正等过
程, 计算每天的NDVI 值, 并进行每旬的最大值合成,
得到两年监测期间每旬的最大NDVI 值,用2005年每
旬的NDV I 值减去2004年同时段的NDVI 值, 得到两
年每旬 NDV I 差值图, 对差值图进行分类计算, 表示
2005年草原植被每旬的长势情况;每月与每旬的计算
过程相同, 月 NDVI 最大值合成用的是当月每天的
NDVI 值;整个生长季用的是每旬的平均值。具体计
算过程如下:
1. 1　植被指数计算
植被指数主要是利用绿色植被在不同波段的光谱反
射特征来计算。采用归一化植被指数NDV I ( Normalized
Dif ference Vegetat ion Index ) ,计算公式为:
NDV I= ( B2- B1) / ( B2+ B1) ( 1)
式中B1是MODIS 第1波段(红光波段)反射率, B2是
MODIS 第 2 波段 (近红外波段)的反射率[ 13]。通常
NDVI 值越大, 植被越茂密, 相反, NDVI 越小,地表
植被生长越稀疏。
1. 2　草原植被长势等级划分
用 2005年遥感图像中各像元的NDVI 值与2004
年同期的NDVI 值进行比较, 计算各像元的原植被长
势指数差值, 然后根据该指数大小进行等级划分,表示
草原植被长势等级 [ 1] :
R= NDV I 05- NDV I 04 ( 2)
式中 R是草原植被长势指数, NDVI 05是 2005年某时
段的NDVI 像元值, NDV I 04是2004年同时段的NDVI
像元值。
为了对全国草原植被长势进行科学评价,笔者根
据R 值大小, 把草原卫星遥感图像像元分为5个等级,
依次为好、较好、持平、较差和差 [ 14]。对一些因浓云覆
盖而不能进行有效监测的像元和裸土以及非草地等像
元,规定为非监测区。
1. 3　图像数据的统计与分析
在草原植被长势空间分布图的基础上,利用G IS、
EN V I 按省级行政单元进行统计 [ 15] ,得到6- 9月每旬
分行政单元的草原植被长势统计数据, 由此得到全国
和分省的草原植被长势动态变化图表并加以分析。
2　结果与分析
2. 1　2005年全国草原总体长势比2004年略差
2005 年 6 - 9 月份可监测的草原面积平均有
326. 15万km 2。其中长势比2004年同期好的草原面积占
14. 70% ;长势较好的占18. 09%; 长势与2004年基本持
平的占30. 77%; 长势较差的占 21. 66% ; 长势差的占
14. 77%(图1)。长势差和较差的草原面积占36. 43% ,
长势好和较好的草原面积占32. 79%。
2. 2　前期长势较好,后期长势较差
从各级长势的动态变化来看, 我国草原 6月份长
势略好于7- 8月份。6月上旬总体长势较好,长势好和
较好的草原面积所占比重为 32. 6%, 与长势差和较差
的草原面积所占比重( 32. 95%)基本持平。6月份长势
差的草原面积所占比重不到 10%, 而长势好的草原面
积高达14. 20%。进入7月份以后,草原长势发生逆转。
7月上旬到9月上旬长势差的草原面积所占比重均超
过10%,其中7月上旬到8有下旬达19%～22% ,只有
7月中旬和9月中旬略低,为10%～12%(表1)。
243第 3期 徐　斌等:中国草原植被长势MODIS 遥感监测
图1　2005 年中国草原长势遥感监测结果
F ig . 1　Result o f gr assland gr ow th o f China in 2005 by remo te sensing monit or ing
表 1　2005年我国草原植被不同时期的长势监测结果
T able 1　Vegetation g rowt h in var ious months o f 2005 by remo te sensing monitor ing
时期
Period
面积(×104 km 2) Area
差
Worse
　
较差
M oderately
w ors e
持平
U nchanged
　
较好
Moder ately
better
好
Better
　
占比重( % ) Percentage
差
Worse
　
较差
Moderately
w orse
持平
Unchanged
　
较好
M oderately
bet ter
好
Bet ter
　
6月上旬
June 1-10
25. 36 70. 89 100. 56 48. 20 47. 01 8. 68 24. 28 34. 44 16. 51 16. 10
6月中旬
June 11-20
29. 91 64. 14 116. 59 59. 35 44. 94 9. 50 20. 37 37. 02 18. 84 14. 27
6月下旬
June 21-30
26. 52 71. 68 110. 98 65. 18 65. 03 7. 81 21. 12 32. 70 19. 20 19. 16
7月上旬
Ju ly 1-10
68. 60 66. 96 97. 17 59. 06 47. 39 20. 23 19. 74 28. 65 17. 41 13. 97
7月中旬
Ju ly 11-20
39. 71 62. 73 97. 89 70. 06 63. 64 11. 89 18. 78 29. 31 20. 97 19. 05
7月下旬
Ju ly 21-31
60. 24 81. 05 100. 13 56. 98 48. 19 17. 38 23. 38 28. 89 16. 44 13. 91
8月上旬
Aug . 1-10
58. 92 63. 97 90. 04 57. 77 36. 65 19. 17 20. 81 29. 30 18. 80 11. 93
8月中旬
Aug . 11-20
68. 90 66. 29 86. 41 56. 15 40. 22 21. 67 20. 85 27. 18 17. 66 12. 65
8月下旬
Aug . 21-31
65. 85 75. 23 86. 62 55. 05 39. 94 20. 41 23. 31 26. 84 17. 06 12. 38
9月上旬
S ep. 1-10
37. 77 83. 55 117. 31 62. 33 46. 45 10. 87 24. 05 33. 77 17. 94 13. 37
平均 Average 48. 18 70. 65 100. 37 59. 01 47. 95 14. 77 21. 66 30. 77 18. 09 14. 70
图2　2005年各时期我国草原植被长势对比
F ig . 2　Comparison of v egetat ion g rowt h among
different months of 2005
图2显示,长势差和较差的草原面积所占比重在6
月上旬基本与长势好和较好的草原面积所占比重相
同,各约占33%。6月份中下旬长势好和较好的草原面
积所占比重大于长势差和较差的草原面积。7月上中
旬交替变化, 从7有下旬起,长势差和较差的草原面积
所占比重明显高于长势好和较好的草原面积所占比
重,形成我国2005年草原总体长势“前期较好、后期较
差”的时序演变格局。
2. 3　内蒙古中部和西南较差,内蒙古东北和青藏高原
东部较好
从遥感监测结果来看, 我国草原总体长势空间差
异明显。图3为2005年全国6- 9月总计10旬草原平
244 草　地　学　报 第 14卷
均长势空间分布。由图可见:内蒙古东北部草原长势最
好,主要包括:呼伦贝尔草原、锡林郭勒草原;其次是青
藏高原东部青海与四川交界的草原和西藏中部拉萨周
边高山草原; 再次是新疆天山北部的草原。
总体长势最差的地区集中分布在内蒙古中部地区,
尤其是浑善达克沙地和科尔沁沙地西部; 其次是西南和
南方山地草原,特别是云南、贵州和广西3省区; 再次是
宁夏到青海东北部草原;最后是藏西南高山草原。
总体长势与2004年基本持平的地区集中在内蒙
古西部阿拉善荒漠草原和西藏北部高寒荒漠草原。这
些地区荒漠草原植被生长稀疏, 2004和2005年年际变
化较小。
2. 4　时空变化特点
2. 4. 1　前期三大区域长势好, 2005年6月我国草原长
势最好的区域主要分布在内蒙古东北部的锡林郭勒草
原和呼伦贝尔大草原;其次是青海东部与四川交界的
草原地区;相对较好的还有新疆北部地区的草原。6月
上旬长势较差的地区集中在内蒙古中部的浑善达克沙
地和青藏西南部的草原。
2. 4. 2　中期长势好与长势差的区域分布变化较大,
2005年7月, 虽然内蒙古东部的锡林郭勒草原和呼伦
贝尔草原仍然是最好的地区,但其强度减弱,内蒙古中
部的长势较差区域明显呈扩大趋势, 向东部延伸和向
西漫延。7月上旬青藏高山草原的长势较好,而原来长
势较好的青海东部与四川交界处则变成了长势较差的
地区。但中下旬出现一些逆转,前者较大面积长势较差
区域呈扩大趋势。。
2. 4. 3　后期内蒙古中部长势差区域进一步扩大。从
2005年8月全国草原长势空间分布系列图(本文未列
出)可以发现, 8月上旬内蒙古东部的锡林郭勒草原已
经变成了长势较差的地区。到8月中旬,长势最好的呼
伦贝尔草原也出现了许多长势较差的斑块。长势相对
较好的地区仅仅保持在新疆北部、青海东部和南部。长
势较差的地区在各大草原均有不同程度的分布, 并呈
逐渐加重的趋势。
图3　2005年我国草原总体长势空间分布图
F ig . 3　Spa tial dist ribution of the over all g rassland g rowth in 2005
2. 5　2005年重点省区的草原植被长势监测结果
内蒙古、西藏、甘肃、青海、新疆和四川为我国的重
要牧区,这些省区的草原植被长势变化基本反映了全
国的草地长势动态。
2. 5. 1　内蒙古:总体长势与2004年接近,时空分布不
平衡
2005年内蒙古草原植被总体长势与2004年接近。
而在8月份之前好于2004年, 8月份之后较2004年差。
7月中旬是内蒙古草原长势最好时期,长势较好和好
245第 3期 徐　斌等:中国草原植被长势MODIS 遥感监测
于2004年的草地面积占内蒙古草地总面积的46. 4%。
整个监测期内,内蒙古草原长势与2004年持平所占的
比重( 31. 6% )基本一致。持平的比例、长势较好和好的
比例随着时间推移呈减少趋势。长势较差和差所占比
重为36. 8%, 随时间的推移呈增加的趋势。总体上长势
略差于2004年。
内蒙古草原长势东、中、西差异显著。东部长势好
于2004年,中部长势较差于2004年, 西部基本与2004
年持平,随时间的推移,中部草原长势较差区域向东西
两端扩展。这种分布可能是由于东部2005年5、6月的
降水比 2004 年同期明显偏高, 中西部 5 月份降水比
2004年少造成的。
到了7月上中旬, 浑善达克及周边地区降水量仍
不足20 mm, 加之同期气温偏高,甚至出现了持续高温
天气,使浑善达克沙地成为长势差的中心,并开始向
东、西扩展。从8月上旬开始,内蒙古东北部旱情露头;
下旬,内蒙古大部分地区气温明显偏高,旱情持续发
展。因此, 9月上旬监测显示内蒙古大部分地区草原长
势较差。
2. 5. 2　甘肃:总体长势与2004年持平,东部变化剧烈
甘肃草原植被长势与 2004 年持平的面积约占甘
肃平均监测面积的39. 6%, 是五大牧区中相对比重最
高的。但7月上旬到8月中旬长势变化比较大, 好和差
的面积交替波动, 主要出现在甘肃东部。
2. 5. 3　新疆:总体长势与2004年持平,长势相对平稳
新疆草原植被整体长势平稳, 各草原长势类别所占
比重很少有较大波动。新疆平均监测面积为57万km 2, 与
2004 年长势持平的草地面积占 37. 95%, 长势好于
2004年的比重很小, 绝大部分时间都在 10%以内, 并
且主要集中在新疆北部地区; 新疆天山- 博格达山地
草原地区以及新疆西部草原长势差于2004年, 所占比
重在10%左右变动。尽管8月份新疆的降水量较历史
同期最多,但温度较同期偏低, 所以在8月下旬长势差
于2004年的比重相对较高。
2. 5. 4　青海:总体长势好于2004年, 局部有较大波动
青海省的草地总体长势较好于2004年。前期长势
基本与2004年持平, 8月份之前长势好和较好于2004
年的草地所占比重显著递增,到 8月下旬占到了整个
监测面积的62% ,进入9月开始降低。
2. 5. 5　西藏:前期长势好于、后期差于2004年同期
西藏草原植被变化趋势明显, 7月中旬之前长势
总体上好于2004年,之后则差于2004年,到了9月长
势又有所好转。6- 8月长势与2004年持平的草地所占
比重不断减少, 由6月中旬的 50%下降到 8月中旬的
24%。长势变差的草地6- 8月呈增加趋势,长势变差
的区域主要集中在西藏西南部。这与西藏水热分布不
均有很大的关系,西藏的降水主要集中在中北部及东
部, 7月下旬中部等地降水量偏多, 8月份西藏东部和
中北部降水偏多2～5成,但南部整个8月气温偏高降
水偏少。2005年降水与温度变化格局对西藏草原的长
势有很大影响。
2. 5. 6　四川:总体长势较好于2004年,两极分化显著
四川省草原植被长势好和较好于2004年的平均
草地面积为8. 4万km 2, 占四川总草地面积的47. 4% ,
长势较差和差于2004年的平均草地面积为7万km2 ,
占四川总草地面积的39. 1%, 长势与2004年持平的草
地面积甚少, 形成了总体长势较好于 2004年、长势两
极分化显著、空间上东西差异明显的特点, 每旬的长势
空间分布图也显示了这种特征。
3　讨　论
3. 1　草原长势监测是草原合理利用和草原管理的重
要决策依据。因此草原长势监测的精度对及时、准确地
进行草原利用、管理非常重要,而植被指数的灵敏度直
接影响草原长势监测的精度。据研究[ 16] , NDVI 在草
原生长期表现的十分敏感, 当植被覆盖度在 25%～
80%之间, NDVI 随植被量呈线性增加。而在这个范
围之外, NDVI 与植被量的关系变差。因此在进行草
原长势监测时,有待获取更好的监测指标来提高长势
监测的精度。
3. 2　遥感( RS )、地理信息系统( GI S)、全球定位系统
( GPS )等现代技术集成快速、准确获取草原长势监测
等动态数据, 实现草原遥感监测数据共享, 是未来草业
发展的方向。“3S”技术与数据库技术系统集成, 具有
高度的实用性和方便性,使草原信息系统具有信息快
速更新的功能,为草原管理部门能随时提供草原监测
结果和决策依据, 具有广泛的应用前景。
3. 3　草原植被长势监测最好是用监测年份与过去草
原植被长势平均状况进行比较,这样结果可以减少年
际变化带来的误差,提高结果精度。由于2004年前国
内一次性接收的MODIS 数据未能覆盖全国,新疆、西
藏的西部数据有缺失,通过对中西部接收数据与北京
接收数据的合并, 可以部分弥补这一缺陷。
3. 4　长势遥感监测地面验证工作目前还有一定的困
难,由于所用遥感数据分辨率一般在500 m×500 m 以
下,地面观察结果很难和遥感监测结果从空间上一一
对应,目前所用的办法是与当地草原主管部门结合, 进
行咨询和会商。随着草原监测工作的进展, 建立地面长
势监测网络, 地面监测与遥感监测相结合并相互验证
246 草　地　学　报 第 14卷
是提高监测精度的重要途径。
4　结　论
利用遥感技术和地理信息系统等技术手段, 基于
MODIS 数据对我国的草原植被长势进行了监测, 主
要得出如下结论:
4. 1　根据6- 9月份总计10旬的平均NDVI 差值进行
分析, 2005年全国草原植被长势总体上比 2004 年略
差,长势差和较差的草原面积超过长势好和较好的草
原面积4个百分点。
4. 2　2005年我国草原植被总体长势具有“前期较好、
后期较差”的时间演变特征。长势差和较差的草原面积
所占比重在6月上旬基本与长势好和较好的所占比重
接近,从7月下旬起,长势差和较差的草原面积所占比
重明显高于长势好和较好的草原面积。
4. 3　2005年我国草原植被总体长势空间差异明显。
长势好的区域主要分布在内蒙古东北部、青藏高原东
部青海与四川交界区域、新疆天山北部等区域。总体长
势差的区域主要分布在内蒙古中部、西南地区, 以及藏
西南高山草原地区。
4. 4　2005年各重点省区草原长势变化各异, 例如内蒙
古是总体长势与2004年接近,时空分布不平衡;西藏前
期长势好于2004年同期,后期长势差于2004年同期;四
川总体长势较好于2004年,长势两极分化显著等。
4. 5　由于全国性的草原植被长势遥感监测在国内开
展的时间短, 方法和数据的积累还有很大的改善余地,
需要开展进一步的研究工作。
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(责任编辑　才　杰)
247第 3期 徐　斌等:中国草原植被长势MODIS 遥感监测