一种量化高寒草甸放牧强度的遥感方法

摘要

本发明涉及放牧强度测量方法，特别是一种量化高寒草甸放牧强度的遥感方法，获取研究区域的研究年份的MOD13Q1数据；提取研究区域的研究年份的草地覆盖图；获取研究区域植被生长季时间段内的所有MOD13Q1数据；提取研究区域植被生长季时间段内的植被指数NDVI图；计算研究区域生长季时间段内累积的NDVI指数；计算研究区域生长季时间段内NDVI变化的频数；划分研究区域研究时段的放牧强度。本发明利用遥感的方法量化大区域范围草地放牧强度，克服了传统实地调查定性研究草地放牧强度的局限性，实现了基于卫星遥感数据的大区域范围草地放牧强度的快速、高效、准确量化，定量给出了研究区域内草地放牧强度的时间、地点及其程度。

说明书

技术领域

本发明涉及放牧强度测量方法，特别是一种量化高寒草甸放牧强度的遥感方法。

背景技术

放牧是草地生态系统最主要的利用方式，本专利申请所涉及的草地放牧强度也正是指以天然草地放牧牲畜为主的放牧强度，准确量化草地放牧强度对于科学合理利用草地资源以及草地可持续发展具有重要意义。高寒草甸草地多是天然草地，海拔高，生长季短暂，传统的草地放牧强度监测主要依赖于常规的地面采样方法，但对于高海拔地区，采样艰难，费时费力，且难以大面积开展；遥感技术的发展为草地放牧强度的时空监测提供了新的技术手段，尤其为大区域尺度的快速监测提供了可能，在当前全球气候变化与草地严重退化的背景下，亟需发明一种快速、高效、准确的标准方法来量化区域高寒草甸草地的放牧强度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种量化高寒草甸草地放牧强度的遥感方法，以克服现有的方法无法准确量化大区域尺度草地放牧强度的不足。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种量化高寒草甸放牧强度的遥感方法，所述方法是按步骤进行如下：

1)获取研究区域的研究年份的MOD13Q1数据

下载研究区域的研究年份的MODIS陆地产品MOD13Q1数据，使用MRT软件将MOD13Q1数据进行格式与地图投影转换，HDF格式换为TIFF格式，正弦曲线地图投影转换为GCS_WGS_1984地图投影；

2)提取研究区域的研究年份的高寒草甸草地覆盖图

依据上述步骤1)获取的MOD13Q1陆地产品数据，结合第二次草地资源调查中高寒草甸草地分布图，提取研究区域的研究年份的高寒草甸草地覆盖图，并进行重采样，空间分辨率1km*1km，数据格式为TIFF格式，投影为WGS_1984_UTM_Zone_35N；

3)获取研究区域生长季期间的MOD13Q1数据

依据上述步骤1)、2)获取整个生长季期间的MOD13Q1数据，依如本研究区获取的4-9月MODIS MOD13Q1数据；

4)提取研究区域生长季期间的植被指数NDVI值

依据上述步骤2)，获取的草地覆盖图为底图；依据上述步骤3)，获取的MOD13Q1陆地产品数据，提取研究区域内生长季期间每16d影像的植被指数NDVI值，通过ArcGIS软件进行每期影像叠加，生成研究区域生长季期间的植被指数NDVI累积图；

5)划分研究区域的放牧强度

依据上述步骤4)，依据生成研究区域生长季期间的植被指数NDVI累积图，对研究区域内生长季期间高寒草甸草地放牧强度进行等级划分，累积植被指数NDVI大于6的区域，划分为适度放牧；累积植被指数NDVI大于5的区域，划分为轻度放牧；累积植被指数NDVI大于4的区域，划分为中度放牧；累积植被指数NDVI小于4的区域，划分为重度放牧。

实施本发明上述所提供的一种量化高寒草甸放牧强度的遥感方法，与现有技术相比，本发明挖掘了遥感卫星数据的应用潜力，构建了量化大区域范围草地放牧强度的遥感方法，克服了传统方法定性研究草地放牧强度的困难。与传统的量化草地放牧强度的研究方法相比，本方法可以定量给出研究区域内草地放牧强度的时间、地点及其程度。本方法实现了基于卫星遥感数据的大区域范围草地放牧强度的快速、高效、准确量化。

本发明是一种利用卫星遥感数据快速、高效、准确量化大区域尺度草地放牧强度的方法，本发明和在技术方案方面与之最为相近的CN109029370A专利申请有明显不同：

本发明利用的遥感数据源数据不同，本发明利用的MOD13Q1是250m分辨率的遥感影像，而CN109029370A专利申请采用的MOD13A2为1km分辨率遥感影像。相比之下MOD13Q1更清晰、更精确；

CN109029370A专利申请专利判断放牧强度的方法是利用7月12日与7月28日两期遥感影像提取的NDVI做差值，通过判断两期影像草地地上生物量变化程度进行放牧强度划分。本发明考虑到高寒草甸草地分布范围较广，在放牧起止时间和牧民转场不同的情况下，单一的利用某2个时期判断放牧强度将存在一定的误差。通过分析发现，观测植被生长季期间的草地变化，可以较为明显的判断此区域的放牧强度。在植被生长季期间，地上生物量整体呈上升趋势，如存在放牧干扰，则在上升趋势中会出现波动。大量研究表明，地上生物量与NDVI有较显著的正相关关系。因此，通过累积植被生长季期间的NDVI(将生长季期间4-8月每16d的NDVI进行累积)，可以进行放牧强度划分，则未放牧区域累积值高，重度放牧区累积值低，这样可以避免在不了解精确的放牧时间的干扰下，较为准确的划分放牧强度。

附图说明

图1是本发明通过利用ArcGIS软件提取的全年NDVI指数随时间变化的函数曲线图。

图2是本发明中计算的放牧等级分布图。

具体实施方式

下面通过一种量化高寒草甸草地放牧强度的应用案例,对本发明的具体实施方法作进一步说明。

实施一种量化高寒草甸放牧强度的遥感方法是按下列步骤进行的：

步骤一、获取研究区域的研究年份的MOD13Q1数据

下载研究区域2011年MODIS陆地产品MOD13Q1数据，使用MRT(MODIS ReprojectionTool)软件将MOD13Q1数据进行格式与地图投影转换，HDF格式转换为TIFF格式，正弦曲线地图投影转换为GCS_WGS_1984地图投影；

步骤二、提取研究区域的研究年份的草地覆盖图

依据上述步骤一，将转换后的MOD13Q1数据，利用ArcGIS软件的裁剪功能将高寒草甸分布矢量图与MODIS13Q1的Tiff影像图进行裁剪处理，提取研究区域的2011年的高寒草甸草地覆盖图，并进行重采样，空间分辨率为1km*1km，数据格式为TIFF格式，投影为WGS_1984_UTM_Zone_35N；

步骤三、获取研究区域植被生长季期间的MOD13Q1数据

依据上述步骤二，选择已裁剪完成研究区域的2011年MODIS陆地产品MOD13Q1数据，利用ArcGIS软件中提取工具，提取全年的NDVI指数随时间变化图(图1)，发现4月初NDVI有负转正，代表温度上升，积雪融化，返青期开始；在8月底NDVI快速下降代表枯黄期到来，因此，判断生长季期间为4月-8月；

步骤四、提取研究区域生长季期间的植被指数NDVI值

依据上述步骤三，判断生长季为4月-8月，利用ArcGIS软件中栅格计算器功能，叠加4月-8月研究区域生长季期间每一期影像，得到累积NDVI值；

步骤五、划分研究区域的放牧强度

依据上述步骤四，将累积后的NDVI进行强度划分，累积植被指数NDVI大于6的区域，划分为适度放牧；累积植被指数NDVI大于5的区域，划分为轻度放牧；累积植被指数NDVI大于4的区域，划分为中度放牧；累积植被指数NDVI小于4的区域，划分为重度放牧。

本发明为判断放牧强度，使用的遥感数据源为一般累积一年的MOD13Q1数据，使用近年数据进行放牧强度判断，可以较为准确的判断放牧强度，对放牧强度高的区域及时调整，研究区域的研究年份的高寒草甸草地覆盖图即为(最近)近年测得的至少累积一年的MOD13Q1数据。

由于各草地类型(高寒草甸、温性草原等)分布区域不同，因此，为确定高寒草甸具体分布位置，本发明需要依据草地资源类型分布图对放牧区域进行地域划分，此图是1978-1985年我国统一的草场资源调查技术规程的有关规定对数据进行登记、分类、统计、计算，所生成的各草地类型分布图，本发明采用的草地资源类型分布图即高寒草甸草地分布数据。

WGS_1984_UTM_Zone_35N是具体的投影格式，由于研究区位于新疆天山中西段位置，此投影格式可以使此位置位于中间，减少影像变形导致的误差，可以根据研究区具体位置灵活调整。

生长季即植被生长季，即从植被返青到植被枯黄期阶段。在生长季期间，地上生物量整体呈现逐渐增加趋势，与地上生物量正相关的NDVI也是逐渐增加。生长季期间出现甚至多次地上生物量减少，判断为放牧干扰。

MODIS全称Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer，即中分辨率成像光谱仪。是1998年MODIS机载模型器安装到EOS-AM(上午轨道)和PM(下午轨道)系列卫星上，从1999年12月正式向地面发送数据。MODIS现有产品简述如下：

MOD13A1：MODIS的3级产品，内容为栅格归一化植被指数和增强型植被指数(NDVI/EVI)，该产品在1B数据的基础上，对由遥感器成像过程产生的边缘畸变进行校正，提供每16天为周期将全年划分为23个时段的500m空间分辨率的3级正弦投影产品。

MOD13A2：1KM分辨率植被指数16天合成产品。

MOD13A3：陆地3级标准数据产品，内容为栅格的归一化植被指数和增强型植被指数(NDVI/EVI)，空间分辨率250m，1KM月植被指数L3产品。

MOD13Q1：250米分辨率植被指数16天合成产品。

MOD09GA：EOS Terra卫星中分辨率成像光谱仪MODIS每日地表反射率产品，为500米地表反射率。

MOD09GQ：陆地2级标准数据产品，内容为表面反射；空间分辨率250m；白天每日数据。

MOD09A1：MOD09是基于MODIS LEVEL1B得到的2级产品，反射率产品，经过定标定位，是国际标准的HDF-EOS格式，可直接用ENVI打开，1,2波段250m，3-7波段1000m，每日数据。

MOD11A1：1KM地表温度/反射率L3产品。

MOD11A2：陆地2、3级标准数据产品，内容为地表温度和辐射率，Lambert投影，空间分辨率1公里，地理坐标为30秒，每日数据为2级数据，每旬、每月数据合成为3级数据。

MOD11B1：5KM地表温度/发射率8天合成L3产品。

MOD14A1：每日全球1KM温度异常/火L3级产品，内容为热异常-火灾和生物量燃烧，空间分辨率1km，确定火灾发生的位置、火灾等级以及暗火与燃烧比。

MOD14A2：1KM温度异常/火8天合成产品。

MOD15A2：1KM叶面积指数(LAI)/光合有效辐射分量(FPAR)8天合成L4级产品，陆地3级标准数据产品，内容为叶面积指数和光合有效辐射，空间分辨率1km，每天的及旬、月合成产品。

MOD12Q1：陆地3级标准数据产品，内容为土地覆盖/土地覆盖变化，季节的，生物地球化学循环，土地覆盖变化，3级数据产品，1KM地表覆盖类型96天合成产品。

MOD12Q2：1KM地表覆盖类型动态变化L3产品。

MOD17A2：1KM总初级生产力8天合成产品，陆地4级标准数据产品，内容为植被产品，NPP，空间分辨率为250米，1公里，旬、月度频率。