最新发表:基于 Sentinel-2 的内蒙古锡林郭勒草原灌木盖度制图研究

发布日期:2022-08-23 17:25
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      近几十年来,以锦鸡儿属为主的灌木在内蒙古锡林郭勒草原大面积扩张。本研究基于Sentinel-2遥感影像的光谱和时间特征,在内蒙古锡林郭勒草原首次开展了大范围的灌木盖度遥感制图研究,不仅综合评价了锡林郭勒草原灌丛覆盖度的多个因素影响,首次获得了该地区灌丛覆盖度的大尺度制图结果,并实施了大范围的野外无人机样本采集。本研究的灌木制图结果和样本数据将为该区域研究灌丛植被的历史演变模式提供重要的参考。
利用遥感技术估算干旱半干旱草原中的灌木盖度具有较大挑战性,尤其是在内蒙古,因为灌木盖度低、背景复杂,导致光谱信号和信噪比较低。加上灌木和草本植物的反射光谱相似,难以区分。对于具有明显旱季和雨季的干旱地区,如萨赫勒草原,旱季可以作为一个重要的物候窗口,以减少草类的影响,因为草类在旱季几乎不生长,而灌木则保持绿色,但内蒙古没有明显的物候窗口,为此草类的影响不可忽视。面对上述复杂而具有挑战性的问题,本研究充分考虑影响灌木盖度遥感监测的各个因素,包括灌木类型差异、光谱指数、物候差异、机器学习方法和制图策略,对不同方法和关键特征进行细致、全面的评估。
首先,本研究考虑了内蒙古灌木类型的多样性。以往的研究都忽略了灌木类型在空间分布的差异。据统计,内蒙古的锦鸡儿属类型有 16 种,它们不是混合生长在一起,而是从西到东替代出现,这是它们对干旱的长期适应的结果。因此,本研究根据降水数据将研究区域划分为西、中、东三个子区域。
接着,分子区域利用 Sentinel-2 不同的植被指数时间序列和不同的机器学习算法进行灌木盖度回归结果对比,并且对时间序列进行特征重要性评价,选择出各个子区域最佳的植被指数、方法和重要时间段。
最后,利用各子区域选择出的最佳植被指数、方法和重要时间段,对比了分区与不分区、完整时间序列和重要时期两两组合的4种制图策略的结果,选择出最佳的制图策略,生成了全区域的灌木盖度分布制图数据。主要结论如下:
(1)三个子区域的最佳植被指数和重要时间段存在差异。西区的最佳指数为NDTI和NDGI,而中区和东区的最佳指数为NDTI、水分指数和背景调节型指数。三个子区域的重要时间段主要集中在 5-7 月和 9-10 月,且它们的夏季重要时间段呈现从西到东提前的特征。 

  图 1 2017和2018年随机森林回归与高斯过程回归时间特征重要性综合排序结果
(2)制图策略方面,分区的制图精度高于不分区,而植被指数重要时期制图比完整时间序列在低值预测方面表现更佳。
  注:(策略1:分区+完整植被指数序列,策略2:分区+植被指数重要时期,策略3:全区+完整植被指数序列,策略4:全区+植被指数重要时期)
图 2策略 1-4 的验证样本的真实盖度与预测盖度散点图(a-d)和测试样本散点图(e-h)
(3)最终利用“分区+植被指数重要时期”制图策略生成了全区灌木盖度分布制图数据,RMSE 为 0.055,总体精度为 80%,召回率为 95%,灌木盖度在空间上从西到东逐渐增加。
  图 3 20 m分辨率灌木盖度(上)和测试样本原始影像和预测灌木盖度(下)

该论文已发表于Remote Sensing上。
Reference: Gan, L.; Cao, X.; Chen, X.; He, Q.; Cui, X.; Zhao, C. Mapping Shrub Coverage in Xilin Gol Grassland with Multi-Temporal Sentinel-2 Imagery. Remote Sens. 2022, 14, 3266. https://doi.org/10.3390/rs14143266
URL: https://www.mdpi.com/2072-4292/14/14/3266

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