基于TM和MODIS數(shù)據(jù)的滇中地區(qū)云南松林反射光譜特征分析

王濤 肖彩霞

摘 要：以云南省滇中地區(qū)為研究區(qū)，以2007年云南松樣地一類清查結(jié)果為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，獲取樣地測(cè)樹(shù)因子信息。以Landsat、MODIS衛(wèi)星遙感圖像為光譜信息提取數(shù)據(jù)源，獲得多光譜遙感圖像的光譜值，并分不同坡向、郁閉度等級(jí)和不同分辨率等級(jí)繪制成滇中云南松的反射光譜曲線。結(jié)果表明，滇中地區(qū)的云南松主要分布于陽(yáng)坡，但陰坡的林分郁閉度更高，林分更加成熟；TM影像在可見(jiàn)光部分光譜特征更顯著，MODIS影像在紅外波段部分，曲線變化特征及反射率值比TM影像更接近真實(shí)值；TM影像反射率值陰坡小于陽(yáng)坡，MODIS影像反射率值陰坡大于陽(yáng)坡；不同郁閉度等級(jí)提取的云南松反射率值，TM和MODIS的結(jié)果均為：密<中<疏，郁閉度相對(duì)坡向而言，對(duì)云南松反射率值的影響更大。

關(guān)鍵詞：云南松；反射光譜；滇中地區(qū)

中圖分類號(hào) S79 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2019）07-0101-05

Abstract：Taking the central Yunnan Province as the research area，based on the survey results of Pinus yunnanensis sample plots in 2007，the tree survey factor information of sample plots was obtained. Using Landsat and MODIS satellite remote sensing images as spectral information extraction data sources，the spectral values of multispectral remote sensing images were obtained，and the reflective spectral curves of Pinus yunnanensis in central Yunnan were plotted according to different slope orientation，canopy density and resolution levels.The results show that Pinus yunnanensis mainly distributes on the sunny slope，but the canopy density on the shady slope is higher and the stand is more mature；TM image has more obvious spectral characteristics in the visible part，MODIS image in the infrared part，curve change characteristics and reflectance value are closer to the true value than TM image；TM image reflectance value on the shady slope is smaller than that on the sunny slope，and MODIS image reflectance value on the shady slope is larger. The results of TM and MODIS for reflectivity of Pinus yunnanensis extracted from different canopy closure grades were as follows：density

Key words：Pinus yunnanensis；Reflectance spectra；Central Yunnan

云南松（Pinus yunnanensis）屬于松科松屬常綠喬木，具有生長(zhǎng)較快、材質(zhì)較好、耐旱、天然更新能力強(qiáng)等優(yōu)良特性，是我國(guó)西南地區(qū)覆蓋面積最大的森林樹(shù)種，同時(shí)也是荒山造林的先鋒樹(shù)種和主要的用材樹(shù)種[1]。云南松林是云南陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有調(diào)節(jié)氣候、凈化空氣、防風(fēng)固沙、保持土壤水分和肥力、減少水土流失和維護(hù)生態(tài)平衡的功能。植被指數(shù)是遙感數(shù)據(jù)中的2個(gè)或多個(gè)波段運(yùn)算結(jié)果，用于描述植被數(shù)量和質(zhì)量，對(duì)植被長(zhǎng)勢(shì)、生物量等具有指示意義[2]。目前，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)地表植被的光譜特征都進(jìn)行了大量研究和探討并取得了豐碩的成果[3-5]，但對(duì)于滇中云南松林反射光譜特征郁閉度和坡向的研究甚少，對(duì)西南地區(qū)森林植被及樹(shù)種光譜的測(cè)定和分析、亞熱帶主要植被類型的光譜分析、每一類型內(nèi)各樹(shù)種間的光譜特征分析仍舊相對(duì)匱乏[6]。

基于上述研究背景，本研究以滇中（昆明市、楚雄彝族自治州、玉溪市）為研究區(qū)，以林業(yè)調(diào)查獲取的2007年云南松樣地一類清查結(jié)果為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用ArcGIS、ERDAS以及ENVI軟件，對(duì)2007年滇中地區(qū)3個(gè)州市的Landsat、MODIS、衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)分析處理，并提取和繪制得到了不同郁閉度等級(jí)和坡向下的反射波譜曲線，最后結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果分析和驗(yàn)證波譜曲線，探討研究區(qū)云南松反射光譜特征及其規(guī)律，為當(dāng)?shù)厝?、地協(xié)調(diào)發(fā)展，地區(qū)森林生態(tài)效益改善，林業(yè)部門管理和決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

滇中地區(qū)（23°19′～27°03′N，100°35′～103°51′E）是指云南省的中心腹地，主要包括云南省中部地區(qū)的昆明市、玉溪市和楚雄彝族自治州。其中昆明市地勢(shì)北高南低，由北向南呈階梯狀逐漸降低，最高海拔4247m，最低海拔746m。楚雄彝族自治州地勢(shì)西北高，東南低，從西北向東南傾斜，呈傾斜葫蘆形，最高海拔2916m，最低海拔691m。玉溪市地處云貴高原西緣，地勢(shì)西北高，東南低，山地、峽谷、高原、盆地交錯(cuò)分布，最高海拔3137m，最低海拔328m。主要有分布有金沙江、珠江、元江、紅河4大水系。多年平均氣溫15.6℃，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。滇中地區(qū)是我國(guó)連接?xùn)|南亞，南亞國(guó)家的陸路交通的樞紐，同時(shí)也是云南省的政治、文化和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中心。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)收集及處理 以滇中地區(qū)昆明市、玉溪市和楚雄彝族自治州3個(gè)州市的2007年森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)（共7974個(gè)實(shí)測(cè)固定樣地，云南松林樣地共158個(gè)）和成像于2007年春季的Landsat TM遙感影像數(shù)據(jù)以及成像于2007年4月25日的MODIS遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。為了將遙感影像上無(wú)量綱的亮度（DN）值轉(zhuǎn)化為本文定量分析所需反射率值，對(duì)遙感影像進(jìn)行了輻射定標(biāo)與大氣矯正處理，研究區(qū)包含6景Landsat TM影像，并對(duì)處理過(guò)的遙感影像進(jìn)行影像拼接和圖幅裁剪處理。

2.2 云南松樣地因子特征提取 對(duì)2007年一類清查158個(gè)云南松樣點(diǎn)數(shù)據(jù)按照不同的郁閉度等級(jí)和不同坡向進(jìn)行劃分，其中根據(jù)國(guó)家資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定[7]將郁閉度分為以下3類：疏：0.20～0.39；中：0.40～0.69；密：≥0.70；將坡向分為陰坡和陽(yáng)坡，如表1所示。

2.3 基于TM影像數(shù)據(jù)的云南松反射率數(shù)值提取 大氣校正后結(jié)果影像為基礎(chǔ)，導(dǎo)出包含有地面反射率值的單波段影像。利用ArcGIS空間分析工具，將6個(gè)波段影像的像元值分別提取至點(diǎn)圖層中，獲取得到研究區(qū)6個(gè)波段上的像元值，即云南松在不同郁閉度等級(jí)和陰陽(yáng)坡下的反射率數(shù)值。

2.4 基于MODIS影像數(shù)據(jù)的云南松反射率數(shù)值提取 對(duì)250m和500m分辨率的MODIS影像進(jìn)行統(tǒng)一管理，將250m分辨率和500m分辨率重采樣分辨率為500m，再與后面8～19、26波段進(jìn)行重采樣分辨率為1km，大氣校正后根據(jù)獲取的影像的中心波長(zhǎng)信息，在ENVI里根據(jù)中心波長(zhǎng)從大到小進(jìn)行波段的重新排列，最后導(dǎo)出為含有反射率值的單波段影像。在ArcGIS軟件中利用多值提取至點(diǎn)工具，分不同郁閉度等級(jí)和陰陽(yáng)坡分別提取單波段的反射率值。最后通過(guò)Excel軟件進(jìn)行篩選統(tǒng)計(jì)反射率結(jié)果，生成500m和1km分辨率影像的反射光譜曲線。

3 結(jié)果與分析

3.1 云南松空間分布閾值

3.1.1 不同坡向云南松分布 由表2可知，分布稀疏樣點(diǎn)數(shù)占樣點(diǎn)總數(shù)的比例為35.44%，大于分布適中（31.01%）和較密（34.81%）樣點(diǎn)的比例，其分布地區(qū)的海拔相對(duì)較低，坡度相對(duì)最緩，而適中和較密地區(qū)較為陡峭。當(dāng)海拔為1977.29m時(shí)云南松分布最為密集，樹(shù)高、胸徑和單位面積林分蓄積量也最大。由于滇中地區(qū)位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，受山地垂直氣候和季風(fēng)氣候影響，云南松林為亞熱帶常綠針葉林，隨著海拔上升，水汽凝結(jié)降水相對(duì)增加，云南松長(zhǎng)得更高大粗壯。其次，郁閉度越高地區(qū)，林分結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，林分平均年齡也越大，隨著海拔繼續(xù)增加，水分相對(duì)減少，云南松分布也將減少，林分結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，郁閉度較為適中，單位面積林分蓄積量相對(duì)較少。

3.1.2 不同郁閉度等級(jí) 由表3和一類清查數(shù)據(jù)可知，在陰坡云南松樣地?cái)?shù)為71，平均海拔為1837.7m，較陽(yáng)坡低；陰坡與陽(yáng)坡平均坡度分別為21°和20°。根據(jù)國(guó)家森林連續(xù)清查規(guī)定，坡度為15～24°為斜坡，因此，研究區(qū)坡度為斜坡，地貌為中山。從郁閉度角度分析，陰坡平均郁閉度比陽(yáng)坡大，云南松分布更為密集。從林分的平均年齡分析，陰坡主要齡組為幼齡林、近熟林和中齡林，成熟林和過(guò)熟林相對(duì)較少；而陽(yáng)坡齡級(jí)組成上缺少過(guò)熟林，林分發(fā)育較年輕，仍處于生長(zhǎng)期。從平均胸徑和平均樹(shù)高分布上分析，陰陽(yáng)坡胸徑平均值幾乎相等，但其極大值與極小值之間差值比陽(yáng)坡小，而陰坡樹(shù)高比陽(yáng)坡都大，反映出陰坡云南松生長(zhǎng)較陽(yáng)坡更為高大且勻稱。從單位面積林分蓄積量分析，陰坡比陽(yáng)坡大。

3.2 云南松反射光譜特征

3.2.1 基于Landsat TM數(shù)據(jù)的反射光譜特征 分析不同郁閉度等級(jí)和坡向，綜合統(tǒng)計(jì)了TM影像6個(gè)波段每個(gè)波段上云南松的光譜反射率平均值，繪制成了云南松反射光譜曲線，如圖1所示。

從圖1可知：云南松在不同郁閉度等級(jí)和不同坡向上具有相似的反射率特征曲線，隨著波段變長(zhǎng)，其差異逐漸增大。不同郁閉度等級(jí)的反射率值：疏>中>密；不同坡向的反射率值：陽(yáng)坡>陰坡。在總體特征上，云南松的反射光譜曲線具有2個(gè)較為明顯的吸收谷、1個(gè)微弱的反射峰和1個(gè)明顯的反射峰。在0.485附近出現(xiàn)第1個(gè)吸收谷，在0.569μm附近出現(xiàn)第1個(gè)反射峰，在0.660μm附近為第2個(gè)吸收谷，這一區(qū)域也是綠色植被的光譜吸收帶；在0.660～0.840μm譜段（紅光到近紅外波段）光譜反射率值變化劇烈，表現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)，形成陡而直的斜邊，為綠色植被所特有的變化特征。由于TM影像波段數(shù)量有限，紅邊效應(yīng)后僅有第5和第7兩個(gè)短波紅外波段。在0.840～1.676譜段，云南松的光譜反射率不明顯，但由于受到水分影響強(qiáng)烈，光譜反射率會(huì)相應(yīng)下降，且由于郁閉度不同，云南松的反射率值出現(xiàn)明顯差異。波長(zhǎng)大于2.223μm區(qū)間，植被的反射率值降低。

3.2.2 基于MODIS數(shù)據(jù)的反射光譜特征 分不同郁閉度等級(jí)和坡向綜合統(tǒng)計(jì)500m分辨率MODIS影像上6個(gè)波段的光譜反射率平均值及1000m分辨率上16個(gè)波段的云南松的光譜反射率平均值，繪制成的云南松反射光譜曲線，如圖2所示。

從圖2可知，在可見(jiàn)光部分，3個(gè)郁閉度等級(jí)的云南松反射率值差異較小。從整體趨勢(shì)上看，隨郁閉度值的增加，植被的光譜反射率值逐漸降低。在0.50～0.76μm波段范圍內(nèi)，云南松光譜曲線均有2個(gè)較強(qiáng)吸收谷，反射率值范圍為0.06～0.09，最小反射率值為0.06；0.68～0.70μm為光譜的診斷性特征區(qū)間，葉綠素導(dǎo)致反射率快速升高，最大值達(dá)到0.39；近紅外區(qū)（0.8～1.3μm）在0.85、0.91、0.96和1.12μm附近，曲線呈現(xiàn)出波狀的起伏；遠(yuǎn)紅外波段（1.300～2.400μm）在1.3～1.47μm和2.08～2.35μm附近為水和二氧化碳的強(qiáng)吸收帶，曲線具有波谷形態(tài)和較低反射率值；在1.6～1.83μm附近，與含有水分的波譜特性有關(guān)，出現(xiàn)波峰，呈現(xiàn)較高的反射率值。從整體變化趨勢(shì)來(lái)看，在波長(zhǎng)為0.859μm的近紅外附近，出現(xiàn)直線式增長(zhǎng)，其中郁閉度為疏等級(jí)的光譜反射率的斜率在3個(gè)郁閉度等級(jí)中最大，到波長(zhǎng)為1.240μm附近，達(dá)到了最高反射峰。由于研究區(qū)海拔較高，MODIS未考慮地形對(duì)地物反射率的影響，海拔越高，植被接收到的太陽(yáng)輻射越強(qiáng)，反射率值越大，此時(shí)最大反射率值MODIS影像比TM獲取的反射率值稍小；在短波紅外部分：植被覆蓋程度越高，云南松郁閉度值越大，其對(duì)應(yīng)的光譜反射率值越小，與TM影像得出的結(jié)論相同。分陰陽(yáng)坡看，陰坡云南松的光譜反射率值比陽(yáng)坡大，在短波紅外部分和反射峰部分表現(xiàn)明顯，說(shuō)明陰坡的云南松反射作用較陽(yáng)坡強(qiáng)。

4 結(jié)論與討論

1以滇中為研究區(qū)，基于TM和MODIS遙感影像數(shù)據(jù)，通過(guò)提取不同郁閉度等級(jí)、陰陽(yáng)坡和不同分辨率等級(jí)的云南松樣地反射光譜值，分析了滇中云南松反射光譜特征，得到如下結(jié)論：

（1）研究區(qū)云南松樣地主要分布在陽(yáng)坡，但陰坡的林分郁閉度更高，林分更加成熟。

（2）云南松光譜曲線均有2個(gè)較強(qiáng)吸收谷，反射率值范圍為0.06～0.09；0.68～0.70μm為云南松光譜的診斷性特征區(qū)間，葉綠素導(dǎo)致反射率快速升高，最大值達(dá)到0.39；其光譜曲線在近紅外區(qū)（0.8～1.3μm）呈現(xiàn)出波狀的起伏，在遠(yuǎn)紅外波段（1.300～2.400μm）曲線具（下轉(zhuǎn)125頁(yè)）（上接104頁(yè)）有波谷形態(tài)和較低反射率值；在1.6～1.83μm附近出現(xiàn)波峰，呈現(xiàn)較高的反射率值。

（3）TM影像的反射率在可見(jiàn)光部分更能反映云南松的光譜特征，MODIS影像的反射率在紅外波段部分，曲線變化特征反射率值比TM影像更接近真實(shí)值。

（4）TM反射率陰坡小于陽(yáng)坡，MODIS反射率陰坡大于陽(yáng)坡；不同郁閉度等級(jí)提取的云南松反射率，TM和MODIS的結(jié)果均為：密<中<疏，郁閉度相對(duì)坡向而言，對(duì)云南松反射率值的影響更大。

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（責(zé)編：張宏民）