照片樣線(xiàn)法大豆植被覆蓋度測(cè)量精度分析

汪歡歡，楊 琴，蒲紅梅，何 進(jìn)，程 華，韓 敏，趙學(xué)春，王志偉，金寶成

（1貴州大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，貴陽(yáng) 550025；2貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴陽(yáng) 550025；3蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，蘭州 730000；4貴州省自然資源勘測(cè)規(guī)劃研究院，貴陽(yáng) 550004；5貴州省草業(yè)研究所，貴陽(yáng) 550006）

0 引言

植被覆蓋度是單位面積內(nèi)植被垂直投影面積占總面積的百分比[1-3]。它是重要的生態(tài)學(xué)參數(shù)[4]，能夠直接量化植被生長(zhǎng)狀況的指標(biāo)，同時(shí)也是大豆等農(nóng)作物的重要農(nóng)藝參數(shù)[5]，與光合作用過(guò)程、作物蒸散發(fā)和產(chǎn)量緊密聯(lián)系[6-11]。因此，準(zhǔn)確測(cè)量大豆等作物的植被覆蓋度具有重要意義。常用的植被覆蓋度測(cè)量方法有照相法[12-14]、目估法[15-16]和樣線(xiàn)法[1,17-19]等。

照相法是采用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)樣方內(nèi)的照片進(jìn)行目視解譯或監(jiān)督分類(lèi)等方法來(lái)獲得覆蓋度，該方法要求測(cè)量人員掌握監(jiān)督分類(lèi)技術(shù)，具有人為因素影響小，測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)[20-24]。章文波等[24]采用照相法測(cè)量玉米以及玉米套種大豆的覆蓋度時(shí)發(fā)現(xiàn)，其最大絕對(duì)誤差小于5%。宋雪峰等[25]采用照相法測(cè)量草地覆蓋度，測(cè)量精度高達(dá)94.7%。章超斌等[23]采用照相法測(cè)量了阜康市草地的覆蓋度，精度高達(dá)95%。楊琴等[2]研究了結(jié)縷草(Zoysia japonica)、白三葉(Trifolium repens)和雀稗(Paspalum thunbergii)等人工草地的植被覆蓋度實(shí)地測(cè)量方法，發(fā)現(xiàn)照相法測(cè)量精度高達(dá)96.8%，因此，照相法測(cè)量值可以作為其他方法植被覆蓋度測(cè)量值精度的參考。

目估法是測(cè)量人員憑借經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)肉眼識(shí)別樣方覆蓋度[15-16]。但目估的主觀隨意性較大，需要目估人員具有豐富的經(jīng)驗(yàn)[26]。章文波等[26]研究玉米及玉米套種大豆等高度相對(duì)較高的作物時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著目估人數(shù)的增加，目估精度逐漸提高，但個(gè)人目估誤差可達(dá)40.4%，同時(shí)目估精度也受限于植被蓋度的大小，當(dāng)植被蓋度很大或很小時(shí)，目估的精度越高。之前研究發(fā)現(xiàn)目估精度和植被高度有關(guān)，楊琴等人研究結(jié)縷草（株高3 cm）、白三葉（株高10 cm）和雀稗（株高15 cm）時(shí)發(fā)現(xiàn)，植被越高，目估誤差越大[2]。

樣線(xiàn)法為樣線(xiàn)垂直攔截植被的長(zhǎng)度除以樣線(xiàn)的總長(zhǎng)度，以此獲得覆蓋度[1,17-19]。樣線(xiàn)法是使用最多的一種方法[18]。該方法一般適用于稀疏植被、人工草地和高大植被覆蓋度的測(cè)量[2-3]，同時(shí)需要測(cè)量人員具備一定的相關(guān)知識(shí)[18]。因?yàn)樵谕獬霾蓸訒r(shí)所需要的人數(shù)相對(duì)較少，效率相對(duì)較高、較省時(shí)，因此被廣泛使用[18]。該方法曾被認(rèn)為是測(cè)量覆蓋度最為客觀的一種方法，但其精度會(huì)受植被自身形態(tài)（葉子大小和形狀）等因素影響較大[1]。楊琴等[2]研究人工草地時(shí)發(fā)現(xiàn)，樣線(xiàn)法精度較高，速度較快，測(cè)量誤差小于5%，平均耗時(shí)約3.5 min。但是樣線(xiàn)長(zhǎng)度受植被覆蓋度的影響，覆蓋度越低，所需樣線(xiàn)長(zhǎng)度越長(zhǎng)[1-2,18]。當(dāng)對(duì)群落中多數(shù)物種進(jìn)行估計(jì)時(shí)，需要增加樣方中的樣線(xiàn)數(shù)量才能提高精度，但增加樣線(xiàn)數(shù)量的同時(shí)，耗時(shí)也同樣增加[17]。

理想的覆蓋度測(cè)量方法耗時(shí)短，工具簡(jiǎn)單，結(jié)果準(zhǔn)確，受人為因素影響小[27]。本研究通過(guò)照相法、目估法、實(shí)地樣線(xiàn)法和照片樣線(xiàn)法測(cè)量大豆覆蓋度，對(duì)比這幾種方法測(cè)定的大豆覆蓋度誤差，以期尋找出精度較高且快速的適合類(lèi)似大豆作物覆蓋度測(cè)量方法。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于貴州省安順市西秀區(qū)，地理位置為105°13′—106°33′E，25°21′—26°37′N(xiāo)之間，地處珠江水系北盤(pán)江流域和長(zhǎng)江水系烏江流域的分水嶺地帶[28]。平均海拔在1200～1400 m之間，地勢(shì)呈現(xiàn)出北部高南部低的趨勢(shì)，雨量充沛，年平均降雨量1360 mm，降水一般集中在5—8月，年平均相對(duì)濕度80%左右，年平均氣溫14℃，屬于典型的中亞熱帶氣候區(qū)，年平均無(wú)霜期280天，日照較少、輻射低[28-29]。土壤pH偏小，整體上呈現(xiàn)出酸性土壤[30]。

1.2 研究方法

試驗(yàn)采樣地以大豆為研究對(duì)象，包括‘黔豆3號(hào)’、‘川豆16’和大黑豆等24個(gè)品種，設(shè)置包括：12萬(wàn)、24萬(wàn)、36萬(wàn)、48萬(wàn)、60萬(wàn)、72萬(wàn)、90萬(wàn)株/hm2等7個(gè)密度，種植3行，行距0.4 m，株距0.5 m，24個(gè)品種隨機(jī)播種，共168個(gè)樣方，樣方大小為1 m×1 m。分別采用照相法、目估法、實(shí)地樣線(xiàn)法和照片樣線(xiàn)法測(cè)量其覆蓋度。測(cè)定時(shí)間為2020年6月25日，采用佳能1600萬(wàn)像素相機(jī)，垂直放置于樣方正上方，在約2 m的高度垂直向下拍照，所獲樣方照片用于室內(nèi)測(cè)量植被覆蓋度。

室內(nèi)采用ERDAS IMAGING 2015軟件對(duì)樣方進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)，提取照片中植被像元，然后在ArcMap10.8軟件中計(jì)算植被像元比例，即為照相法所測(cè)覆蓋度[2,12-14]。對(duì)于每一個(gè)樣方，通過(guò)Microsoft Office 2019生成約30個(gè)隨機(jī)點(diǎn)，加載到ArcMap10.8軟件中，進(jìn)行精度檢驗(yàn)，檢驗(yàn)得到分類(lèi)精度為(96.81±3.87)%（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=168）。

目估法為草業(yè)科學(xué)專(zhuān)業(yè)的碩士研究生和博士研究生，每個(gè)樣方由7人獨(dú)立目估完成，平均值即為該樣方的覆蓋度[15-16]。實(shí)地樣線(xiàn)法是將帶有刻度的樣線(xiàn)置于樣方對(duì)角線(xiàn)，記錄樣線(xiàn)在垂直方向上攔截植被的長(zhǎng)度，將該長(zhǎng)度除以樣線(xiàn)總長(zhǎng)度，即為該樣方覆蓋度[1,18]。由于大豆植株高度較高，本實(shí)驗(yàn)以地表為基準(zhǔn)，每20 cm間隔為一層，分別測(cè)量每一層的覆蓋度，最后通過(guò)隨機(jī)擬合公式計(jì)算得出總覆蓋度[14]，具體公式如式(1)所示。

式中：VC代表樣方植被覆蓋度；vc(i)為第i層的植被覆蓋度。公式來(lái)自于參考文獻(xiàn)[14]。

照片樣線(xiàn)法是使用電腦中虛擬刻度尺(Desktop Ruler 1.0)代替實(shí)地測(cè)量的樣線(xiàn)，把照片加載到Adobe Photoshop CS6軟件中，將照片對(duì)角線(xiàn)旋轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)，用Desktop Ruler測(cè)量植被所占長(zhǎng)度與樣線(xiàn)長(zhǎng)度的比值，即為該樣方的植被覆蓋度。分別采取測(cè)量?jī)蓷l樣線(xiàn)（兩條對(duì)角線(xiàn)，長(zhǎng)度合計(jì)為2.83 m）和4條樣線(xiàn)（兩條對(duì)角線(xiàn)加兩條平分線(xiàn)，長(zhǎng)度合計(jì)為4.83 m）的方法計(jì)算植被覆蓋度（圖1）。

圖1 照片樣線(xiàn)法示意圖

1.3 數(shù)據(jù)分析

以照相法測(cè)量值作為參考值，用Microsoft Office 2019計(jì)算其它方法誤差[公式(2)]，繼而計(jì)算出參考值和誤差之間的回歸關(guān)系。采用IBM SPSS Statistics 20進(jìn)行方差分析，使用SigmaPlot 10.0軟件做圖。

公式中，n表示樣方數(shù)量，vci表示某測(cè)量方法在樣方i的測(cè)量值，vci照相表示照相法在樣方i的測(cè)量值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同方法測(cè)量誤差

目估法所測(cè)大豆植被覆蓋度測(cè)量誤差主要分布在-25%～55%（負(fù)值代表低估，正值代表高估），在-15%～-5%區(qū)間中占比最大，為44.6%（圖2A）。實(shí)地樣線(xiàn)法誤差主要分布在-35%～75%之間，在-5%～5%區(qū)間內(nèi)占比最大，為50.0%（圖2B）。照片樣線(xiàn)法（兩條樣線(xiàn)）誤差主要分布在-5%～5%之間，占比最大為55.4%（圖2C）。照片樣線(xiàn)法（四條樣線(xiàn)）誤差主要分布在-5%～5%之間，占比最大為42.9%（圖2D）。

圖2 不同方法覆蓋度測(cè)量誤差分布

目估法在大豆作物測(cè)量中誤差小于10%，為(7.8±10.7)%，顯著傾向于低估。實(shí)地樣線(xiàn)法在大豆作物測(cè)量誤差小于5%，為(2.8±14.4)%，傾向于高估，測(cè)量一個(gè)樣方（大小1 m×1 m）用時(shí)約為6.2 min。照片樣線(xiàn)法，當(dāng)測(cè)量?jī)蓷l樣線(xiàn)時(shí)，其誤差為(3.7±12.7)%，傾向于低估，用時(shí)約1.9 min；當(dāng)測(cè)量四條樣線(xiàn)時(shí)，其誤差為(2.1±13.4)%，也傾向于低估，用時(shí)約3.0 min（表1）。

表1 不同方法覆蓋度測(cè)量誤差

2.2 不同方法誤差和覆蓋度的相關(guān)性

目估法、實(shí)地樣線(xiàn)法、照片樣線(xiàn)法（兩條樣線(xiàn)和四條樣線(xiàn)）與照相法覆蓋度均呈顯著正相關(guān)，P＜0.05。隨照相法覆蓋度的增加，目估法、實(shí)地樣線(xiàn)法、照片樣線(xiàn)法的誤差均呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，P＜0.05（圖3）。

圖3 照相法覆蓋度與不同方法覆蓋度及其誤差的相關(guān)性

2.3 覆蓋度和誤差與株高的相關(guān)性

照相法覆蓋度與株高呈二次相關(guān)，隨著株高的增加覆蓋度呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)（圖4）。

圖4 株高和照相法覆蓋度的相關(guān)性

隨株高的增加，目估法、實(shí)地樣線(xiàn)法、照片樣線(xiàn)法（兩條樣線(xiàn)、四條樣線(xiàn)）的覆蓋度誤差呈逐漸降低的趨勢(shì)，P＜0.05（圖5）。

圖5 株高和不同方法誤差的相關(guān)性

通過(guò)樣線(xiàn)法測(cè)量第一層到第五層（每20 cm為一層）覆蓋度分別為(18.64±11.05)%、(47.29±15.36)%、(51.21±26.13)%、(0.38±0.24)%和(0.18±0.13)%。其中第一層到第五層覆蓋度呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)（圖6）。

圖6 層蓋度與株高的相關(guān)性

第一層(0～20 cm)與第二層(20～40 cm)覆蓋度呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，與第三層(40～60 cm)、第四層(60～80 cm)、第五層(80～100 cm)覆蓋度相關(guān)性不顯著(P＞0.05)。第二層與第三層覆蓋度呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，與第四層和第五層覆蓋度呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)。第三層與第四層覆蓋度呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，與第五層覆蓋度相關(guān)性不顯著。第四層覆蓋度與第五層覆蓋度呈正相關(guān)，但相關(guān)性不顯著（表2）。

表2 層蓋度之間的相關(guān)性

3 結(jié)論

目估法測(cè)量覆蓋度誤差最大，平均為7.8%，目估誤差隨株高的增高呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，當(dāng)株高為28.7 cm時(shí)，誤差達(dá)到最大。但是隨著高度的增加，覆蓋度也逐漸增加，使得目估精度逐漸提高。實(shí)地樣線(xiàn)法測(cè)量大豆覆蓋度精度較高，誤差小于3%(2.8%)，但耗時(shí)較長(zhǎng)，每個(gè)1 m×1 m樣方需用時(shí)6.2 min。研究發(fā)現(xiàn)，大豆層蓋度之間呈弱相關(guān)性，故多層隨機(jī)擬合公式可以應(yīng)用于大豆作物覆蓋度的測(cè)量。相較于目估法，照片樣線(xiàn)法具有更高的測(cè)量精度，相較于實(shí)地樣線(xiàn)法，照片樣線(xiàn)法能夠節(jié)省野外采樣時(shí)間，提高工作效率。因此對(duì)于大豆和類(lèi)似植物的覆蓋度測(cè)量，推薦使用照片樣線(xiàn)法，同時(shí)兩條樣線(xiàn)法即可滿(mǎn)足測(cè)量誤差小于5%的精度要求。

4 討論

目估法的誤差最大，平均為7.8%（表1），可能由于大豆高度較高（29～91 cm，平均56.82 cm），不便垂直向下觀測(cè)。楊琴等人研究結(jié)縷草（株高3 cm）、白三葉（株高10 cm）和雀稗（株高15 cm），其對(duì)應(yīng)誤差分別為2.3%、4.2%和10.1%，發(fā)現(xiàn)植被越高目估誤差越大[2]。本文研究發(fā)現(xiàn)，株高和目估法誤差通過(guò)二次擬合后呈現(xiàn)出先增高后降低的趨勢(shì)（圖5A），通過(guò)擬合公式計(jì)算得出，當(dāng)株高為28.7 cm時(shí)，其目估法誤差最大，在株高小于28.7 cm時(shí)，隨著株高的增加，誤差有上升的趨勢(shì)。當(dāng)株高高于28.7 cm時(shí)，隨著株高的增加誤差有降低的趨勢(shì)。形成以上趨勢(shì)的可能原因是：雖然隨著植物高度的增加，目視垂直向下觀察和估計(jì)植被覆蓋度難度增加，導(dǎo)致目估誤差增加，但是隨著植被高度的增加，植被覆蓋度也逐漸增加（圖4），當(dāng)植被的覆蓋度超過(guò)50%，并且逐漸增大，目估難度也會(huì)逐漸降低，使得目估精度逐漸提高[2,16,26]。

實(shí)地樣線(xiàn)法測(cè)量大豆植被覆蓋度精度較高，誤差小于3%(2.8%)，但耗時(shí)較長(zhǎng)，每個(gè)1 m×1 m樣方需用時(shí)6.2 min（表1）。之前的研究也發(fā)現(xiàn)實(shí)地樣線(xiàn)法耗時(shí)較長(zhǎng)，實(shí)地樣線(xiàn)法測(cè)量結(jié)縷草、白三葉和雀稗覆蓋度時(shí)發(fā)現(xiàn)其誤差小于5%，但每個(gè)0.5 m×0.5 m樣方需用時(shí)3.45 min[2]。由于大豆高度較高（29～91 cm，平均56.82cm），本研究采取以20 cm為間隔，以實(shí)地樣線(xiàn)法分層測(cè)量植被覆蓋度，之后采取多層隨機(jī)擬合法計(jì)算大豆總體覆蓋度測(cè)量。實(shí)地樣線(xiàn)法測(cè)量誤差較小，說(shuō)明多層隨機(jī)擬合法可以用于大豆及類(lèi)似作物覆蓋度的測(cè)量。多層隨機(jī)擬合法的前提假設(shè)是各植被層之間相互獨(dú)立[14]，我們對(duì)大豆各層覆蓋度之間的相關(guān)性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)相鄰層之間一般具有顯著的正相關(guān)關(guān)系（除第四層和第五層不顯著外），不同層覆蓋度之間的關(guān)系多為不顯著，僅僅是第二層與第四層和第五層為顯著負(fù)相關(guān)（表2），因此可以近似將不同層蓋度之間看作是相互獨(dú)立的，采用隨機(jī)擬合公式估算覆蓋度。未來(lái)需進(jìn)一步驗(yàn)證多層隨機(jī)擬合公式是否可以應(yīng)用于其他植被覆蓋度的測(cè)量。

照片樣線(xiàn)法當(dāng)采用兩條樣線(xiàn)測(cè)量覆蓋度（兩條對(duì)角線(xiàn)，長(zhǎng)度合計(jì)為2.83 m）時(shí)，誤差小于5%(3.7%)，平均用時(shí)1.9 min，當(dāng)采用四條樣線(xiàn)（兩條對(duì)角線(xiàn)加兩條平分線(xiàn)，長(zhǎng)度合計(jì)為4.83 m）時(shí)，誤差小于3%(2.1%)，平均用時(shí)3.0 min。相較于目估法，照片樣線(xiàn)法具有更高的測(cè)量精度，而相較于實(shí)地樣線(xiàn)法，照片樣線(xiàn)法能夠節(jié)省更多的時(shí)間，更為重要的是，實(shí)地樣線(xiàn)法的測(cè)量時(shí)間消耗均在室外，而照片樣線(xiàn)法的測(cè)量時(shí)間消耗為室內(nèi)，在室內(nèi)能夠快速的完成測(cè)量，減少人力物力消耗及野外采樣時(shí)間，進(jìn)而提高工作效率。因此對(duì)于大豆和類(lèi)似植物的覆蓋度測(cè)量，推薦使用照片樣線(xiàn)法。而對(duì)于具體的兩條或者四條樣線(xiàn)的選擇，因?yàn)楫?dāng)樣線(xiàn)數(shù)量從兩條增加到四條時(shí)，測(cè)量誤差僅能降低約1.6%，但是平均耗時(shí)需增加約1.1 min，所以推薦采用兩條樣線(xiàn)即可滿(mǎn)足測(cè)量精度要。