基于无人机激光雷达与多光谱数据的不同放牧强度下草原冠层尺度特征研究

doi:10.11686/cyxb2020573

草业学报 ›› 2022, Vol. 31 ›› Issue (3): 1-15.DOI: 10.11686/cyxb2020573

• 研究论文 •

基于无人机激光雷达与多光谱数据的不同放牧强度下草原冠层尺度特征研究

沈洁¹(), 丁蕾¹, 辛晓平¹(), 张翔¹^,², 徐大伟¹, 侯路路¹, 闫瑞瑞¹

^1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081
^2.内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古呼和浩特 010028

收稿日期:2020-12-23 修回日期:2021-03-01 出版日期:2022-03-20 发布日期:2022-01-15
通讯作者: 辛晓平
作者简介:Corresponding author. E-mail： xinxiaoping@caas.cn
沈洁（1996-），女，宁夏中卫人，在读硕士。E-mail： JShen_10@163.com
基金资助:
中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(Y2019YJ13);呼伦贝尔市科技计划项目(YYYFH201903);现代农业产业技术体系建设专项资金(CARS-34-11);草地农业生态系统国家重点实验室开放课题(SKLGAE-2019-07)

Canopy scale characteristics of grassland under different grazing intensities based on UAV lidar and multispectral data

Jie SHEN¹(), Lei DING¹, Xiao-ping XIN¹(), Xiang ZHANG¹^,², Da-wei XU¹, Lu-lu HOU¹, Rui-rui YAN¹

^1.Institute of Agricultural Resources and Regional Planning，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China
^2.College of Geographical Science，Inner Mongolia Normal University，Hohhot 010028，China

Received:2020-12-23 Revised:2021-03-01 Online:2022-03-20 Published:2022-01-15
Contact: Xiao-ping XIN

摘要/Abstract

摘要：

放牧活动不但影响草原生态过程，而且改变草原群落空间格局。为进行草地冠层连续变化的尺度对放牧强度响应的研究，基于无人机机载激光雷达和多光谱遥感获取亚米级的草原冠层数据，利用小波分析方法研究了不同放牧强度下草原冠层空间格局及其尺度特征，探究草原冠层高度（CH）、植被覆盖度（FVC）、归一化植被指数（NDVI）等不同冠层参数空间尺度特征对放牧强度的响应。结果表明：CH、FVC、NDVI的小波方差随放牧强度增大呈下降趋势，草原冠层空间结构整体趋于均匀；小波方差和系数实部分析显示，CH，FVC和NDVI的空间格局存在170~180 m、116~140 m等2个主特征尺度，不随放牧强度而变化，较为稳定；中度、重度放牧使植物群落在空间中产生了许多小斑块，植被盖度的空间格局在小尺度上的变化较大。

关键词: 空间异质性, 空间格局, 小波分析, 特征尺度, 放牧强度, 植被盖度

Abstract:

Grazing activities not only affect ecological processes of grasslands， but also change the spatial pattern of grassland communities. This research utilized airborne lidar carried by an HS-600 unmanned aerial vehicle （UAV） with a RIEGL laser system and flying at a height of 119 m， and multi-spectral remote sensing to obtain grassland canopy data with sub-meter resolution. The grassland canopy spatial pattern and its scale characteristics under different grazing intensities were studied using wavelet analysis （i.e. the deconvolution of observed lidar waveforms to extract wavelet data）， to quantify the spatial characteristics and scales of three canopy parameters： canopy height （CH）， fractional vegetation cover （FVC） and normalized difference vegetation index （NDVI）， in terms of their response to grazing intensity. It was found that the wavelet variances of grassland CH， FVC， and NDVI show a downward trend with increase in grazing intensity， indicating that the periodic fluctuation energy of its spatial pattern decreases， and the overall grassland canopy spatial structure tends to be more uniform at higher grazing intensity. The analysis of wavelet variance and the real part of coefficients showed that the spatial pattern of FVC and NDVI has two main characteristic scales of 116-140 m and 170-180 m， and a spatial variation period of about 110 m， and the spatial pattern scale characteristics were comparatively stable with change in grazing intensity. The spatial pattern of CH was more complicated. The larger-scale pattern described above was evident， but moderate and heavy grazing resulted in many smaller patches forming with comparatively larger variation in CH and vegetation cover on a smaller spatial scale.

Key words: spatial heterogeneity, spatial pattern, wavelet analysis, characteristic scale, grazing intensity, vegetation coverage

沈洁, 丁蕾, 辛晓平, 张翔, 徐大伟, 侯路路, 闫瑞瑞. 基于无人机激光雷达与多光谱数据的不同放牧强度下草原冠层尺度特征研究[J]. 草业学报, 2022, 31(3): 1-15.

Jie SHEN, Lei DING, Xiao-ping XIN, Xiang ZHANG, Da-wei XU, Lu-lu HOU, Rui-rui YAN. Canopy scale characteristics of grassland under different grazing intensities based on UAV lidar and multispectral data[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2022, 31(3): 1-15.

图/表 13

图1 试验区位置与概况

Fig.1 Location and overview of the experimental area

图2 研究小区剖面取样示例与对照组剖面数据

Fig.2 Research plot section sampling example and control profile data example

表1 研究数据来源

Table 1 Research data sources

植被参数

Vegetation parameter

数据产品

Data product

分辨率

Resolution （m）

获取时间Time （年-月-日

Year-month-day）

HS-600无人机激光扫描系统CH产品 CH products of HS-600 UAV laser scanning system

0.2

2018-09-11

FVC

HS-600无人机激光扫描系统FVC产品 Fractional vegetation cover products of HS-600 UAV laser scanning system

0.2

2018-09-11

NDVI

搭载MicaSense Red Edge-MX传感器Sense Fly无人机多光谱影像 Multispectral image of Sense Fly UAV with MicaSense Red Edge-MX sensor

0.1

2018-09-11

图3 无人机激光雷达估算

Fig.3 UAV lidar estimates

表2 CH、FVC、NDVI在不同放牧强度下的均值与标准差

Table 2 Mean and standard deviation of CH， FVC and NDVI under different grazing intensities

植被参数 Vegetation parameter	项目 Item	放牧强度 Grazing intensity
植被参数 Vegetation parameter	项目 Item	GI₀	GI₁	GI₃	GI₅
CH （cm）	均值Mean	10.6136	6.6287	4.4974	2.4724
CH （cm）	标准差Standard deviation	4.9968	3.5149	2.5772	1.0140
FVC （%）	均值Mean	78.6755	76.2432	72.1455	61.7160
FVC （%）	标准差Standard deviation	0.8188	3.6008	4.7962	5.7201
NDVI	均值Mean	0.5731	0.5617	0.5699	0.5184
NDVI	标准差Standard deviation	0.5040	0.3990	0.3700	0.4460

图4 不同放牧梯度下CH小波方差均值与置信区间

Fig.4 Mean variance and confidence interval of CH wavelet under different grazing intensities

图5 不同放牧强度下CH小波系数实部

Fig.5 Real part of wavelet coefficients of CH under different grazing intensities

图6 不同放牧强度下FVC的小波方差均值与置信区间

Fig.6 Mean variance and confidence interval of FVC wavelet under different grazing intensities

图7 不同放牧强度下FVC小波系数实部

Fig.7 Real part of FVC wavelet coefficients under different grazing intensities

图8 不同放牧强度下NDVI的小波方差均值与置信区间

Fig.8 Mean variance and confidence interval of NDVI wavelet under different grazing intensities

图9 不同放牧强度下NDVI小波系数实部

Fig.9 Real part of NDVI wavelet coefficients under different grazing intensities

图10 3个尺度范围下不同放牧梯度的草地冠层高度、植被覆盖度和归一化植被指数的小波方差

Fig.10 Wavelet variance of grassland canopy height （CH）， fractional vegetation coverage （FVC） and normalized difference vegetation index （NDVI） under different grazing intensities in the three scales

图11 FVC和NDVI在不同放牧强度下第一主特征尺度均值与其对应的小波方差均值

Fig.11 Mean values of the the first principal characteristic scale and the wavelet variance corresponding to the first principal characteristic scale under different grazing intensities of FVC and NDVI

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基于无人机激光雷达与多光谱数据的不同放牧强度下草原冠层尺度特征研究

Canopy scale characteristics of grassland under different grazing intensities based on UAV lidar and multispectral data

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