利用GPS技术和垂直照相法提取植被绿色盖度或郁闭度,植物学论文

利用GPS技术和垂直照相法提取植被绿色盖度或郁闭度,植物学论文利用便携型植被覆盖度摄影仪(专利号:ZL200820114817.1)测量植被盖度:对于高度较低的植被类型如耕地、草地或灌木林地，采用垂直向下照相法，选择有代表性的位置在4个方位分别进行垂直向下照相(相机距地表高度约4.5m)，每个方位照相1次，每个地块共计4张照片;对于高度较高的植被类型(约3m以上)如林地、果园等，选择5个代表性位置同时进行垂直向上和垂直向下的照相，每个地块共计10张照片。在照相测量位置附近随机选择4～5个点，用卷尺测量植被高度，并做相关记录。植被覆盖度监测由2018年3月开场，到2020年的年底结束，在每月的13号之间和1618号之间各监测1次。因北京市冬季植被盖度变化不明显，故监测只在311月之间进行。1.2数据处理采用自行开发的植被盖度自动计算系统(PCOVEＲ，软件着作权登记号2008SＲ12421)对监测获取的植被数码图像进行处理，首先对原植被图像进行裁剪，去除图像边缘部分，只保存原图像长、宽的2/3，剩余图像面积为原图像的4/9，然后自动计算植被绿色盖度(活体植被构成的盖度)或郁闭度，并进一步通过人机交互提取枯落物信息，计算总盖度(活体植被及枯落物等全部植被构成的盖度)。因北京市冬季植被覆盖度基本不发生变化，对各地块冬季缺测时段(12月、1月和2月)进行合理延伸插补，以构成完好的24个半月的植被盖度数据，对经过处理的24个半月数据根据1～24个周期排序，第1周期为1月上半月数据，第2周期为1月下半月数据，，以此类推。2结果分析2.1耕地的植被覆盖变化3个耕地地块的农作物均为小麦或玉米，但轮作制度存在一定的差异，一种是小麦玉米，另一种是只种植玉米。作物盖度的季节变化受人为影响大，小麦玉米的绿色盖度在1年中出现3次峰值，分别在小麦或玉米成熟前以及小麦再次播种后，但是小麦的盖度低于玉米的盖度，最大盖度差值约30%，见图2(a)所示。玉米地因1年只种植1次玉米，因而1年中绿色盖度只要1个峰值和1个低值，见图2(b)所示。小麦玉米地的总盖度变化趋势与其绿色植被盖度的变化趋势近似，且差值较小。小麦在第7周期(4月初)前，绿色盖度小于3%、总盖度在5%左右;随着小麦进入返青期后，植被盖度迅速增大并在第10周期(5月底)前后到达最大，绿色盖度和总盖度分别为48.8%、60.5%;随后小麦进入成熟期绿色盖度开场减小而总盖度基本保持不变，在第12～第13周期左右(6月底前后)小麦成熟，玉米播种，此时绿色盖度到达1年中的第二个低值，但因小麦秸秆未完全收割，总盖度与绿色盖度之间存在较大差值;第13周期后玉米开场生长，植被盖度也随之开场增加，在第17周期(9月初)前后盖度到达最大，此时盖度为小麦玉米地1年中的第二个峰值，绿色盖度和总盖度分别为78.2%和91.9%;第19周期前后玉米成熟，再次播种小麦，此时植被盖度到达1年中的第三个低值，同时由于10月份北京市仍较暖和，小麦生长较快，因而在冬季前小麦玉米地的盖度会出现1个小峰值，但此时的盖度最大值远远小于小麦和玉米成熟前时的盖度;第22周期后小麦因进入越冬期盖度减小并以较低的盖度维持到次年4月份左右。6月底小麦收割后一段时间内玉米还没有完全生长起来，此阶段植被覆盖较低，降雨也相对较多，容易产生水土流失。玉米地的绿色盖度变化趋势也呈现明显的几字形，生长周期主要集中在第9～第19周期，盖度峰值70.7%出如今第15周期。玉米地的总盖度在第5～第16周期与绿色盖度差异不同不大，在其他时段与绿色盖度差异不同很大，主要是由于玉米成熟后玉米秸秆和残茬不完全清理，仍有部分保存在原地直到翌年再次种植时才清理，呈现总盖度远远大于绿色盖度的现象。玉米地的秸秆和残茬覆盖具有抑制水土流失的效用。2.2果园的植被覆盖变化北京市山地较多，为发展山区经济、增加山区民众的经济收入，平缓坡地一般种植有各种类型的果树，监测的果树种类包括板栗、樱桃、杏、京白梨等树。果园作为特殊的林地，遭到人为活动的影响极大。果园是本次监测选取最多的植被类型。除京白梨园外，果园的郁闭度一般呈现几字形，其季节变化表现出较好的共性特征;京白梨园的郁闭度出现双峰型，即存在两个峰值区，第一次出现郁闭度峰值在第10周期，之后因人为修剪树枝，导致郁闭度减小，在第14周期后郁闭度第二次到达峰值(见图3所示)。不同类型果园的绿色盖度和总盖度的季节变化特征有明显差异。坡地板栗园地一般为沙质土，不22图3果园盖度、郁闭度季节变化合适杂草生长，因而其绿色盖度常年接近0;板栗树落叶在风力作用下易向下发生移动在坡底发生堆积，坡面地表枯落物堆积少，总盖度也很小，见图3(a)所示。樱桃园绿色盖度和总盖度因较大程度上遭到人为锄草清理的影响，其变化波动较大，但两者的变化趋势是一致的，绿色盖度最大值44.5%出如今第13周期，该周期正好处在降雨之后，植被生长旺盛，之后进行了人为去除处理，绿色盖度迅速降低;第21周期总盖度的忽然增加主要是由落叶造成的，见图3(b)所示。京白梨园绿色盖度季节变化同样受人为影响大，绿色盖度自第8周期后开场增加，后由于种植大豆而清理地面杂草，第10周期后绿色盖度迅速减小，第12周期后大豆开场生长，绿色盖度逐步增加，第19周期大豆收割后总盖度开场逐步减小，总盖度与绿色盖度的增加趋势比拟近似，见图3(c)所示。杏树园的人为除草等管理很少，绿色盖度与郁闭度的变化趋势比拟一致，绿色盖度和郁闭度最大值均出如今第15周期;总盖度因枯落物堆积常年维持在较高值，见图3(d)所示。2.3有林地的植被覆盖变化有林地包括两种类型:一种是落叶林杨树，另一种是常绿林柏树。这两种树种的分布面积在北京市人工林中占绝对优势，盖度、郁闭度的变化趋势明显不同(见图4所示)。落叶林的郁闭度变化呈典型的几字形，第9周期植被开场生长，郁闭度增大，最大值出如今第14、第15周期，近似等于80%;而常绿林的郁闭度变化呈一字形，郁闭度变化较小，年平均为75%左右。落叶林和常绿林的绿色盖度季节变化特征近似，曲线都呈几字形。落叶林的绿色盖度最大值出如今第14周期，约为50%;第16周期后绿色盖度开场变小，到第19周期时绿色盖度基本为0。常绿林绿色盖度自第10周期开场略微增加，在第12周期后迅速增加，基本可达到峰值;3个周期后绿色盖度开场逐步减小，并在第21周期减小到最小值0(见图4所示)。落叶林的总盖度呈倾斜的一字形，随着时间的推移总盖度略有增加但增加趋势比拟缓慢，年平均总盖度为87%。常绿林总盖度年变化不明显，维持在90%左右，与其郁闭度的变化趋势类似。2.4灌木林地的植被覆盖变化灌木林地因植被高度较低，一般只进行垂直向下拍摄，因而只估算绿色盖度和总盖度。灌木林地的绿色盖度变化趋势与常绿林地的盖度变化趋势基本一致，季节变化曲线呈几字形状。自第8周期开场绿色盖度开场增加，在第14、第15周期绿色盖度到达最大，最大值为92.6%。总盖度常年维持在90%以上，地表杂草常年无人为去除，因而全年变化不明显(见图5所示)。2.5草地的植被覆盖变化草地植被生长于山坡上，较少遭到人为干扰，绿色盖度的变化趋势呈几字形状，自第8周期开场逐步增大，到第16周期到达最大值82.5%，第20周期减小为0。总盖度常年维持较高值，在植被生长旺季(第13～第17周期)总盖度相对较大，在这里阶段且与绿色盖度差异最小(见图6所示)。3结论与讨论本文利用GPS确定监测点的精到准确位置，采用垂直照相法监测18个地块的典型植被覆盖季节变化，利用数字图像处理技术提取绿色盖度、郁闭度和总盖度信息，进一步分析总结了北京市典型植被覆盖的季节变化特征:(1)除耕地、果园和常绿林外，各植被的绿色盖度和总盖度变化趋势比拟近似，呈现典型的几字形状。(2)果园林下经常进行人为清理或特殊土质作用，使得绿色盖度和总盖度较小，十分是坡地板栗园表现明显，坡地板栗园地易产生较大水土流失;采用小麦玉米轮作的耕地，6月底小麦收割后一段时间内玉米还没有完全生长起来，植被覆盖低，又正进入降雨集中季节，易产生水土流失。(3)地表实测能够提取植被覆盖的构造信息，相对遥感监测一般只能提取一种植被覆盖信息，能够更好地反映及评价植被覆盖对水土保持的作用。(4)包含枯落物的植被总盖度提取是采用人机交互解译进行的，其效率遭到制约，自动提取枯落物信息是下一步需要解决的问题。以下为参考文献:［1］章文波，符素华，刘宝元.目估法测量植被覆盖度的精度分析［J］.北京师范大学学报(自然科学版)，2001，37(3):402-408.［2］石生新.高强度人工降雨条件下影响入渗速率因素的实验研究［J］.水土保持通报，1992，12(2):49-54［3］李双才，孔亚平，符素华.北京山区植被盖度季节变化规律模拟研究［J］.北京师范大学学报(自然科学版)，2002，38(2):273-278.［4］张云霞，李晓兵，陈云浩.草地植被盖度的多尺度遥感与实地测量方式方法综述［J］.地球科学进展，2003，18(1):85-93.［5］章文波，路炳军，石伟.植被覆盖度的照相测量及其自动计算［J］.水土保持通报，2018，29(2):39-42.［6］WhiteMA，AsnerGP，NemaniＲＲ，PrivetteJL，etal.Meas-uringfractionalcoverandleafareaindexinaridecosystems:digit-alcamera，radiationtransmittance，andLaseraltimetrymethods［J］.ＲemoteSensingofEnvironment，2000，74:45-57.［7］CoshMH，BrutsaertW.Microscalestructuralaspectsofvegeta-tiondensityvariability［J］.JournalofHydrology，2003，276:128-136.［8］BoldKC，WoodF，EdwardsPJ，Willi