干旱半干旱区典型流域生物结皮分布遥感提取方法

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00127

摘要/Abstract

摘要：

生物结皮是干旱半干旱区广泛分布的地被植物，对于治理该区域水土流失与调节生态环境稳定性方面具有重要作用。目前生物结皮的研究集中于点尺度的观测，基于遥感技术的大尺度提取方法研究存在明显不足，一定程度上阻碍了生物结皮时空变化、生态水文效应研究。本研究以干旱半干旱区典型流域皇甫川为研究区，考虑地表覆盖的复杂性、时空异质性，利用多个遥感指数协同组合方法，构建基于逐步提取的干旱半干旱区生物结皮提取的遥感模型。该方法采用逐步识别模型，以此提取裸土、植被及生物结皮像元，收集了典型干旱半干旱区皇甫川流域30 m分辨率的生物结皮空间分布数据，并探讨了地形、气候以及土地利用方式对生物结皮空间分布的影响。结果表明：基于土壤调节植被指数（SAVI）、修正土壤调节植被指数（MSAVI）、归一化差值植被指数（NDVI）、新型光合植被指数（NIR_V）、生物结皮指数（BSCI）构建的干旱区生物结皮逐步提取模型，不同植被指数间阈值存在显著差异（SAVI<0.13和SAVI≥0.19；MSAVI<0.11和MSAVI≥0.17；0≤NDVI<0.44；0≤NIR_V<0.11；5.89≤BSCI<7.28），该模型提取干旱半干旱区生物结皮的总体精度可靠。基于该方法发展了皇甫川流域2021年生物结皮空间分布数据，发现皇甫川流域生物结皮广布，生物结皮像元面积占总面积的21.51%，且生物结皮主要分布在草地、耕地等地区；生物结皮空间分布与研究区各区域降水量之间存在较高的相关性，降水量越大，生物结皮分布越多。本研究重点在于考虑不同地物的光谱差异特征发展干旱半干旱区大尺度生物结皮逐步提取的遥感提取方法，为皇甫川及干旱半干旱区生物结皮研究奠定研究范式，以期为流域生态水文循环研究提供科学参考。

关键词: 生物结皮, 空间分布, 皇甫川流域, 多光谱遥感, 逐步提取

Abstract:

Bio-crust is a widely distributed ground cover plant in arid and semi-arid regions， which plays an important role in controlling soil erosion and regulating the stability of the ecological environment in the region. Currently， the study of bio-crust mainly focuses on the observation of sample area scale， and the large-scale extraction method based on remote sensing technology has significant deficiencies， which， to some extent， hinders the exploraition of the spatial and temporal changes of bio-crust and their ecohydrological effects. In this study， we take Huangfuchuan， a typical drainage basin in the arid area， as the study area， and consider the complexity and spatial and temporal heterogeneity of the ground cover， and use the synergistic combination of multiple remote sensing indices to construct a remote sensing model based on step-by-step extraction of bio-crust. The method uses a stepwise identification model to extract bare soil， vegetation， and bio-crust pixels， develops 30 m-resolution spatial distribution datasets of bio-crust in the Huangfuchuan drainage basin in a typical arid area， and explores the effects of topography， climate， and land use practices on the spatial distribution of biocrust. The results show that there were significant differences in the thresholds between different vegetation index in the stepwise extraction model of bio-crust in arid regions constructed based on the soil adjusted vegetation index （SAVI）， Modified soil adjusted vegetation Index （MSAVI）， Normalized difference vegetation index （NDVI）， Near-infrared reflectance of vegetation （NIR_V）， and biological soil crusts index （BSCI）. （SAVI<0.13 and ≥0.19； MSAVI<0.11 and ≥0.17； 0≤NDVI<0.44； 0≤NIR_V<0.11； 5.89≤BSCI<7.28）， but the overall accuracy of the model to extract the bio-crust in the arid regions was reliable. The spatial distribution data of bio-crust in Huangfuchuan drainage basin in 2021 were developed， and it was found that the bio-crust in Huangfuchuan drainage basin was widely spread， and the area of bio-crust like element accounted for 21.51% of the total area， and the bio-crust was mainly distributed in the area of grassland， cropland， and other land-use types； There is a high correlation between the spatial distribution of bio-crust and the magnitude of precipitation in each region of the study area， and the larger the precipitation， the more bio-crust are distributed. The focus of this study is to develop a large-scale remote sensing extraction method of bio-crust in arid and semi-arid areas， and to lay down a research paradigm for the study of bio-crust in the Huangfuchuan drainage basin and arid and semi-arid regions， with a view to providing scientific references for the study of ecological and hydrological cycles in the basin.

Key words: bio-crust, spatial distribution, Huangfuchuan drainage basin, multispectral remote sensing, progressive extraction

中图分类号:

TP79

宋志祺, 王晨沣, 刘梦云, 王小平. 干旱半干旱区典型流域生物结皮分布遥感提取方法[J]. 中国沙漠, 2026, 46(2): 131-142.

Zhiqi Song, Chenfeng Wang, Mengyun Liu, Xiaoping Wang. A remote sensing method for extracting bio-crust distribution from a typical watershed in arid and semi-arid areas[J]. Journal of Desert Research, 2026, 46(2): 131-142.

图/表 9

图1 皇甫川流域地理位置注：a、b、c、d分别为流域典型样区；e、f、g分别为代表性区域的生物结皮解译标志

Fig.1 The geographic location of Huangfuchuan drainage basin

图2 研究流程注：BSCI：生物土壤结皮指数；NDVI：归一化差值植被指数；NIRV：新型植被指数（归一化差值植被指数与近红外波段反射率的乘积）；SAVI：土壤调节植被指数；MSAVI：修正型土壤调节植被指数；ISODATA：迭代自组织数据分析算法

Fig.2 Research Flowchart

图3 提取裸土过程中各期望类别数量结果精度统计及指数阈值分割

Fig.3 Precision statistical chart and exponential threshold segmentation chart for the number of expected categories in the process of extracting bare soil

图4 提取植被过程中各期望类别数量结果精度统计及阈值分割

Fig.4 Precision statistical chart and exponential threshold segmentation chart for the number of expected categories in the process of extracting vegetation

图5 提取生物结皮过程中各期望类别数量结果精度统计及阈值分割

Fig.5 Precision statistical chart and exponential threshold segmentation chart for the number of expected categories in the process of extracting bio-crust

图6 生物结皮空间分布

Fig.6 The spatial distribution of bio-crust

图7 流域典型样区注：A、B、C、D分别代表研究区内4个流域典型样区，1、2、3分别表示原始影像、生物结皮在原始影像上的分布情况、生物结皮的空间分布情况

Fig.7 The typical sample areas

图8 生物结皮坡度坡向统计分析注：横线上为降水量占比，横线下为生物结皮占比

Fig.8 Statistical analysis of bio-crust slope and aspect

图9 生物结皮土地利用方式统计分析

Fig.9 Statistical analysis of bio-crust land use types

参考文献 38

[1]	吴玉环，高谦，程国栋.生物土壤结皮的生态功能［J］.生态学杂志，2002，21（4）：41-45.
[2]	张丙昌，武志芳，李彬.黄土高原生物土壤结皮研究进展与展望［J］.土壤学报，2021，58（5）：1123-1131.
[3]	张雨虹，张韶阳，张树煇，等.毛乌素沙地苔藓结皮对沙化土壤性质和细菌群落的影响［J］.土壤学报，2021，58（6）：1585-1597.
[4]	李新荣，张志山，王新平，等.干旱区土壤植被系统恢复的生态水文学研究进展［J］.中国沙漠，2009，29（5）：845-852.
[5]	杨晓晖，张克斌，赵云杰.生物土壤结皮：荒漠化地区研究的热点问题［J］.生态学报，2001，21（3）：474-480.
[6]	李新荣，张元明，赵允格.生物土壤结皮研究：进展、前沿与展望［J］.地球科学进展，2009，24（1）：11-24.
[7]	肖波，赵允格，邵明安.陕北水蚀风蚀交错区两种生物结皮对土壤理化性质的影响［J］.生态学报，2007，27（11）：4662-4670.
[8]	高丽倩，赵允格，秦宁强，等.黄土丘陵区生物结皮对土壤可蚀性的影响［J］.应用生态学报，2013，24（1）：105-112.
[9]	高丽倩，赵允格，秦宁强，等.黄土丘陵区生物结皮对土壤物理属性的影响［J］.自然资源学报，2012，27（8）：1316-1326.
[10]	陈瑶，张科利，罗利芳，等.黄土坡耕地弃耕后土壤入渗变化规律及影响因素［J］.泥沙研究，2005（5）：45-50.
[11]	田园盛，张玥，孙文义，等.黄土高原水蚀风蚀交错区不同类型生物土壤结皮光谱特征［J］.光谱学与光谱分析，2018，38（7）：2215-2220.
[12]	宋丽丽，白中科，樊翔，等.生物土壤结皮对照相法测量植被覆盖度结果的影响［J］.生态学报，2018，38（4）：1272-1283.
[13]	Baxter C， Mallen-Cooper M， Lyons M B，et al.Measuring reflectance of tiny organisms：the promise of species level biocrust remote sensing［J］.Methods in Ecology and Evolution，2021，12（11）：2174-2183.
[14]	张元明，陈晋，王雪芹，等.古尔班通古特沙漠生物结皮的分布特征［J］.地理学报，2005，60（1）：53-60.
[15]	张元明，潘惠霞，潘伯荣.古尔班通古特沙漠不同地貌部位生物结皮的选择性分布［J］.水土保持学报，2004，18（4）：61-64.
[16]	杨伟，陈晋，张元明，等.古尔班通古特沙漠1970-2000年代生物结皮覆盖变化研究［J］.自然资源学报，2006，21（6）：934-941.
[17]	冯秀绒，卜崇峰，郝红科，等.基于光谱分析的生物结皮提取研究：以毛乌素沙地为例［J］.自然资源学报，2015，30（6）：1024-1034.
[18]	杨丽娜，赵允格，明姣，等.黄土高原不同侵蚀类型区生物结皮中蓝藻的多样性［J］.生态学报，2013，33（14）：4416-4424.
[19]	赵河聚，岳艳鹏，贾晓红，等.模拟增温对高寒沙区生物土壤结皮-土壤系统呼吸的影响［J］.植物生态学报，2020，44（9）：916-925.
[20]	Karnieli A.Development and implementation of spectral crust index over dune sands［J］.International Journal of Remote Sensing，1997，18（6）：1207-1220.
[21]	Sun H， Ma X， Liu Y，et al.A New multiangle method for estimating fractional biocrust coverage from sentinel-2 data in arid areas［J］.Ieee Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2024，62：1-15.
[22]	Chen J， Yuan Z M， Wang L，et al.A new index for mapping lichen-dominated biological soil crusts in desert areas［J］.Remote Sensing of Environment，2005，96（2）：165-175.
[23]	李双双，延军平，万佳.近10年陕甘宁黄土高原区植被覆盖时空变化特征［J］.地理学报，2012，67（7）：960-970.
[24]	于红博，杨劼，陈杰.皇甫川流域地表特征参数遥感反演研究［J］.人民黄河，2008，30（4）：5-6.
[25]	喻锋，李晓兵，王宏.生态安全条件下土地利用格局优化：以皇甫川流域为例［J］.生态学报，2014，34（12）：3198-3210.
[26]	田庆久，闵祥军.植被指数研究进展［J］.地球科学进展，1998，13（4）：327-333.
[27]	王正兴，刘闯， Alfredo H.植被指数研究进展：从AVHRR-NDVI到MODIS-EVI［J］.生态学报，2003，23（5）：979-987.
[28]	王敏钰，罗毅，张正阳，等.植被物候参数遥感提取与验证方法研究进展［J］.遥感学报，2022，26（3）：431-455.
[29]	Guo J， Wang X， Liu B，et al.Remote-sensing extraction of small water bodies on the Loess Plateau［J］.Water-Sui，2023，15（5）：866.
[30]	Rodriguez-Caballero E， Belnap J， Büdel B，et al.Dryland photoautotrophic soil surface communities endangered byglobal change［J］.Nature Geoscience，2018，11（3）：185-189.
[31]	范德芹，赵学胜，朱文泉，等.植物物候遥感监测精度影响因素研究综述［J］.地理科学进展，2016，35（3）：304-319.
[32]	李素，李文正，周建军，等.遥感影像混合像元分解中的端元选择方法综述［J］.地理与地理信息科学，2007，23（5）：35-38.
[33]	陈珂，彭志平，柯文德.遥感图像异物同谱干扰消除技术研究与仿真［J］.计算机仿真，2013，30（1）：423-426.
[34]	韩炳宏，牛得草，贺磊，等.生物土壤结皮发育及其影响因素研究进展［J］.草业科学，2017，34（9）：1793-1801.
[35]	房世波，冯凌，刘华杰，等.生物土壤结皮对全球气候变化的响应［J］.生态学报，2008，28（7）：3312-3321.
[36]	van Herk C M， Aptroot A， van Dobben H F.Long-term monitoring in the Netherlands suggests that lichens respond to global warming［J］.The Lichenologist，2002，34（2）：141-154.
[37]	焦雯珺，朱清科，张宇清，等.陕北黄土区退耕还林地生物结皮分布及其影响因子研究［J］.北京林业大学学报，2007，29（1）：102-107.
[38]	赵允格，吉静怡，张万涛，等.黄土高原生物土壤结皮分布时空分异特征［J］.应用生态学报，2024，35（3）：739-748.