廣西草地生物量遙感估測研究
——以灌陽縣為例

湯傳勇劉 敏史莎娜任立研

（1.廣西國土資源規(guī)劃院，廣西 南寧 530022；2.北部灣環(huán)境演變與資源利用教育重點實驗室（廣西師范學院），廣西 南寧 530001）

廣西草地生物量遙感估測研究
——以灌陽縣為例

湯傳勇1劉 敏1史莎娜2任立研1

（1.廣西國土資源規(guī)劃院，廣西 南寧 530022；2.北部灣環(huán)境演變與資源利用教育重點實驗室（廣西師范學院），廣西 南寧 530001）

根據(jù)2012年草地資源調(diào)查數(shù)據(jù)庫成果，結(jié)合2015年土地變更調(diào)查成果，基于遙感衛(wèi)星影像（ZY1和RapidEye）提取灌陽縣的植被指數(shù)，建立野外調(diào)查樣本數(shù)據(jù)和歸一化植被指數(shù)（NDVI）的線性回歸分析模型，估測灌陽縣2015年草地可食鮮草量為49862.75噸，測算灌陽縣草地理論載畜量為38706個羊單位。灌陽縣的草地生物量遙感估測研究，有助于初步摸清畜牧業(yè)發(fā)展?jié)摿?，調(diào)整和優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，推進廣西草食動物的產(chǎn)業(yè)化進程，為廣西草食動物產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃實施提供參考。

草地資源調(diào)查；遙感估測；歸一化植被指數(shù)；灌陽縣

草地生物量代表草地第一性生產(chǎn)的水平，是反應草地狀況最直接的指標[1]。草地遙感科學是一現(xiàn)代遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)與草地科學相聯(lián)系，從而應用于草業(yè)生產(chǎn)全過程的一門新興邊緣學科[2]，與傳統(tǒng)的草地資源調(diào)查相比，遙感監(jiān)測覆蓋范圍廣、更新速度快、精度高、耗費低，能實時動態(tài)監(jiān)測大面積草地資源狀況[3]。

隨著遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外學者對全球草地資源承載力和動態(tài)監(jiān)測方面開展較多的研究和探討。1994年，F(xiàn)riedl等采用Landsat-TM影像和線性遞減模型分析了草地生物量[4]；1998年，Purevdor J T等人利用AVHRR遙感資料計算植被指數(shù)，估測了蒙古國和日本研究區(qū)的草地資源覆蓋率[5]；2001年，吳全等人基于3S技術(shù)構(gòu)建中國西部草地分類地理數(shù)學模型和菜地資源信息系統(tǒng)[6]；2003年，李建龍等人采用3S技術(shù)和生態(tài)系統(tǒng)分析的方法開展了新疆阜康縣草地農(nóng)業(yè)資源動態(tài)監(jiān)測和大面積估產(chǎn)研究[7]。2008年，俞聯(lián)平等人完成了甘肅省甘州區(qū)天然草原草地類型劃分、植被指數(shù)提取、草地產(chǎn)草量估產(chǎn)模型構(gòu)建及生產(chǎn)力評價的研究[8]；2010年，李昀等人采用 TM衛(wèi)星影像，利用歸一化植被指數(shù)構(gòu)建草地產(chǎn)草量估測模型，估測了甘肅省景泰縣的草地生物量[9]；2016年，張存厚等人采用CENTURY模型模擬了內(nèi)蒙古草原1961-2010年間載畜量時空動態(tài)，進行了載畜量與主要氣象因子的相關(guān)分析[10]。2012年廣西草地監(jiān)理中心和廣西國土資源

規(guī)劃院合作開展灌陽縣草地資源調(diào)查，首次采用3S技術(shù)獲取草地資源類型和空間分布[11]。本次以灌陽縣為試點，根據(jù)2015年土地變更調(diào)查成果更新2012年灌陽縣草地資源數(shù)據(jù)庫，開展灌陽縣草地生物量遙感估測研究，為廣西草食動物產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供科學的參考。

1 研究區(qū)概況

灌陽縣地處廣西東北部，東鄰湖南省江永縣，南接廣西恭城縣，西交廣西興安縣，北毗廣西全州縣，位于110°43＇～111°21＇E，25°10＇～25°46＇N。灌陽縣屬中亞熱帶季風氣候，年平均氣溫17.9℃，最高氣溫39℃，最低氣溫-5.8℃，年平均降雨量1538.4毫米?？h域內(nèi)地勢南高北低，均為南北走向，最高峰為天花板山，海拔 630.3m，最低是灌江，海拔240.0m。

2 數(shù)據(jù)源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源

遙感數(shù)據(jù)源：ZY1和RapidEye遙感影像來源于廣西土地變更調(diào)查成果；土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)：來源于廣西土地利用變更調(diào)查成果；灌陽縣草地資源調(diào)查數(shù)據(jù)庫來源于2012年灌陽縣草地資源調(diào)查成果。

2.2 研究方法草地生物量的遙感估算研究方法是利用遙感影像提取含有植物的光譜曲線特征遙感光譜信息，建立與實測草地采樣點的生物量之間的相關(guān)數(shù)學模型，結(jié)合2015年更新的草地資源數(shù)據(jù)庫中草地資源的空間屬性分布信息剔除非草地資源，從而根據(jù)數(shù)據(jù)模型反演估算出不同組別的草地生物量，完成草地載畜量的計算。

2.2.1 提取歸一化植被指數(shù)

植被指數(shù)（Vegetation index,VI）是利用各光譜波段間的線性或非線性組合而形成的反映綠色植被生長狀況和分布的特征指數(shù)。在多種植被指數(shù)中，由于綠色植被在歸一化植被指數(shù)（NDVI）方面表現(xiàn)敏感，所以常用來區(qū)域和全球的植被狀態(tài)研究。歸一化植被指數(shù)（NDVI）是近紅外光波段與紅光波段的反射率差值除以兩者之和。

基于遙感影像的 NDVI 計算公式為：

其中：ρnir為紅外光波段反射率，ρred為紅光波段反射率。

灌陽縣采用2012年的QuickBird遙感影像（0.5m分辨率）。QuickBird衛(wèi)星于2001年10月由美國DigitalGlobe公司發(fā)射，是提供亞米級分辨率的商業(yè)衛(wèi)星之一，其多光譜數(shù)據(jù)由近紅外、紅、綠、藍四波段組成。在遙感軟件ERDAS平臺上，對遙感影像數(shù)據(jù)進行幾何校正和投影變換，通過轉(zhuǎn)換工具對遙感影像進行歸一化植被指數(shù)運算，結(jié)果如圖1所示。

圖1 灌陽縣歸一化植被指數(shù)分布圖

圖2 灌陽縣生物量估測分布圖

2.2.2 建立草地估產(chǎn)模型

利用SPSS19.0統(tǒng)計軟件，根據(jù)野外調(diào)查中草地植被可采食部分鮮重的定位點實測數(shù)據(jù)，結(jié)合樣點對應的草地歸一化植被指數(shù)NDVI值進行線性回歸分析，得到一元回歸方程：y=840.02x-114.19（R2=0.8219，p＜0.01），式中y為草地生物量，x為歸一化植被指數(shù)NDVI值。經(jīng)驗證樣方草地產(chǎn)草量與相應點 NDVI 采樣值的相關(guān)分析，NDVI 與產(chǎn)草量之間存在正相關(guān)，如圖3所示。

圖3 灌陽縣草地生物量和NDVI散點圖

2.2.3 草地生物量的估測

在ArcGIS10.1軟件平臺中，通過Spatial Analyst 模塊中的 Raster Calculator，依據(jù)已建立的草地生物量估產(chǎn)模型空間

反演草地生物量的空間分布數(shù)據(jù)（圖2）。根據(jù)2015年土地變更調(diào)查成果更新 2012年灌陽縣草地資源調(diào)查數(shù)據(jù)庫，獲得2015年灌陽縣草地資源空間分布（圖4），剔除非草地的部分，從而獲得灌陽縣草地生物量分布圖（圖5）。

圖4 灌陽縣2015年草地資源分布圖

圖5 灌陽縣草地生物量估測分布圖

根據(jù)2015年草地資源的類型和空間屬性，疊加分析統(tǒng)計草地生物量估測值（每個柵格單元），得出每個草地類別的草地可食鮮草重量，如表1所示。

表1 灌陽縣草地生物量估算統(tǒng)計表（單位：公頃、噸）

2.2.4 草地載畜量計算

草地載畜量是表示草地自然生產(chǎn)力高低的重要標志之一，反應天然草地的載畜量能力。草地載畜量是指在保持草地生產(chǎn)力的放牧條件下保證家畜正常發(fā)育的狀態(tài)下，一定的草地面積，在一定的利用時間內(nèi)，所承載飼養(yǎng)家畜的頭數(shù)和時間。根據(jù)中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準（NY/T635-2002），采用羊單位來衡量家畜的牧草消費，即1只體重50kg并哺乳半歲以內(nèi)單羔的日消耗1.8kg標準干草量。

草地載畜量計算公式為：

根據(jù)灌陽縣遙感估測的產(chǎn)草量，中亞熱帶熱性草叢和灌草叢類的草地的利用率采用 60%，折合標準干草的折算系數(shù)采用0.85，通過公式計算得到理論上的草地類載畜量為38706個羊單位。

3 結(jié)論和討論

本研究深入挖掘第二次土地調(diào)查成果和草地資源調(diào)查成果的應用，采用3S技術(shù)提取遙感影像的歸一化植被指數(shù)，構(gòu)建植被指數(shù)和草地生物量的線性回歸分析模型，從而迅速有效地測算草地生物量和載畜量，實現(xiàn)精細畜牧業(yè)的開發(fā)和管理，加快草食動物發(fā)展，對于落實科學發(fā)展觀，轉(zhuǎn)變畜牧業(yè)經(jīng)濟發(fā)展方式，調(diào)整和優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，推進廣西草食動物的產(chǎn)業(yè)化進程，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)出率、增加農(nóng)民收入、改善民生都具有十分重要意義，為《廣西草食動物產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》的實施提供了提供科學的決策。

[1] 烏仁花爾.“3S”技術(shù)在草地資源調(diào)查中的應用—以內(nèi)蒙古四子王旗為例[D].呼和浩特∶內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學,2010∶9-14.

[2] 孫家柄.遙感原理與應用[M].武漢∶武漢大學出版社,2003.

[3] 白春華.遙感和GIS在草地資源調(diào)查中的應用—以新巴爾虎右旗為例[D].呼和浩特∶內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學,2002∶7.

[4] Friedl-MA,Michaelson-J et al.Estimating Grassland Biomass and Leaf Area Index Using Ground and Satellite Data[J]. International-Journal-of-Remote-Sensing,1994,15(7)∶1401-1420.

[5] Purevdor J T,Tateisah I R,Ishiyama T,Honda Y. Relationship between Percent Vegetation Cover and Vegetation Indics [J].International Journal of Remote sensing,1998,19(18)∶3519-3535.

[6] 吳全,楊邦杰,張松嶺,等.基于 3S技術(shù)的中國西部草地資源信息系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2001(5)∶142-145.

[7] 李建龍,蔣平,趙德華,等.3S技術(shù)在草地產(chǎn)量生態(tài)成因分析與農(nóng)業(yè)資源估測中的應用研究[J].中國草地,2003(5)∶15-23.

[8] 俞聯(lián)平,程文定,陳興榮,等.基于“3S”技術(shù)的甘肅省甘州區(qū)草地資源調(diào)查與評價[J].中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃,2008(6)∶9-15.

[9] 李昀,俞聯(lián)平,陳興榮,等.基于 3S技術(shù)的景泰縣草地資源現(xiàn)狀評價[J].草業(yè)科學,2010(4)∶64-68.

[10] 張存厚,趙杏花,張麗萍,等.基于CENTURY模型的內(nèi)蒙古草地載畜量時空動態(tài)模擬[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2016(11)∶197-202.

[11] 唐積超,陳興乾,黃蘭珍,等.基于 3S技術(shù)進行草地資源調(diào)查試點工作情況初報[J].廣西畜牧獸醫(yī),2014(6)∶290-292.

Estimation of grassland biomass by remote sensing in Guangxi——A case study of Guanyang County

According to the results of the 2012 survey of grassland resources database, combined with the 2015 land change survey results, based on satellite remote sensing images (ZY1 and RapidEye) extraction of vegetation index in Guanyang County, the establishment of field investigation data and normalized difference vegetation index (NDVI) analysis model of linear regression, estimation of edible forage grass in Guanyang County in 2015 amounted to 49862.75 tons Guanyang County, grassland carrying capacity calculation theory for 38706 sheep units. Study on Grassland Biomass Estimation in Guanyang County, help initially to find out the potential for development of animal husbandry, adjust and optimize the industrial structure of agriculture, and promote the industrialization of Guangxi herbivorous animal, to provide reference for the implementation of Guangxi "13th Five-Year" herbivorous animal industry development planning.

grassland resources survey; remote sensing estimation; normalized difference vegetation index; Guanyang County

S12;TP7

A

1008-1151(2016)10-0024-03

2016-09-10

北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點實驗室系統(tǒng)基金項目（2014BGERLXT06）。

湯傳勇（1985－），男，山東臨沂人，廣西國土資源規(guī)劃院工程師，碩士，從事環(huán)境資源調(diào)查與評價等研究。

史莎娜（1984－），女，湖南常德人，北部灣環(huán)境演變與資源利用教育重點實驗室（廣西師范學院）工程師，碩士，從事環(huán)境演變、資源利用等研究。