喀斯特山地草地資源遙感調(diào)查及常態(tài)化監(jiān)測研究
——以灌陽縣為例

史莎娜，湯傳勇，謝炳庚，劉敏，覃暢文

(1.湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410081；2.廣西師范學(xué)院北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點實驗室，廣西 南寧 530001；3.廣西師范學(xué)院地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣西 南寧 530001；4.廣西國土資源規(guī)劃院，廣西 南寧 530022)

草地資源遙感調(diào)查是應(yīng)用航空和航天遙感信息源，結(jié)合植被、土壤、自然條件等地面資料，完成草地類型的劃分、生產(chǎn)力測定與成圖的草地資源調(diào)查[1]。近30年來，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)多種類型的遙感影像開展了草地類型識別、景觀格局、時空分布特征、綜合順序分類、生產(chǎn)力評估等草地資源方面的研究[2-6]。1998年，Purevdorj等[7]采用NOAA氣象衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)，通過計算植被指數(shù)估算了蒙古國的草地覆蓋率；2000年，Bennouna等[8]采用SPOT衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，通過最大似然法監(jiān)督分類開展了干旱區(qū)草地類型的調(diào)查研究；1993年，劉金祥[9]以甘青寧類型區(qū)為例，介紹了TM影像在草地資源類型調(diào)查與制圖的流程和方法；2005年，蘇大學(xué)等[10]闡述了3S技術(shù)在草地資源調(diào)查中的應(yīng)用和方法；2009年，王春蘭等[11]采用TM遙感影像，開展了烏海市草地資源現(xiàn)狀監(jiān)測并獲得不同草地類型的空間分布；2010年，李昀等[12]采用3S技術(shù)劃分了甘肅景泰縣天然草地類型和空間分布；2012年，孫明等[13]根據(jù)不同草地類型的波段組合特征，利用決策樹分類法對雅魯藏布江源區(qū)草地類型進行遙感識別；2013年，趙鳳杰等[14]通過研究高光譜遙感反射光譜和生物量之間的關(guān)系，開展錫林浩特2種草地類型生產(chǎn)力監(jiān)測；2015年，王磊等[15]采用高分一號衛(wèi)星的影像特征，完成了內(nèi)蒙古自治區(qū)貢格爾草原的草地監(jiān)測研究；2016年，楊淑霞等[16]基于MODIS逐日地表反射率開展了青海省青南地區(qū)草地生長狀況遙感監(jiān)測研究；2016年，曹旭娟等[17]基于植被覆蓋指數(shù)(NDVI)開展了西藏高原草地退化時空分布特征分析研究。

根據(jù)歷年的參考文獻進行統(tǒng)計分析，國內(nèi)學(xué)者的研究區(qū)主要集中在甘肅、西藏、內(nèi)蒙古等西、北方大型草場。南方喀斯特山地草地資源豐富，空間上被地形地貌切割，導(dǎo)致集中連片程度差而難以調(diào)查[18-20]。隨著3S技術(shù)的飛速發(fā)展，利用遙感影像數(shù)據(jù)的草地資源調(diào)查已經(jīng)由科學(xué)研究轉(zhuǎn)入成熟實用的階段，而喀斯特山地草地資源的“碎片化”分布給調(diào)查帶來了較大的難度。自然災(zāi)害和人為活動等因素極易導(dǎo)致草地資源的分布變化，其草地資源調(diào)查成果需要常態(tài)化更新維護。本研究選擇廣西壯族自治區(qū)桂林市灌陽縣為研究區(qū)，耦合數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)、坡度、土壤等數(shù)據(jù)要素，利用面向?qū)ο蠓椒ń庾g高分辨率遙感影像，獲取草地資源的類型、面積及空間分布，挖潛第二次全國土地調(diào)查及年度變更調(diào)查成果在草地資源調(diào)查的應(yīng)用，實現(xiàn)喀斯特山地草地資源的調(diào)查及常態(tài)化監(jiān)測，為草地資源的保護和利用以及畜牧業(yè)合理有序的發(fā)展提供了科學(xué)的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

灌陽縣位于廣西東北部，東鄰湖南省江永縣，南接廣西恭城縣，西靠廣西興安縣，北連廣西全州縣(圖1)。地理坐標(biāo)為 110°43′-111°21′ E，25°10′-25°46′ N。灌陽縣地處都龐嶺、海洋山之間(圖2)，東、南、西三面群山環(huán)繞、地形狹長、南高北低，北部為喀斯特峰叢地貌，中部是南北走向的盆地，灌江川流而過。灌陽縣屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候，光熱豐富，雨量充沛，年均氣溫17.9 ℃，最高氣溫39.0 ℃，最低氣溫-5.8 ℃，年平均降水量1552 mm。土壤類型主要為潴育型水稻土、黃壤、紅壤、紫色土、石灰性土、自然土、山地草甸土和河流潮沙泥土等。1979-1986年，在中國科學(xué)院自然資源綜合考察委員會南方草場調(diào)查科技辦公室的指導(dǎo)下，廣西壯族自治區(qū)開展第1次草地資源普查[21-22]，獲得熱性草叢類、熱性灌草叢類、熱性稀樹灌草叢類以及零星草地等類型和面積。

圖1 灌陽縣位置示意 Fig.1 Location of Guanyang county

圖2 灌陽縣DEM Fig.2 DEM of Guanyang county

1.2 數(shù)據(jù)源

主要數(shù)據(jù)來源：1)基礎(chǔ)地理信息和1∶10000正射影像圖，來源于第二次全國土地調(diào)查成果；2)2012年和2016年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，來源于第二次全國土地調(diào)查年度變更調(diào)查成果；3)遙感數(shù)據(jù)，訂購于南方數(shù)碼公司，其中Worldview-Ⅰ，全色影像，0.5 m分辨率，購買1710 km2，云量為2%，接收時間分別為2011年11月14日和2011年6月29日；Worldview-Ⅱ，多光譜影像，0.5 m分辨率，購買386 km2，云量為1%，接收時間為2011年12月22日；4)DEM(30 m)，來源于中國科學(xué)院數(shù)據(jù)云；5)土壤分布圖，來源于廣西土壤肥料工作站；6)第1次草地資源普查資料，來源于廣西草地監(jiān)理中心。

1.3 空間參照系統(tǒng)

平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用“1980西安坐標(biāo)系”，高程系統(tǒng)采用“1985國家高程基準(zhǔn)”，投影系統(tǒng)采用高斯-克呂格投影，3°分帶，中央子午線為111°。

1.4 草地分類

本次草地資源遙感調(diào)查的草地分類系統(tǒng)采用20世紀(jì)80年代全國統(tǒng)一草地資源調(diào)查的草地分類系統(tǒng)[23]，即《中國草地類型的劃分標(biāo)準(zhǔn)和中國草地類型分類系統(tǒng)》，是以草地植被為主要分類因素，結(jié)合郁閉度程度為輔的分類標(biāo)準(zhǔn)；第二次全國土地調(diào)查土地利用現(xiàn)狀分類(GB/T21010-2007)以土地利用方式為主要分類因素。通過二級地類的含義、郁閉度程度、植被特征等多個方面構(gòu)建兩種分類的對應(yīng)關(guān)系，將灌陽縣草地資源分類和第二次全國土地調(diào)查土地利用現(xiàn)狀二級分類形成以下對應(yīng)關(guān)系(表1)。

1.5 研究方法

1.5.1遙感影像處理 1)影像糾正:在ERDAS 2014軟件中，以第二次全國土地調(diào)查成果的1∶10000正射影像圖為地理參考，采用多項式變換模型(Polynomial)的二次多項式變換糾正，以 0.5 m的分辨率重采樣Worldview-Ⅰ和Worldview-Ⅱ遙感影像。

表1 草地資源分類與第二次全國土地調(diào)查地類的對應(yīng)關(guān)系Table 1 The corresponding relationship between grassland resources classification and the second national land survey

2)遙感解譯:在ArcGIS 10.1軟件中，根據(jù)2012年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)篩選可能存在草地資源的地類(有林地、其他林地、其他草地、裸地等)疊加遙感影像制作外業(yè)調(diào)查底圖，制定調(diào)查路線進行野外調(diào)繪，建立遙感解譯標(biāo)志；本研究采用面向?qū)ο蠓椒ń庾g獲取草地圖斑，即以每個地物作為一個對象單元，根據(jù)其光譜和紋理等屬性來分割遙感影像，形成具有相同對象特征的“同質(zhì)”圖斑，采用監(jiān)督分類或者規(guī)則分類提取解譯圖斑[24]。在ENVI 5.1中對比分析10、20和30等3種影像分割尺度參數(shù)的結(jié)果，顯示參數(shù)10的分割結(jié)果較好反映喀斯特山地草地的零星分布特征，采用監(jiān)督分類中K近鄰法分類提取分割后的草地圖斑。疊加分析DEM、坡度、土壤和初步解譯的草地圖斑，進一步提純草地資源矢量圖斑。通過開展野外調(diào)繪、校核草地圖斑所反映的草地類型，遙感解譯的總體精度達到87%。

1.5.2草地資源調(diào)查數(shù)據(jù)庫建設(shè) 參考《第二次全國土地調(diào)查技術(shù)規(guī)程(TD/T 1014-2007)》的數(shù)據(jù)庫建設(shè)技術(shù)規(guī)范，建設(shè)《灌陽縣草地資源調(diào)查數(shù)據(jù)庫》。草地資源調(diào)查數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容主要包括基礎(chǔ)地理信息、土地利用、草地資源、柵格數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)等信息。

1.5.3草地資源成果更新 根據(jù)第二次土地調(diào)查分類與草地資源調(diào)查分類的對應(yīng)關(guān)系，通過2012-2016年土地利用變更調(diào)查監(jiān)測圖斑核實因土地類型改變導(dǎo)致的草地資源的變化情況，判讀2016年變更調(diào)查遙感影像(SPOT6、SPOT7和BJ2)，經(jīng)外業(yè)抽查后更新《灌陽縣草地資源調(diào)查數(shù)據(jù)庫》，實現(xiàn)草地資源的常態(tài)化監(jiān)測管理。

2 結(jié)果與分析

2.1 2012年草地資源調(diào)查成果

綜合2012年土地利用現(xiàn)狀、DEM、坡度、土壤等資料，通過遙感影像解譯獲得3個類別、6個組別的草地資源(圖3)，面積合計20829.42 hm2(表2)。

1)熱性草叢類，包含山地草叢組和石山草叢組，其中山地草叢組面積為636.44 hm2，分布在海洋山和都龐嶺，海拔為500～1500 m，坡度分布在15°～35°，土壤類型主要為紅壤和黃壤；石山草叢組面積為74.65 hm2，主要分布在北部喀斯特峰叢地區(qū)，石灰?guī)r裸露明顯，海拔為200～500 m，各級坡度均有分布，土壤類型主要為石灰性土和紅壤。

2)熱性灌草叢類，包含山地灌草叢組和石山灌草叢組，其中山地灌草叢組面積為14051.48 hm2，分布在海洋山、都龐嶺和北部的喀斯特峰叢地區(qū)，海拔為500～1200 m，坡度分布在20°～40°，土壤類型主要為黃壤、紅壤、紫色土和自然土；石山灌草叢組面積為2195.28 hm2，分布在北部喀斯特峰叢地區(qū)和灌江兩側(cè)的低山，海拔為200～500 m，土壤類型主要為石灰?guī)r化黃壤、石灰性土和自然土。

3)熱性稀樹灌草叢類，包含山地稀樹灌草叢組和石山稀樹灌草叢組，其中山地稀樹灌草叢組面積為3811.45 hm2，分布在海洋山、都龐嶺和北部的喀斯特峰叢地區(qū)，海拔為500～2000 m，坡度分布在15°～35°，土壤類型主要為沙頁巖黃壤和自然土；石山稀樹灌草叢組面積為60.12 hm2，分布在北部的喀斯特峰叢地區(qū)，海拔為200～500 m，土壤類型主要為石灰性土和自然土。

2.2 2016年草地資源更新成果

根據(jù)2012-2016年土地變更調(diào)查監(jiān)測圖斑和2016年遙感影像(圖4)，分析判斷因?qū)嵉亟ㄔO(shè)、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和耕地開墾等引起草地資源的變化，更新《灌陽縣草地資源調(diào)查數(shù)據(jù)庫》。2016年，灌陽縣草地資源面積為20744.18 hm2，其中熱性草叢類面積為7109.92 hm2，熱性灌草叢類面積為16184.28 hm2，熱性稀樹灌草叢類面積為3849.98 hm2(表2)。

圖3 灌陽縣2012年草地資源分布Fig.3 Distribution of grassland resources in 2012

圖4 灌陽縣2016年草地資源分布Fig.4 Distribution of grassland resources in 2016

2.3 草地資源動態(tài)變化分析

1)2012年草地資源遙感調(diào)查面積比1986年第1次草地資源普查減少32125.05 hm2。從草地類型分析：熱性草叢類面積急劇減少，熱性灌草叢類面積有所增加，新增石山草叢組、山地稀樹灌草叢組和石山稀樹灌草叢組，丘陵草叢組和丘陵稀樹灌草叢組消失，零星草地因為面積較小、地物特征復(fù)雜而難以解譯。草地資源面積減少的原因：一是第1次草地資源普查(1979-1986年)和草地資源遙感調(diào)查方法的不同造成調(diào)查結(jié)果存在差異。二是受經(jīng)濟利益驅(qū)使導(dǎo)致大量開墾荒山種植速生桉樹和果樹，凍雨、暴雨、山體滑坡等自然災(zāi)害等原因造成草地資源的減少。

2)2012-2016年間，草地資源面積減少85.24 hm2，主要是扶貧生態(tài)移民搬遷安置等建設(shè)活動和未利用地開墾等人為因素，以及山體滑坡等自然災(zāi)害原因造成草地資源面積減少。

表2 灌陽縣草地資源調(diào)查和更新Table 2 Investigation and renewal of grassland resources in Guanyang county (hm2)

3 討論

目前草地資源遙感調(diào)查的研究都是基于像元的影像解譯分類方式，主要歸納為兩大類。一類是采用遙感影像的目視解譯方法，輔助參考土地利用現(xiàn)狀圖、地形圖、地貌圖、土壤圖和植被圖等數(shù)據(jù)，根據(jù)影像特征人工勾繪出草地類型界線[2-12]；另一類是采用監(jiān)督或非監(jiān)督分類方法，根據(jù)遙感影像地物光譜特征和不同草地類型的波段組合，提取草地資源的類型和分布[13-15]。隨著SPOT5、IKONOS、QuickBird、Worldview-Ⅰ、Worldview-Ⅱ、GeoEye-1等高分辨率遙感影像的大量出現(xiàn)，面向?qū)ο笥跋穹治雠c信息提取技術(shù)已成為高分辨率遙感影像主流的解譯方式，但是還未應(yīng)用于草地資源遙感調(diào)查的研究。

傳統(tǒng)的基于像元的遙感解譯方法難以有效的實現(xiàn)喀斯特山地草地資源遙感調(diào)查。本研究根據(jù)第1次草地資源普查成果獲得的各種草地類型的生長環(huán)境特征，采用高分辨率遙感影像及面向?qū)ο蟮倪b感解譯方法，疊加DEM、坡度和土壤等空間矢量數(shù)據(jù)，從而獲得熱性草叢類、熱性灌草叢類和熱性稀樹灌草叢類等3類草地資源的面積及空間分布，實現(xiàn)了喀斯特山地草地資源遙感調(diào)查。對比傳統(tǒng)的基于像元的遙感解譯方法，面向?qū)ο蟮姆椒ㄓ行樟烁叻直媛蔬b感影像豐富的光譜、形狀、紋理等特征，輔助每種草地類型分布的海拔、坡度和土壤等生長環(huán)境特征要素，實現(xiàn)了多要素的解譯判斷，進一步提升了遙感解譯精度。另外，草地資源遙感調(diào)查的研究區(qū)主要集中在西、北方大型草場，而喀斯特山區(qū)草地資源豐富但因其分布零散而缺乏關(guān)注，影像分辨率的提高和面向?qū)ο蠓椒ǖ氖褂脤⑹箍λ固厣絽^(qū)的草地資源成為研究熱點。

4 結(jié)論

通過綜合第二次全國土地利用調(diào)查土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、DEM、坡度和土壤等資料，采用面向?qū)ο蠓椒ń庾g灌陽縣高分辨率遙感影像，獲得熱性草叢類、熱性灌草叢類和熱性稀樹灌草叢類等3類草地資源的面積及空間分布，實現(xiàn)了喀斯特山地草地資源遙感調(diào)查。借助第二次全國土地調(diào)查成果的年度變更調(diào)查成果實現(xiàn)了對草地資源調(diào)查成果的更新，保持了草地資源調(diào)查成果的現(xiàn)勢性，節(jié)減單獨開展草地資源調(diào)查成果更新的成本，實現(xiàn)了草地資源的常態(tài)化監(jiān)測，為畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供堅實的數(shù)據(jù)保障。

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