新疆瑪納斯河流域草地生產(chǎn)力遙感監(jiān)測(cè)研究

吐?tīng)栠d·艾山，吐熱尼古麗·阿木提，李 靜，田 源

(1.新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)資源區(qū)劃辦公室，新疆 烏魯木齊 830004；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遙感應(yīng)用中心 烏魯木齊分中心，新疆 烏魯木齊 830004；3.新疆師范大學(xué) 地理與科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054)

草地是陸地植被的重要組成部分，是畜牧業(yè)賴以存在和發(fā)展的基礎(chǔ)。在全球變化研究中，草地生態(tài)系統(tǒng)被列為重要的研究對(duì)象[1]。全球草地資源總面積為67.17億hm2，占世界陸地總面積的52.17%[2-3]。我國(guó)草原面積近4億hm2，是世界上第二大草地資源國(guó)[2-4]。新疆天然草地面積約5 725.87萬(wàn)hm2，可利用面積4 800.68萬(wàn)hm2，是全國(guó)四大牧區(qū)之一[5-6]。以草地為資源經(jīng)營(yíng)的畜牧業(yè)是新疆農(nóng)業(yè)的基本組成部分[7]。目前，新疆的草地資源在過(guò)度放牧、不合理的土地利用、干旱等自然及人為因素影響下，面臨著草原植被生物量減少和覆蓋度降低、生產(chǎn)力嚴(yán)重下降、牧草質(zhì)量下降、草地載畜量普遍降低等嚴(yán)重問(wèn)題[8]。因此，及時(shí)準(zhǔn)確估測(cè)草地植被生物量和生產(chǎn)力是草地資源管理的重要課題，對(duì)于科學(xué)利用和開(kāi)發(fā)草地資源，改良和保護(hù)草地等具有重要意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者早在20世紀(jì)初就開(kāi)始了對(duì)草原的研究[9]，自20世紀(jì)60年代遙感技術(shù)出現(xiàn)以后，眾多遙感平臺(tái)已被廣泛地運(yùn)用于草地資源研究中[10]。

之前已有許多研究者利用遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)對(duì)我國(guó)草地資源及產(chǎn)草量情況進(jìn)行了研究[11-15]。當(dāng)前，在草原遙感領(lǐng)域內(nèi)，主要使用的數(shù)據(jù)源為美國(guó)的NOAA AVHRR、EOS MODIS、Landsat TM/ETM和法國(guó)的SPOT Vegetation等，國(guó)內(nèi)在高空間分辨率遙感衛(wèi)星草原應(yīng)用方面開(kāi)展的研究相對(duì)較少。本研究利用GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)及定量評(píng)價(jià)了新疆瑪納斯河流域草地生產(chǎn)力狀況，旨在促進(jìn)GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)在新疆草地生產(chǎn)力估測(cè)方面的應(yīng)用，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)主管部門提供及時(shí)、準(zhǔn)確的農(nóng)情信息服務(wù)。

1 研究區(qū)及其數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)瑪納斯河流域位于新疆維吾爾自治區(qū)準(zhǔn)噶爾盆地南緣，地理位置在東經(jīng)43°08′52.8″～45°19′51.6″、北緯85°01′15.6″～87°07′40.8″。行政區(qū)范圍包括沙灣縣、瑪納斯縣、呼圖壁縣、石河子市，以及在沙灣和瑪納斯兩縣境內(nèi)的新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)八師(19個(gè)農(nóng)牧團(tuán)場(chǎng)、鄉(xiāng))和農(nóng)六師的新湖農(nóng)場(chǎng)[16-17]，東西長(zhǎng)為161 km，南北長(zhǎng)為242 km，總面積為3.61萬(wàn)km2。研究區(qū)年均氣溫8.4 ℃，年蒸發(fā)量1 700～2 200 mm，年降水量110～200 mm，屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候區(qū)[18]。

研究區(qū)草地分成了高寒草甸類、高寒草原類、溫性荒漠草原類、溫性荒漠類、溫性草甸草原類、溫性草原類、山地草甸類和低地草甸類等，主要有半灌木、小禾草、中生雜草和密叢禾草等植被，是新疆重要的草地畜牧業(yè)生產(chǎn)基地之一。人口的迅速增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，以及長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)草地資源的粗放式經(jīng)營(yíng)，重利用、輕建設(shè)、輕管理，使得該地區(qū)草原存在著過(guò)度放牧，部分地區(qū)退化嚴(yán)重的情況。因此，對(duì)這一區(qū)域進(jìn)行草地遙感監(jiān)測(cè)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1.2 數(shù)據(jù)源

本研究通過(guò)野外調(diào)查及資料收集所得到的主要數(shù)據(jù)有：國(guó)家基礎(chǔ)地理中心提供的1∶100萬(wàn)比例尺不同草地類型矢量數(shù)據(jù)；研究區(qū)2013年7月31日、2014年7月19日GF-1衛(wèi)星16 m分辨率多光譜數(shù)據(jù)；1∶10萬(wàn)土地利用和土壤類型圖；研究區(qū)DEM及一些社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料；研究區(qū)2011—2013年的草原動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、圖片、監(jiān)測(cè)報(bào)告等資料；草原資源開(kāi)發(fā)利用、保護(hù)、放牧狀況等資料；研究區(qū)2013年7月15—25日和2014年7月15—25日樣點(diǎn)鮮草質(zhì)量數(shù)據(jù)；草地長(zhǎng)勢(shì)照片庫(kù)。

2 數(shù)據(jù)處理及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)處理

2.1.1 野外數(shù)據(jù)采集及處理

本研究中，遙感數(shù)據(jù)和地面采樣分析數(shù)據(jù)是相輔相成的。因此，2013年7月15—25日和2014年7月15—25日根據(jù)研究區(qū)域遙感影像的波譜特征及研究區(qū)內(nèi)代表性區(qū)域選擇樣方進(jìn)行調(diào)查。研究區(qū)內(nèi)設(shè)置草地樣地26個(gè)，各種草地樣地內(nèi)的樣方總數(shù)為234個(gè)。在野外調(diào)查過(guò)程中，對(duì)植被密度、高度、頻度、地上生物量等指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定，并記錄每個(gè)樣方的經(jīng)緯度，樣方內(nèi)植物種數(shù)、一年生植物比例、樣地結(jié)皮狀況等信息；對(duì)每個(gè)樣方割草稱取鮮草質(zhì)量，并基于Excel軟件，對(duì)地面采集數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和匯總。

2.1.2 遙感圖像的處理

憑借ENVI、ERDAS、ArcGIS等軟件對(duì)研究區(qū)兩年GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行了輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何精校正和鑲嵌、裁切等處理。GF-1衛(wèi)星各載荷的絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)來(lái)源于中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心。

2.2 研究方法

本研究以新疆典型草原區(qū)瑪納斯河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，在“3S”技術(shù)支持下，以研究區(qū)GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)、野外調(diào)查獲得的地面實(shí)測(cè)鮮草質(zhì)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合土地利用圖和長(zhǎng)期積累的其他社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，構(gòu)建遙感觀測(cè)(植被指數(shù))與地面觀測(cè)(樣方鮮草質(zhì)量)之間的多種相關(guān)模型，來(lái)探討GF-1數(shù)據(jù)在草地生產(chǎn)力估測(cè)方面的應(yīng)用研究?？傮w技術(shù)路線見(jiàn)圖1。

圖1 草地生產(chǎn)力估測(cè)技術(shù)路線

3 草地生產(chǎn)力模型構(gòu)建及精度分析

3.1 NDVI值的計(jì)算

利用ENVI 5.1軟件，對(duì)研究區(qū)2013年7月31日和2014年7月19日GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行波段運(yùn)算，并提取研究區(qū)NDVI影像圖，根據(jù)地面樣點(diǎn)的經(jīng)緯度，在對(duì)應(yīng)的NDVI影像圖中利用GIS技術(shù)提取每個(gè)采樣點(diǎn)的NDVI值，建立地面樣方生產(chǎn)力和對(duì)應(yīng)的NDVI值的數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2 模型構(gòu)建

草地生產(chǎn)力指單位面積的草地在生長(zhǎng)季累計(jì)生長(zhǎng)的牧草總收獲量，即草地能夠生產(chǎn)產(chǎn)品的能力。草地生產(chǎn)力的遙感監(jiān)測(cè)主要利用植被指數(shù)與綠色生物量的關(guān)系，結(jié)合地面樣方調(diào)查數(shù)據(jù)建立遙感—地面相結(jié)合的統(tǒng)計(jì)估產(chǎn)模型。

首先，根據(jù)地面樣點(diǎn)的采樣時(shí)間和經(jīng)緯度，在對(duì)應(yīng)時(shí)間的NDVI影像圖中利用GIS技術(shù)提取每個(gè)采樣點(diǎn)的NDVI均值，建立地面樣方生產(chǎn)力和對(duì)應(yīng)的NDVI值的數(shù)據(jù)庫(kù)。然后，利用研究區(qū)地面樣方鮮草質(zhì)量數(shù)據(jù)，與影像上對(duì)應(yīng)的NDVI值分別建立線性、對(duì)數(shù)、指數(shù)、多項(xiàng)式、冪函數(shù)估算模型。選取40個(gè)樣方參與構(gòu)建模型，具體模型見(jiàn)表1。另選23個(gè)樣方進(jìn)行精度驗(yàn)證。

表1 2014年草地生產(chǎn)力估算模型(n=40)

決定系數(shù)(R2)也稱擬合優(yōu)度，表征因變數(shù)Y的變異中有多少百分比可由控制的自變數(shù)X來(lái)解釋。其意義在于，決定系數(shù)越大，自變量對(duì)因變量的解釋程度越高，自變量引起的變動(dòng)占總變動(dòng)的百分比越高。為此，我們借助決定系數(shù)作為模型挑選和模型能否廣泛應(yīng)用的依據(jù)。

從表1中可以看出，參與構(gòu)建模型的40個(gè)樣方的實(shí)測(cè)生物量與遙感圖像對(duì)應(yīng)像元的NDVI值之間呈正相關(guān)關(guān)系，各回歸模型(線性、對(duì)數(shù)、指數(shù)、多項(xiàng)式、冪函數(shù))方程的決定系數(shù)都達(dá)到了極顯著水平，因此可以認(rèn)為，利用NDVI值來(lái)建立草地生物量遙感監(jiān)測(cè)模型是可行的。

3.3 草地生產(chǎn)力的估測(cè)及精度檢驗(yàn)

3.3.1 草地生產(chǎn)力的估測(cè)

利用以上3個(gè)較優(yōu)的草地生產(chǎn)力估測(cè)模型(指數(shù)模型、冪函數(shù)模型、多項(xiàng)式模型)，對(duì)研究區(qū)2013年和2014年草地生產(chǎn)力狀況進(jìn)行反演，得到了研究區(qū)草地生產(chǎn)力反演結(jié)果圖(圖略)。從結(jié)果圖中可以看出，反演的草地生物量狀況與研究區(qū)實(shí)際情況比較吻合。

3.3.2 精度檢驗(yàn)

為保證通過(guò)本模型所得到的研究區(qū)草地生產(chǎn)力反演數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及滿足在大面積區(qū)域、不同年際間廣泛應(yīng)用，我們對(duì)初步選定的3個(gè)模型(多項(xiàng)式模型、指數(shù)模型、冪函數(shù)模型)的草地生產(chǎn)力反演結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)。根據(jù)采用指數(shù)模型、冪函數(shù)模型、多項(xiàng)式模型所得到的研究區(qū)2013、2014年草地生產(chǎn)力反演數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)年份野外調(diào)查得到的地面鮮草質(zhì)量數(shù)據(jù)，對(duì)研究區(qū)草地生產(chǎn)力反演結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 草地生產(chǎn)力模型反演精度驗(yàn)證(n=23)

從表2可以看出，2013年指數(shù)模型、多項(xiàng)式模型、冪函數(shù)模型所反演的草地生產(chǎn)力數(shù)據(jù)與野外調(diào)查得到的地面鮮草質(zhì)量數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.802 4、0.830 2、0.864 3，3個(gè)模型的反演結(jié)果都達(dá)到了0.8以上，其中冪函數(shù)的相關(guān)系數(shù)最高；2014年指數(shù)模型、多項(xiàng)式模型、冪函數(shù)模型的相關(guān)系數(shù)分別為0.610 7、0.616 0、0.834 3，同樣是冪函數(shù)的相關(guān)系數(shù)最高，且通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)，指數(shù)模型和多項(xiàng)式模型的檢驗(yàn)精度較低。這3種模型中，冪函數(shù)模型反演的結(jié)果精度最高、穩(wěn)定性最強(qiáng)，因此能夠廣泛應(yīng)用的模型為冪函數(shù)模型y=1 546.1x1.946 6。

4 結(jié) 論

本研究利用研究區(qū)GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)和野外調(diào)查數(shù)據(jù)，采用“3S”技術(shù)，以草地為監(jiān)測(cè)對(duì)象，構(gòu)建了遙感觀測(cè)(植被指數(shù))與地面觀測(cè)(樣方生產(chǎn)力)之間的多種草地生產(chǎn)力監(jiān)測(cè)模型，并選取最優(yōu)草地生產(chǎn)力監(jiān)測(cè)模型對(duì)研究區(qū)草地生產(chǎn)力進(jìn)行了估算，同時(shí)，利用地面觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型精度進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)果如下：

(1)利用研究區(qū)2014年地面樣方鮮草質(zhì)量數(shù)據(jù)與影像上對(duì)應(yīng)的NDVI值之間的關(guān)系建立了線性、對(duì)數(shù)、指數(shù)、多項(xiàng)式、冪函數(shù)估算模型，結(jié)果顯示，這5個(gè)回歸模型方程的決定系數(shù)都達(dá)到了極顯著水平，生物量與NDVI值之間呈正相關(guān)關(guān)系，因此可以認(rèn)為，利用NDVI來(lái)建立草地生物量遙感監(jiān)測(cè)模型是可行的。

(2)通過(guò)草地生產(chǎn)力估測(cè)模型所得到的生產(chǎn)力與實(shí)測(cè)生產(chǎn)力之間的回歸結(jié)果顯示，多項(xiàng)式模型、指數(shù)模型、冪函數(shù)模型的決定系數(shù)較高。因此，這3種模型是估測(cè)草地生產(chǎn)力的較佳模型。

(3)草地生產(chǎn)力估測(cè)模型(指數(shù)模型、冪函數(shù)模型、多項(xiàng)式模型)的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，冪函數(shù)模型反演的結(jié)果精度最高、穩(wěn)定性最強(qiáng)，是能夠廣泛應(yīng)用的模型。

(4)從利用3個(gè)較優(yōu)草地生產(chǎn)力估測(cè)模型(指數(shù)模型、冪函數(shù)模型、多項(xiàng)式模型)得到的研究區(qū)2013年和2014年草地生產(chǎn)力反演結(jié)果可以看出，研究區(qū)溫性草甸草原類、溫性草原類、山地草甸類分布區(qū)域的生產(chǎn)力最高，溫性荒漠類分布區(qū)域的生產(chǎn)力最低，這符合研究區(qū)實(shí)際情況。

(5)本研究揭示了研究區(qū)草地生物量的空間分布特征和生產(chǎn)力狀況，研究成果可為該區(qū)域合理利用和保護(hù)草地資源、維護(hù)草原生態(tài)平衡提供科學(xué)依據(jù)，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)、管理、決策提供技術(shù)信息支持服務(wù)。

5 討 論

(1)利用遙感技術(shù)對(duì)草地生產(chǎn)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)的研究已較成熟，但高分辨率數(shù)據(jù)大多依賴于外國(guó)。本研究通過(guò)使用我國(guó)自主研發(fā)的GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行草地生產(chǎn)力監(jiān)測(cè)研究，得到了很好的效果，明確了GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以應(yīng)用在農(nóng)牧業(yè)領(lǐng)域。

(2)本研究對(duì)草地生產(chǎn)力的監(jiān)測(cè)研究是通過(guò)建立回歸方程模型并逐步篩選，最終獲取目標(biāo)模型的。本研究回歸方程精度檢驗(yàn)數(shù)據(jù)量少，在今后的監(jiān)測(cè)中需要選擇典型樣區(qū)與足夠數(shù)量采樣樣本對(duì)所建立的草地生產(chǎn)力模型進(jìn)行驗(yàn)證。

(3)本研究的草地生產(chǎn)力模型是基于GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)和地面樣方數(shù)據(jù)建立的估測(cè)模型，能較好地反映草地生產(chǎn)力狀況。當(dāng)然，植被的地域性特點(diǎn)也使得本模型在其他地區(qū)使用時(shí)，不一定能夠真實(shí)地反映地物現(xiàn)狀。因此，本研究的草地生產(chǎn)力監(jiān)測(cè)模型是否適合于其他區(qū)域的草地生產(chǎn)力監(jiān)測(cè)，還需要在以后的研究和應(yīng)用推廣中進(jìn)一步核實(shí)。