基于采樣的草地生物量估算空間插值方法比較研究

李冬 汪傳建 王偉強(qiáng)

摘要：隨著空間插值的廣泛應(yīng)用，不同的插值方法因不同的研究目的、對(duì)象和地區(qū)而產(chǎn)生不同的效果。為了監(jiān)測(cè)、合理利用天然草地資源，利用研究區(qū)2016年4—6月野外采集的262條天然草地生物量數(shù)據(jù)，采用克里金法、反距離權(quán)重法、樣條函數(shù)法和趨勢(shì)面法分別對(duì)研究區(qū)草地生物量進(jìn)行空間插值研究，對(duì)比分析不同插值方法對(duì)天然草地生物量的評(píng)估準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，反距離權(quán)重法誤差相對(duì)較小，效果較好，比較適用于草地生物量空間分布的插值研究。與規(guī)則樣條函數(shù)法的插值結(jié)果相比，反距離權(quán)重法的平均絕對(duì)誤差降低48.19%，平均相對(duì)誤差降低40.763 9百分點(diǎn)，平方根誤差降低58.41%。該結(jié)果可以為后續(xù)研究工作提供一定的參考，為相關(guān)部門對(duì)草地生物量分布信息的監(jiān)測(cè)提供一定的計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：草地;生物量;空間插值;反距離權(quán)重法

中圖分類號(hào)： S812 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2019）02-0206-04

草地是生長(zhǎng)草本和灌木植物為主并適宜發(fā)展畜牧業(yè)生產(chǎn)的土地。在地球上所有陸地生態(tài)系統(tǒng)中，分布最廣的生態(tài)系統(tǒng)類型之一是草地生態(tài)系統(tǒng)，在全球陸地面積中，草地面積占20%左右，草地生態(tài)系統(tǒng)在全球的氣候調(diào)節(jié)以及碳循環(huán)過(guò)程中發(fā)揮著極其重要的作用[1-2]。天然草地的凈初級(jí)生產(chǎn)力約占總陸地植被生產(chǎn)力的20%，年均固碳量約為5×108 t[3]。草地生物量客觀地反映了草地固碳能力和草地載畜量大小[4]。新疆是我國(guó)五大牧區(qū)之一，在“三山夾兩盆”的周圍有大量的優(yōu)良牧場(chǎng)，有0.57億hm2的天然草地，可利用的天然草地面積達(dá)到0.48億hm2，占全國(guó)可利用面積的20.2%，僅次于內(nèi)蒙古和西藏等地區(qū)，居全國(guó)第3位。而目前新疆各地區(qū)各個(gè)類型的草地都有著不同程度的退化，退化面積為可利用草地面積的20%～80%，嚴(yán)重退化的草地約有466.67萬(wàn)hm2，草地退化已成為新疆不容忽視的問(wèn)題之一[5]。準(zhǔn)確評(píng)估天然草地的生物量分布，既是合理開發(fā)和利用草地的基礎(chǔ)，也對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)具有重要意義[6]。

近些年，國(guó)內(nèi)外許多研究學(xué)者在草地生物量方面開展了大量的深入研究。羅玲等利用MODIS遙感數(shù)據(jù)獲得植被指數(shù)，并結(jié)合草地地面實(shí)測(cè)的生物量數(shù)據(jù)，研究了草地地上生物量的空間分布[7-9];Kawamura等通過(guò)研究利用MODIS 遙感數(shù)據(jù)獲得的歸一化植被指數(shù)與草地地上生物量之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，兩者之間存在顯著的相關(guān)性[10];Ni利用我國(guó)草地資源數(shù)據(jù)集[11]提供的產(chǎn)草量數(shù)據(jù)估算了我國(guó)草地地上生物量[12];劉占宇等利用高光譜數(shù)據(jù)分別對(duì)內(nèi)蒙古錫林郭勒盟和甘南草原的天然草地生物量估算模型進(jìn)行研究[13-14];王新云等利用雷達(dá)數(shù)據(jù)的全極化RADARSAT-2 C波段和圖像HJ1B，同時(shí)結(jié)合野外實(shí)地獲得的生物量數(shù)據(jù)，估算了荒漠草原人工檸條灌木林地上生物量[4];解平靜利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的回歸模型，結(jié)合光學(xué)遙感數(shù)據(jù)，建立了研究區(qū)的植被地上生物量遙感估算模型[15];張小琪利用環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星，即HJ-1A/B影像數(shù)據(jù)和88個(gè)野外典型草地生物量的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行影像數(shù)據(jù)和采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)兩者的相關(guān)性分析，建立了草地生物量遙感估算模型[16]。而對(duì)于如何通過(guò)實(shí)地采樣數(shù)據(jù)直接分析草地生物量分布，從目前查閱到的文獻(xiàn)資料來(lái)看，相關(guān)研究甚少。因此，有必要基于近期的實(shí)地采樣數(shù)據(jù)直接對(duì)草地生物量的空間分布進(jìn)行研究。

為了研究常用插值方法對(duì)草地生物量插值結(jié)果的影響，本研究利用2016年4—6月的262條天然草地實(shí)地采樣數(shù)據(jù)，采用普通克里金法、泛克里金法、反距離權(quán)重法、樣條函數(shù)法和趨勢(shì)面法分別對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行插值分析，通過(guò)插值試驗(yàn)比較幾種常用的空間插值方法對(duì)生物量空間分布的插值精度，以期探明研究區(qū)生物量的空間分布情況。

1 數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)151團(tuán)的紫泥泉牧場(chǎng)。該牧場(chǎng)屬于北溫帶大陸性干旱氣候，四季分明，日照充足，熱量豐富，晝夜溫差大，年平均氣溫為6.9 ℃，最低氣溫為 -39.2 ℃，最高氣溫為40.3 ℃，年平均降水量為185 mm。該牧場(chǎng)為春秋牧場(chǎng)，有著發(fā)展現(xiàn)代畜牧業(yè)的豐富資源。該牧場(chǎng)地處85°46′20.793″ E，44°0′3.729″ N，植被類型以博樂(lè)絹蒿為主，草層高度在20 cm左右，植被覆蓋度在35%左右。本研究區(qū)地勢(shì)是南高北低，平均海拔在1 000 m左右，屬于低山丘陵區(qū)，地勢(shì)起伏比較大，地形復(fù)雜多樣。圖1為研究區(qū)坡度、坡向分布圖。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

2016年4—6月期間，每月對(duì)研究區(qū)紫泥泉牧場(chǎng)的天然草地進(jìn)行2次生物量采樣。在對(duì)研究區(qū)草地采樣過(guò)程中，選取能夠代表一定草地植被、地形、坡度及坡向等特征的地段設(shè)置樣地，在每處樣地上設(shè)置1 m×1 m大小的樣方，用手持全球定位系統(tǒng)（global positioning system，簡(jiǎn)稱GPS）進(jìn)行定位，記錄經(jīng)緯度等位置信息。將樣方內(nèi)植物地面以上所有部分齊地面刈割，除去黏附的土壤、礫石等雜物后，裝入試驗(yàn)袋并編號(hào)帶回實(shí)驗(yàn)室。將采集到的樣品放到烘干箱中，在65 ℃條件下烘干至恒質(zhì)量，然后用精密電子秤分別稱取每個(gè)樣品的干質(zhì)量，去掉相應(yīng)試驗(yàn)袋的質(zhì)量，得到每個(gè)采樣點(diǎn)的生物量數(shù)據(jù)。記錄生物量數(shù)據(jù)時(shí)保留2位小數(shù)。圖2為2016年4—6月采樣點(diǎn)在研究區(qū)的分布。

2 研究方法和過(guò)程

2.1 空間插值方法

目前常用的插值方法很多，本研究主要比較普通克里金法、泛克里金法、反距離權(quán)重法、樣條函數(shù)法和趨勢(shì)面法對(duì)草地生物量空間分布插值的效果?？死锝鸱椒ㄒ脖环Q為空間局部插值法，基于結(jié)構(gòu)分析和變異函數(shù)理論，能在有限區(qū)域內(nèi)針對(duì)區(qū)域化變量進(jìn)行無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)[17]?？死锝鸱椒ǚ譃?種：普通克里金法和泛克里金法。普通克里金法是最普通和廣泛使用的克里金方法，是一種默認(rèn)方法，該方法假定恒定且未知的平均值。泛克里金法可以使用半變異函數(shù)或協(xié)方差和變換，并且允許測(cè)量誤差。