3S技術(shù)在草地資源清查中的應(yīng)用

文│支樹(shù)立 王有月 王重慶 楊超 李延隆（北京市畜牧業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站）

尹曉飛（全國(guó)畜牧總站）

潘志強(qiáng) 趙宇文（北京天創(chuàng)金農(nóng)科技有限公司）

為全面摸清北京市草地資源狀況、生態(tài)狀況和利用狀況等方面的本底資料，組織開(kāi)展了草地資源清查工作。本文介紹了基于3S技術(shù)，即地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，簡(jiǎn)稱(chēng)GIS）、遙感（Remote Sensing，簡(jiǎn)稱(chēng)RS）和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，簡(jiǎn)稱(chēng)GNSS），結(jié)合地面調(diào)查方法，快速準(zhǔn)確掌握草地資源數(shù)量、質(zhì)量、類(lèi)型及其空間分布，分析其變化情況，建立草地資源數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)草地圖斑的邊界、類(lèi)型及資源、生態(tài)、利用狀況等信息的數(shù)字化管理，為今后科學(xué)制定草原保護(hù)建設(shè)方案提供科學(xué)依據(jù)；為促進(jìn)各項(xiàng)草原保護(hù)建設(shè)工程順利實(shí)施提供信息保障。

3S技術(shù)自誕生以來(lái)一直是草原監(jiān)測(cè)工作中不可或缺的技術(shù)支撐，這次草地資源清查中全面使用遙感技術(shù)在內(nèi)業(yè)解譯判讀，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)支持外業(yè)地面調(diào)查，地理信息系統(tǒng)則普遍應(yīng)用于內(nèi)業(yè)、外業(yè)以及最后成圖和建庫(kù)。

一、草地資源清查技術(shù)方法

1.清查技術(shù)流程。清查技術(shù)流程主要分為底圖制作、外業(yè)調(diào)查和內(nèi)業(yè)匯總?cè)齻€(gè)環(huán)節(jié)。

底圖制作：綜合最近一次草地資源調(diào)查圖件和國(guó)土部門(mén)等草地相關(guān)地類(lèi)圖件，補(bǔ)充圖件中未劃入確知的草地地塊，在高分辨率遙感影像支持下進(jìn)一步細(xì)化，形成清查工作底圖。

外業(yè)調(diào)查：以工作底圖為基礎(chǔ)，按照《草地資源調(diào)查技術(shù)規(guī)程》制定樣地、樣方布置方案，確定組織方式、調(diào)查時(shí)間等，統(tǒng)籌開(kāi)展外業(yè)調(diào)查。

內(nèi)業(yè)匯總：結(jié)合底圖、中低分辨率遙感影像、地面調(diào)查樣本，進(jìn)行圖斑的草地類(lèi)型、退化等級(jí)劃分，估算可食產(chǎn)量并進(jìn)行草地質(zhì)量分級(jí)，統(tǒng)計(jì)不同權(quán)屬草地面積，制作專(zhuān)題圖等。

2.清查技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。

（1）清查數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。按照《草地資源調(diào)查技術(shù)規(guī)程》要求，影像波段數(shù)應(yīng)≥3個(gè)，至少有1個(gè)近紅外植被反射峰波段和1個(gè)可見(jiàn)光波段。人口稀少區(qū)域原始影像空間分辨率應(yīng)≤15米；其他區(qū)域空間分辨率單色波段應(yīng)≤5米，多光譜波段應(yīng)≤10米。融合影像的空間分辨率不能小于單色波段空間分辨率。原始影像的獲取時(shí)間應(yīng)在近5年內(nèi)，宜選擇草地植物生長(zhǎng)盛期獲取的影像。

（2）遙感解譯標(biāo)志。解譯標(biāo)志是遙感圖像上能反映和判別地物或現(xiàn)象的影像特征，是解譯者在對(duì)目標(biāo)地物各種解譯要素綜合分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合成像時(shí)間、季節(jié)、圖像的種類(lèi)、比例尺等多種因素整理出來(lái)的目標(biāo)地物在圖像上的綜合特征。

遙感波譜分析，通過(guò)遙感解譯的方法解譯草地類(lèi)型及判定草地退化等級(jí)時(shí)，由于各類(lèi)草地在遙感影像上往往顏色紋理都很相近，同時(shí)還存在同譜異物、同物異譜的情況，所以在某些地塊或區(qū)域的判讀上就不是準(zhǔn)確，針對(duì)這種情況我們可以使用光譜分析的方法進(jìn)行草地類(lèi)型、退化等級(jí)等屬性信息判定，而且還可以通過(guò)增加變量的方式來(lái)提高判別精度。

（3）草地類(lèi)型歸并與整合。按照《草原分類(lèi)》（NY/T2997-2016)中的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)草地類(lèi)型進(jìn)行歸并整合。整合后草地類(lèi)型為9大類(lèi)175個(gè)型。

（4）草原退化、沙化、鹽漬化的調(diào)查。草地資源清查中退化草地的評(píng)定，主要以草地植被的植物群落特征，群落植物組成結(jié)構(gòu)，指示植物，地上部分產(chǎn)草量，地表特征變化為參考依據(jù)。具體工作中，在整理分析野外實(shí)地考察記錄的基礎(chǔ)上，以植被、土壤、地表侵蝕情況等野外記錄、訪問(wèn)調(diào)查、有關(guān)資料為依據(jù)，結(jié)合遙感影像的圖版顏色、色彩、紋理以及草地類(lèi)型、地理位置、分布的地形、海拔高度等條件進(jìn)行綜合推理判斷確定。

（5）遙感估算產(chǎn)草量。草地地上產(chǎn)草量是草本植物產(chǎn)量及木本植物當(dāng)年嫩枝葉產(chǎn)量的總和，是衡量草地生態(tài)情況的一個(gè)重要指標(biāo)。草地產(chǎn)草量可由草地最高生物量加上之前已利用的部分計(jì)算得到，而草地最高生物量與歸一化植被指數(shù)NDVI有著極為顯著的關(guān)系。

◎圖1 北京市各區(qū)縣草地資源面積柱狀統(tǒng)計(jì)圖

◎圖2 北京市草地資源分布圖

在該項(xiàng)目中，對(duì)每一種草原類(lèi)型，通過(guò)在地面樣本的最高地上生物量與遙感影像提取的植被指數(shù)之間建立數(shù)學(xué)模型，比較線性和指數(shù)模型的效果，最終確定適合于特定草地的數(shù)學(xué)模型，推廣到全市范圍內(nèi)，從而推算該類(lèi)型任意一點(diǎn)（像元）的最高地上生物量，實(shí)現(xiàn)整個(gè)草地最高生物量的估算，進(jìn)而估算出產(chǎn)草量。

（6）草原等級(jí)劃分歸并。草原等級(jí)綜合評(píng)定指標(biāo)是在草原和草原級(jí)評(píng)定的基礎(chǔ)上，對(duì)草原等和草原級(jí)進(jìn)行疊加組合，共組和為40個(gè)不同草原等級(jí)；在40個(gè)草原等級(jí)疊加組合的基礎(chǔ)上，將草原5等歸并為優(yōu)質(zhì)、中質(zhì)、劣質(zhì)，草原8級(jí)再歸并為高產(chǎn)、中產(chǎn)、低產(chǎn)，草原等級(jí)綜合評(píng)定指標(biāo)歸并為9類(lèi)。

（7）植被覆蓋度模型。植被覆蓋度作為草地植被生長(zhǎng)狀況的直觀量化指標(biāo)，是草地生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中最常用的監(jiān)測(cè)指標(biāo)之一。植被覆蓋度數(shù)據(jù)獲取的方式主要通過(guò)實(shí)地測(cè)量和遙感測(cè)定兩種方法，由于實(shí)地測(cè)量在時(shí)間和經(jīng)費(fèi)上花費(fèi)都比較大，并且只能在很小的尺度范圍內(nèi)提供植被結(jié)構(gòu)和分布狀況的變化信息，局限性較大，這些缺點(diǎn)使得遙感技術(shù)成為區(qū)域草地退化監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)的主要手段。目前，利用遙感技術(shù)對(duì)天然草地進(jìn)行監(jiān)測(cè)、 評(píng)估以及管理決策的國(guó)內(nèi)外研究已經(jīng)很多，但對(duì)草地植被覆蓋度的研究主要集中在利用NOAA/AVHRR、MODIS 等中低分辨率數(shù)據(jù)計(jì)算歸一化植被指數(shù)( NDVI)來(lái)估測(cè)草地植被覆蓋度，進(jìn)而監(jiān)測(cè)草地植被狀況。

此次草地資源清查MODIS 30米分辨率NDVI數(shù)據(jù)，通過(guò)建立像元二分模型，來(lái)計(jì)算草地資源植被覆蓋度。

采用像元二分法，使用經(jīng)幾何校正、大氣校正的MDOIS影像數(shù)據(jù)，利用歸一化植被指數(shù)（NDVI）近似估算植被覆蓋度，建立植被覆蓋度估算模型，模型如下：

V F C=(N D V I-N D V I s o i l)/(NDVIveg-NDVIsoil)

其中：NDVIsoil為裸土或無(wú)植被覆蓋區(qū)域的NDVI值；NDVIveg為完全植被覆蓋的像元的NDVI值

二、草地資源清查結(jié)果

1.草地資源清查面積結(jié)果。此次清查北京市草地資源面積合計(jì)130余萬(wàn)畝，共4742個(gè)圖斑，各區(qū)縣的草地資源面積大致個(gè)分為三個(gè)梯度，第一梯度面積最多，包括房山區(qū)、門(mén)頭溝區(qū)兩個(gè)區(qū)，房山區(qū)草地資源面積53.56萬(wàn)畝，占總面積的41%；門(mén)頭溝區(qū)草地資源面積30.29萬(wàn)畝，占總面積的23%，第二梯度包括昌平區(qū)、懷柔區(qū)、平谷區(qū)、延慶區(qū)、密云區(qū)，草地資源面積在7萬(wàn)～10萬(wàn)畝，第三梯度為通州區(qū)、石景山區(qū)、海淀區(qū)、大興區(qū)、豐臺(tái)區(qū)、順義區(qū)，草地面積在幾千畝，占比很?。▓D1）。

2.草地資源清查空間分布結(jié)果。北京市草地資源空間分布在地域上有很明顯的分布特征，大部分分布在周邊區(qū)縣的山區(qū)地帶，平原地區(qū)有零星分布。其中尤以房山區(qū)、門(mén)頭溝區(qū)分布較多，而且主要分布在兩區(qū)的中西部區(qū)域的山區(qū)地帶；延慶區(qū)、懷柔區(qū)、密云區(qū)、平谷區(qū)的山區(qū)地帶也有部分草地資源分布，相對(duì)房山區(qū)、門(mén)頭溝區(qū)較少，平原地區(qū)有零星草地資源分布；其余區(qū)縣大興區(qū)、通州區(qū)、海淀區(qū)、豐臺(tái)區(qū)、石景山區(qū)都是零星的草地資源分布，總體趨勢(shì)上是從周邊植被茂盛山區(qū)向城市區(qū)域遞減。

從地形上來(lái)看，北京市草地資源主要分布在山區(qū)陽(yáng)坡、半陽(yáng)坡、半陰坡，平原地區(qū)河漫灘等有零星分布?？傮w分布趨勢(shì)是從山地到平原遞減，圖2是北京市草地資源的空間分布圖。

3.草地資源清查草地類(lèi)型結(jié)果。從此次北京市草地資源清查成果來(lái)看，北京市草地資源類(lèi)型主要有三大草地類(lèi)，暖性灌草叢類(lèi)、山地草甸類(lèi)、低地草甸類(lèi)，12個(gè)草地型。暖性灌草叢類(lèi)中有8個(gè)型，分布是黃背草型、黃背草、白茅型、具灌木的白蓮蒿型、具灌木的白羊草型、具灌木的大油芒型、具灌木的黃背草型、具灌木的藎草型、具灌木的苔草、暖性禾草型。山地草甸類(lèi)中有2個(gè)型，苔草、蒿草型和苔草、雜類(lèi)草型，低地草甸類(lèi)中有蘆葦型、堿蓬、雜類(lèi)草型。

北京市草地資源草地類(lèi)中以暖性灌草叢類(lèi)為主，面積合計(jì)109.099萬(wàn)畝，面積占比83.63%，主要分布在北京房山區(qū)、門(mén)頭溝區(qū)、延慶區(qū)、懷柔區(qū)、密云區(qū)、平谷區(qū)的山區(qū)，在地形上有明顯的分布特征。暖性灌草叢類(lèi)是在暖溫帶（或山地暖溫帶）、濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)氣候條件下，森林植被長(zhǎng)期遭受破壞，原有植被短期內(nèi)不能自然恢復(fù)，而形成以暖性中生或旱中生多年生草本植物為主，其中散生灌木或零星喬木，植被相對(duì)穩(wěn)定的次生草地類(lèi)型。暖性灌草叢類(lèi)草地的結(jié)構(gòu)層次分明，分為灌木層和草本層。草群的種類(lèi)組成比較簡(jiǎn)單，優(yōu)勢(shì)中明顯，常由單優(yōu)勢(shì)種組成，或1～3種共同占優(yōu)勢(shì)。優(yōu)勢(shì)草本植物主要有白羊草、黃背草、大油芒、野古草、野青茅、白茅等。草層中常有少量喬木和灌木散生，灌木主要有胡枝子、荊條、酸棗、沙棘、櫟等。北京是地處我國(guó)華北地區(qū)，暖性灌草叢類(lèi)草地中灌木主要以胡枝子、荊條、酸棗為主。

圖3是北京市草地資源草地類(lèi)的柱狀統(tǒng)計(jì)圖，可以直觀地看到三類(lèi)草地的對(duì)比情況。

◎圖3 草地類(lèi)柱狀圖

三、結(jié)束語(yǔ)

草地資源清查是針對(duì)草地資源狀況、生態(tài)狀況和利用狀況等本地資料進(jìn)行全面摸底的清查，和常規(guī)的草原監(jiān)測(cè)有很多相同點(diǎn)，但是又有其全面性的特點(diǎn)。因此3S技術(shù)在草地資源清查中應(yīng)用，更能一窺3S技術(shù)在草原工作中的技術(shù)支持核心位置。遙感為草地資源清查提供了空間，大面積影像數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，底圖制作階段的影像預(yù)判，草地空間分布范圍和邊界就可以基本厘清。外業(yè)地面調(diào)查中，由于草地資源分布一般在交通不便的自然環(huán)境主導(dǎo)的區(qū)域，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)為外業(yè)工作提供導(dǎo)航通信保障。內(nèi)業(yè)匯總階段，根據(jù)地面調(diào)查樣本，用遙感圖像分析方法獲取草地資源類(lèi)型分布、產(chǎn)草量、覆蓋度等，最后出圖、建庫(kù)到未來(lái)提供信息基礎(chǔ)、監(jiān)測(cè)預(yù)警和決策支持等應(yīng)用地理信息系統(tǒng)都是核心基礎(chǔ)。