河南省天然草地清查遙感技術(shù)的運用和創(chuàng)新

張國啟，梁亞爽，李鵬飛，朱偉然，鄭愛榮，李桂蓮，李 黎

（河南省飼草飼料站，河南 鄭州 450008）

近30 多年來，河南省天然草地資源變化很大。草地資源狀況、生態(tài)狀況和利用狀況等方面基本情況不清、數(shù)據(jù)不全，難以適應(yīng)生態(tài)文明建設(shè)發(fā)展要求。同時，隨著河南省農(nóng)業(yè)農(nóng)村生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整的深入發(fā)展和人們?nèi)馐承枨蟮牟粩嘧兓?，未來膳食結(jié)構(gòu)的調(diào)整需要更多的草食畜產(chǎn)品供應(yīng)。大力開發(fā)河南省草地資源，發(fā)展草牧業(yè)將成為必然的趨勢。了解掌握河南省草地資源狀況、生態(tài)狀況和利用狀況等方面的本底資料十分必要。

1 河南省草地清查基本情況

1.1 河南省草地資源清查具體要求

綜合應(yīng)用地面調(diào)查和空間信息技術(shù)，全面查清河南省草地資源的面積、區(qū)位、草地類型、草場等級、生態(tài)狀況、利用現(xiàn)狀等，繪制全省草地類型空間位置界線圖和各類專題圖。通過本次草地清查為提高草原精細化管理及生產(chǎn)，落實草地畜牧業(yè)政策提供數(shù)據(jù)支撐，為完成草地資源承載力監(jiān)測預(yù)警、草地資源資產(chǎn)負債表編制和全面深化草原生態(tài)文明體制改革等任務(wù)奠定基礎(chǔ)。

1.2 河南省草地資源清查技術(shù)手段

以覆蓋全省的高分辨率多源航空航天遙感影像數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，包括我國資源3號、天繪系列和高分1號、高分2 號等衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，收集、整合多行業(yè)草地專題調(diào)查數(shù)據(jù)，采用自動與人機交互影像處理、多源信息輔助判讀解譯、外業(yè)調(diào)查、空間數(shù)據(jù)庫建模、統(tǒng)計數(shù)據(jù)空間化、多源數(shù)據(jù)融合、空間量算、地理計算、空間統(tǒng)計等方法，以內(nèi)、外業(yè)相結(jié)合的生產(chǎn)模式，對河南省草地資源的邊界、類型及資源、生態(tài)、利用狀況等進行清查與建庫。

2 草地清查的技術(shù)創(chuàng)新

傳統(tǒng)的草地監(jiān)測是采用統(tǒng)計學的方法進行地面調(diào)查，在待監(jiān)測的區(qū)域設(shè)置適當數(shù)量的樣方，并調(diào)查相應(yīng)的指標參數(shù)，然后用樣方數(shù)據(jù)代表同類草地的整體狀況。這種方法費時、費力，難以實現(xiàn)偏遠地區(qū)監(jiān)測及快速資源調(diào)查評估的需要。隨著遙感及其相關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)，許多學者在不同尺度上將其應(yīng)用到草地的范圍界定、估產(chǎn)、退化評價和災(zāi)害預(yù)測等方面，由此產(chǎn)生了大量的模型、指標指數(shù)和其他研究成果，使動態(tài)、客觀、及時的草地監(jiān)測成為可能。

2.1 數(shù)據(jù)收集

收集和整理草地一調(diào)數(shù)據(jù)、第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)、全國第一次地理國情普查數(shù)據(jù)、地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)、行政區(qū)域界線數(shù)據(jù)和時相好、分辨率高的遙感影像等資料。利用第一次地理國情普查數(shù)據(jù)、第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)、全省1∶10 000比例尺數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)（DEM）、遙感正射影像數(shù)據(jù)、行政區(qū)域界線數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進行分析整理，并建立準確的空間坐標系統(tǒng)。

2.2 數(shù)字正射影像制作

本次衛(wèi)星遙感影像采用國家測繪地理信息局衛(wèi)星測繪應(yīng)用中心分批次下發(fā)的高分辨率衛(wèi)星遙感影像，可最大程度地保證遙感DOM 的技術(shù)一致性。影像波段數(shù)應(yīng)≥3個，至少有1 個近紅外植被反射峰波段和1 個可見光波段。多光譜波段≤10 m。融合影像的空間分辨率不能小于單色波段空間分辨率。原始影像的獲取時間在近3 年內(nèi)，選擇草地植物生長盛期獲取的影像。影像相鄰景之間有4%以上的重疊；無明顯噪聲、斑點和壞線；云覆蓋量小于10%；側(cè)視角在平原地區(qū)不超過25°，山區(qū)不超過20°。遙感DOM的幾何糾正（配準）和正射糾正后地物平面位置誤差、影像拼接誤差，平地、丘陵地不大于5m，山地、高山地不大于10m。基于遙感DOM 進行目視解譯時，采用彩紅外彩色合成模式，即近紅外、紅、綠三個波段分別輸出到紅、綠、藍三個波段合成彩色；影像有短紅外波段時，采用近紅外、短紅外、紅三個波段的彩色合成方式，與彩紅外合成方式共同使用。

2.3 草地預(yù)判圖制作

利用第一次草地調(diào)查數(shù)據(jù)，將地類按照標準整合為新地類，疊加第二次全國土地調(diào)查、第一次地理國情普查的數(shù)據(jù)提取融合結(jié)果，套合新制作的高分辨率遙感影像，重新對草地圖斑進行解譯。在大塊草地圖斑中，補充勾繪草地類型界線，主要參考最近的草地資源調(diào)查圖件，初步判定圖斑的草地類型，并計算圖斑面積。綜合圖斑的影像特征，參考地形圖、草地資源歷史已有成果圖件等，初步劃定每個圖斑的地類與草地類型，形成初步判讀圖。連片面積大于最小上圖面積的人工草地圖斑，按照草地資料逐塊校核圖斑邊界。無法獲取遙感正射影像的區(qū)域和遙感正射影像云層覆蓋較多的區(qū)域，使用與調(diào)查比例尺一致的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，勾繪地物圖斑。

2.4 樣地預(yù)設(shè)

以縣（市）為單位，根據(jù)預(yù)判的草地類型、相同類型草地的圖斑數(shù)量和平均面積大小，以及園地、林地、裸地等易與草地發(fā)生混淆的非草地地類圖斑數(shù)量等，確定各縣（市）需要進行現(xiàn)場調(diào)查的各類型草地樣地樣方數(shù)量。不同程度退化、沙化和石漠化的草地上，分別設(shè)置樣地。利用方式及利用強度有明顯差異的同類型草地，分別設(shè)置樣地。調(diào)查中出現(xiàn)疑難問題的圖斑，需要補充布設(shè)樣地。

2.5 樣地調(diào)查

外業(yè)調(diào)查是獲取草地植被特征、草原類型、綜合植被蓋度、產(chǎn)草量、草原退化狀況等要素的主要手段。外業(yè)調(diào)查結(jié)合遙感影像特征，草地類型分布狀況和交通條件，以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為基本調(diào)查單位，涵蓋主要地貌類型和所有草地植被類型，同時還要考慮調(diào)查區(qū)的顯著地形、地物和主要特征。在分析和了解調(diào)查區(qū)域草地植被分布特征的基礎(chǔ)上，選擇和確定外業(yè)調(diào)查路線。

2.6 生物量估算

收集草地生長高峰期中低分辨率遙感影像，提取樣本植被指數(shù)，建立不同草地型植被指數(shù)與最高地上生物量關(guān)系模型，應(yīng)用遙感植被指數(shù)值和草原初分類數(shù)據(jù)，估測草原類型的產(chǎn)草量。本次建立模型時，將河南省全省分為4個區(qū)域分區(qū)（洛陽市、三門峽市、南陽市、焦作市），在每個區(qū)域分別按不同草地類來建立生產(chǎn)力模型，并保證每個草原類型表中具有NDVI 值和生物量（產(chǎn)草量）值。基于地面樣地觀測地上生物量，開展累積年凈初級生產(chǎn)力與地上生物量間的相關(guān)分析，比較線性、指數(shù)、多項式等不同回歸模型的效果，最終確定適合于特定草地類型的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，找出近真值的模型，推廣到全區(qū)域，實現(xiàn)整個河南省草地生物量的估算。

2.7 數(shù)據(jù)匯總

全省采用統(tǒng)一坐標系和投影系統(tǒng)，精確計算草地圖斑邊界、面積、周長、生產(chǎn)力、綜合植被蓋度等，并錄入空間數(shù)據(jù)庫。對草地地類圖斑，按照樣地調(diào)查結(jié)果和影像特征相似性，在圖斑的預(yù)判地類屬性基礎(chǔ)上，逐個確定圖斑的草地類型屬性。對草地地類圖斑，以樣地調(diào)查的資源等級為基礎(chǔ)，結(jié)合生產(chǎn)力監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用圖斑影像特征相似性，逐個確定圖斑的草地資源等級屬性，并將各個圖斑的草地類型、草地資源等級、草地退化等級屬性上圖。

3 草地遙感的經(jīng)驗與建議

3.1 高分辨率數(shù)據(jù)的應(yīng)用

鑒于數(shù)據(jù)的可獲得性和經(jīng)濟方面的考慮，目前在草地研究中主要使用的數(shù)據(jù)有MSS、TM、ETM+、AVHRR 和MODIS，其中前3 種具有較好的空間分辨率，但時間分辨率和光譜分辨率較低，而后2 個雖然在時間分辨率方面優(yōu)勢明顯，特別是MODIS 還具有36 個通道的高光譜分辨率的特性，但它們的空間分辨率較低，在小尺度研究中誤差較大，即使對于空間分辨率較好的TM 和ETM+，大多數(shù)光譜段也只能達到30 m 的分辨率，因此，在草地類型的精細劃分以及毒害草的鑒別方面都存在一定的局限性。今后，隨著光譜儀性能、數(shù)據(jù)存儲技術(shù)等的提高以及使用費用的降低，各種高分辨率的遙感數(shù)據(jù)將被用于草地監(jiān)測的各個方面，草地遙感監(jiān)測的精度將會得到很大的提升。

3.2 多源數(shù)據(jù)的對比與融合

自從第一顆衛(wèi)星升空以來，在空間技術(shù)和信息技術(shù)的推動下，已經(jīng)形成了從低分辨率、中分辨率到高分辨率的衛(wèi)星序列。高分辨率衛(wèi)星影像雖然能更清晰地反映目標的結(jié)構(gòu)和紋理特征，但也存在著數(shù)據(jù)量大、費用高，發(fā)射年限較短，不能進行長時間動態(tài)研究等問題。因此，可將不同來源的影像數(shù)據(jù)進行對比和融合，體現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的整體優(yōu)勢。

3.3 多種遙感形式的結(jié)合

目前，在草地的遙感監(jiān)測中，主要使用的是衛(wèi)星影像，而航片、雷達圖像以及機載高分辨率數(shù)字影像的使用相對較少，這些在小范圍草地利用情況、草地生態(tài)狀況快速監(jiān)測方面具有十分重要的作用。