照片樣線法測量人工草地覆蓋度精度分析

汪歡歡，蒲紅梅，楊琴，程華，彭靖，李中才，韓敏*，金寶成*

（1.貴州大學動物科學學院，貴州 貴陽 550025；2.蘭州大學生命科學學院，甘肅 蘭州 730000；3.貴州省自然資源勘測規(guī)劃研究院，貴州 貴陽 550001）

草地覆蓋度是評估草地情況的客觀指標［1-2］和重要的生態(tài)學參數(shù)［3-4］，應用于土地退化評價［5］，大氣污染［6］、荒漠化［7-8］和放牧管理［9-10］等方面的研究，植被覆蓋度變化可以反映氣候變化趨勢［11］，并且是多種土壤侵蝕預報模型的基本參數(shù)［12-14］?？焖倬珳实闹脖桓采w度測量方法的研究具有十分重要的意義。

植被覆蓋度定義為植物垂直投影面積占樣地總面積的百分比［4，15-17］，理想的覆蓋度測量方法應該具有耗時短，工具簡單，結果準確，受人為因素影響?。?8-19］等優(yōu)點。植被覆蓋度測量方法按原理可分為3類［3］，第1類為目估法，測量人員通過肉眼憑借經(jīng)驗直接估計樣方植被覆蓋度，優(yōu)點是不需要測量工具，獲取數(shù)據(jù)較快［4，17，20］。章文波等［4］認為目估法主觀隨意性大，目估精度與測量人員的經(jīng)驗密切相關，個人目估絕對誤差可達40%。也有研究發(fā)現(xiàn)草地覆蓋度目估誤差小于10%，適用于高度較低且覆蓋度較低或較高的人工草地［1］。同時目估法精度受植被高度影響，植株越高，目估人員越不容易向下觀察，目估誤差也越大［1］。第2類包括點框架法、樣點法和樣線法等，這類方法是測量樣方中植被所占小孔數(shù)（或者點數(shù)和線長度）與小孔總數(shù)（或者總點數(shù)和總樣線長度）的比值即為該樣方植被覆蓋度［3］。楊琴等［1］發(fā)現(xiàn)點框架法精度低且耗時較長，樣點法適用于植被高度低且硬度較小的草地樣方，而樣線法誤差小于5%，精度較高且耗時短，但是樣線法需要具備一定的專業(yè)知識和培訓才能進行測量［21］，適用于人工草地、稀疏植被和高大植被 的 覆 蓋 度 測 量［1，22］。第3類 包 括 空 間 定 量 計 法（SQS）、移動光量計法（TQS）和照相法等，SQS和TQS方法需要專用傳感器設備，其設備價格昂貴且室外操作不便［3］。照相法是使用相機垂直樣方向下拍照獲取照片，再通過計算機軟件對照片提取植被與非植被像元，植被像元與樣方總像元的比值即為覆蓋度，該方法能有效排除人為誤差且精度高［1，23-25］，但該方法要求測量人員掌握照片植被信息提取技術［23］。宋雪峰等［26］使用數(shù)碼相機拍攝照片，通過圖像處理軟件提取照片中草地綠色植被信息，抽樣精度達94.7%。照相法測量農(nóng)作物覆蓋度精度達89.6%［27］，測量人工草地覆蓋度精度達96.8%［1］。

以上植被覆蓋度實地測量方法雖然具有一定的精度，但是（除目估法外）需要消耗較長的實地采樣時間。如果能夠將傳統(tǒng)實地樣線法的思路應用于樣方照片分析，測量人員實地拍攝樣方照片，室內(nèi)對照片使用樣線法思路進行覆蓋度獲取，將極大地減少實地采樣時間和經(jīng)濟成本。本研究以結縷草（Zoysia japonica）、白三葉（Trifolium repens）和雀稗（Paspalum thunbergii）草地為研究對象，以照相法測量值為參考，探索照片樣線法的精度和適用性，以期為草地覆蓋度測量提供更為快速經(jīng)濟的方法。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國西南地區(qū)的貴州省貴陽市花溪區(qū)（E 106°27′～106°53′，N 26°11′～26°34′），花溪區(qū)位于貴州高原中部，地處云貴高原由西向東低山丘陵過渡的斜坡，山峰眾多，山地性顯著，壩地較少，全區(qū)總面積9 641 4.7 hm2，草地面積6 140.1 hm2［28］?；ㄏ獏^(qū)平均海拔1 100 m，屬于亞熱帶濕潤季風氣候，年平均氣溫（2008-2018年）13.7～15.3 ℃，最冷月（1月）氣溫-1.5～6.6 ℃，最熱月（7月）氣溫21.9～24.3 ℃，年均降水量735～1562 mm，年平均日照為681.6～1 230.7時（中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)；http://data.cma.cn/）。土壤類型繁多，以黃壤為主［29］（中國土壤數(shù)據(jù)庫；http://vdb3.soil.csdb.cn）。

1.2 研究方法

以結縷草、白三葉和雀稗作為建群種的3種人工草地試驗樣地（表1），每個人工草地設置10個50 cm × 50 cm樣方。采用照相法、照片目估法和照片樣線法分別測量其植被覆蓋度，并記錄測量時間。試驗時間為2018年6月14-21日，采用1 600萬像素相機，置于樣方中心上方，在1.5 m高度垂直向下拍照，獲取樣方照片用于室內(nèi)分析植被覆蓋度。

表1 測量樣地Table 1 Sampling plots

使用ERDAS IMAGINE 2013 軟件中的監(jiān)督分類工具，提取樣方照片中的植被像元，繼而在ArcMap 10.2 軟件中加載監(jiān)督分類后的照片，計算出植被像元在整個樣方中所占的比例，即為照相法植被覆蓋度（表1），該方法能排除人為測量誤差且精度較高［1，23-25］，因此本研究中其他測量方法精度的評估，以照相法測量值為參考。

對于每個草地樣方，通過計算機產(chǎn)生約50個隨機點，對以上目視解譯分類精度進行檢驗，得到分類精度為（96.8±3.2）%（平均值±標準差，n=30）。實地目估法測量人員為草業(yè)科學專業(yè)碩士研究生，每個樣方由4-6人獨立完成目估測量，取平均值作為實地目估法測量值；照片目估法通過樣方照片目估測量植被覆蓋度，每個樣方由10人獨立完成目估測量，取平均值作為照片目估法測量值。實地樣線法是將帶有刻度的樣線置于樣方對角線，記錄樣線在垂直方向上攔截植被的長度，將該長度除以樣線總長度，即為該樣方覆蓋度［20］。照片樣線法是使用電腦中的桌面刻度尺軟件（version 1.0）代替實地覆蓋度測量中的樣線，通過桌面刻度尺測量樣方照片的對角線或垂直線上植被所占長度與總樣線長度的比值，即為該樣方植被覆蓋度（圖1）［3］。照片樣線法分為兩種處理，一種測樣方照片2條對角線（合計1.4 m）（圖1-A），另一種測量樣方照片2條對角線和2條垂直線，共計4條樣線（合計2.4 m）（圖1-B）。

圖1 照片樣線法示意圖Fig.1 Illustration of photo line interception method

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用Microsoft Office 2019軟件對數(shù)據(jù)進行整理統(tǒng)計，采用SPSS 20軟件進行數(shù)據(jù)分析，并用Sigma-Plot 10.0軟件制圖。以照相法測量值為參考，計算其它方法誤差［1］（公式1）。

式中：vci表示某測量方法在樣方i的測量值，vci照相表示照相法在樣方i的測量值。

2 結果與分析

實地目估法測量誤差平均為（5.6±4.0）%，其中雀稗草地誤差最大，為（10.1±16.5）%，白三葉草地其次，為（4.2±3.5）%，結縷草草地最小，為（2.3±10.2）%。照片目估法測量誤差平均為（14.6±7.3）%，其 中 結 縷 草 草 地 誤 差 最 大，為（26.3±4.6）%，白三葉草地其次，為（12.1±5.1）%，雀稗草地最小，為（5.6±12.2）%。實地樣線法測量誤差平均為（2.7±2.2）%，每種草地的測量誤差均小于5%，每個50 cm×50 cm草地樣方平均需要消耗（3.5±1.6） min野外測量時間（表2）。

照片樣線法測量2條樣線時，結縷草、白三葉和雀稗草地測量誤差均小于5%，平均（3.3±10.5）%，分別為（2.6±14.3）%、（4.4±9.2）%和（2.8±8.0）%。測量4條樣線時，結縷草和雀稗草地誤差小于5%，分別為：（0.4±15.6）%和（2.3±6.8）%，白三葉草地誤差大于5%，為（6.8±8.8）%。照片樣線法的測量樣線數(shù)量從2條（合計長度1.4 m）增加到4條（合計長度2.4 m）時，平均每個樣方耗時增加3.5 min，即從（3.7±0.8） min增加到（7.2±1.4） min。照片樣線法測量2條和4條樣線時均傾向于高估植被覆蓋度，其中白三葉草地測量4條樣線時與0值差異顯著（表2）。

表2 不同方法誤差與耗時Table 2 Errors and time consumption of different methods

照片樣線法2條樣線和4條樣線的測量值均與照相法測量值均呈顯著線性相關關系（P＜0.05），2條樣線和4條樣線的測量值均隨照相法覆蓋度測量值的增加而增加，兩者公式的系數(shù)和截距接近，2條樣線的R2略大于4條樣線的R2（圖2）。

圖2 照片樣線法覆蓋度與照相法覆蓋度的相關關系Fig.2 The relationship between the plant cover of photo line interception method and photographic method

照片樣線法2條樣線和4條樣線的測量誤差均隨照相法測量值的增加而顯著降低（P＜0.05），2條樣線和4條樣線的誤差均隨照相法覆蓋度測量值的增加而降低，兩者公式的系數(shù)和截距接近，4條樣線的R2略大于2條樣線的R2（圖3）。

圖3 照片樣線法誤差與照相法覆蓋度的相關關系Fig.3 The relationship between the error of photo line interception method and the plant cover of photographic method

3 討論

之前研究發(fā)現(xiàn)實地樣線法精度較高、獲取數(shù)據(jù)較快，適用于人工草地、稀疏植被和高大植被的覆蓋度測量［1，20-22］。本研究將實地樣線法思路應用于樣方照片分析，提出了草地覆蓋度測量的照片樣線法，發(fā)現(xiàn)照片樣線法測量耗時短且精度較高。每個樣方耗時約3.7 min（表2），時間消耗小于點框架法（11.8 min）、網(wǎng)格法1 cm×1 cm（12.7 min）和網(wǎng)格點法1 cm×1 cm（13.3 min），但比網(wǎng)格法5 cm×5 cm（1.4 min）和網(wǎng)格點法5 cm×5 cm（1.4 min）耗時較多，與樣針法和實地樣線法耗時接近［1］，但是時間消耗主要發(fā)生在室內(nèi)。不同草地測量誤差平均3.3%（表2），結縷草、白三葉和雀稗3個人工草地測量誤差均低于5%，與實地樣線法測量精度接近［1］。照片樣線法測量精度均高于樣針法（8.8%）、點框架法（10.4%）、網(wǎng)格法1 cm×1 cm（9.2%）、網(wǎng)格法5 cm×5 cm（18.6%）、網(wǎng)格點法1 cm×1 cm（12.1%）和 網(wǎng) 格 點 法5 cm×5 cm（16.4%）［1］。雖然之前研究發(fā)現(xiàn)實地樣線法增加樣線數(shù)量會降低誤差［1，16］，但是本研究發(fā)現(xiàn)增加樣線數(shù)量不能明顯提高測量精度，樣線數(shù)量從2條（長度合計1.4 m）增加到4條（長度合計2.4 m）時，誤差僅降低0.1%，但耗時增加近1倍（3.5 min）（表2）。因此，當草地覆蓋度測量可接受誤差為5%時，照片樣線法只需測量2條樣線（長度合計1.4 m）。照片樣線法誤差可能受植被覆蓋度影響［1，21］，覆蓋度越高誤差越?。▓D3）。本研究發(fā)現(xiàn)隨白三葉（71.5%）、雀稗（73.3%）和結縷草草地（73.9%）覆蓋度的增加，其誤差逐漸減?。ū?），并且增加測量樣線數(shù)量后也有相似趨勢（圖3）。照片目估法和樣線法測量值均與照相法測量值呈顯著正相關（圖2），這兩種方法測量值可通過擬合公式轉化為照相法測量值。樣線法植被覆蓋度測量需要具備一定的專業(yè)知識［21］，當在室外不具備測量條件時，測量人員只需實地拍攝樣方照片，室內(nèi)使用照片樣線法進行覆蓋度獲取，將能夠減少實地采樣時間消耗。

4 結論

照片樣線法測量耗時短且精度較高，不同草地測量誤差均小于5%，適合于類似草地植被覆蓋度測量。當可接受誤差為5%時，照片樣線法只需測量2條樣線。照片目估法和樣線法測量值均與照相法測量值呈顯著正相關。照片樣線法均可應用于草地植被覆蓋度的測量。未來研究應探索該方法在其他草地和植被類型中的適用性。