草地系統(tǒng)認(rèn)知理論與光譜融合量化策略

孫敏軒，焦 心，冀正欣，史良樹(shù)，戰(zhàn) 鷹，李蘭杰，韓文超，孫丹峰

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100193；2.中國(guó)國(guó)土勘測(cè)規(guī)劃院，北京 100035）

草地作為地球上最廣泛的土地覆蓋類(lèi)型，是地球物質(zhì)能量循環(huán)最為關(guān)鍵的場(chǎng)所之一，除了提供食物、纖維和燃料等生活服務(wù)外，還提供許多生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，包括生物多樣性、碳固存和文化價(jià)值[1]。由于草地區(qū)域生態(tài)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)資源的有限性和可變性，草地系統(tǒng)極易受到不可修復(fù)的破壞，在當(dāng)前全球氣候變化和經(jīng)濟(jì)社會(huì)飛速發(fā)展的大背景下，我國(guó)草地類(lèi)型、狀態(tài)、生產(chǎn)力等均面臨難以預(yù)測(cè)的變化態(tài)勢(shì)[2]。然而當(dāng)前草地資源管理依然沿用20世紀(jì)80年代草原普查的相應(yīng)成果，對(duì)草原的調(diào)查和認(rèn)知體系也未有實(shí)質(zhì)性改變[3]。在草地系統(tǒng)面臨全國(guó)食物結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和草地退化的雙重壓力下，亟需建立對(duì)草地系統(tǒng)的規(guī)范認(rèn)知和理解框架，同時(shí)針對(duì)規(guī)范知識(shí)建立高效、穩(wěn)定、可移植的信息解譯體系。

傳統(tǒng)的草地資源調(diào)查工作和相關(guān)研究已經(jīng)取得很好的成績(jī)，但仍存在：（1）指標(biāo)繁瑣，難以規(guī)范和移植應(yīng)用；（2）尺度混淆，難以應(yīng)對(duì)不同等級(jí)管理需求等問(wèn)題[2-4]；（3）遙感技術(shù)應(yīng)用瓶頸，農(nóng)業(yè)遙感飛速發(fā)展，但仍未克服光譜異質(zhì)性和光譜融合應(yīng)用等關(guān)鍵問(wèn)題[5]。本文基于前人的草地基礎(chǔ)理論研究，提出包括形態(tài)結(jié)構(gòu)、能量平衡和行為（管理）信息三個(gè)方面的草地系統(tǒng)認(rèn)知理論，試圖規(guī)范不同草地資源研究場(chǎng)景（微觀、宏觀、生物量化、管理應(yīng)用等）的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)?；谠摾碚撎岢霾莸刭Y源端元空間和光譜融合量化策略，基于標(biāo)準(zhǔn)光譜端元空間針對(duì)草地系統(tǒng)不同尺度應(yīng)用需求建立遙感“解譯框架”，既能夠?qū)崿F(xiàn)不同尺度間的融合嵌套，還能夠?qū)崿F(xiàn)不同區(qū)域的移植。最后，本文基于該“解譯框架”分別進(jìn)行了全國(guó)草地潛在植被分區(qū)、內(nèi)蒙古草原類(lèi)型分類(lèi)和科爾沁左翼后旗草地類(lèi)—組—型精細(xì)分類(lèi)3個(gè)尺度的應(yīng)用示范，希冀為我國(guó)草地資源調(diào)查和管理的革新提供新思路。

1 草地系統(tǒng)認(rèn)知理論框架

草地系統(tǒng)不同維度的研究均能夠概括于草業(yè)科學(xué)的學(xué)科框架。任繼周繪制了草業(yè)科學(xué)的框架結(jié)構(gòu)，由3類(lèi)因子群（生物因子群、非生物因子群和社會(huì)因子群），3個(gè)主要界面（草叢—地境界面、草地—家畜界面和草畜—社會(huì)界面）和4個(gè)生產(chǎn)層（前植物、植物、動(dòng)物和外生物生產(chǎn)層）3個(gè)板塊構(gòu)成草業(yè)科學(xué)的整體[6]。這3個(gè)獨(dú)立的科學(xué)板塊由四維科學(xué)（類(lèi)型維、化學(xué)維、系統(tǒng)維和信息維）連綴、規(guī)整為一個(gè)整體系統(tǒng)，四維科學(xué)強(qiáng)化系統(tǒng)內(nèi)的規(guī)范知識(shí)，排除了非規(guī)范知識(shí)，規(guī)范了不同利益相關(guān)者對(duì)草地系統(tǒng)的認(rèn)知[7]?；谒木S科學(xué)理論，配合先進(jìn)的時(shí)空遙感等數(shù)字表達(dá)技術(shù)可以構(gòu)建草地系統(tǒng)規(guī)范、可移植的認(rèn)知理論體系。草地系統(tǒng)認(rèn)知理論的目的在于能夠?qū)⒉莸叵到y(tǒng)不同學(xué)科的知識(shí)規(guī)范、有序地組織起來(lái)，形成一張草地系統(tǒng)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，使得對(duì)草地系統(tǒng)微觀、宏觀、結(jié)構(gòu)、機(jī)理等方面的認(rèn)識(shí)都能產(chǎn)生聯(lián)系，最終為不同區(qū)域、不同尺度的管理者提供規(guī)范的信息報(bào)告。這對(duì)全球草地系統(tǒng)共享知識(shí)平臺(tái)的建立以及全球草地可持續(xù)利用都具備深遠(yuǎn)的意義[8]。

所有生物有機(jī)體都需要物質(zhì)組成其結(jié)構(gòu)，需要能量來(lái)維持其活動(dòng)，還需要相互溝通來(lái)完成演化[9]。所以，草地系統(tǒng)的認(rèn)知理論體系可從三個(gè)方面考慮：草地的形態(tài)結(jié)構(gòu)、能量平衡和行為（管理）信息。第一，草地系統(tǒng)的演化表現(xiàn)在草地形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化，草地斑塊及其生態(tài)地境的類(lèi)型、數(shù)量、顏色、形狀、面積、位置等是認(rèn)識(shí)草地系統(tǒng)的第一步；第二，系統(tǒng)內(nèi)部能量的累積、轉(zhuǎn)化和耗散過(guò)程是驅(qū)動(dòng)草地系統(tǒng)演化的內(nèi)在機(jī)理，如草地系統(tǒng)的能量輸送表現(xiàn)在植物的光合作用及其導(dǎo)致的熱量和能值轉(zhuǎn)化；第三，草地系統(tǒng)是一個(gè)人—草—畜共生系統(tǒng)，草地系統(tǒng)的行為（管理）信息可以反映于人類(lèi)的管理、物種多樣性和載畜狀況。三者結(jié)合可構(gòu)建草地系統(tǒng)認(rèn)知框架（圖1）。

圖1 草地系統(tǒng)認(rèn)知理論框架示意Fig.1 Schematic diagram of grassland system cognitive theory framework

（1）形態(tài)結(jié)構(gòu)。草地形態(tài)結(jié)構(gòu)是不同因素在時(shí)間和空間維度上經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的耦合和積淀形成的，所以，應(yīng)當(dāng)從氣候（水熱條件）、地形、土壤等方面考慮其宏觀特征，三者是草地地帶性發(fā)育的主要監(jiān)管者[10]。在這些宏觀地理特征下，發(fā)育和演化各種不同草地植被群落。草地的群落結(jié)構(gòu)包括物種類(lèi)型、數(shù)量和組合，以及他們?cè)谒脚c垂直空間排列的特征[11]。對(duì)于群落結(jié)構(gòu)的特征可以借用地植物學(xué)分層的概念，每一個(gè)層片在群落中具有一定的小環(huán)境，相互作用的結(jié)果構(gòu)成了群落環(huán)境，層片可以按它在群落中的作用和功能，劃分為建群層片和從屬層片等。

（2）能量平衡。生態(tài)學(xué)的主體是研究綠色植物如何獲取無(wú)機(jī)資源，以及這些資源在消費(fèi)者資源利用網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)連續(xù)階段的重組過(guò)程[9]。當(dāng)輻射被植物截獲時(shí)，它有可能被反射（波長(zhǎng)不變）、傳遞（一些波段的光被過(guò)濾）或吸收。部分吸收的輻射能可提高植物的溫度，并以更長(zhǎng)的波長(zhǎng)輻射出去。除太陽(yáng)輻射之外，不同植物對(duì)二氧化碳、水和礦物質(zhì)的轉(zhuǎn)化也是草地系統(tǒng)能量平衡的重要環(huán)節(jié)。草地植株吸收能量并合成粗蛋白、粗脂肪、粗纖維以及礦物元素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，被牛羊啃食后部分轉(zhuǎn)化為肉、蛋、奶供人類(lèi)消耗，部分基于排泄物歸還草地，重新被草地吸收，整個(gè)過(guò)程組成草地系統(tǒng)的能量網(wǎng)。可見(jiàn)草地系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)化狀況是認(rèn)識(shí)草地系統(tǒng)健康狀態(tài)和演化階段的重要環(huán)節(jié)，能量失衡是指示系統(tǒng)奔潰的關(guān)鍵因素。

（3）行為（管理）信息。人—草—畜在草地系統(tǒng)中依據(jù)物質(zhì)和能量循環(huán)過(guò)程中發(fā)生的行為訊號(hào)進(jìn)行的行為調(diào)整和預(yù)警，稱(chēng)之為行為信息，如草地生物量和物種多樣性的時(shí)空異構(gòu)狀態(tài)、牛羊喜好豐美適口的牧草、人類(lèi)圍欄保護(hù)長(zhǎng)勢(shì)不良的草場(chǎng)，除此之外，物種入侵、火燒、施肥、草畜比重等都表征草地系統(tǒng)的行為信息。人—草—畜任何一方的行為偏好都影響草地系統(tǒng)的演化方向。草地系統(tǒng)的行為信息為草地系統(tǒng)演化提供了證據(jù)，組成復(fù)雜的系統(tǒng)知識(shí)脈絡(luò)可供草地系統(tǒng)管理提供強(qiáng)有力的支撐[1]。

2 光譜端元空間和光譜融合量化策略

2.1 遙感技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

遙感數(shù)據(jù)是記錄草地系統(tǒng)最經(jīng)濟(jì)、迅捷、廣泛的應(yīng)用手段，如何從遙感數(shù)據(jù)源的層面實(shí)現(xiàn)草地系統(tǒng)認(rèn)知的規(guī)范是草地系統(tǒng)認(rèn)知理論建立的根基[12-14]。中國(guó)早期的草地資源調(diào)查以野外實(shí)地勘探調(diào)繪再經(jīng)過(guò)內(nèi)業(yè)整理、核查補(bǔ)繪為主。20世紀(jì)80年代，賈慎修、牟新待等開(kāi)始嘗試引入遙感技術(shù)參與草地資源調(diào)查工作，發(fā)現(xiàn)遙感能夠大大提高調(diào)查精度和效率[15-16]；后林培參與農(nóng)業(yè)部與聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）的農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)合作，成立“北京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用與培訓(xùn)中心”，出版了《農(nóng)業(yè)遙感》[17]，掀起了農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用的高潮，但受遙感技術(shù)的限制，仍多以光學(xué)目視輔助為主，并未充分挖掘遙感技術(shù)的真正潛力。

時(shí)至今日，全譜段、多角度、高分辨率、高頻次的空天地觀測(cè)系統(tǒng)提供了多種多樣的對(duì)地觀測(cè)視角。除了數(shù)據(jù)源的發(fā)展，基于光譜的時(shí)空分析技術(shù)也日趨完善，表征草地生態(tài)地境要素的指數(shù)模型，如植被指數(shù)（NDVI）[18]、土壤調(diào)整植被指數(shù)（SAVI）[19]、歸一化水體指數(shù)（NDWI）、結(jié)皮指數(shù)（CI）、覆被功能指數(shù)（LCI）[20]等；反映草地演化過(guò)程及物候條件的時(shí)序分析方法[21-22]；除此之外，還發(fā)展了大批包括深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等高精度的遙感數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)[23-26]。

盡管在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)里遙感技術(shù)迅速發(fā)展，但草地系統(tǒng)的生態(tài)和氣候異構(gòu)特征使其對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能、生物物理和生物化學(xué)參數(shù)的監(jiān)測(cè)產(chǎn)生了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)表現(xiàn)在中、粗分辨率的影像使得植物冠層少的灌草植物與其沙土背景混淆[5]；另外，生物認(rèn)知與深度學(xué)習(xí)的黑化或灰化導(dǎo)致遙感解譯框架和專(zhuān)業(yè)知識(shí)框架難以同化。因此，亟需在草地系統(tǒng)概念框架的基礎(chǔ)上，建立現(xiàn)代觀測(cè)和診斷技術(shù)下的標(biāo)準(zhǔn)比較空間來(lái)支撐遙感大數(shù)據(jù)在“概念邏輯”知識(shí)體系中的深入應(yīng)用，最終推動(dòng)草地系統(tǒng)的認(rèn)知和科學(xué)管理決策。

2.2 地表標(biāo)準(zhǔn)光譜端元空間

草地系統(tǒng)遙感解譯框架面臨挑戰(zhàn)最重要的癥結(jié)在于受影像空間分辨率的限制，光譜空間始終在表達(dá)復(fù)雜的地表物質(zhì)狀態(tài)，從而導(dǎo)致光譜異質(zhì)特征。所以，由地表混合光譜空間向地表端元（純凈地物）光譜空間轉(zhuǎn)變是走出困境的第一步。將混合地物光譜解構(gòu)為端元光譜，進(jìn)而構(gòu)建地表端元空間，使得光譜信息具備了直觀的生境意義，也降低了光譜知識(shí)和專(zhuān)業(yè)概念的同化難度[27]。SMALL在分析全球地表覆被光譜空間時(shí)發(fā)現(xiàn)98%的覆被信息可以被三維光譜端元空間（SVD空間）表示，三個(gè)端元分別為基質(zhì)（Substrate）、綠色植被（Vegetation）和暗色物質(zhì)（Darksurface,光譜未能穿透或由背景地物散射形成的弱信號(hào)區(qū)域）[28]。這一結(jié)論意味著端元空間能夠走向標(biāo)準(zhǔn)端元空間，這使得我們很可能突破由光譜異質(zhì)性造成遙感技術(shù)在多尺度應(yīng)用上的瓶頸。地表標(biāo)準(zhǔn)光譜端元空間在不同的系統(tǒng)領(lǐng)域已有廣泛的應(yīng)用，孫丹峰在旱地系統(tǒng)進(jìn)行了大量的端元空間與專(zhuān)業(yè)概念的鉚合研究，其認(rèn)為沙、鹽、植被和暗色物質(zhì)能夠表征旱地系統(tǒng)基礎(chǔ)物質(zhì)成分，通過(guò)四端元空間可以有效反演旱地系統(tǒng)生境互動(dòng)模式，形成專(zhuān)業(yè)場(chǎng)景知識(shí)，最終通過(guò)決策樹(shù)來(lái)繪制專(zhuān)業(yè)概念模型的脈絡(luò)[29-30]；孫強(qiáng)強(qiáng)在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步構(gòu)建高密時(shí)序的端元空間，并對(duì)荒漠草地群落生境互動(dòng)特征進(jìn)行了細(xì)致解剖，最終得到了精細(xì)的荒漠生境知識(shí)結(jié)構(gòu)圖[31]。端元空間模式解構(gòu)出地表要素，自然消除了灌草植被與背景地物混淆的問(wèn)題，除此之外，它還具備時(shí)間、空間和光譜維度上的穩(wěn)定性[32]，這為不同尺度草地系統(tǒng)認(rèn)知信息的融合提供了契機(jī)。

2.3 草地認(rèn)知系統(tǒng)光譜融合量化策略

基于標(biāo)準(zhǔn)端元空間理論和成熟的遙感應(yīng)用技術(shù)，足以建立具有“概念邏輯”且可以移植的草地資源遙感解譯框架。在多尺度分層嵌套的草地類(lèi)型體系及草地系統(tǒng)認(rèn)知理論的支撐下該解譯框架能夠?qū)崿F(xiàn)草地資源的尺度轉(zhuǎn)化，同時(shí)滿(mǎn)足不同的應(yīng)用需求（圖2）。多級(jí)嵌套的分類(lèi)邏輯滿(mǎn)足草地發(fā)生學(xué)原理，那么第一步需實(shí)現(xiàn)草地的氣候潛力區(qū)劃，認(rèn)識(shí)草地植被的潛在發(fā)生單元[33-35]（此時(shí)可用地表亮溫產(chǎn)品MOD11、Landsat TIRS；植被指數(shù)MOD13；降水?dāng)?shù)據(jù)TRMM等遙感數(shù)字產(chǎn)品表征區(qū)域氣候潛力）；在潛在植被發(fā)生單元的基礎(chǔ)上，提取草地真實(shí)發(fā)生狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)草地類(lèi)別信息提取，該階段是框架可移植的關(guān)鍵，基于標(biāo)準(zhǔn)光譜端元空間取代傳統(tǒng)的光譜空間或光譜指數(shù)空間可以使解譯框架具備更好的穩(wěn)定性和可塑性[36]；最后，為了保證尺度的傳遞性，還需實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)端元空間的時(shí)間維、空間維甚至光譜維度上的融合，保證草地物種信息能夠在更精細(xì)的端元子空間內(nèi)被界定[37]。

在實(shí)現(xiàn)草地類(lèi)型不同尺度的光譜學(xué)解譯后，已經(jīng)具備草地資源不同尺度的形態(tài)結(jié)構(gòu)信息，基于草地系統(tǒng)認(rèn)知理論，能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)查結(jié)果與不同尺度需求的真正轉(zhuǎn)化（圖2）。針對(duì)不同尺度的草地單元進(jìn)行系統(tǒng)解構(gòu)，可獲取能量平衡和形為信息層面的光譜信號(hào)知識(shí)（如基于熱紅外數(shù)據(jù)推斷不同草地單元的氣孔導(dǎo)度和冠層蒸騰速率的變化[38-39]，通過(guò)熒光遙感分析其生長(zhǎng)活力[40-41]；基于時(shí)間序列分析不同草地單元的畜牧模式[42]；基于高光譜、雷達(dá)等數(shù)據(jù)分析不同草地單元的健康狀態(tài)[43]等），最終服務(wù)于草畜估產(chǎn)、健康評(píng)價(jià)、資產(chǎn)核算等一系列業(yè)務(wù)管理需求。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)不同層次的形態(tài)結(jié)構(gòu)、能量配比和信息交流的適時(shí)觀測(cè)，可以充分掌握草地資源的分配方式以及草地系統(tǒng)的演化方向，最終實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的草地資源管理。

圖2 草地系統(tǒng)認(rèn)知理論光譜融合量化策略Fig.2 Spectral fusion quantitative strategy of grassland system cognitive theory

3 草地類(lèi)型多級(jí)嵌套遙感分類(lèi)研究

3.1 研究概況

基于上述理論，本文構(gòu)建了基于標(biāo)準(zhǔn)光譜端元空間的草地類(lèi)型多級(jí)嵌套遙感分類(lèi)框架，主要包括3個(gè)部分內(nèi)容：首先，基于MODIS熱紅外和植被指數(shù)等產(chǎn)品、TRMM 3B43測(cè)雨雷達(dá)數(shù)據(jù)以及DEM等多源遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行全國(guó)草地潛在植被分區(qū)；然后，在草地植被分區(qū)的指導(dǎo)下構(gòu)建MODIS多光譜數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)光譜端元空間進(jìn)行內(nèi)蒙古自治區(qū)草地類(lèi)型分類(lèi)；最后，利用資源1號(hào)02D衛(wèi)星（ZY1-02D）高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行特征優(yōu)化并構(gòu)建高維標(biāo)準(zhǔn)光譜端元空間，對(duì)科爾沁左翼后旗進(jìn)行草地類(lèi)、組、型精細(xì)識(shí)別，三個(gè)尺度的應(yīng)用示范實(shí)現(xiàn)不同尺度間的融合嵌套，能夠滿(mǎn)足不同尺度的管理應(yīng)用需求。具體技術(shù)路線(xiàn)如圖3。

圖3 技術(shù)流程圖Fig.3 Technical route of study

采用了全國(guó)第一次草地調(diào)查分類(lèi)系統(tǒng)，即將全國(guó)草地劃分為18個(gè)類(lèi)，包括：高寒草甸草地類(lèi)、高寒荒漠類(lèi)、高寒草原類(lèi)、高寒草甸類(lèi)、高寒荒漠草原類(lèi)、溫性草甸草原類(lèi)、溫性草原類(lèi)、溫性荒漠草原類(lèi)、溫性荒漠類(lèi)、溫性草原化荒漠類(lèi)、溫性山地草甸類(lèi)、暖性草叢類(lèi)、暖性灌草叢類(lèi)、熱性草叢類(lèi)、熱性灌草叢類(lèi)、低地草甸類(lèi)及沼澤類(lèi)。

3.1.1 數(shù)據(jù)與處理

（1）草地潛在植被區(qū)劃研究部分主要采用了1 km分辨率8天合成的MODIS LST和月度合成的NDVI產(chǎn)品，采用月度合成0.25°×0.25°分辨率的TRMM 3B43測(cè)雨雷達(dá)數(shù)據(jù)，以及STRM 90 m DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行潛在植被分區(qū)（其中MOD11A2 LST產(chǎn)品和MOD13A3 NDVI產(chǎn)品受傳感器參數(shù)、大氣、降雨等條件影響，往往存在不可預(yù)見(jiàn)的噪聲和缺失值，本文在應(yīng)用前均采用了Savitzky-Golay法進(jìn)行了濾波處理；TRMM 3B43數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)、坐標(biāo)校正及單位轉(zhuǎn)換等處理步驟，除此之外，由于其空間分辨率與MODIS產(chǎn)品不一致，本文基于NDVI和LST參數(shù)構(gòu)建多元回歸模型對(duì)其進(jìn)行降尺度處理。MODIS產(chǎn)品和TRMM降雨數(shù)據(jù)詳細(xì)處理過(guò)程參考[44-47]）。（2）內(nèi)蒙古草地類(lèi)型分類(lèi)研究主要運(yùn)用了500 m分辨率的MODIS多光譜數(shù)據(jù)（MOD09A1），共7個(gè)波段。（3）科爾沁左翼后旗（部分區(qū)域）草地類(lèi)—組—型精細(xì)識(shí)別研究主要采用ZY1-02D高光譜數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)具有30 m空間分辨率，共166個(gè)光譜通道分布于0.4～2.5 um之間，該數(shù)據(jù)需要在ENVI中手動(dòng)添加載荷參數(shù)后再進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理。MOD09A1數(shù)據(jù)獲取于https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov，ZY1-02D數(shù)據(jù)由中國(guó)國(guó)土勘測(cè)規(guī)劃院提供。遙感數(shù)據(jù)源信息參考表1。

表1 數(shù)據(jù)源情況Tab.1 Date source

內(nèi)蒙古草地類(lèi)型分類(lèi)主要基于2020年自然資源部草地類(lèi)型專(zhuān)項(xiàng)調(diào)查樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，內(nèi)蒙古自治區(qū)專(zhuān)項(xiàng)調(diào)查涵蓋918個(gè)樣地，每個(gè)樣地布設(shè)3個(gè)樣方，記錄有草地類(lèi)型、地形信息、植物類(lèi)型、土壤狀況及生物量等；科爾沁左翼后旗部分區(qū)域精細(xì)分類(lèi)基于2020年自然資源部專(zhuān)項(xiàng)調(diào)查樣點(diǎn)及2019年和2020年實(shí)地采集樣點(diǎn)，研究區(qū)內(nèi)共包含19個(gè)樣地，每個(gè)樣地3個(gè)樣方，基于樣點(diǎn)情況可將本文分為2個(gè)草地類(lèi)、6個(gè)草地組和11個(gè)草地型，樣點(diǎn)分布位置如圖4。

圖4 樣點(diǎn)分布圖Fig.4 Samples distribution

3.1.2 光譜混合分解技術(shù)

光譜混合分解模型能夠從亞像元尺度將混合像元光譜曲線(xiàn)分解為地表純凈要素曲線(xiàn)，從而構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)光譜端元空間，完成地表混合光譜空間向端元（純凈地物）空間的轉(zhuǎn)變。光譜混合分解技術(shù)是構(gòu)建地表標(biāo)準(zhǔn)光譜端元空間于光譜融合量化策略的關(guān)鍵技術(shù)，它假設(shè)混合像元光譜曲線(xiàn)由像元內(nèi)純凈端元光譜曲線(xiàn)線(xiàn)性組成，目的在于尋求各端元組分占混合像元的面積百分比（豐度值）。

線(xiàn)性光譜混合分解過(guò)程主要包括：主成分分析、端元提取和光譜分解。其中，主成分分析的目的在于分析影像的光譜維度，同時(shí)消除原始影像中各波段存在的噪音以及共線(xiàn)性問(wèn)題，從而增強(qiáng)光譜利用效率；端元提取是基于光譜混合分解模型構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)光譜端元空間的關(guān)鍵，選取的端元數(shù)目標(biāo)定端元空間的維度，端元類(lèi)型標(biāo)定端元空間的類(lèi)型；線(xiàn)性光譜混合分解是求取端元組分占混合像元中比例的過(guò)程，見(jiàn)式（1），光譜混合分解的詳細(xì)處理過(guò)程參考文獻(xiàn)[29-30]。

式（1）中：Ri為波段i的反射率；i為影像波段；j為端元數(shù)量位置（1，2，3，…，m）；Ei,j為端元j在第i波段的反射率；Fj為端元j占像元的面積；εi為殘差。

3.2 研究過(guò)程與結(jié)果

3.2.1 草地潛在植被分區(qū)

天然草地具有地帶性和非地帶性分布規(guī)律，草地潛在植被區(qū)劃的目的在于充分了解、認(rèn)識(shí)不同草地發(fā)育的氣候和生態(tài)條件，以考慮地區(qū)特點(diǎn)和發(fā)展前景。進(jìn)一步分析草地自然條件的特性、形成結(jié)構(gòu)和發(fā)展規(guī)律，以探討草地發(fā)生和演化機(jī)理。本文基于第一次全國(guó)草地資源調(diào)查指標(biāo)體系方案運(yùn)用多源遙感數(shù)據(jù)構(gòu)建潛在草地類(lèi)型區(qū)劃方案。以熱量、水分、地形因素作為各級(jí)區(qū)劃單位參考的基礎(chǔ)，具體如下：

（1）通過(guò)熱量指標(biāo)區(qū)分熱性、暖性、溫性、高寒4種熱量級(jí)來(lái)限定草地類(lèi)型命名，基于MOD11A2數(shù)據(jù)計(jì)算最暖月均溫、最冷月均溫、＞0℃積溫來(lái)構(gòu)建熱量指標(biāo)；（2）基于MOD11A2、MOD13A3和TRMM 3B43數(shù)據(jù)構(gòu)建綜合干旱指數(shù)[45]，反映區(qū)域覆被濕潤(rùn)狀態(tài)，區(qū)分荒漠、草原化荒漠、荒漠草原、典型草原、草甸草原及草甸—草叢—灌草從6個(gè)不同水分梯度；（3）基于STRM 90 m DEM數(shù)據(jù)區(qū)分高原、山地、平原等地貌狀態(tài)，結(jié)合地形狀態(tài)和綜合干旱指數(shù)，判別隱喻特征，區(qū)分地帶性和隱喻性草地。結(jié)合三個(gè)要素，參考20世紀(jì)80年代草地調(diào)查方法同時(shí)基于專(zhuān)項(xiàng)調(diào)查樣地進(jìn)行閾值訓(xùn)練，利用草地發(fā)生知識(shí)樹(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織，最終生成中國(guó)草地潛在植被類(lèi)型圖（圖5），支撐不同尺度草地類(lèi)型分類(lèi)。

圖5 全國(guó)草地類(lèi)型潛在植被分區(qū)及其量化參數(shù)Fig.5 Grassland potential vegetation zoning and quantitative parameters in China

3.2.2 內(nèi)蒙古草地類(lèi)型分類(lèi)

草地潛在植被區(qū)劃表征草地潛在發(fā)生的地理氣候條件，約束草地發(fā)生類(lèi)別，使得分類(lèi)邏輯符合發(fā)生學(xué)原理。除此之外，基于潛在植被區(qū)劃的約束下進(jìn)行草地類(lèi)型分類(lèi)，可以有效降低光譜對(duì)覆被類(lèi)別的無(wú)序配對(duì)，從而減少光譜的空間變異。本文以?xún)?nèi)蒙古自治區(qū)為試驗(yàn)區(qū)，基于草地類(lèi)型潛在植被區(qū)劃結(jié)果，基于光譜混合分解技術(shù)，以MOD09A1 5月、8月和11月三季相數(shù)據(jù)構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)光譜端元豐度圖為特征參數(shù)，針對(duì)每個(gè)草地潛在區(qū)域構(gòu)建隨機(jī)森林分類(lèi)模型，獲取草地類(lèi)型分布結(jié)果，最終整合出內(nèi)蒙古自治區(qū)的草地類(lèi)型分布圖（圖6）。

圖6 內(nèi)蒙古草地類(lèi)型分布圖Fig.6 Distribution of grassland types in Inner Mongolia

基于驗(yàn)證樣本構(gòu)建混淆矩陣（表2），得到內(nèi)蒙古土地覆被分類(lèi)總體精度為78.85%，Kappa系數(shù)為0.73。受到MODIS多光譜數(shù)據(jù)空間分辨率的限制，分類(lèi)結(jié)果對(duì)地塊破碎的草地漏分較大，如山地草甸、低地草甸以及草原—荒漠過(guò)度地帶等（均不足70%）。所以，對(duì)于更小尺度的管理需求，還需要結(jié)合更高空間分辨率或者光譜分辨率的數(shù)據(jù)進(jìn)一步嵌套分析。

表2 內(nèi)蒙古草地類(lèi)型分類(lèi)精度Tab.2 Classification accuracy of grassland types in Inner Mongolia

3.2.3 科爾沁左翼后旗草地類(lèi)型精細(xì)分類(lèi)

對(duì)草地類(lèi)型的精細(xì)識(shí)別是草地系統(tǒng)底層行為管理的基礎(chǔ)。由于高空間或者高光譜分辨率數(shù)據(jù)源的限制，往往由地方部門(mén)在特定區(qū)域開(kāi)展。本文通過(guò)構(gòu)建ZY1-02D高光譜標(biāo)準(zhǔn)端元空間，開(kāi)展科爾沁左翼后旗部分區(qū)域的草地類(lèi)、組、型精細(xì)識(shí)別實(shí)驗(yàn)。

地物光譜識(shí)別是高光譜遙感地物屬性識(shí)別分類(lèi)的基礎(chǔ)，高光譜數(shù)據(jù)具有波段數(shù)目多、光譜分辨率高等特點(diǎn)，為地物光譜分類(lèi)識(shí)別研究提供了極大的便利，但同時(shí)也面臨著數(shù)據(jù)量大、譜間相關(guān)性高及數(shù)據(jù)冗余嚴(yán)重等問(wèn)題。所以，對(duì)高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理和特征轉(zhuǎn)換是高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用尤為重要的步驟。根據(jù)專(zhuān)項(xiàng)調(diào)查樣點(diǎn)及團(tuán)隊(duì)外業(yè)考察，將研究區(qū)草地分為2大類(lèi)，6個(gè)組和11個(gè)型。本文通過(guò)對(duì)地面樣點(diǎn)原始光譜曲線(xiàn)、一階微分曲線(xiàn)、二階微分曲線(xiàn)以及去包絡(luò)線(xiàn)進(jìn)行分析，最終在原始曲線(xiàn)上提取5個(gè)窗口，共27個(gè)波段，構(gòu)成新的光譜特征空間，具體位于464～499 nm（5個(gè)波段）、636～662 nm（4個(gè)波段）、696～730 nm（5個(gè)波段）、1 576～1 672 nm（4個(gè)波段）、2 081～2 132 nm（4個(gè)波段）（圖7）。

圖7 高光譜特征轉(zhuǎn)換Fig.7 Hyperspectral feature transformation

在優(yōu)化后的光譜特征空間的基礎(chǔ)上，運(yùn)用光譜混合分解模型構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)光譜端元空間，與多光譜數(shù)據(jù)相比，高光譜具備更深的端元維度，能夠更細(xì)致地刻畫(huà)地表組分。在多光譜端元空間的基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)，端元空間的內(nèi)部嵌套，構(gòu)建更高緯度的地表要素空間。本文在內(nèi)蒙古MODIS四端元的基礎(chǔ)上對(duì)土壤進(jìn)一步刻畫(huà)出沙土、壤土，對(duì)植被進(jìn)一步區(qū)分綠色植被和非光合作用植被，最終構(gòu)建沙土、壤土、綠色植被、非光合作用植被、水、鹽6個(gè)端元?；跇?biāo)準(zhǔn)端元豐度參數(shù)和地面樣地，利用隨機(jī)森林模型最終獲取研究區(qū)草地類(lèi)、組、型分布圖（圖8）。根據(jù)混淆矩陣分析類(lèi)—組—型嵌套模式下的草地類(lèi)型多級(jí)分類(lèi)精度，其中草地類(lèi)的信息提取精度為79.68%，Kappa系數(shù)為0.76；草地組的分類(lèi)精度為74.2%，Kappa系數(shù)為0.71，草地型的精度為74.06%，Kappa系數(shù)為0.71。

圖8 科爾沁左翼后旗草地類(lèi)、組、型分布圖Fig.8 Distribution of grassland classes, groups and types in Horqin Left Back Banner

3.3 結(jié)果分析

傳統(tǒng)的草地資源調(diào)查基于氣象站點(diǎn)和實(shí)地調(diào)查樣地，通過(guò)區(qū)域推演，由點(diǎn)到面繪制調(diào)查圖。本文基于端元空間和光譜融合量化策略構(gòu)建草地類(lèi)型多級(jí)嵌套遙感分類(lèi)框架，基于遙感光譜數(shù)據(jù)的草地資源調(diào)查方案，具備傳統(tǒng)調(diào)查難以實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。主要表現(xiàn)在：（1）遙感數(shù)據(jù)面向像素連續(xù)分析，還可實(shí)現(xiàn)由草地發(fā)生學(xué)概念控制，由上向下續(xù)分，同時(shí)由下向上聚合論證；（2）基于標(biāo)準(zhǔn)光譜端元空間的遙感解譯框架，具備克服傳統(tǒng)基于光譜或光譜指數(shù)遙感解譯光譜時(shí)空異質(zhì)、光譜通道參數(shù)不一導(dǎo)致調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一的能力；（3）多級(jí)嵌套的分類(lèi)結(jié)構(gòu)，能夠有效解決不同尺度的調(diào)查問(wèn)題，從而支撐不同等級(jí)的管理需求。

對(duì)于不同尺度草地信息提取方案并不受單一數(shù)據(jù)源的限制，標(biāo)準(zhǔn)光譜端元空間賦予多級(jí)嵌套解譯框架不僅能夠發(fā)揮不同載荷的自身優(yōu)勢(shì)，還能真正實(shí)現(xiàn)多載荷、可替代的融合解譯思路。如對(duì)于小尺度草地類(lèi)型的精細(xì)分類(lèi)除了基于高光譜數(shù)據(jù)的光譜信息優(yōu)勢(shì)來(lái)區(qū)分不同草地群落之間的光譜差異外，還可以考慮多時(shí)相多光譜數(shù)據(jù)基于草地生長(zhǎng)物候信息提取方式，也可以通過(guò)高分辨率數(shù)據(jù)源來(lái)精細(xì)刻畫(huà)草地紋理結(jié)構(gòu)信息，甚至基于融合模型通過(guò)融合高分辨率—低分辨率、高光譜—多光譜等不同數(shù)據(jù)源的方式來(lái)克服單一數(shù)據(jù)源獲取限制的問(wèn)題。當(dāng)然，這些也是今后本文框架需要完善的方向。

4 結(jié)論與討論

本文基于任繼周的草業(yè)學(xué)科四維科學(xué)理論和眾多相關(guān)學(xué)者的研究成果，提出草地系統(tǒng)認(rèn)知理論框架，它從草地資源的形態(tài)結(jié)構(gòu)、能量平衡和行為（管理）信息3個(gè)角度來(lái)規(guī)范和組織對(duì)草地系統(tǒng)的認(rèn)知，使得不同業(yè)務(wù)部門(mén)能夠獲取對(duì)草地系統(tǒng)規(guī)范的認(rèn)知，來(lái)支撐管理決策。當(dāng)然，本文僅是草地系統(tǒng)認(rèn)知理論的初探，后續(xù)仍需要從每個(gè)角度基于不同的學(xué)科背景進(jìn)行更深層次的理論探索，來(lái)豐富該理論。

理論框架離不開(kāi)技術(shù)支撐，大數(shù)據(jù)和高性能云計(jì)算的變革增強(qiáng)了在多尺度和實(shí)時(shí)視角下進(jìn)行全球觀測(cè)的能力[48]。基于草地系統(tǒng)認(rèn)知理論框架，本文針對(duì)當(dāng)前遙感技術(shù)發(fā)展面臨的困境提出了基于地表標(biāo)準(zhǔn)光譜端元的草地系統(tǒng)認(rèn)知光譜融合量化策略，能夠充分表達(dá)草地資源的形態(tài)結(jié)構(gòu)、能量平衡和行為信息在不同尺度的狀態(tài)?；跇?biāo)準(zhǔn)光譜端元空間的融合策略具備更加穩(wěn)定的底層邏輯，能夠支撐草地系統(tǒng)認(rèn)知理論實(shí)現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)的規(guī)范化。本文在認(rèn)知理論和融合策略的指導(dǎo)下，提供了詳細(xì)的案例解剖，從全國(guó)—內(nèi)蒙古—科爾沁左翼后旗3個(gè)尺度構(gòu)建草地類(lèi)型多級(jí)嵌套遙感分類(lèi)示范，論證了本文對(duì)于草地資源調(diào)查研究轉(zhuǎn)型的潛力。但本文僅從MODIS多光譜數(shù)據(jù)和ZY1-02D高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行草地類(lèi)型的多級(jí)嵌套分類(lèi)研究，事實(shí)上標(biāo)準(zhǔn)光譜端元空間具備更宏偉的數(shù)據(jù)源可塑性，針對(duì)不同時(shí)間—空間—光譜維度的載荷均可構(gòu)建其標(biāo)準(zhǔn)的光譜端元空間，基于標(biāo)準(zhǔn)光譜端元空間將不同載荷原始光譜通道轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)物理空間中，再基于端元豐度融合模型實(shí)現(xiàn)端元空間的尺度傳遞[37]，最終真正實(shí)現(xiàn)草地資源的多源遙感數(shù)據(jù)協(xié)同觀測(cè)。

本文的理論研究和技術(shù)探索的最終目的在于服務(wù)中國(guó)草地資源面臨的全球氣候變化、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和糧食結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型背景，希望為全國(guó)草地資源可持續(xù)管理提供新思路。