北方防風(fēng)固沙重要區(qū)草原型的遙感劃分

摘要：草原型是草地資源研究的關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。為了開展不同草原型防風(fēng)固沙生態(tài)功能評(píng)價(jià)及探討草地資源經(jīng)濟(jì)利用限值，以正藍(lán)旗為典型研究區(qū)，綜合利用遙感技術(shù)，研究了北方防風(fēng)固沙重要區(qū)草原型遙感劃分方法。在去除非天然草地利用區(qū)域的基礎(chǔ)上，利用2011年8月中旬的NDVI，結(jié)合同期野外實(shí)地植物群落屬性調(diào)查數(shù)據(jù)，以20世紀(jì)80年代全國統(tǒng)一草地資源調(diào)查數(shù)據(jù)為參考，進(jìn)行監(jiān)督分類，將正藍(lán)旗天然草原劃分為24類草原型，經(jīng)驗(yàn)證，分類精度為89.5%，基本滿足研究需要。與20世紀(jì)80年代數(shù)據(jù)對(duì)比，草原型從類型到面積分布劃分結(jié)果基本一致，2011年遙感劃分的草原型減少了7種，但新增加了3種，正藍(lán)旗草原總體呈溫性草甸草原向溫性草原退化及向低地鹽化草甸惡化。

關(guān)鍵詞：草原型劃分；NDVI；掩膜；監(jiān)督分類；四度一量；北方防風(fēng)固沙重要區(qū)

中圖分類號(hào)：S812.3；S127 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）21-5161-06

Classification of Grassland Types of Windbreak and Sand-Fixation Ecological Function Regions in the North of China Using Satellite Images

LIU Tong-hai1，WU Xin-hong2，L？譈 Shi-hai3，YANG Ting-ting2，LI Peng2，ZHAO Xin-hai1，YE Sheng-xing3，SHI Tao2

（1.Department of Computer Science and Information Engineering，Tianjin Agricultural University，Tianjin，300384，China；2.Grassland Research Institute， China Academy of Agricultural Sciences，Hohhot 010010，China；3. State Environment Protection Key Laboratory of Regional Eco-process and Function Assessment， Chinese Research Academy of Environmental Sciences， Beijing 100012， China）

Abstract： The grassland type is the key data for conducting the study of grassland resources. To carry out the economic utilizable threshold and the evaluation of ecological functions of grassland resources for the windbreak and the sand-fixation ecological function regions in the north of China， this paper studied a grassland type classification method based on the remote sensing technology using Plain Blue Banner as the typical study region. Based on the removing of the non-grass areas through the mask technique， using the NDVI data in mid August of 2011 combined with the field survey data of the same period and the unified national grassland resources survey data in the 1980s， the natural grassland of Plain Blue Banner was divided into 24 grassland types. Through verification， the classification accuracy of this method reached to 89.5%， which showed that the method could meet of the basic research needs. The results of grassland types and size distribution based on this method were consistent with that of the 1980s data. Compared with the 1980s data， the number of grassland types of Plain Blue Banner in 2011 was reduced by seven classes of grassland types and increased by 3 types. The grassland of Plain Blue Banner in general was degraded from temperate meadow steppe to the temperature steppe. The salinization of lowland meadow had the trend of deterioration.

Key words： classification of grassland types； NDVI； mask； supervised classification； height， coverage， density， frequency and production； windbreak and sand-fixation ecological function regions in the north of China

北方防風(fēng)固沙重要區(qū)既是北方典型生態(tài)脆弱區(qū)，也是我國北方重要的生態(tài)屏障區(qū)，對(duì)維護(hù)京津地區(qū)乃至國家生態(tài)安全具有十分重要的戰(zhàn)略意義。由于受到人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和全球氣候變化的影響，我國北方防風(fēng)固沙重要區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能明顯下降。由于自然條件差，加上人口壓力不斷加大和過度放牧，植被退化、土地荒漠化、沙塵暴肆虐等生態(tài)問題嚴(yán)峻，北方防風(fēng)固沙重要區(qū)生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱，這些問題已成為制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平提高的主要因素，生態(tài)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展矛盾日益凸顯。在我國北方草原和荒漠等重要生態(tài)脆弱區(qū)，該矛盾尤為突出。當(dāng)前，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能穩(wěn)定性維持和生態(tài)經(jīng)濟(jì)利用等成為北方防風(fēng)固沙重要區(qū)的研究熱點(diǎn)。弄清該地區(qū)土地利用類型的分布和變化是研究與分析生態(tài)功能及經(jīng)濟(jì)利用的基礎(chǔ)科學(xué)數(shù)據(jù)。

開展草地類型的劃分是草地資源相關(guān)研究工作的基礎(chǔ)，也是為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)及生態(tài)經(jīng)濟(jì)利用限值研究提供科學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。20世紀(jì)70年代末，我國開始了全國統(tǒng)一草地資源調(diào)查工作，草地分類采用了植物-生境分類方法，歷時(shí)近10年，1988年才完成了全國草地資源調(diào)查工作[1]。到20世紀(jì)90年代初，輔以航、衛(wèi)片校核，編繪完成縣級(jí)1∶50 000或1∶100 000草地類型圖，并縮編成1∶1 000 000全國草地資源圖[2]，可見傳統(tǒng)的分類方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力。遙感圖像是對(duì)地物種類及組合方式的綜合反映[3]，且可快速獲取地面草場(chǎng)資源數(shù)據(jù)，基于此，20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)外將遙感技術(shù)應(yīng)用在草地類型劃分上，但多局限于采用目視解譯，提取大尺度草地類型信息。Norwine等[4]開展了利用氣象衛(wèi)星資料進(jìn)行植被分類和制圖的研究。Townshed等[5]利用氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行南美洲植被分區(qū)研究。鄒亞榮等[6]通過微機(jī)屏幕勾繪制圖，提取草場(chǎng)類型，分析草地動(dòng)態(tài)變化。近年，草地類型的遙感劃分逐步由目視解譯過渡到智能自動(dòng)分類，由大尺度草場(chǎng)類型監(jiān)測(cè)到面向縣級(jí)區(qū)域小范圍的精確分類等。溫慶可等[7]利用草地生長期內(nèi)多時(shí)相MODIS的增強(qiáng)型植被指數(shù)（EVI）構(gòu)建時(shí)間序列數(shù)據(jù)集，提取各類型草地生長期內(nèi)的典型時(shí)間譜特征曲線。結(jié)合數(shù)字高程（DEM）自然因子信息，根據(jù)各像素時(shí)間譜特征曲線與典型時(shí)間譜特征曲線的相似度，通過決策分類法完成分類。趙連春等[8]結(jié)合坡向、坡度、高程等地形數(shù)據(jù)，利用專家分類器進(jìn)行分類，減少同物異譜、異物同譜的影響，提高了草地遙感分類的精度。郭芬芬等[9]利用MODIS NDVI時(shí)間序列，通過濾波處理，提取出藏北沼澤和高寒草甸草地信息。毛飛等[10]利用NOAA/AVHRR的旬?dāng)?shù)據(jù)合成歸一化植被指數(shù)（NDVI），利用那曲地區(qū)每個(gè)像元18年平均每年18旬（5-10月）的NDVI資料，采用主成分分析方法從中提取出主要信息，并以此作為分類指標(biāo)，對(duì)那曲地區(qū)的草地進(jìn)行非監(jiān)督分類，分為高寒草甸、高寒草甸草原、高寒草原和高寒荒漠等草地類型。王曉爽等[11]利用MODIS的EVI結(jié)合高程、積溫、降水和濕度等多源環(huán)境因子數(shù)據(jù)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)主要草地類型的劃分。這些研究主要集中在利用植被指數(shù)，借助地形、氣候等因子進(jìn)行草地的分類，而利用遙感提取草原型的研究較少。

因此，選取陰山北麓-渾善達(dá)克沙地防風(fēng)固沙區(qū)的正藍(lán)旗為研究區(qū)域，草地是該區(qū)域的主要土地利用類型，為典型草原帶。研究以傳統(tǒng)的草原型命名原則四度一量（即高度、蓋度、密度、頻度和草產(chǎn)量）為基礎(chǔ)，根據(jù)大量的野外實(shí)地植物群落屬性調(diào)查數(shù)據(jù)，利用Landsat TM遙感圖像的NDVI進(jìn)行監(jiān)督分類，快速提取正藍(lán)旗草原型數(shù)據(jù)，為開展不同草原型的防風(fēng)固沙生態(tài)功能評(píng)價(jià)及草地資源經(jīng)濟(jì)利用限值研究提供精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

《全國生態(tài)功能區(qū)劃》中列出了5個(gè)北方防風(fēng)固沙重要區(qū)，即科爾沁沙地防風(fēng)固沙重要區(qū)、呼倫貝爾草原防風(fēng)固沙重要區(qū)、陰山北麓-渾善達(dá)克沙地防風(fēng)固沙重要區(qū)、毛烏素沙地防風(fēng)固沙重要區(qū)、黑河中下游防風(fēng)固沙重要區(qū)。研究依據(jù)北方防風(fēng)固沙重要區(qū)的分布特點(diǎn)，結(jié)合主導(dǎo)功能核心區(qū)、典型代表性、前期研究積累等原則，選取典型草原帶的陰山北麓-渾善達(dá)克沙地防風(fēng)固沙重要區(qū)的正藍(lán)旗為典型研究區(qū)域。

正藍(lán)旗位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟南部，地處陰山山脈北麓東端和大興安嶺南段西麓的交會(huì)處（北緯41°56′-43°11′，東經(jīng)115°00′-116°42′，平均海拔1 300 m），南部為低山丘陵，北部為廣袤高平原。地帶性土壤以栗鈣土和黑鈣土為主，非地帶性土壤主要是風(fēng)沙土，其次為草甸土、鹽堿土和沼澤土。正藍(lán)旗屬中溫帶半干旱大陸性氣候，年均氣溫為1.5 ℃，年≥5 ℃積溫為2 300～2 500 ℃，年≥10 ℃積溫為1 800～2 200 ℃。多年平均降水量為370 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 936.2 mm，多年平均無霜期104 d。自然植被從北到南以沙生植被和典型草原植被類型為主，同時(shí)還分布有隱域性的草甸植被類型。

1.2 數(shù)據(jù)來源

選擇2011年8月18日的124/30和124/31兩景Landsat TM圖像，利用ERDAS IMAGINE實(shí)現(xiàn)遙感影像拼接和幾何精校正。使用ArcGIS對(duì)正藍(lán)旗行政區(qū)劃圖進(jìn)行矢量化，使其與TM圖像具有一致的投影方式和坐標(biāo)系，并完成裁剪工作，獲取正藍(lán)旗區(qū)域的遙感影像。

整理2008～2010年植物群落屬性野外實(shí)地調(diào)查歷史數(shù)據(jù)和2011年8月的地面調(diào)查數(shù)據(jù)共計(jì)169條記錄。調(diào)查路線、樣地樣方設(shè)置按照《全國草原資源與生態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行。樣地觀測(cè)：地理和行政位置、地形地貌、草原類型名稱、退化程度、利用狀況、風(fēng)沙蝕積狀況、裸沙地比例、景觀特征以及鼠蟲害狀況等。樣方觀測(cè)：GPS定位、群落的蓋度、高度、地上生物量、植物種數(shù)；優(yōu)勢(shì)植物種重要值、生活型、高度、蓋度、密度、頻度、飼用等級(jí)等。記錄土壤的質(zhì)地、覆沙程度、表土粒徑等。

1.3 研究方法及數(shù)據(jù)處理

1.3.1 草原型的確定 由于地面實(shí)地調(diào)查過程中記錄的草地類型不規(guī)范，對(duì)草地類型合并帶來麻煩，不便于遙感解譯，故采用傳統(tǒng)的基于各物種的“四度一量”草原型命名規(guī)范，對(duì)植物群落屬性野外實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、計(jì)算，規(guī)范和合并正藍(lán)旗草原型，為遙感解譯草原型奠定基礎(chǔ)。

優(yōu)勢(shì)度（SDR）是一個(gè)綜合性指標(biāo)，它較全面地反映種群在群落中的地位和作用，通常由某種植物的蓋度、密度、產(chǎn)量、高度和頻度等指標(biāo)計(jì)算而來。通過優(yōu)勢(shì)度分析確定植物群落喬木、灌木、草本層的優(yōu)勢(shì)種，并對(duì)草原型予以命名[1]。計(jì)算優(yōu)勢(shì)度根據(jù)各植物“四度一量”5個(gè)參數(shù)調(diào)查數(shù)據(jù)，即相對(duì)高度、相對(duì)蓋度、相對(duì)產(chǎn)量、相對(duì)頻度、相對(duì)密度，計(jì)算公式為：

SDR=

■

（1）

對(duì)169個(gè)調(diào)查樣方每種植物進(jìn)行整理，針對(duì)5個(gè)參數(shù)指標(biāo)單位不一致，進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，這里采用極大值標(biāo)準(zhǔn)化。然后通過公式（1）計(jì)算出樣方的各植物的優(yōu)勢(shì)度，并按優(yōu)勢(shì)度進(jìn)行草原型的命名。正藍(lán)旗天然草地類型最終整理歸并為溫性草甸草原類、溫性草原類、低地草甸類三大草地類，24類草原型，分屬平原丘陵草甸草原亞類、平原丘陵草原亞類、沙地草原亞類、低濕地草甸亞類和低地鹽化草甸亞類等5個(gè)草原亞類，24個(gè)草原型整理結(jié)果見表1。

1.3.2 草原型遙感分類 綜合我國草地研究者及工作者對(duì)草地類型劃分多年的經(jīng)驗(yàn)，目前我國主要形成兩種草地類型劃分方法，其一是植物-生境分類法，也是我國草地工作者主要采用的方法；其二是綜合順序分類法。兩種分類方法中，對(duì)草原型的劃分均以植被特征為依據(jù)[12]。

遙感數(shù)據(jù)主要反映的是地物光譜特征[13]。遙感圖像像元灰度值實(shí)際上是幾種地物光譜信息的線性或非線性的綜合反映。有關(guān)混合光譜模型理論發(fā)展較成熟的是線性光譜模型，即由不同地物形成的混合像元值可以表達(dá)成每種端元（Endmember）光譜的線性組合，每端元乘以一個(gè)加權(quán)系數(shù)[14，15]。基于此，利用遙感數(shù)據(jù)提取草原型的信息成為一種可能。而多波段遙感圖像各像元所反映的是包括植被、土壤等多種地物的光譜信息。若直接用多波段遙感圖像建立訓(xùn)練區(qū)樣本，進(jìn)行監(jiān)督分類，經(jīng)試驗(yàn)分類后草地類型破碎度大，數(shù)據(jù)很難利用。基于地表反射率和植被光譜的歸一化植被指數(shù)（NDVI）在一定層次上表征了植被的情況，在宏觀上能夠客觀地反映某一區(qū)域草原植被信息，因此利用NDVI來提取草原型是有科學(xué)依據(jù)的。

1）掩膜處理。由于正藍(lán)旗還分布著耕地、人工草地、城鎮(zhèn)用地、水體等其他非天然草原用地，影響天然草原型信息的提取。利用ArcGIS軟件，通過目視解譯，利用屏幕勾繪，將該類數(shù)據(jù)矢量化（圖1）。然后將正藍(lán)旗2011年8月18日遙感影像去除非天然草原用地（圖2），以減少對(duì)天然草地植被信息的干擾。

2）草原型遙感劃分。通過169個(gè)地面實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件，生成.shp格式的點(diǎn)數(shù)據(jù)，投影與NDVI一致。通過ERDAS IMAGINE軟件，在調(diào)查點(diǎn)輔助下，對(duì)2011年NDVI圖像建立分類訓(xùn)練區(qū)樣本24類，然后利用最小距離法進(jìn)行監(jiān)督分類，并利用隨機(jī)50個(gè)地面調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，正確率達(dá)89.5%。之后通過轉(zhuǎn)化為.shp格式的矢量數(shù)據(jù)，并通過人工去除破碎斑塊及多邊形合并，生成圖3所示的正藍(lán)旗草原型空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 草原型分類結(jié)果

通過對(duì)TM遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督分類、破碎斑塊處理后統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，共生成3 879個(gè)圖斑，天然草地劃分為24類草原型（表2）。通過遙感影像得出2011年天然草原總面積為961 636.66 hm2，其他土地利用面積為58 992.40 hm2。分析表2中的草原型及面積數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)2011年遙感影像劃分的草原型分屬溫性草甸草原類、溫性草原類和低地草甸類三大草原類中的平原丘陵草甸草原亞類、平原丘陵草原亞類、沙地草原亞類、低濕地草甸亞類和低地鹽化草甸亞類。其中面積最大的為沙地草原亞類的具小葉錦雞兒的褐沙蒿，為279 691.67 hm2； 其次是褐沙蒿，面積為206 842.50 hm2。

2.2 草原型變化分析

根據(jù)1988年的全國統(tǒng)一草地資源調(diào)查數(shù)據(jù)，20世紀(jì)80年代正藍(lán)旗天然草原分為28類草原型，分別為羊草+貝加爾針茅、貝加爾針茅+羊草、具灌木的貝加爾針茅+糙隱子草、羊草+糙隱子草、羊草+冷蒿、具小葉錦雞兒的羊草、大針茅、大針茅+糙隱子草、克氏針茅+糙隱子草、克氏針茅+冷蒿、白草+雜類草、冰草+冷蒿、糙隱子草+雜類草、冷蒿+叢生禾草、沙生冰草+糙隱子草、褐沙蒿、具小葉錦雞兒的褐沙蒿、具家榆的褐沙蒿、具灌木的差巴嘎蒿、冷蒿+沙生冰草、具家榆的冷蒿+雜類草、拂子茅、羊草+蘆葦、寸草苔+雜類草、芨芨草、堿茅+鹽生雜類草、馬藺、大葉章+雜類草。面積最大的草原型為具小葉錦雞兒的褐沙蒿，占總面積的38.36%；其次為褐沙蒿，占總面積的8.03%。總體上與2011年遙感草原型分類及面積分布一致。2011年褐沙蒿面積增加，通過調(diào)查，發(fā)現(xiàn)是由于近些年人工飛機(jī)播種等人工因素造成的。

2011年草原型遙感劃分結(jié)果（表2）與20世紀(jì)80年代相比，山地草甸草原亞類的具灌木的貝加爾針茅+糙隱子草，平原丘陵草原亞類的羊草+糙隱子草、白草+雜類草、糙隱子草+雜類草，低濕地草甸亞類的拂子茅、低地鹽化草甸亞類的堿茅+鹽生雜類草以及低地沼澤化草甸亞類的大葉章+雜類草7類草原型減少；增加了平原丘陵草原亞類的羊草+雜類草、低地鹽化草甸亞類的蘆葦和沙地草原亞類的沙鞭+雜類草共計(jì)3類草原型，其中沙地草原亞類的沙鞭+雜類草草原型面積為23 749.56 hm2，作為草地退化指示植物，面積增加，可見，整體上正藍(lán)旗草地依然呈退化趨勢(shì)。

3 結(jié)論與討論

在利用“四度一量”方法對(duì)地面調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范的基礎(chǔ)上，探討了利用Landsat TM遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督分類，提取正藍(lán)旗天然草原型的方法。并獲取了24類草原型，分別是平原丘陵草甸草原亞類的羊草+貝加爾針茅、貝加爾針茅+羊草，平原丘陵草原亞類的羊草+雜類草、羊草+冷蒿、具小葉錦雞兒的羊草、大針茅、大針茅+糙隱子草、克氏針茅+糙隱子草、克氏針茅+冷蒿、冰草+冷蒿、冷蒿+叢生禾草，沙地草原亞類的沙生冰草+糙隱子草、褐沙蒿、具小葉錦雞兒的褐沙蒿、具家榆的褐沙蒿、具灌木的差巴嘎蒿、冷蒿+沙生冰草、具家榆的冷蒿+雜類草、沙鞭+雜類草，低濕地草甸亞類的羊草+蘆葦、寸草苔+雜類草，低地鹽化草甸亞類的蘆葦、芨芨草、馬藺。草原型的劃分為今后開展不同草原型防風(fēng)固沙功能評(píng)價(jià)及草地資源經(jīng)濟(jì)利用限值研究提供了基礎(chǔ)科學(xué)數(shù)據(jù)。

遙感數(shù)據(jù)主要反映的是地物光譜特征，通過對(duì)Landsat TM的NDVI監(jiān)督分類，結(jié)合剔除非天然草地利用區(qū)域，能夠較準(zhǔn)確地對(duì)正藍(lán)旗的天然草地的草原型進(jìn)行劃分，方法可行。該方法與傳統(tǒng)的草地類型劃分方法相比，具有快速且數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等特點(diǎn)。

遙感劃分的草原型數(shù)據(jù)與20世紀(jì)80年代全國統(tǒng)一草地資源調(diào)查數(shù)據(jù)相比，類型及面積整體上一致，2011年遙感劃分的草原型減少了7類，但新增加了3類草原型，總體呈溫性草甸草原向溫性草原退化以及向低地鹽化草甸惡化。

利用TM等多波段遙感數(shù)據(jù)分析草原型，由于該類遙感數(shù)據(jù)光譜分辨率較低，與高光譜遙感數(shù)據(jù)分析肯定存在一定的誤差，但數(shù)據(jù)易于獲取，處理簡(jiǎn)單，亦可結(jié)合大量的地面調(diào)查輔助劃分草原型，提高其劃分精度。在對(duì)草原型矢量合并時(shí)，對(duì)草原型邊界的準(zhǔn)確確定有待進(jìn)一步研究。

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