北方防風固沙重要區草原型的遙感劃分

摘要：草原型是草地資源研究的關鍵基礎數據。為了開展不同草原型防風固沙生態功能評價及探討草地資源經濟利用限值，以正藍旗為典型研究區，綜合利用遙感技術，研究了北方防風固沙重要區草原型遙感劃分方法。在去除非天然草地利用區域的基礎上，利用2011年8月中旬的NDVI，結合同期野外實地植物群落屬性調查數據，以20世紀80年代全國統一草地資源調查數據為參考，進行監督分類，將正藍旗天然草原劃分為24類草原型，經驗證，分類精度為89.5%，基本滿足研究需要。與20世紀80年代數據對比，草原型從類型到面積分布劃分結果基本一致，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。

關鍵詞：草原型劃分；NDVI；掩膜；監督分類；四度一量；北方防風固沙重要區

中圖分類號：S812.3；S127 文獻標識碼： A 文章編號：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

北方防風固沙重要區既是北方典型生態脆弱區，也是我國北方重要的生態屏障區，對維護京津地區乃至國家生態安全具有十分重要的戰略意義。由于受到人類經濟活動和全球氣候變化的影響，我國北方防風固沙重要區生態系統服務功能明顯下降。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、沙塵暴肆虐等生態問題嚴峻，北方防風固沙重要區生態系統十分脆弱，這些問題已成為制約區域經濟發展和人民生活水平提高的主要因素，生態保護與經濟發展矛盾日益凸顯。在我國北方草原和荒漠等重要生態脆弱區，該矛盾尤為突出。當前，區域生態系統的服務功能穩定性維持和生態經濟利用等成為北方防風固沙重要區的研究熱點。弄清該地區土地利用類型的分布和變化是研究與分析生態功能及經濟利用的基礎科學數據。

開展草地類型的劃分是草地資源相關研究工作的基礎，也是為區域生態系統服務功能評價及生態經濟利用限值研究提供科學基礎數據。20世紀70年代末，我國開始了全國統一草地資源調查工作，草地分類采用了植物-生境分類方法，歷時近10年，1988年才完成了全國草地資源調查工作[1]。到20世紀90年代初，輔以航、衛片校核，編繪完成縣級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]，可見傳統的分類方法費時費力。遙感圖像是對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資源數據，基于此，20世紀80年代以來，國內外將遙感技術應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]開展了利用氣象衛星資料進行植被分類和制圖的研究。Townshed等[5]利用氣象衛星數據進行南美洲植被分區研究。鄒亞榮等[6]通過微機屏幕勾繪制圖，提取草場類型，分析草地動態變化。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分類，由大尺度草場類型監測到面向縣級區域小范圍的精確分類等。溫慶可等[7]利用草地生長期內多時相MODIS的增強型植被指數（EVI）構建時間序列數據集，提取各類型草地生長期內的典型時間譜特征曲線。結合數字高程（DEM）自然因子信息，根據各像素時間譜特征曲線與典型時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]結合坡向、坡度、高程等地形數據，利用專家分類器進行分類，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的旬數據合成歸一化植被指數（NDVI），利用那曲地區每個像元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，對那曲地區的草地進行非監督分類，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結合高程、積溫、降水和濕度等多源環境因子數據的方法實現對主要草地類型的劃分。這些研究主要集中在利用植被指數，借助地形、氣候等因子進行草地的分類，而利用遙感提取草原型的研究較少。

因此，選取陰山北麓-渾善達克沙地防風固沙區的正藍旗為研究區域，草地是該區域的主要土地利用類型，為典型草原帶。研究以傳統的草原型命名原則四度一量（即高度、蓋度、密度、頻度和草產量）為基礎，根據大量的野外實地植物群落屬性調查數據，利用Landsat TM遙感圖像的NDVI進行監督分類，快速提取正藍旗草原型數據，為開展不同草原型的防風固沙生態功能評價及草地資源經濟利用限值研究提供精確的基礎數據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

《全國生態功能區劃》中列出了5個北方防風固沙重要區，即科爾沁沙地防風固沙重要區、呼倫貝爾草原防風固沙重要區、陰山北麓-渾善達克沙地防風固沙重要區、毛烏素沙地防風固沙重要區、黑河中下游防風固沙重要區。研究依據北方防風固沙重要區的分布特點，結合主導功能核心區、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-渾善達克沙地防風固沙重要區的正藍旗為典型研究區域。

正藍旗位于內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處（北緯41°56′-43°11′，東經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沙土，其次為草甸土、鹽堿土和沼澤土。正藍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，同時還分布有隱域性的草甸植被類型。

1.2 數據來源

選擇2011年8月18日的124/30和124/31兩景Landsat TM圖像，利用ERDAS IMAGINE實現遙感影像拼接和幾何精校正。使用ArcGIS對正藍旗行政區劃圖進行矢量化，使其與TM圖像具有一致的投影方式和坐標系，并完成裁剪工作，獲取正藍旗區域的遙感影像。

整理2008～2010年植物群落屬性野外實地調查歷史數據和2011年8月的地面調查數據共計169條記錄。調查路線、樣地樣方設置按照《全國草原資源與生態監測技術規程》進行。樣地觀測：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：GPS定位、群落的蓋度、高度、地上生物量、植物種數；優勢植物種重要值、生活型、高度、蓋度、密度、頻度、飼用等級等。記錄土壤的質地、覆沙程度、表土粒徑等。

1.3 研究方法及數據處理

1.3.1 草原型的確定 由于地面實地調查過程中記錄的草地類型不規范，對草地類型合并帶來麻煩，不便于遙感解譯，故采用傳統的基于各物種的“四度一量”草原型命名規范，對植物群落屬性野外實地調查數據進行整理、計算，規范和合并正藍旗草原型，為遙感解譯草原型奠定基礎。

優勢度（SDR）是一個綜合性指標，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、產量、高度和頻度等指標計算而來。通過優勢度分析確定植物群落喬木、灌木、草本層的優勢種，并對草原型予以命名[1]。計算優勢度根據各植物“四度一量”5個參數調查數據，即相對高度、相對蓋度、相對產量、相對頻度、相對密度，計算公式為：

SDR=

■

（1）

對169個調查樣方每種植物進行整理，針對5個參數指標單位不一致，進行數據標準化，這里采用極大值標準化。然后通過公式（1）計算出樣方的各植物的優勢度，并按優勢度進行草原型的命名。正藍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個草原亞類，24個草原型整理結果見表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草地類型劃分多年的經驗，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，對草原型的劃分均以植被特征為依據[12]。

遙感數據主要反映的是地物光譜特征[13]。遙感圖像像元灰度值實際上是幾種地物光譜信息的線性或非線性的綜合反映。有關混合光譜模型理論發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成每種端元（Endmember）光譜的線性組合，每端元乘以一個加權系數[14，15]。基于此，利用遙感數據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練區樣本，進行監督分類，經試驗分類后草地類型破碎度大，數據很難利用。基于地表反射率和植被光譜的歸一化植被指數（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域草原植被信息，因此利用NDVI來提取草原型是有科學依據的。

1）掩膜處理。由于正藍旗還分布著耕地、人工草地、城鎮用地、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，將該類數據矢量化（圖1）。然后將正藍旗2011年8月18日遙感影像去除非天然草原用地（圖2），以減少對天然草地植被信息的干擾。

2）草原型遙感劃分。通過169個地面實地調查數據，利用ArcGIS軟件，生成.shp格式的點數據，投影與NDVI一致。通過ERDAS IMAGINE軟件，在調查點輔助下，對2011年NDVI圖像建立分類訓練區樣本24類，然后利用最小距離法進行監督分類，并利用隨機50個地面調查數據對分類結果進行驗證，正確率達89.5%。之后通過轉化為.shp格式的矢量數據，并通過人工去除破碎斑塊及多邊形合并，生成圖3所示的正藍旗草原型空間分布圖。

2 結果與分析

2.1 草原型分類結果

通過對TM遙感數據進行監督分類、破碎斑塊處理后統計發現，共生成3 879個圖斑，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據，發現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1988年的全國統一草地資源調查數據，20世紀80年代正藍旗天然草原分為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，通過調查，發現是由于近些年人工飛機播種等人工因素造成的。

2011年草原型遙感劃分結果（表2）與20世紀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，整體上正藍旗草地依然呈退化趨勢。

3 結論與討論

在利用“四度一量”方法對地面調查數據進行規范的基礎上，探討了利用Landsat TM遙感數據進行監督分類，提取正藍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固沙功能評價及草地資源經濟利用限值研究提供了基礎科學數據。

遙感數據主要反映的是地物光譜特征，通過對Landsat TM的NDVI監督分類，結合剔除非天然草地利用區域，能夠較準確地對正藍旗的天然草地的草原型進行劃分，方法可行。該方法與傳統的草地類型劃分方法相比，具有快速且數據準確等特點。

遙感劃分的草原型數據與20世紀80年代全國統一草地資源調查數據相比，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等多波段遙感數據分析草原型，由于該類遙感數據光譜分辨率較低，與高光譜遙感數據分析肯定存在一定的誤差，但數據易于獲取，處理簡單，亦可結合大量的地面調查輔助劃分草原型，提高其劃分精度。在對草原型矢量合并時，對草原型邊界的準確確定有待進一步研究。

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