呼倫貝爾草原典型區1989年～2010年草地覆蓋變化遙感研究

馮威丁，肖鵬峰，馮學智，常瀟，楊永可

(1.南京大學 地理信息科學系，南京 210023；2.南京大學 江蘇省地理信息技術重點實驗室，南京 210023)

1 引 言

遙感技術的出現，以其能從不同的時空尺度不斷地提供多種地表特征信息的獨特優勢，受到了地學研究者的青睞[1]。因此，諸多學者利用遙感技術對呼倫貝爾草原開展了相關研究。利用TM等遙感數據對該地區的研究表明，呼倫貝爾草原20世紀90年代以來草地覆蓋面積呈逐年減少的趨勢[2-3]，草地質量明顯下降[4]，草地覆蓋退化嚴重[4-6]。結合歷史資料和遙感數據的研究表明，近幾十年來呼倫貝爾草原的沙漠化日益嚴重[7-10]，2004年時沙漠化面積已達土地面積的25%[9]，實地的調查研究報告也印證了呼倫貝爾草原嚴重的沙化情況[11]。此外，呼倫貝爾草原的土地覆蓋類型相互轉換頻繁[3，12]，多為草地覆蓋向耕地、林地及裸地類型轉移[3]。但有學者預計，2012年～2020年土地利用/覆蓋相互轉換的速率將會有所減緩[13]。

已有研究多針對呼倫貝爾草原草地覆蓋變化的某一特定現象，如草地覆蓋與其他土地覆蓋類型的相互轉換、草地覆蓋的結構特點等單獨進行研究，需要進一步對呼倫貝爾草原草地覆蓋的現狀、空間分布格局等進行整體和系統的研究。本文通過對呼倫貝爾草原典型區草地覆蓋的空間分布格局、草地覆蓋中各類型時空特征、草地與其他土地覆蓋的相互轉換以及草地覆蓋的變化趨勢進行了定量分析，試圖闡明呼倫貝爾草原典型區的草地覆蓋分布特征及時空變化規律，為呼倫貝爾草原生態保護和草地資源的開發利用提供科學依據。

2 研究區和數據

2.1 研究區概況

研究區位于內蒙古呼倫貝爾草原腹地，地處北緯48°48′～北緯50°12′，東經118°22′～東經121°02′，研究區總面積約2.35×104km2。涉及的行政區劃主要包括內蒙古海拉爾市、陳巴爾虎旗和鄂溫克族自治區的大部分地區以及新巴爾虎左旗和牙克石市的部分區域。研究區內年平均降水量240mm～350mm，年平均氣溫-1℃～2℃，為典型的溫帶半干旱、半濕潤區。春秋風大少雨，冬季干燥寒冷，夏季溫涼短促，旱災頻發[14]。

研究區內土地覆蓋以草地為主，東南部有林地分布，西部有兩條沙漠帶：分布于海拉爾河沿岸的北部沙帶和東起伊敏河西岸的南部沙帶[9]。較大的河流有海拉爾河、伊敏河和輝河。草原地勢平坦開闊，牧養方式以自由放牧為主[15]。植被覆蓋多中生和旱生耐寒的根莖、叢生禾草及雜草，代表性植物有貝加爾針茅、日陰菅、羊草、線葉菊、隱子草、樟子松和黃柳等，其中優質牧草在草群中所占比例在30%以上，對畜牧業發展十分有利[16]。

2.2 數據及預處理

本研究的數據源是1989年、1994年、200年7和2010年的4期Landsat TM影像和1期2000年的Landsat ETM+影像(表1)，空間分辨率均為30米。由于1994年TM影像東南部存在少量云遮蓋，所以用1993年9月10日TM影像替換1994年的有云區域影像數據，其余影像的云量均為零。其中，1989年影像的獲取時間為5月下旬，2007年影像的獲取時間為6月上旬，其余年份影像的獲取時間為9月份。5月～9月份是呼倫貝爾草地覆蓋生長的旺盛階段，可以有效表征草地的植被覆蓋度。使用遙感影像進行分類時，以Google Earth平臺提供的大量高分辨率衛星影像和實地照片作為地面參考數據，輔助選取分類所需的訓練樣本及驗證樣本。為了避免因遙感影像獲取的時相不同而對分類結果產生影響，在分類時對不同月份的影像采用了不同的樣本選取標準和不同的分類閾值。

表1 Landsat遙感數據

所有的TM/ETM+影像均采用假彩色合成(RGB 432)方式顯示。首先利用影像頭文件提供的增益值(Gain)和偏置值(Bias)，將原始影像的DN值換算為反射率，并拉伸為0～1000之間的數值，采用FLAASH模型對TM/ETM+反射率值進行大氣校正；然后以1989年的TM影像為參考對其余4幅影像進行幾何精校正，RMS誤差不超過0.5個像元；最后對影像進行裁剪，得到所需的研究區影像。

選取對于植被覆蓋分類敏感的TM/ETM+的1～4波段數據，作為主要的分類數據源。并利用第3和第4波段數據計算了NDVI值，統計分析研究區NDVI值普遍較低，如1989年NDVI值均值為0.27，標準差為0.061，2000年NDVI值均值為0.37，標準差為0.078，不受NDVI飽和現象的影響，可以作為第2個分類數據源。同時，由于遙感影像的波段間往往存在著較高的相關性，對某些影像的信息提取來說存在數據冗余和重復，而主成分變換可以達到去相關、進行特征提取和數據壓縮的目的[17]。因此研究中對TM/ETM+的1～4波段數據進行主成分變換，并提取前3個主成分數據(PCA 1，2，3)，作為第3個分類數據源。在分類中，根據分類精度確定最佳的數據源組合。

3 研究方法

3.1 土地覆蓋分類

分兩步獲取呼倫貝爾草原典型區的土地覆蓋類型分布圖。首先采用最大似然法將影像分為草地、耕地、城鎮、水體、林地、裸地和濕地7類土地覆蓋類型。選取訓練樣本區域時，利用高分辨率衛星影像和實地照片作為地面參考數據，且每類訓練樣本區域的數量不少于15個，以保證樣本的準確性。由于“同物異譜”現象的存在，特定土地覆蓋類型的影像特征可能存在較大差異；因此將草地、林地和耕地等主要地物類型拆分為光譜相似性較高的2～5個小類，分別選取訓練樣本，單獨進行分類。然后將分類結果合并為所需的7類土地覆蓋類型。最后經過分類后處理獲得初步分類結果。

為了進一步研究草地覆蓋中的類型構成及時空變化，將上述初步分類結果的草地按覆蓋度細分為低覆蓋度草地、中覆蓋度草地和高覆蓋度草地3類。本文采用基于NDVI的亞像元模型[18-19]計算草地的植被覆蓋度Fc(公式1)，并取草地覆蓋的NDVI最大值為式中NDVImax，取草地覆蓋的NDVI最小值為式中的NDVImin。

(1)

根據國家標準(GB19377-2003)[20]中對天然草地退化的定義、級別和指標，參考高清等[21]采用的草地退化遙感監測與評價指標，確定本研究區1994年、2000年和2010年的中、高覆蓋度草地臨界值為0.65，中、低覆蓋度草地臨界值為0.3。進一步地，由于研究區1989年影像的獲取時間為5月下旬，2007年影像的獲取時間為6月上旬，處于為草地生長旺盛期[22]，而其余年份影像的獲取時間均為9月份，草地長勢處于衰敗期[22]。1989年和2007年影像的草地覆蓋度顯著高于其余年份影像的草地覆蓋度[23]，為避免因季相不同為引起的分類誤差，將草地覆蓋度臨界值做相應調整：由于草地覆蓋度隨季節變化呈現顯著的周期性變化[24-25]，滿多清等[26]研究不同覆蓋度草灌植被的季節性變化時表明，覆蓋度較低的植被隨季節起伏變化較小，覆蓋度較高的植被隨季節起伏變化較大。同時結合已有相關研究的草地覆蓋分類方法[21，27]，最終確定調整后的參數把1989年和2007年的中、高覆蓋度草地區分的臨界值調整為0.75，中、低覆蓋度草地區分的臨界值調整為0.35。依據上述方法將初次分類結果的草地類型細分為低覆蓋度草地、中覆蓋度草地和高覆蓋度草地，獲得最終的呼倫貝爾草原典型區土地覆蓋類型分布圖(圖2)。

3.2 分類精度評價

對獲得的土地覆蓋類型分布圖進行精度評價，隨機選取五百多個樣本點，將分類結果與高分辨率衛星影像和實地照片進行比較，制作混淆矩陣，并計算每幅分布圖的總體精度和Kappa系數(表2)。結果顯示，研究區土地覆蓋分類的總體精度在84%～89%之間，Kappa系數均在0.68以上，可以利用已有分布圖對研究區草地覆蓋的空間格局及時空變化特征進行分析。

表2 研究區土地覆蓋類型分布圖精度評價結果

圖1 研究區土地覆蓋類型分布圖

3.3 草地覆蓋類型轉換

利用ArcGIS軟件分別將研究區相鄰時相的土地覆蓋類型分布圖進行疊置分析，獲得1989年～1994年、1994年～2000年、2000年～2007年和2007年～2010年的草地覆蓋與其他土地類型的相互轉換圖，圖3(a)為草地覆蓋轉換為其他土地類型的時空分布，圖3(b)為其他土地類型轉換為草地覆蓋的時空分布。同時，根據草地覆蓋轉換圖統計了草地覆蓋與其他土地類型轉移矩陣(表4)。

4 結果分析

4.1 草地覆蓋的時空特征

1989年～2010年呼倫貝爾草原典型區的草地覆蓋面積占研究區總面積的70%以上，而且總體呈逐漸減少的趨勢：1989年為17159.66km2，1994年為16556.76km2，2000年為15308.19km2，2007年為15950.05km2，2010年為15416.13km2，1989年～2010年草地覆蓋面積累計減少1743.53km2，占研究區1989年草地覆蓋總面積的10.16%。其中，2000年～2007年階段草地覆蓋面積逆向回升，分析主要原因有兩個：(1)研究區內輝河2006年之后水流量大幅減少，河岸兩側大量濕地轉換為草地[28]；(2)2000年以來，研究區內積極開展人工種草、退耕還草等生態保護工程，其成效在2007年的遙感影像中顯現，草地面積有所回升。

圖2 研究區1989年～2010年草地覆蓋轉換圖

研究區草地覆蓋(圖1)主要分布在中西部平坦地帶，分布較為穩定，尤其是海拉爾河以南、伊敏河以西的區域內分布有高覆蓋度草地。從1989年～2010年草地覆蓋與其他土地類型相互轉換圖(圖2)中可以看出，草地與耕地類型的轉換多發生在研究區的東北部區域，草地與裸地類型的轉換多發生在研究區內的兩條沙漠帶。此外，海拉爾河和伊敏河流域的兩側是草地與濕地轉換頻繁的區域。

4.2 草地覆蓋中各類型的時空特征

對呼倫貝爾草原典型區1989年～2010年草地覆蓋的類型構成及其占當年草地面積比重進行分析(圖3)，可以看出：研究區草地覆蓋中面積最大的是中覆蓋度草地，占當年草地覆蓋總面積的60%以上，其次是高覆蓋度草地，面積最小的為低覆蓋度草地。

圖3 研究區1989年～2010年草地覆蓋構成及其占當年草地面積的比重

研究區草地覆蓋中各類型呈現中覆蓋度草地向高、低覆蓋度草地轉換的“中間減少，兩端增加”態勢，即中覆蓋度草地的面積逐年減少，而高、低覆蓋度草地的面積逐漸增加。1989年～2010年中覆蓋度草地面積從16628.92km2下降到10130.35km2，在當年草地覆蓋總面積中所占的比重從96.90%下降到65.71%；高覆蓋度草地面積從529.65km2上升到5282.61km2，占草地總面積的比重從3.09%上升到34.26%；而低覆蓋度草地面積從1.09km2上升到3.16km2，所占草地面積比重也從0.01%上升到0.03%。

表3 研究區1989年～2010年草地覆蓋類型面積變化

對研究區1989年～2010年草地覆蓋類型面積變化(表3)進行分析，可以看出：從1989年～2010年草地面積的總年均變化速度為-83.03km2/a，其中1994年～2000年草地面積的年均變化速度絕對值最大，為-208.10km2/a，2000年～2007年草地面積的年均變化速度絕對值最小，僅為91.69km2/a。

4.3 土地覆蓋相互轉換的時空特征

通過分析研究區1989年～2010年草地覆蓋與其他土地類型轉移矩陣(表4)可以看出：1989年～2010年研究區草地覆蓋與其他各類土地類型均有轉入轉出，且規模相對較大，土地利用結構屬于不穩定狀態，相互轉換劇烈程度從大到小依次為：濕地>林地>裸地>耕地>城鎮>水體(圖4)。除了草地與濕地的轉換結果表現為草地覆蓋面積增加外，其他土地類型與草地覆蓋相互轉換的結果均表現為草地覆蓋面積減少。濕地累計轉換為草地覆蓋的面積為16142.29km2，而草地轉換成濕地的累計面積為6716.19km2，草地覆蓋凈增加面積9426.10km2。其他土地類型中，由草地覆蓋轉換的累計面積較多的是林地和裸地，草地覆蓋累計轉出面積分別為2611.50km2和1361.49km2。耕地與草地覆蓋的相互轉換也較為明顯，1989年～2010年草地覆蓋轉換為耕地的凈面積為95.20km2。

表4 研究區1989年～2010年草地覆蓋與其他土地類型轉移矩陣(單位：km2)

圖4 研究區1989年～2010年草地面積變化圖

4.4 草地覆蓋類型變化趨勢

土地覆蓋動態變化度能夠定量分析草地覆蓋在1989年～2010年的變化劇烈程度及趨勢[29]。定義ΔUout為研究時間段T內單一土地覆蓋類型A轉換為其他類型的面積之和，ΔUin為同一時間段其他土地類型轉換為特定土地覆蓋類型A的面積之和，Ua為該土地覆蓋類型A在研究初期的面積，則單一土地覆蓋類型A動態變化度可用3種數學模型表示：其一是土地覆蓋類型A一段時間內的面積變化速率Rs(公式2)；其二是土地覆蓋類型A一段時間內的空間動態變化度Rss(公式3)；其三是土地覆蓋類型A的變化趨勢及狀態模型指數Ps(公式4)[30]。

(2)

式中，Rs值越大，表示覆蓋類型A的面積變化速率越大，反之則越小。

(3)

式中，Rss值越大，表示覆蓋類型A的空間動態變化度越大，反之則越小。

(4)

公式4中，當Ps∈(0，1]時，表示該土地類型正朝著規模增大的方向發展，處于“漲勢”；當Ps值在0附近時，說明該類型轉換為其他類型的面積略小于其他類型轉換為該類型的面積；隨著Ps值逐漸增大，越來越多的土地類型轉換為了該類型，且該類型面積穩步增加，呈現極端非平衡態勢。當Ps∈(-1，0]時，表示該土地類型朝著規模減小的方向發展，處于“落勢”；當Ps值在0附近時，說明該類型轉換為其他類型的面積略大于其他類型轉換為該類型的面積；隨著Ps值的增大，標志著土地類型的轉換方向越來越側重于該類型轉換為其他類型，呈現極端非平衡態勢，并致使該類型規模逐步萎縮[31]。根據上述理論計算了研究區草地覆蓋類型的變化劇烈程度及趨勢指數(表5)。

表5 研究區草地覆蓋類型動態變化度指數

從研究區草地覆蓋類型動態變化度指數(表5)可以看出：研究區草地覆蓋類型的變化狀態及趨勢的相關指數絕對值均呈逐漸減小的趨勢。其中，Rs值從13.4%下降到-1.1%，說明草地覆蓋類型的年平均面積變化速率逐漸減小。1989年～2007年期間Rss值從125.6%下降到13.4%，而2007年～2010年階段有明顯反彈，為92.6%，表明草地覆蓋的空間變化度呈現先減小后增大的趨勢。而Ps值圍繞在0左右浮動，且絕對值逐漸減小，表明呼倫貝爾草原草地覆蓋類型的變化規模減小，但與其他土地覆蓋類型相互轉換頻繁。總體而言，草地覆蓋規模趨于平衡。

5 結束語

本文基于1989年～2010年的多期遙感影像，針對呼倫貝爾草原典型區，制作了長時間序列的土地覆蓋類型分布圖和草地覆蓋與其他土地類型轉換圖，進而展開了呼倫貝爾草原典型區草地覆蓋空間格局、時空變化特征、草地覆蓋變化程度和趨勢的研究。主要結論有：

①呼倫貝爾草原典型區草地總體特征是：草地總面積呈逐漸減少的趨勢，但其中2000年～2007年草地面積有所回升。草地覆蓋面積占研究區總面積的70%以上，約為1.6×104km2。草地覆蓋主要分布于研究區的中西部平坦地帶，且分布較為穩定。研究區東部、流域兩側及沙漠帶土地覆蓋類型轉換頻繁。

②草地覆蓋中各類型的時空特征是：草地覆蓋以中覆蓋度草地為主，占當年草地總面積的60%以上，但面積逐年下降，且在當年草地總面積中所占的比重也呈下降趨勢。草地覆蓋類型呈現中覆蓋度草地向高、低覆蓋度草地轉換的“中間減少，兩端增加”趨勢。

③土地覆蓋類型轉換的時空特征：1989年～2010年草地覆蓋與其他土地覆蓋類型轉換頻繁，土地利用結構屬于不穩定狀態，草地覆蓋與其他土地覆蓋類型相互轉換劇烈程度從大到小依次為：濕地>林地>裸地>耕地>城鎮>水體。

④草地覆蓋變化狀態及趨勢：草地覆蓋類型的年平均面積變化速度逐漸減小，空間變化度呈現先減小后增大的態勢。草地覆蓋類型的變化規模減小，總體呈現趨于平衡。

致謝：在本論文的撰寫和修改過程中得到了審稿人的寶貴意見，以及實驗室張學良、王劍庚和汪左博士的幫助，特此一并致謝。

參考文獻：

[1] 趙英時.遙感應用分析原理與方法[M].北京：科學出版社，2003.

[2] 呂世海，劉立成，高吉喜.呼倫貝爾森林-草原交錯區景觀格局動態分析及預測[J].環境科學研究，2008，21(4)：63-68.

[3] 張德平.內蒙古呼倫貝爾市土地利用現狀及變化分析[J].中國土地科學，2011(11)：43-48.

[4] LEE R，YU F，PRICE K P.Evaluating vegetation phenological patterns in Inner Mongolia using NDVI time-series analysis[J].International Journal of Remote Sensing，2002，23(12)：2505-2512.

[5] 張宏斌，楊桂霞，吳文斌，等.呼倫貝爾草原MODIS NDVI的時空變化特征[J].應用生態學報，2009，20(11)：2743-2749.

[6] 閆瑞瑞，楊桂霞，張宏斌，等.呼倫貝爾草甸草原牧草產量及載畜力估算[J].草業科學，2011(12)：140-147.

[7] 毛德華，王宗明，韓佶興，等.1982～2010年中國東北地區植被NPP時空格局及驅動因子分析[J].地理科學，2012，32(9)：1106-1111.

[8] 韓廣，張桂芳.呼倫貝爾草原沙漠化土地的綜合整治區劃[J].中國沙漠，2000，20(1)：25-29.

[9] 封建民，王濤.呼倫貝爾草原沙漠化現狀及歷史演變研究[J].干旱區地理，2004，27(3)：356-360.

[10] 李云鵬，娜日蘇，劉朋濤，等.呼倫貝爾草原退化遙感監測與氣候成因[J].華北農學報，2008，21(12)：56-61.

[11] 王信建，張利明.關于呼倫貝爾草原沙化情況的調查報告[J].林業經濟，2006(7)：8-10.

[12] 姬鳳嬌.試論呼倫貝爾草原的生態安全維護[D].燕山大學，2009.

[13] DU H H，HASI E，YANG Y，et al.Land coverage changes in the Hulunbuir Grassland of China based on the cellular automata-markov model[J].International Conference on Geological and Environmental Sciences，2012(36)：69-75.

[14] 張樹文，楊久春，李穎，等.1950s中期以來東北地區鹽堿地時空變化及成因分析[J].自然資源學報，2010，25(3)：435-442.

[15] 王德利，呂新龍，羅衛東.不同放牧密度對草原植被特征的影響分析[J].草業學報，1996，5(3)：28-33.

[16] 韓廣.呼倫貝爾草原沙漠化的綜合評估研究[J].中國草地，1995(2)：20-25.

[17] 馮學智，肖鵬峰，趙書河，等.遙感數字圖像處理與應用[M].北京：商務印書館，2011.

[18] CHOUDHURY B J，AHMED N U，IDSO S B，et al.Relations between evaporation coefficients and vegetation indices studied by model simulations[J].Remote Sensing of Environment，1994，50(1)：1-17.

[19] GILLIES R R，CARLSON T N，CUI J，et al.A verification of the 'triangle' method for obtaining surface soil water content and energy fluxes from remote measurements of the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) and surface[J].International Journal of Remote Sensing，1997，18(15)：3145-3166.

[20] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB19377-2003天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級指標[S].北京：2003.

[21] 高清竹，李玉娥，林而達，等.藏北地區草地退化的時空分布特征[J].地理學報，2005，60(6)：965-973.

[22] 王曉爽.北方內陸溫帶草原帶草地遙感分類研究[D]，首都師范大學，2011.

[23] YANG Q，QIN Z H，LI W J，et al.Temporal and Spatial Variations of Vegetation Cover in Hulunbuir Grassland of Inner Mongolia，China[J].Arid Land Research and Management，2012，26(4)：328-343.

[24] 李雙才，孔亞平，符素華.北京山區植被蓋度季節變化規律模擬研究[J].北京師范大學學報(自然科學版)，2002，38(2)：273-278.

[25] 陳吉龍.重慶市三峽庫區植被覆蓋度的遙感估算及動態變化研究[D].西南大學，2010.

[26] 滿多清，董治寶，紀永福.騰格里沙漠西南緣植被季節變化及風沙活動[J].中國沙漠，2008，28(6)：1029-1032.

[27] 張宏斌，楊桂霞，辛曉平，等.錫林浩特草原植被蓋度變化研究[J].中國農業資源與區劃，2007，28(2)：42-46.

[28] 毛欣欣，王廣利，朝克巴特爾.呼倫貝爾草原生態環境現狀分析[J].呼倫貝爾學院學報，2010，18(5)：1-5.

[29] 劉紀遠，布和敖斯爾.中國土地利用變化現代過程時空特征的研究——基于衛星遙感數據[J].第四紀研究，2000，20(3)：229-239.

[30] 胡澄.基于RS和GIS的巴仁哲里木地區土地利用/覆蓋變化研究[D].吉林大學，2011.

[31] 梁長秀.基于RS和GIS的北京市土地利用/覆被變化研究[D].北京林業大學，2009.