基于空間插值數據支持下新疆伊犁地區草地類型判別與分類研究

喬宇鑫，朱華忠，邵小明，鐘華平，周李磊，伍兆文

(1.西藏農牧學院，西藏 林芝850400； 2.中國科學院地理科學與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點實驗室，北京100101；3.中國科學院地理科學與資源研究所資源與環境信息系統國家重點實驗室，北京100101；4.重慶大學資源及環境科學學院，重慶400044；5.江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心，江蘇 南京210023；6.中國農業大學資源與環境學院，北京 100083; 7．中國科學院植物研究所系統與進化植物學國家重點實驗室，北京100093)

基于空間插值數據支持下新疆伊犁地區草地類型判別與分類研究

喬宇鑫1，2，朱華忠3,5，邵小明1,6，鐘華平2*，周李磊4，伍兆文2，7

(1.西藏農牧學院，西藏 林芝850400； 2.中國科學院地理科學與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點實驗室，北京100101；3.中國科學院地理科學與資源研究所資源與環境信息系統國家重點實驗室，北京100101；4.重慶大學資源及環境科學學院，重慶400044；5.江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心，江蘇 南京210023；6.中國農業大學資源與環境學院，北京 100083; 7．中國科學院植物研究所系統與進化植物學國家重點實驗室，北京100093)

在遙感和地理信息系統技術支持下，我國草地類型學研究有新的進展。本研究在伊犁地區草地群落高度、蓋度、地上生物量、地下生物量、草地表層土壤容重、土壤全碳、土壤有機碳、土壤全氮、土壤全磷等空間分布數據的基礎上，通過對不同草地類型不同指標的特征值分析，研究確定各草地類型不同指標的閥值范圍，采用決策樹分類法，實現新疆伊犁地區草地類型自動判別。研究結果表明,利用伊犁地區不同草地類型在群落高度、蓋度、地上生物量、地下生物量、草地表層土壤容重、土壤全碳、土壤有機碳、土壤全氮、土壤全磷9個指標的特征值作為草地類型劃分的依據，可以簡單直觀地反映各類草地的空間分布面積和分布范圍，與20世紀80年代草地調查數據比較，分布趨勢一致，結果可靠。同時，本研究為伊犁地區草地資源利用管理提供基礎，為伊犁地區草地資源監測和信息管理平臺建設提供依據，對于指導新疆伊犁地區草地畜牧業生產具有現實意義。

空間插值；決策樹分類法；草地自動判別

中國草地類型學的發展承襲了前蘇聯地植物學的理論[1-3]，發展了我國植物-生境學分類[4-6]和草原綜合順序分類(Comprehensive and Sequential Classification System of Rangeland，CSCS)[7-11]兩個體系。二者均以地形、氣候、土壤、植被等自然因素的認識為出發點，高度抽象、概括和分析評價草地資源實體的綜合存在形式，只是在當時研究基礎及技術條件受限的情況下，各自強調的重點不同而已。植物-生境學分類法強調的是草地植被的本身，匯聚的直觀性、識別性和實用性[4,6]；綜合順序分類法更強調的是生物氣候特征序列的綜合，匯聚的完整性、開放性和潛在性，更具有想象空間[12]。進入21世紀以來，隨著計算機技術、網絡技術、“3S”技術和地統計學等方法的不斷發展，并伴隨社會經濟文化的進步，我國草地類型學的研究不再停留于過去地形和氣候的紛爭，都在嘗試著各分類等級內涵的包容和融合[13]。

進入21世紀信息化大數據時代，隨著草地資源空間數據的不斷積累和厚實，借助信息化網絡技術平臺，采用植物-生境學分類和草原綜合順序分類的方法，對我國草地類型的劃分進入數據多源、直觀、簡潔、可視化的階段成為可能，同時也在草地資源和草地生態等其他研究領域得到快速發展。傳統的植物-生境學分類得到了更廣泛的應用，在不同區域形成了地方特色的草地分類系統[14]。綜合順序分類則有更進一步的改進，在黃土高原對各草地類型分布情況和黃土高原草地植被的分布規律有新的認識[15]；在內蒙古地區，運用綜合順序分類理論，在計算內蒙古氣候區劃指標劃分不同類型草原區同時，還模擬了內蒙古草地類型50年的變化趨勢[16]。而陳佐忠等[16]根據生物群落特征、無機環境特征、重點功能過程、動態特征以及與生物群區結合等原則提出了我國草地生態系統分類方法。近年來，尤其遙感和地理信息系統技術的發展和運用，極大地促進包括草地分類在內的草地資源學的發展。趙軍等[17-18]結合生態信息圖譜，采用地理信息系統技術和地統計學等方法，根據地形、地貌及植被分布等特點，將全國劃分為若干片區，利用分區控制法對各區的多年平均降水量、≥0 ℃的年積溫和濕潤度指數進行了空間插值研究，更加系統地研究和繪制了全國草原綜合順序第一級分類的空間分布圖，全面論述了各草地類的區域分布及其特點[14，19-20]。駱成鳳等[21]利用遙感手段獲得流域退化草地的空間分布和變化信息，采用Markov模型、退化草地動態變化度、轉類指數和景觀指數對青海湖流域草地退化狀況時空變化進行多角度分析；侯西勇等[22]以Landst TM 遙感影像解譯出的新疆1990和2000年1∶10萬土地利用數據為基礎，探討了近10年來草地資源的動態變化及其空間格局特征。周偉等[23]基于 1982-2006 年的 GIMMS NDVI 數據和2001-2010年的 MODIS NDVI 數據反演了我國草地覆蓋度的空間格局和變化趨勢，并結合1982-2010年中國氣象站點氣溫和降水數據，分別從不同時空尺度和不同草地類型上分析了我國草地覆蓋度的年際和月際變化對氣候變化的響應。王曉爽等[24]和蘇力德等[25]在全國范圍內采用MODIS EVI 植被指數結合多源環境因子數據的方法實現對主要草地類型的劃分，在借鑒第一次草地調查分類方案的基礎上，提出了新的草地分類方案。梁天剛等[26-27]利用ArcGIS地理信息系統(GIS)軟件的二次樣條函數等地統計學空間插值分析方法，探索研究了甘肅省及全國30年(1961-1990年)的年平均降水量、≥0 ℃的年積溫和濕潤度指數(k)在1 km×1 km格網空間尺度的分布特征，建立了基于GIS的草原綜合順序分類空間數據庫及信息管理系統，研究結果應用于“中國草業開發專家系統Ver 2.0”單機軟件和基于網絡和WebGIS等技術的“中國草業與生態”(http: //www. ecograss. com. cn)網站。

本研究是在國家基礎性專項支持下，對伊犁草地進行大量野外樣地調查數據的基礎上，通過多數據源對伊犁草地植被和草地土壤特征指標進行二次樣條函數等地統計學空間插值，得到伊犁地區草地群落高度、蓋度、地上生物量、地下生物量、草地表層土壤容重、土壤全碳、土壤有機碳、土壤全氮、土壤全磷等空間分布圖。在此基礎上，對各草地類型不同指標進行特征值分析，建立各草地類型不同指標的分布閥值，并對伊犁地區草地類型進行空間識別，實現草地類型數量化分類和空間格局的區劃。

1 材料與方法

1.1研究區域概況

伊犁地區(42°14′16″-44°53′30″ N，80°09′42″-84°56′50″ E)位于歐亞大陸天山北坡西部山區的伊犁河谷，東、南、北三面高山環繞，地勢東高西低，東窄西寬，呈喇叭形向西敞開，使來自西部的濕潤水汽和巴爾喀什湖的暖流沿伊犁河長驅直入谷地深處[28-29]，形成了溫帶大陸性半干旱氣候區。“山谷-盆地-河谷平原”的獨特地形地貌使得伊犁降水充沛，境內有伊犁河、喀什河和特克斯河3條主要河流，年均降水量為200～800 mm，年均氣溫為2.9～9.1 ℃，年均日照時數為2700～3000 h[30]，是新疆最濕潤的地區。伊犁地區自然條件優越，農、牧業發展優勢明顯，農畜產品豐富，是新疆的糧倉和全國著名的牧場。天然草地面積約為371萬hm2，占新疆草地資源的6.38%，其產草量以及載畜能力均處于全疆最好水平[31-33]。

1.2數據來源及預處理

參與本研究的數據主要有伊犁地區草地群落高度、蓋度、地上生物量、地下生物量、草地表層土壤容重、土壤全碳、土壤有機碳、土壤全氮、土壤全磷9個指標的1 km×1 km的空間分布數據(圖1和圖2)。該數據是根據2013年的146個草地樣地調查數據，與NDVI數據、年均氣溫、年均降雨量、≥10 ℃年積溫、濕潤度等6個生態要素進行相關回歸分析，建立回歸方程，并根據各要素的權重分析，構建多元數據的綜合評價模型，采用ArcGIS軟件進行空間插值分析，反演1 km分辨率的新疆伊犁地區草地群落和草地土壤各指標的空間分布數據，并由檢驗數據進行檢驗。各項指標的空間插值方法詳見文獻[34-36]。

1.3分析方法

決策樹分類法(Decision Tree Classifier)是以各像元特征值為設定的基準位，按照一定規則，對各像元分層逐次進行比較，從影像中分離目標地物的分類方法[37]，被廣泛運用到遙感信息提取和影像分類中[38]。

根據伊犁地區草地群落和土壤9個主要生態指標空間分布數據，運用草地退化遙感解譯的數據，對新疆伊犁地區溫性草甸草原類、溫性山地草甸類、溫性草原類、溫性荒漠草原類、溫性荒漠類、低地草甸類等主要草地類型進行掩膜提取各生態指標值，并對各草地類型的每個生態指標數據進行頻度分布特征分析。

頻數分布高峰一半處的峰寬度，又稱半寬度，即通過峰高的中點作平行于峰底的直線，此直線與峰兩側相交兩點之間的距離。其表示單位與峰寬相同。半峰寬等于2.354倍標準偏差[39]，在此范圍內為最適范圍。本研究借助半峰寬法原理確定草地評價指標的閾值，以滿足各生態指標閾值范圍為條件，實現草地類型判別和自動提取。

2 結果與分析

2.1不同草地類型群落指標及土壤指標特征分析

根據2000年全國草地資源調查的草地類型矢量數據[40]，采取掩膜技術，對新疆伊犁地區8個主要草地類型的草地平均總蓋度(GAC)、草地平均高度(GAH)、地上生物量(AB)及地下生物量(BB)、土壤容重(SBD)、土壤全碳含量(STC)、土壤全氮含量(STN)、土壤全磷含量(STP)和土壤有機碳(SOC)等指標進行提取，并對各生態指標值進行頻度分布特征分析。分析結果表明，不同草地類型在9個生態指標上各有不同的分布特征，借助這些特征差異，實現各草地類型的自動判別并空間化成為可能。

圖1 伊犁地區地理位置及樣點分布Fig.1 The location of Ili area and distribution of sample sites

圖2 新疆伊犁地區草地群落和土壤主要生態指標空間分布Fig.2 The spatial distribution of grassland communities and soil ecological indicators

圖3為溫性山地草甸類草地各指標的頻度分布圖，其草地平均總蓋度主要集中在87%～100%，峰值出現在98%附近；草地平均高度主要集中在30～42 cm，峰值出現在38 cm附近；地上生物量主要集中在178～240 g/m2，峰值出現在220 g/m2附近；地下生物量主要集中在1800～2200 g/m2，峰值出現在2100 g/m2附近；草地土壤容重主要集中在0.70～1.05 g/m3，峰值出現在0.86 g/m3附近；土壤全碳含量主要集中在4.85%～5.75%，峰值出現在5.50%附近；土壤全氮含量主要集中在0.46%～0.58%，峰值出現在0.52%附近；土壤全磷含量主要集中在0.95～1.40 mg/g，峰值出現在1.15 mg/g附近；土壤有機碳含量主要分布在3.9%～5.5%，峰值出現在4.9%附近。

圖3 溫性山地草甸類草地不同指標分布特征Fig.3 The different index distribution of temperate upland meadow steppe

圖4為溫性草甸草原類草地各指標的頻度分布圖，其草地平均總蓋度主要集中在80%～100%，峰值出現在100%；草地平均高度主要集中在29～40 cm，峰值出現在37 cm附近；地上生物量主要集中在180～250 g/m2，峰值出現在210 g/m2附近；地下生物量主要集中在1800～2155 g/m2，峰值出現在2100 g/m2附近；草地土壤容重主要集中在0.8～1.1 g/m3，峰值出現在0.95 g/m3附近；土壤全碳含量主要集中在4%～6%，峰值出現在5.5%附近；土壤全氮含量主要集中在0.4%～0.6%，峰值出現在0.46%附近；土壤全磷含量主要集中在0.8～1.3 mg/g，峰值出現在0.98 mg/g附近；土壤有機碳含量主要分布在3.1%～5.7%，峰值出現在4%附近。

圖4 溫性草甸草原類草地不同指標分布特征Fig.4 The different index distribution of temperate meadow steppe

圖5 溫性草原類草地不同指標分布特征Fig.5 The different index distribution of temperate steppe

圖5為溫性草原類草地各指標的頻度分布圖，其草地平均總蓋度主要集中在70%～100%，峰值出現在88%附近；草地平均高度主要集中在22～36 cm，峰值出現在30 cm附近；地上生物量主要集中在125～225 g/m2，峰值出現在185 g/m2附近；地下生物量主要集中在1850～2125 g/m2，峰值出現在2055 g/m2附近；草地土壤容重主要集中在0.9～1.3 g/m3，峰值出現在1.1 g/m3附近；土壤全碳含量主要集中在3.4%～5.6%，峰值出現在4.5%附近；土壤全氮含量主要集中在0.26%～0.51%，峰值出現在0.39%附近；土壤全磷含量主要集中在0.70～1.05 mg/g，峰值出現在0.88 mg/g附近；土壤有機碳含量主要分布在2.0%～4.6%，峰值出現在3.15%附近。

圖6 溫性荒漠草原類草地不同指標分布特征Fig.6 The different index distribution of temperate desert grassland

圖6溫性荒漠草原類草地各指標的頻度分布圖，其草地平均總蓋度主要集中在50%～80%，峰值出現在72%附近；草地平均高度主要集中在20～38 cm，峰值出現在27 cm附近；地上生物量主要集中在85～150 g/m2，峰值出現在110 g/m2附近；地下生物量主要集中在1820～2100 g/m2，峰值出現在1900 g/m2附近；草地土壤容重主要集中在1.0～1.3 g/m3，峰值出現在1.1 g/m3附近；土壤全碳含量主要集中在2.7%～5.3%,峰值出現在3.7%附近；土壤全氮含量主要集中在0.20%～0.48%，峰值出現在0.32%附近；土壤全磷含量主要集中在0.65～0.95 mg/g，峰值出現在0.77 mg/g附近；土壤有機碳含量主要分布在1.55%～4.35%，峰值出現在2.75%。

圖7為溫性荒漠類草地各指標的頻度分布圖，其草地平均總蓋度主要集中在20%～55%，峰值出現在30%附近；草地平均高度主要集中在17～25 cm，峰值出現在20 cm附近；地上生物量主要集中在20～80 g/m2，峰值出現在40 g/m2附近；地下生物量主要集中在1900～2110 g/m2，峰值出現在2050 g/m2附近；草地土壤容重主要集中在1.22～1.50 g/m3，峰值出現在1.34 g/m3附近；土壤全碳含量主要集中在1.1%～3.1%，峰值出現在1.3%附近；土壤全氮含量主要集中在0.11%～0.22%，峰值出現在0.12%附近；土壤全磷含量主要集中在0.56～0.70 mg/g，峰值出現在0.65 mg/g附近；土壤有機碳含量主要分布在0.35%～1.78%，峰值出現在0.66%附近。

圖8為高寒草甸類草地各指標的頻度分布圖，其草地平均總蓋度主要集中在65%～100%，峰值出現在100%；草地平均高度主要集中在6.5～26.5 cm，峰值出現在10 cm附近；地上生物量主要集中在30～135 g/m2，峰值出現在70 g/m2附近；地下生物量主要集中在2050～2330 g/m2，峰值出現在2200 g/m2附近；草地土壤容重主要集中在0.70～0.80 g/m3，峰值出現在0.7 g/m3附近；土壤全碳含量主要集中在4.0%～5.8%，峰值出現在5.3%附近；土壤全氮含量主要集中在0.40%～0.58%，峰值出現在0.54%附近；土壤全磷含量主要集中在1.20～1.64 mg/g，峰值出現在1.32 mg/g附近；土壤有機碳含量主要分布在3.5%～5.5%，峰值出現在4.9%附近。

圖7 溫性荒漠類草地不同指標分布特征Fig.7 The different index distribution of temperate desert

圖8 高寒草甸類草地不同指標分布特征Fig.8 The different index distribution of alpine meadow steppe

圖9 低地草甸類草地不同指標分布特征Fig.9 The different index distribution of lowland meadow steppe

圖9為低地草甸類草地各指標的頻度分布圖，其草地平均總蓋度主要集中在26%～60%，峰值出現在46%附近；草地平均高度主要集中在16～28 cm，峰值出現在20 cm附近；地上生物量主要集中在45～120 g/m2，峰值出現在95 g/m2附近；地下生物量主要集中在1750～2200 g/m2，峰值出現在1900 g/m2附近；草地土壤容重主要集中在1.15～1.40 g/m3，峰值出現在1.35 g/m3附近；土壤全碳含量主要集中在1.2%～3.4%，峰值出現在2.4%附近；土壤全氮含量主要集中在0.11%～0.22%，峰值出現在0.14%附近；土壤全磷含量主要集中在0.55～0.70 mg/g，峰值出現在0.64 mg/g附近；土壤有機碳含量主要分布在0.6%～2.2%，峰值出現在1.0%附近。

圖10 沼澤類草地不同指標分布特征Fig.10 The different index distribution of swamp steppe

圖10為沼澤類草地各指標的頻度分布圖，其草地平均總蓋度主要集中在29%～44%，峰值出現在32%；草地平均高度主要集中在16.5～26.5 cm，峰值出現在20 cm附近；地上生物量主要集中在70～90 g/m2，峰值出現在90 g/m2附近；地下生物量主要集中在2050～2220 g/m2，峰值出現在2050 g/m2附近；草地土壤容重主要集中在0.80～1.50 g/m3，峰值出現在1.3 g/m3附近；土壤全碳含量主要集中在1.2%～1.9%，峰值出現在1.5%附近；土壤全氮含量主要集中在0.1%～0.2%，峰值出現在0.125%附近；土壤全磷含量主要集中在0.55～0.61 mg/g，峰值出現在0.60 mg/g附近；土壤有機碳含量主要分布在1.2%～1.6%，峰值出現在1.45%附近。

2.2草地類型定量化空間區劃

根據表1確定的各評價指標的閾值，建立決策樹分類條件，在ENVI(the environment for visualizing images遙感圖像處理系統軟件)中對不同草地類型進行定量化空間區劃，各草地類型的空間分布見圖11。

根據草地群落高度、蓋度、地上生物量、地下生物量、草地表層土壤容重、土壤全碳、土壤有機碳、土壤全氮、土壤全磷9項指標對伊犁草地類型的劃分，在空間上可以表達各草地類型的空間分布區域和分布地帶性特點：沼澤類和低地草甸類草地分布在伊犁河流積水地帶，緊鄰伊犁河兩側沿岸的干旱地帶是溫性荒漠類草地分布集中區域，隨著從河谷向天山過渡，依次分布著溫性荒漠草原類草地、溫性草原類、溫性草甸草原類、溫性山地草甸類和高寒草甸類草地，這樣的分布特征符合新疆伊犁地區天然草地的基本分布規律[27,38]。

同時，由圖11還發現，雖然各草地類型在空間分布上各自占居不同的空間地帶，但部分草地類型的分布還是存在空間重疊的現象，如高寒草甸類和溫性山地草甸類草地、溫性荒漠類與溫性草原草地，溫性草原類與溫性山地草甸類草地。這種草地類型之間的重疊現象在實際生產當中是客觀存在的，相鄰的草地類型之間存在地域上的過渡，在類型界定上沒有非常明確的界線。

2.3草地類型空間分布比較與驗證

把新疆伊犁地區各草地類型進行掩膜劃分和制圖，得到最終的草地類型空間分布圖(圖12a)，并與遙感解譯結果(圖12b)進行對比分析。由圖12可以看到，草地類型定量化分析的結果在空間分布上與遙感解譯結果分布趨勢一致。對比統計分析結果見表2。

由表2可知，各草地類型的面積有變化，草地總面積比目視解譯的草地總面積小608 km2，低1.71%；其中高寒草甸類和溫性荒漠類的草地面積大于目視解譯的面積，其余6種草地類型的面積均低于遙感解譯的面積，而低地草甸和沼澤類最為明顯，分別低12.25%和7.59%，主要是這二類草地面積規模小而影響明顯。總體而言，定量化分析識別的精度較高，可達85%以上，與地面實際考察及遙感解譯相比，節約了大量財力、人力及時間。

3 討論

(1)利用草地類型群落自身指標的特征值來掩膜截取不同草地類型的空間范圍，這在GIS是一種常用的技術方法[41]。其關鍵的問題是參與類型劃分數據源的全面性、完整性和科學性。在新疆天山利用NDVI數據決策樹分類法結合地形數據來劃分草地類型有很好的效果[42-43]；青藏高原利用NDVI數據決策樹分類法結合地形數據也能有效劃分不同草地的空間范圍[44]。本研究利用伊犁地區不同草地類型在群落高度、蓋度、地上生物量、地下生物量、草地表層土壤容重、土壤全碳、土壤有機碳、土壤全氮、土壤全磷9個指標的表現的特征值作為草地類型劃分的依據，可以更直接地反映各類草地的空間分布范圍，為草地資源數據庫管理提供了基礎，在指導草地畜牧業生產具有現實意義。

表1 自動化判別閾值表Table 1 Automatic discriminant threshold value table

GAC：平均總蓋度Grassland average coverage；GAH：草地平均高度 Grassland average height；AB：地上生物量Aboveground biomass；BB：地下生物量Belowground biomass；SBD：土壤容重Soil bulk density；STC：土壤全碳含量Soil total carbon；STN：土壤全氮含量Soil total nitrogen；STP：土壤全磷含量Soil total phosphorus；SOC：土壤有機碳含量Soil organic carbon.

圖11 不同草地類型空間分布Fig.11 The distribution of different grassland type

表2 定量化分析識別結果與遙感解譯結果統計對比Table 2 The comparison between the statistical result of quantitative analysis recognition and remote sensing

注：遙感解譯結果(2000年)。

Note： Result of remote sensing (In 2000).

(2)草地類型的空間重疊是正常客觀存在的一種現象。導致草地類型在空間分布上重疊問題，首先是性質相近的類型之間存在相互過渡的區域，并不存在明確的界線，這也正是兩個草地類型相互轉換的演變所在。解決草地類型重疊區域的歸屬問題主要有兩種：1)根據重疊區域涉及的草地類型，選取草地類型間最明顯的特征差異，根據這個特征差異將重疊區域進行重新歸類，如高寒草甸類和溫性山地草甸類草地，可以考慮海拔的因素，將重疊的區域區分開，高海拔區域劃分到高寒草甸；根據植物-生境學分類法，不同草地類型區分的特征差異還包括氣候因素、草地植被因素以及坡度坡向等其他地形因素[45]。2)依據20世紀80年代全國草地調查數據，以主要類型為原則，對重疊區域進行類型歸屬劃分，如溫性草原與溫性荒漠草原，由于溫性荒漠草原類草地面積較小，將重疊區域分配給溫性草原。

(3)多指標數據源頻數分布特征值閾值寬度的確定可能直接影響各草地類型分布的范圍，閾值范圍取值越大導致劃分的草地類型面積偏大，區域重疊程度增加；閾值范圍取值越小導致劃分的草地類型面積偏小，出現草地類型分布漏空或漏劃現象，所以閾值寬度的確定是本研究的關鍵環節[46-47]。本研究采用半峰寬度方法作為確定各指標閾值寬度的原則，對新疆伊犁地區草地類型進行定量化分析識別取得很好的效果，精度達到了85%以上。同時，閾值半峰寬度原則存在一定的缺陷，半峰寬度原則適合于基本符合正態分布指標閾值的確定，而不符合正態分布的指標，其閾值寬度的確定存在一定的困難。所以這也是本研究需要進一步改進和修正的所在。

4 結論

不同草地類型各評價指標閾值范圍的確定是草地類型定量化識別的關鍵，針對特定區域有特定的閾值范圍，各草地類型的閾值范圍具有本地化特征。通過對新疆伊犁地區不同草地類型各項生態指標的頻度分布特征值分析，根據半峰值理論確定不同草地類型各生態指標的閾值范圍，構建決策樹分類，對新疆伊犁地區草地類型定量化識別有很好的效果，各草地類型定量化識別的精度在85%以上。

References：

[1] Т·И·Исаченко, Li S F, Yuan Y. Several problems of Soviet Union botany. Journal of Sun Yatsen University: Natural Science Edition, 1959, (1): 5-9.

Т·И·伊薩欽科, 李世玢, 苑藝. 蘇聯地植物學的幾個問題. 中山大學學報: 自然科學版, 1959, (1): 5-9.

[2] Hou X Y, Wang X P, Chen L Z,etal. Sue card academician put forward some opinions about botany and its related problems during the period of investigation in our country. Acta Geographica Sinica, 1956, (3): 47-68.

侯學煜, 王獻溥, 陳靈芝, 等. 蘇卡切夫院士在我國考察期間所談到的關于地植物學及其相關問題的一些意見. 地理學報, 1956, (3): 47-68.

[3] Markov. The Soviet Union Meeting Corpus of Study on the Orientation of Botany[M]. Beijing: Science Press, 1958: 5-20.

馬爾科夫. 蘇聯地植物學定位研究會議文集[M]. 北京： 科學出版社, 1958: 5-20.

[4] Zhang Z T. Discussion about China’s grassland classification problem. Chinese Journal of Grassland, 1988, (1): 1-5.

章祖同. 談中國草地的分類問題. 中國草地學報, 1988, (1): 1-5.

[5] Xu P. Discussion about China’s grassland classification principle and the system. Prataculture & Animal Husbandry, 1985, (3): 1-6.

許鵬. 中國草地分類原則與系統的討論. 草業與畜牧, 1985, (3): 1-6.

[6] Liu Q. The classification of natural grassland in China. Prataculture & Animal Husbandry, 1996, (2): 1-5.

劉起. 中國天然草地的分類. 草業與畜牧, 1996, (2): 1-5.

[7] Ren J Z, Hu Z Z, Mou X D. The first level classification bioclimatic indicator of grassland types in our country. Journal of Gansu Agricultural University, 1965, (2): 50-66.

任繼周, 胡自治, 牟新待. 我國草原類型第一級分類的生物氣候指標. 甘肅農業大學學報, 1965, (2): 50-66.

[8] Ren J Z, Hu Z Z, Mou X D,etal. The comprehensive sequence classification and genetic significance of grassland. Chinese Journal of Grassland, 1980, (1): 12-25.

任繼周, 胡自治, 牟新待, 等. 草原的綜合順序分類法及其草原發生學意義. 中國草地學報, 1980, (1): 12-25.

[9] Hu Z Z, Gao C X. The improved grassland Ⅰ class division index and classification retrieval figure of grassland comprehensive sequence classification. Acta Prataculturae Sinica, 1995, (3): 1-7.

胡自治, 高彩霞. 草原綜合順序分類法的新改進Ⅰ類的劃分指標及其分類檢索圖. 草業學報, 1995, (3): 1-7.

[10] Ren J Z, Hu Z Z, Zhao J,etal. A grassland classification system and its application in China. Rangeland Journal, 2008, 30(2): 199-209.

[11] Ren J Z. Classification and cluster applicable for grassland type. Journal of Grassland, 2008, 16(1): 4-10.

任繼周. 分類、聚類與草原類型. 草地學報, 2008, 16(1): 4-10.

[12] Liang T G, Feng Q S, Huang X D,etal. Review in the study of comprehensive sequential classification system of grassland. Acta Prataculturae Sinica, 2011, 20(5): 252-258.

梁天剛, 馮琦勝, 黃曉東, 等. 草原綜合順序分類系統研究進展. 草業學報, 2011, 20(5): 252-258.

[13] Wang H X. Integration of Chinese two Grassland Classification Systems and Its Application in Grassland of Inner Mongolia[D]. Lanzhou: Gansu Agricultural University, 2013.

王紅霞. 中國兩種草地分類系統類的歸并及在內蒙古草地類劃分中的應用[D]. 蘭州： 甘肅農業大學, 2013.

[14] Xin Y J, Wu A D, Xin Y C. Natural grassland types and classification system in Qinghai. Qinghai Prataculture, 2012, 21(2): 57-61.

辛有俊, 吳阿迪, 辛玉春. 青海省天然草地類型與分類系統. 青海草業, 2012, 21(2): 57-61.

[15] Ma H B, Wang N, Han B F,etal. Classification of grassland on the Loess Plateau by advanced comprehensive and sequential classification of grassland. Chinese Journal of Grassland, 2002, 24(2): 1-5.

馬紅彬, 王寧, 韓丙芳, 等. 用改進的綜合順序分類法對黃土高原草地分類的探討. 中國草地學報, 2002, 24(2): 1-5.

[16] Chen Z Z, Wang Y F, Wang S P,etal. Preliminary studies on the classification of grassland ecosystem in China. Journal of Grassland, 2002, 10(2): 81-86.

陳佐忠, 王艷芬, 汪詩平, 等. 中國草地生態系統分類初步研究. 草地學報, 2002, 10(2): 81-86.

[17] Zhao J, Hu Z Z. The grassland comprehensive sequence classification retrieval figure from the point of view of ecological information map. Grassland and Turf, 2005, (2): 12-14.

趙軍, 胡自治. 從生態信息圖譜的角度看草原綜合順序分類法檢索圖. 草地與草坪, 2005, (2): 12-14.

[18] Zhao J. Natural Grassland Ecological Information Map and the Grassland Ecological Informatics Theory and Practice Research[D]. Lanzhou: Gansu Agricultural University, 2007.

趙軍. 天然草地生態信息圖譜與草業生態信息學的理論與實踐研究[D]. 蘭州： 甘肅農業大學, 2007.

[19] Xiu L N, Feng Q S, Liang T G. A study on spatial and temporal distribution characteristics of NDVI for natural vegetation in Gannan based on CSCS. Acta Prataculturae Sinica, 2013, 22(4): 239-246.

修麗娜, 馮琦勝, 梁天剛. 基于CSCS方法的甘南自然植被NDVI時空分布特征研究. 草業學報, 2013, 22(4): 239-246.

[20] Liu X N, Guo J, Ren Z C,etal. Chinese rangeland CSCS classification based on optimal simulation for spatial distribution of meteorological factors. Transactions of the CSAE, 2012, 28(9): 222-229.

柳小妮, 郭婧, 任正超, 等. 基于氣象要素空間分布模擬優化的中國草地綜合順序分類. 農業工程學報, 2012, 28(9): 222-229.

[21] Luo C F, Xu C J, You H Y,etal. Analysis on grassland degradation in Qinghai Lake Basin during 2000—2010. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(14): 4450-4459.

駱成鳳, 許長軍, 游浩妍, 等. 2000-2010年青海湖流域草地退化狀況時空分析. 生態學報, 2013, 33(14): 4450-4459.

[22] Hou X Y, Zhuang D F, Yu X F. Grassland change and its spatial patterns in Xinjiang in 1999s. Acta Geographica Sinica, 2004, 59(3): 409-417.

侯西勇, 莊大方, 于信芳. 20世紀90年代新疆草地資源的空間格局演變. 地理學報, 2004, 59(3): 409-417.

[23] Zhou W, Gang C C, Li J L,etal. Spatial-temporal dynamics of grassland coverage and its response to climate change in China during 1982-2010. Acta Geographica Sinica, 2014, 69(1): 15-30.

周偉, 剛成誠, 李建龍, 等. 1982-2010年中國草地覆蓋度的時空動態及其對氣候變化的響應. 地理學報, 2014, 69(1): 15-30.

[24] Wang X S, Hu Z W, Zhao W J,etal. An integrated classification of grassland in large-scale based on MODIS EVI and multi-source data. Practaculture Science, 2011, 28(1): 10-17.

王曉爽, 胡卓瑋, 趙文吉, 等. 基于EVI植被指數的大尺度草地多源信息綜合分類研究. 草業科學, 2011, 28(1): 10-17.

[25] Su L D, Yang J, Wan Z Q,etal. Climate change and its impacts on distribution pattern of grassland types in Inner Mongolia. Chinese Journal of Agrometeorology, 2015, 36(2): 139-148.

蘇力德, 楊劼, 萬志強, 等. 內蒙古地區草地類型分布格局變化及氣候原因分析. 中國農業氣象, 2015, 36(2): 139-148.

[26] Liang T G, Chen Q G, Ren J Z. Expert systems for pratacultural development in Gansu province. Acta Prataculturae Sinica, 2002, 11(1): 70-75.

梁天剛, 陳全功, 任繼周. 甘肅省草業開發專家系統的結構與功能. 草業學報, 2002, 11(1): 70-75.

[27] Liang T G, Chen Q G, Ren J Z,etal. A GIS-based expert system for pastoral agricultural development in Gansu Province, PR China. New Zealand Journal of Agricultural Research, 2004, 47(3): 313-325.

[28] Ren J Z. Grassland Survey and Planning[M]. Beijing: Agricultural Publishing House, 1985: 56-82.

任繼周. 草原調查與規劃[M]. 北京: 農業出版社, 1985: 56-82.

[29] Yang Y H, Chen Y N, Li W H,etal. Soil organic carbon distribution of different vegetation types in the Ili River Valley. Acta Geographica Sinica, 2010, 65(5): 605-612.

楊玉海, 陳亞寧, 李衛紅, 等. 伊犁河谷不同植被帶下土壤有機碳分布. 地理學報, 2010, 65(5): 605-612.

[30] Animal Husbandry Institute in Xinjiang Uygur Autonomous Region. The Grassland Resources and Its Utilization in Xinjiang[M]. Urumqi: Health Science and Technology Publishing House in Xinjiang, 1993: 12-18.

新疆維吾爾自治區畜牧廳. 新疆草地資源及其利用[M]. 烏魯木齊: 新疆科技衛生出版社, 1993: 12-18.

[31] Zhou Y C. The River Hydrology and Water Resources in Xinjiang[M]. Urumqi: Health Science and Technology Publishing House in Xinjiang, 1999: 10-15.

周聿超. 新疆河流水文水資源[M]. 烏魯木齊: 新疆科技衛生出版社, 1999: 10-15.

[32] Liu F, Zhang H Q, Dong G L. Vegetation dynamics and precipitation sensitivity in Yili Valley Grassland. Resources Science, 2014, 36(8): 1724-1731.

劉芳, 張紅旗, 董光龍. 伊犁河谷草地植被NDVI變化及其降水敏感性特征. 資源科學, 2014, 36(8): 1724-1731.

[33] Sun H L, Chen Y N, Li W H,etal. Study on types and ecological services values of the grassland in the Ili River Basin, Xinjiang, China. Journal of Desert Research, 2011, 31(5): 1273-1277.

孫慧蘭, 陳亞寧, 李衛紅, 等. 新疆伊犁河流域草地類型特征及其生態服務價值研究. 中國沙漠, 2011, 31(5): 1273-1277.

[34] Zhang X C, Zhu H Z, Zhong H P,etal. Assessment of above-ground biomass of grassland using remote sensing, Yili, Xinjiang. Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(6): 25-34.

張旭琛, 朱華忠, 鐘華平, 等. 新疆伊犁地區草地植被地上生物量遙感反演. 草業學報, 2015, 24(6): 25-34.

[35] Zhou L L, Zhu H Z, Zhong H P,etal. Spatial analysis of soil bulk density in Yili, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(1): 64-75.

周李磊, 朱華忠, 鐘華平, 等. 新疆伊犁地區草地土壤容重空間格局分析. 草業學報, 2016, 25(1): 64-75.

[36] Qiao Y X, Zhu H Z, Zhong H P,etal. Interpolate and spatial pattern analysis on the below-ground biomass of grassland in Inner Mongolia Autonomous Region, China. Acta Prataculturae Sinica, 2016, (6): 1-12.

喬宇鑫, 朱華忠, 鐘華平, 等. 內蒙古草地地下生物量空間格局分析. 草業學報, 2016, (6): 1-12.

[37] Niu J M, Lv G F. Quantitative analysis of relationship between vegetation zones and climate in NeiMongol under the support of GIS. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis NeiMongol: Natural Science Edition, 1998, 29(3): 130-135.

牛建明, 呂桂芬. GIS支持的內蒙古植被地帶與氣候關系的定量分析. 內蒙古大學學報: 自然科學版, 1998, 29(3): 130-135.

[38] Wang D P, Wang Z L, Cui Q C,etal. Land use/cover classification based on decision tree in Longkou. Research of Soil and Water Conservation, 2008, 15(1): 114-116, 121.

王大鵬, 王周龍, 崔青春, 等. 基于決策樹的龍口市土地利用/覆蓋分類研究. 水土保持研究, 2008, 15(1): 114-116, 121.

[39] Zhou W, Yang F, Qian Y R,etal. Typical grassland classification and precision evaluation based on remote sensing data in the northern slope of Tianshan Moutaion. Practaculture Science, 2012, 29(10): 1526-1532.

周偉, 楊峰, 錢育蓉, 等. 天山北坡草地遙感分類及其精度分析. 草業科學, 2012, 29(10): 1526-1532.

[40] Su D X. The regional distribution and productivity structure of the Chinese grassland resources. Acta Agrestia Sinica, 1994, 2(1): 71-77.

蘇大學. 中國草地資源的區域分布與生產力結構. 草地學報, 1994, 2(1): 71-77.

[41] Chen L, Zhang Y J, Chen B. High spatial resolution remote sensing image classification based on decision tree classification combined with multiscale texture. Geography and Geo-Information Science, 2007, 23(4): 18-21.

陳亮, 張友靜, 陳波. 結合多尺度紋理的高分辨率遙感影像決策樹分類. 地理與地理信息科學, 2007, 23(4): 18-21.

[42] Yang X F, Wang X M. Classification of MISR multi-angle imagery based on decision tree classifier. Journal of Geo-information Science, 2016, 18(3): 416-422.

楊雪峰, 王雪梅. 基于決策樹的多角度遙感影像分類. 地球信息科學學報, 2016, 18(3): 416-422.

[43] Liu Y H, Niu Z, Wang C Y. Research and application of the decision tree classification using MODIS data. Journal of Remote Sensing, 2005, 9(4): 405-412.

劉勇洪, 牛錚, 王長耀. 基于MODIS數據的決策樹分類方法研究與應用. 遙感學報, 2005, 9(4): 405-412.

[44] Zhang X M, Sheng Y, Nan Z T,etal. Vegetation classification of alpine grassland based on decision tree approach in the Wenquan area of the Qinghai-Tibet Platea. Pratacultural Science, 2011, 28(12): 2074-2083.

張秀敏, 盛煜, 南卓銅, 等. 基于決策樹方法的青藏高原溫泉區域高寒草地植被分類研究. 草業科學, 2011, 28(12): 2074-2083.

[45] Liao G F, Jia Y L. China’s Grassland Resources[M]. Beijing: China Science and Technology Press, 1996: 35-45.

廖國藩, 賈幼陵. 中國草地資源[M]. 北京: 中國科學技術出版社, 1996: 35-45.

[46] Yan Y C, Tang H P. Differentiation of related concepts of grassland degradation. Acta Prataculturae Sinica, 2008, (1): 93-99.

閆玉春, 唐海萍. 草地退化相關概念辨析. 草業學報, 2008, (1): 93-99.

[47] Zhang Y L, Li L S, Bai W Q,etal. Grassland degradation in the source region of the Yellow River. Acta Geographica Sinica, 2006, (1): 3-14.

張鐿鋰, 劉林山, 擺萬奇, 等. 黃河源地區草地退化空間特征. 地理學報, 2006, (1): 3-14.

AutomaticclassificationofgrasslandtypeinXinjiangIlibasedonspatialinterpolationofremotesensingandotherdata

QIAO Yu-Xin1,2, ZHU Hua-Zhong3,5, SHAO Xiao-Ming1,6, ZHONG Hua-Ping2*, ZHOU Li-Lei4, WU Zhao-Wen2,7

1.TibetAgricultureandAnimalHusbandryCollege,Tibet850400,China; 2.KeyLaboratoryofLandSurfacePatternandSimulation,InstituteofGeographicalSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing1001011,China; 3.StatekeyLaboratoryofResourcesandEnvironmentInformationSystem,InstituteofGeographicalSciencesandNaturalResourcesResearches,CAS,Beijing100101,China; 4.CollegeofResourceandEnvironmentalScience,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China; 5.JiangsuCenterforCollaborativeinnovationinGeographicInformationResourceDevelopmentandApplication,Nanjing210023,China; 6.CollegeofResourcesandEnvironment,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China; 7.StateKeyLaboratoryofSystematicandEvolutionaryBotany,CAS,Beijing100093,China

With support of remote sensing and geographic information system technology, the inventory of grassland types in China has advanced rapidly. This study used a range of input data including among others grassland community height, ground cover, aboveground biomass, underground biomass, the surface soil bulk density, soil total carbon content, soil organic carbon content, soil total nitrogen content, and soil total phosphorus content. With the collected data, a spatial interpolation algorithm was applied using a Decision Tree Classifier approach to produce an automated classification and index of grassland type in Xinjiang Ili. The grassland types identified based on these nine input variables, consistently matched grassland survey data collected in the 1980s, and showed the methodology to be reliable This study provides a tool for decision makers involved in managing the utilization of grassland resources and livestock production in the Xinjiang Ili region.

spatial interpolation; Decision Tree Classifier; grassland types automatic discriminant

10.11686/cyxb2017013http//cyxb.lzu.edu.cn

喬宇鑫, 朱華忠, 邵小明, 鐘華平, 周李磊, 伍兆文. 基于空間插值數據支持下新疆伊犁地區草地類型判別與分類研究. 草業學報, 2017, 26(10): 30-45.

QIAO Yu-Xin, ZHU Hua-Zhong, SHAO Xiao-Ming, ZHONG Hua-Ping, ZHOU Li-Lei, WU Zhao-Wen. Automatic classification of grassland type in Xinjiang Ili based on spatial interpolation of remote sensing and other data. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(10): 30-45.

2017-01-09；改回日期：2017-03-15

國家科技基礎性工作專項(2012FY111900-2, 2011FY110400-3),國家科技基礎條件平臺-地球系統科學數據共享平臺(2005DKA32300),科技基礎性工作專項-科技基礎性工作數據資料集成與規范化整編項目和西藏飼草產業專項(2016ZDKJZC,2017ZDKJZC)資助。

喬宇鑫(1993-)，男，內蒙古包頭人，碩士。E-mail: 1076998051@qq.com

*通信作者Corresponding author. E-mail: zhonghp@igsnrr.ac.cn