新疆瑪納斯河流域草地生產力遙感監測研究

吐爾遜·艾山，吐熱尼古麗·阿木提，李 靜，田 源

(1.新疆維吾爾自治區農業資源區劃辦公室，新疆 烏魯木齊 830004；2.農業農村部遙感應用中心 烏魯木齊分中心，新疆 烏魯木齊 830004；3.新疆師范大學 地理與科學學院，新疆 烏魯木齊 830054)

草地是陸地植被的重要組成部分，是畜牧業賴以存在和發展的基礎。在全球變化研究中，草地生態系統被列為重要的研究對象[1]。全球草地資源總面積為67.17億hm2，占世界陸地總面積的52.17%[2-3]。我國草原面積近4億hm2，是世界上第二大草地資源國[2-4]。新疆天然草地面積約5 725.87萬hm2，可利用面積4 800.68萬hm2，是全國四大牧區之一[5-6]。以草地為資源經營的畜牧業是新疆農業的基本組成部分[7]。目前，新疆的草地資源在過度放牧、不合理的土地利用、干旱等自然及人為因素影響下，面臨著草原植被生物量減少和覆蓋度降低、生產力嚴重下降、牧草質量下降、草地載畜量普遍降低等嚴重問題[8]。因此，及時準確估測草地植被生物量和生產力是草地資源管理的重要課題，對于科學利用和開發草地資源，改良和保護草地等具有重要意義。國內外學者早在20世紀初就開始了對草原的研究[9]，自20世紀60年代遙感技術出現以后，眾多遙感平臺已被廣泛地運用于草地資源研究中[10]。

之前已有許多研究者利用遙感和地理信息系統技術對我國草地資源及產草量情況進行了研究[11-15]。當前，在草原遙感領域內，主要使用的數據源為美國的NOAA AVHRR、EOS MODIS、Landsat TM/ETM和法國的SPOT Vegetation等，國內在高空間分辨率遙感衛星草原應用方面開展的研究相對較少。本研究利用GF-1衛星數據，監測及定量評價了新疆瑪納斯河流域草地生產力狀況，旨在促進GF-1衛星數據在新疆草地生產力估測方面的應用，為當地農牧業主管部門提供及時、準確的農情信息服務。

1 研究區及其數據源

1.1 研究區概況

研究區瑪納斯河流域位于新疆維吾爾自治區準噶爾盆地南緣，地理位置在東經43°08′52.8″～45°19′51.6″、北緯85°01′15.6″～87°07′40.8″。行政區范圍包括沙灣縣、瑪納斯縣、呼圖壁縣、石河子市，以及在沙灣和瑪納斯兩縣境內的新疆生產建設兵團農八師(19個農牧團場、鄉)和農六師的新湖農場[16-17]，東西長為161 km，南北長為242 km，總面積為3.61萬km2。研究區年均氣溫8.4 ℃，年蒸發量1 700～2 200 mm，年降水量110～200 mm，屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候區[18]。

研究區草地分成了高寒草甸類、高寒草原類、溫性荒漠草原類、溫性荒漠類、溫性草甸草原類、溫性草原類、山地草甸類和低地草甸類等，主要有半灌木、小禾草、中生雜草和密叢禾草等植被，是新疆重要的草地畜牧業生產基地之一。人口的迅速增長和經濟的高速發展，以及長期以來對草地資源的粗放式經營，重利用、輕建設、輕管理，使得該地區草原存在著過度放牧，部分地區退化嚴重的情況。因此，對這一區域進行草地遙感監測具有現實意義。

1.2 數據源

本研究通過野外調查及資料收集所得到的主要數據有：國家基礎地理中心提供的1∶100萬比例尺不同草地類型矢量數據；研究區2013年7月31日、2014年7月19日GF-1衛星16 m分辨率多光譜數據；1∶10萬土地利用和土壤類型圖；研究區DEM及一些社會經濟資料；研究區2011—2013年的草原動態監測數據、統計報表、圖片、監測報告等資料；草原資源開發利用、保護、放牧狀況等資料；研究區2013年7月15—25日和2014年7月15—25日樣點鮮草質量數據；草地長勢照片庫。

2 數據處理及研究方法

2.1 數據處理

2.1.1 野外數據采集及處理

本研究中，遙感數據和地面采樣分析數據是相輔相成的。因此，2013年7月15—25日和2014年7月15—25日根據研究區域遙感影像的波譜特征及研究區內代表性區域選擇樣方進行調查。研究區內設置草地樣地26個，各種草地樣地內的樣方總數為234個。在野外調查過程中，對植被密度、高度、頻度、地上生物量等指標進行了測定，并記錄每個樣方的經緯度，樣方內植物種數、一年生植物比例、樣地結皮狀況等信息；對每個樣方割草稱取鮮草質量，并基于Excel軟件，對地面采集數據進行整理和匯總。

2.1.2 遙感圖像的處理

憑借ENVI、ERDAS、ArcGIS等軟件對研究區兩年GF-1衛星數據進行了輻射定標、大氣校正、幾何精校正和鑲嵌、裁切等處理。GF-1衛星各載荷的絕對輻射定標系數來源于中國資源衛星應用中心。

2.2 研究方法

本研究以新疆典型草原區瑪納斯河流域為研究區，在“3S”技術支持下，以研究區GF-1衛星數據、野外調查獲得的地面實測鮮草質量數據為基礎，結合土地利用圖和長期積累的其他社會經濟數據，構建遙感觀測(植被指數)與地面觀測(樣方鮮草質量)之間的多種相關模型，來探討GF-1數據在草地生產力估測方面的應用研究。總體技術路線見圖1。

圖1 草地生產力估測技術路線

3 草地生產力模型構建及精度分析

3.1 NDVI值的計算

利用ENVI 5.1軟件，對研究區2013年7月31日和2014年7月19日GF-1衛星數據進行波段運算，并提取研究區NDVI影像圖，根據地面樣點的經緯度，在對應的NDVI影像圖中利用GIS技術提取每個采樣點的NDVI值，建立地面樣方生產力和對應的NDVI值的數據庫。

3.2 模型構建

草地生產力指單位面積的草地在生長季累計生長的牧草總收獲量，即草地能夠生產產品的能力。草地生產力的遙感監測主要利用植被指數與綠色生物量的關系，結合地面樣方調查數據建立遙感—地面相結合的統計估產模型。

首先，根據地面樣點的采樣時間和經緯度，在對應時間的NDVI影像圖中利用GIS技術提取每個采樣點的NDVI均值，建立地面樣方生產力和對應的NDVI值的數據庫。然后，利用研究區地面樣方鮮草質量數據，與影像上對應的NDVI值分別建立線性、對數、指數、多項式、冪函數估算模型。選取40個樣方參與構建模型，具體模型見表1。另選23個樣方進行精度驗證。

表1 2014年草地生產力估算模型(n=40)

決定系數(R2)也稱擬合優度，表征因變數Y的變異中有多少百分比可由控制的自變數X來解釋。其意義在于，決定系數越大，自變量對因變量的解釋程度越高，自變量引起的變動占總變動的百分比越高。為此，我們借助決定系數作為模型挑選和模型能否廣泛應用的依據。

從表1中可以看出，參與構建模型的40個樣方的實測生物量與遙感圖像對應像元的NDVI值之間呈正相關關系，各回歸模型(線性、對數、指數、多項式、冪函數)方程的決定系數都達到了極顯著水平，因此可以認為，利用NDVI值來建立草地生物量遙感監測模型是可行的。

3.3 草地生產力的估測及精度檢驗

3.3.1 草地生產力的估測

利用以上3個較優的草地生產力估測模型(指數模型、冪函數模型、多項式模型)，對研究區2013年和2014年草地生產力狀況進行反演，得到了研究區草地生產力反演結果圖(圖略)。從結果圖中可以看出，反演的草地生物量狀況與研究區實際情況比較吻合。

3.3.2 精度檢驗

為保證通過本模型所得到的研究區草地生產力反演數據的準確性及滿足在大面積區域、不同年際間廣泛應用，我們對初步選定的3個模型(多項式模型、指數模型、冪函數模型)的草地生產力反演結果進行了檢驗。根據采用指數模型、冪函數模型、多項式模型所得到的研究區2013、2014年草地生產力反演數據和對應年份野外調查得到的地面鮮草質量數據，對研究區草地生產力反演結果進行精度驗證，結果見表2。

表2 草地生產力模型反演精度驗證(n=23)

從表2可以看出，2013年指數模型、多項式模型、冪函數模型所反演的草地生產力數據與野外調查得到的地面鮮草質量數據之間的相關系數分別為0.802 4、0.830 2、0.864 3，3個模型的反演結果都達到了0.8以上，其中冪函數的相關系數最高；2014年指數模型、多項式模型、冪函數模型的相關系數分別為0.610 7、0.616 0、0.834 3，同樣是冪函數的相關系數最高，且通過了顯著性檢驗，指數模型和多項式模型的檢驗精度較低。這3種模型中，冪函數模型反演的結果精度最高、穩定性最強，因此能夠廣泛應用的模型為冪函數模型y=1 546.1x1.946 6。

4 結 論

本研究利用研究區GF-1衛星數據和野外調查數據，采用“3S”技術，以草地為監測對象，構建了遙感觀測(植被指數)與地面觀測(樣方生產力)之間的多種草地生產力監測模型，并選取最優草地生產力監測模型對研究區草地生產力進行了估算，同時，利用地面觀測數據對模型精度進行了檢驗，結果如下：

(1)利用研究區2014年地面樣方鮮草質量數據與影像上對應的NDVI值之間的關系建立了線性、對數、指數、多項式、冪函數估算模型，結果顯示，這5個回歸模型方程的決定系數都達到了極顯著水平，生物量與NDVI值之間呈正相關關系，因此可以認為，利用NDVI來建立草地生物量遙感監測模型是可行的。

(2)通過草地生產力估測模型所得到的生產力與實測生產力之間的回歸結果顯示，多項式模型、指數模型、冪函數模型的決定系數較高。因此，這3種模型是估測草地生產力的較佳模型。

(3)草地生產力估測模型(指數模型、冪函數模型、多項式模型)的監測結果顯示，冪函數模型反演的結果精度最高、穩定性最強，是能夠廣泛應用的模型。

(4)從利用3個較優草地生產力估測模型(指數模型、冪函數模型、多項式模型)得到的研究區2013年和2014年草地生產力反演結果可以看出，研究區溫性草甸草原類、溫性草原類、山地草甸類分布區域的生產力最高，溫性荒漠類分布區域的生產力最低，這符合研究區實際情況。

(5)本研究揭示了研究區草地生物量的空間分布特征和生產力狀況，研究成果可為該區域合理利用和保護草地資源、維護草原生態平衡提供科學依據，為當地農牧業生產、管理、決策提供技術信息支持服務。

5 討 論

(1)利用遙感技術對草地生產力進行監測的研究已較成熟，但高分辨率數據大多依賴于外國。本研究通過使用我國自主研發的GF-1衛星數據進行草地生產力監測研究，得到了很好的效果，明確了GF-1衛星數據可以應用在農牧業領域。

(2)本研究對草地生產力的監測研究是通過建立回歸方程模型并逐步篩選，最終獲取目標模型的。本研究回歸方程精度檢驗數據量少，在今后的監測中需要選擇典型樣區與足夠數量采樣樣本對所建立的草地生產力模型進行驗證。

(3)本研究的草地生產力模型是基于GF-1衛星數據和地面樣方數據建立的估測模型，能較好地反映草地生產力狀況。當然，植被的地域性特點也使得本模型在其他地區使用時，不一定能夠真實地反映地物現狀。因此，本研究的草地生產力監測模型是否適合于其他區域的草地生產力監測，還需要在以后的研究和應用推廣中進一步核實。