基于采樣的草地生物量估算空間插值方法比較研究

李冬 汪傳建 王偉強

摘要：隨著空間插值的廣泛應用，不同的插值方法因不同的研究目的、對象和地區(qū)而產生不同的效果。為了監(jiān)測、合理利用天然草地資源，利用研究區(qū)2016年4—6月野外采集的262條天然草地生物量數(shù)據(jù)，采用克里金法、反距離權重法、樣條函數(shù)法和趨勢面法分別對研究區(qū)草地生物量進行空間插值研究，對比分析不同插值方法對天然草地生物量的評估準確性。結果表明，反距離權重法誤差相對較小，效果較好，比較適用于草地生物量空間分布的插值研究。與規(guī)則樣條函數(shù)法的插值結果相比，反距離權重法的平均絕對誤差降低48.19%，平均相對誤差降低40.763 9百分點，平方根誤差降低58.41%。該結果可以為后續(xù)研究工作提供一定的參考，為相關部門對草地生物量分布信息的監(jiān)測提供一定的計算方法。

關鍵詞：草地;生物量;空間插值;反距離權重法

中圖分類號： S812 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）02-0206-04

草地是生長草本和灌木植物為主并適宜發(fā)展畜牧業(yè)生產的土地。在地球上所有陸地生態(tài)系統(tǒng)中，分布最廣的生態(tài)系統(tǒng)類型之一是草地生態(tài)系統(tǒng)，在全球陸地面積中，草地面積占20%左右，草地生態(tài)系統(tǒng)在全球的氣候調節(jié)以及碳循環(huán)過程中發(fā)揮著極其重要的作用[1-2]。天然草地的凈初級生產力約占總陸地植被生產力的20%，年均固碳量約為5×108 t[3]。草地生物量客觀地反映了草地固碳能力和草地載畜量大小[4]。新疆是我國五大牧區(qū)之一，在“三山夾兩盆”的周圍有大量的優(yōu)良牧場，有0.57億hm2的天然草地，可利用的天然草地面積達到0.48億hm2，占全國可利用面積的20.2%，僅次于內蒙古和西藏等地區(qū)，居全國第3位。而目前新疆各地區(qū)各個類型的草地都有著不同程度的退化，退化面積為可利用草地面積的20%～80%，嚴重退化的草地約有466.67萬hm2，草地退化已成為新疆不容忽視的問題之一[5]。準確評估天然草地的生物量分布，既是合理開發(fā)和利用草地的基礎，也對生態(tài)環(huán)境的保護具有重要意義[6]。

近些年，國內外許多研究學者在草地生物量方面開展了大量的深入研究。羅玲等利用MODIS遙感數(shù)據(jù)獲得植被指數(shù)，并結合草地地面實測的生物量數(shù)據(jù)，研究了草地地上生物量的空間分布[7-9];Kawamura等通過研究利用MODIS 遙感數(shù)據(jù)獲得的歸一化植被指數(shù)與草地地上生物量之間的關系發(fā)現(xiàn)，兩者之間存在顯著的相關性[10];Ni利用我國草地資源數(shù)據(jù)集[11]提供的產草量數(shù)據(jù)估算了我國草地地上生物量[12];劉占宇等利用高光譜數(shù)據(jù)分別對內蒙古錫林郭勒盟和甘南草原的天然草地生物量估算模型進行研究[13-14];王新云等利用雷達數(shù)據(jù)的全極化RADARSAT-2 C波段和圖像HJ1B，同時結合野外實地獲得的生物量數(shù)據(jù)，估算了荒漠草原人工檸條灌木林地上生物量[4];解平靜利用統(tǒng)計學的回歸模型，結合光學遙感數(shù)據(jù)，建立了研究區(qū)的植被地上生物量遙感估算模型[15];張小琪利用環(huán)境減災衛(wèi)星，即HJ-1A/B影像數(shù)據(jù)和88個野外典型草地生物量的采樣點數(shù)據(jù)，進行影像數(shù)據(jù)和采樣點數(shù)據(jù)兩者的相關性分析，建立了草地生物量遙感估算模型[16]。而對于如何通過實地采樣數(shù)據(jù)直接分析草地生物量分布，從目前查閱到的文獻資料來看，相關研究甚少。因此，有必要基于近期的實地采樣數(shù)據(jù)直接對草地生物量的空間分布進行研究。

為了研究常用插值方法對草地生物量插值結果的影響，本研究利用2016年4—6月的262條天然草地實地采樣數(shù)據(jù)，采用普通克里金法、泛克里金法、反距離權重法、樣條函數(shù)法和趨勢面法分別對采樣數(shù)據(jù)進行插值分析，通過插值試驗比較幾種常用的空間插值方法對生物量空間分布的插值精度，以期探明研究區(qū)生物量的空間分布情況。

1 數(shù)據(jù)獲取與預處理

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)在新疆生產建設兵團151團的紫泥泉牧場。該牧場屬于北溫帶大陸性干旱氣候，四季分明，日照充足，熱量豐富，晝夜溫差大，年平均氣溫為6.9 ℃，最低氣溫為 -39.2 ℃，最高氣溫為40.3 ℃，年平均降水量為185 mm。該牧場為春秋牧場，有著發(fā)展現(xiàn)代畜牧業(yè)的豐富資源。該牧場地處85°46′20.793″ E，44°0′3.729″ N，植被類型以博樂絹蒿為主，草層高度在20 cm左右，植被覆蓋度在35%左右。本研究區(qū)地勢是南高北低，平均海拔在1 000 m左右，屬于低山丘陵區(qū)，地勢起伏比較大，地形復雜多樣。圖1為研究區(qū)坡度、坡向分布圖。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

2016年4—6月期間，每月對研究區(qū)紫泥泉牧場的天然草地進行2次生物量采樣。在對研究區(qū)草地采樣過程中，選取能夠代表一定草地植被、地形、坡度及坡向等特征的地段設置樣地，在每處樣地上設置1 m×1 m大小的樣方，用手持全球定位系統(tǒng)（global positioning system，簡稱GPS）進行定位，記錄經緯度等位置信息。將樣方內植物地面以上所有部分齊地面刈割，除去黏附的土壤、礫石等雜物后，裝入試驗袋并編號帶回實驗室。將采集到的樣品放到烘干箱中，在65 ℃條件下烘干至恒質量，然后用精密電子秤分別稱取每個樣品的干質量，去掉相應試驗袋的質量，得到每個采樣點的生物量數(shù)據(jù)。記錄生物量數(shù)據(jù)時保留2位小數(shù)。圖2為2016年4—6月采樣點在研究區(qū)的分布。

2 研究方法和過程

2.1 空間插值方法

目前常用的插值方法很多，本研究主要比較普通克里金法、泛克里金法、反距離權重法、樣條函數(shù)法和趨勢面法對草地生物量空間分布插值的效果。克里金方法也被稱為空間局部插值法，基于結構分析和變異函數(shù)理論，能在有限區(qū)域內針對區(qū)域化變量進行無偏最優(yōu)估計[17]。克里金方法分為2種：普通克里金法和泛克里金法。普通克里金法是最普通和廣泛使用的克里金方法，是一種默認方法，該方法假定恒定且未知的平均值。泛克里金法可以使用半變異函數(shù)或協(xié)方差和變換，并且允許測量誤差。