3S技術在草地資源清查中的應用

文│支樹立 王有月 王重慶 楊超 李延隆（北京市畜牧業環境監測站）

尹曉飛（全國畜牧總站）

潘志強 趙宇文（北京天創金農科技有限公司）

為全面摸清北京市草地資源狀況、生態狀況和利用狀況等方面的本底資料，組織開展了草地資源清查工作。本文介紹了基于3S技術，即地理信息系統（Geographic Information System，簡稱GIS）、遙感（Remote Sensing，簡稱RS）和全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，簡稱GNSS），結合地面調查方法，快速準確掌握草地資源數量、質量、類型及其空間分布，分析其變化情況，建立草地資源數據庫，實現草地圖斑的邊界、類型及資源、生態、利用狀況等信息的數字化管理，為今后科學制定草原保護建設方案提供科學依據；為促進各項草原保護建設工程順利實施提供信息保障。

3S技術自誕生以來一直是草原監測工作中不可或缺的技術支撐，這次草地資源清查中全面使用遙感技術在內業解譯判讀，全球衛星導航系統支持外業地面調查，地理信息系統則普遍應用于內業、外業以及最后成圖和建庫。

一、草地資源清查技術方法

1.清查技術流程。清查技術流程主要分為底圖制作、外業調查和內業匯總三個環節。

底圖制作：綜合最近一次草地資源調查圖件和國土部門等草地相關地類圖件，補充圖件中未劃入確知的草地地塊，在高分辨率遙感影像支持下進一步細化，形成清查工作底圖。

外業調查：以工作底圖為基礎，按照《草地資源調查技術規程》制定樣地、樣方布置方案，確定組織方式、調查時間等，統籌開展外業調查。

內業匯總：結合底圖、中低分辨率遙感影像、地面調查樣本，進行圖斑的草地類型、退化等級劃分，估算可食產量并進行草地質量分級，統計不同權屬草地面積，制作專題圖等。

2.清查技術關鍵點。

（1）清查數據準備。按照《草地資源調查技術規程》要求，影像波段數應≥3個，至少有1個近紅外植被反射峰波段和1個可見光波段。人口稀少區域原始影像空間分辨率應≤15米；其他區域空間分辨率單色波段應≤5米，多光譜波段應≤10米。融合影像的空間分辨率不能小于單色波段空間分辨率。原始影像的獲取時間應在近5年內，宜選擇草地植物生長盛期獲取的影像。

（2）遙感解譯標志。解譯標志是遙感圖像上能反映和判別地物或現象的影像特征，是解譯者在對目標地物各種解譯要素綜合分析的基礎上，結合成像時間、季節、圖像的種類、比例尺等多種因素整理出來的目標地物在圖像上的綜合特征。

遙感波譜分析，通過遙感解譯的方法解譯草地類型及判定草地退化等級時，由于各類草地在遙感影像上往往顏色紋理都很相近，同時還存在同譜異物、同物異譜的情況，所以在某些地塊或區域的判讀上就不是準確，針對這種情況我們可以使用光譜分析的方法進行草地類型、退化等級等屬性信息判定，而且還可以通過增加變量的方式來提高判別精度。

（3）草地類型歸并與整合。按照《草原分類》（NY/T2997-2016)中的標準對草地類型進行歸并整合。整合后草地類型為9大類175個型。

（4）草原退化、沙化、鹽漬化的調查。草地資源清查中退化草地的評定，主要以草地植被的植物群落特征，群落植物組成結構，指示植物，地上部分產草量，地表特征變化為參考依據。具體工作中，在整理分析野外實地考察記錄的基礎上，以植被、土壤、地表侵蝕情況等野外記錄、訪問調查、有關資料為依據，結合遙感影像的圖版顏色、色彩、紋理以及草地類型、地理位置、分布的地形、海拔高度等條件進行綜合推理判斷確定。

（5）遙感估算產草量。草地地上產草量是草本植物產量及木本植物當年嫩枝葉產量的總和，是衡量草地生態情況的一個重要指標。草地產草量可由草地最高生物量加上之前已利用的部分計算得到，而草地最高生物量與歸一化植被指數NDVI有著極為顯著的關系。

◎圖1 北京市各區縣草地資源面積柱狀統計圖

◎圖2 北京市草地資源分布圖

在該項目中，對每一種草原類型，通過在地面樣本的最高地上生物量與遙感影像提取的植被指數之間建立數學模型，比較線性和指數模型的效果，最終確定適合于特定草地的數學模型，推廣到全市范圍內，從而推算該類型任意一點（像元）的最高地上生物量，實現整個草地最高生物量的估算，進而估算出產草量。

（6）草原等級劃分歸并。草原等級綜合評定指標是在草原和草原級評定的基礎上，對草原等和草原級進行疊加組合，共組和為40個不同草原等級；在40個草原等級疊加組合的基礎上，將草原5等歸并為優質、中質、劣質，草原8級再歸并為高產、中產、低產，草原等級綜合評定指標歸并為9類。

（7）植被覆蓋度模型。植被覆蓋度作為草地植被生長狀況的直觀量化指標，是草地生態環境監測中最常用的監測指標之一。植被覆蓋度數據獲取的方式主要通過實地測量和遙感測定兩種方法，由于實地測量在時間和經費上花費都比較大，并且只能在很小的尺度范圍內提供植被結構和分布狀況的變化信息，局限性較大，這些缺點使得遙感技術成為區域草地退化監測與評價的主要手段。目前，利用遙感技術對天然草地進行監測、 評估以及管理決策的國內外研究已經很多，但對草地植被覆蓋度的研究主要集中在利用NOAA/AVHRR、MODIS 等中低分辨率數據計算歸一化植被指數( NDVI)來估測草地植被覆蓋度，進而監測草地植被狀況。

此次草地資源清查MODIS 30米分辨率NDVI數據，通過建立像元二分模型，來計算草地資源植被覆蓋度。

采用像元二分法，使用經幾何校正、大氣校正的MDOIS影像數據，利用歸一化植被指數（NDVI）近似估算植被覆蓋度，建立植被覆蓋度估算模型，模型如下：

V F C=(N D V I-N D V I s o i l)/(NDVIveg-NDVIsoil)

其中：NDVIsoil為裸土或無植被覆蓋區域的NDVI值；NDVIveg為完全植被覆蓋的像元的NDVI值

二、草地資源清查結果

1.草地資源清查面積結果。此次清查北京市草地資源面積合計130余萬畝，共4742個圖斑，各區縣的草地資源面積大致個分為三個梯度，第一梯度面積最多，包括房山區、門頭溝區兩個區，房山區草地資源面積53.56萬畝，占總面積的41%；門頭溝區草地資源面積30.29萬畝，占總面積的23%，第二梯度包括昌平區、懷柔區、平谷區、延慶區、密云區，草地資源面積在7萬～10萬畝，第三梯度為通州區、石景山區、海淀區、大興區、豐臺區、順義區，草地面積在幾千畝，占比很小（圖1）。

2.草地資源清查空間分布結果。北京市草地資源空間分布在地域上有很明顯的分布特征，大部分分布在周邊區縣的山區地帶，平原地區有零星分布。其中尤以房山區、門頭溝區分布較多，而且主要分布在兩區的中西部區域的山區地帶；延慶區、懷柔區、密云區、平谷區的山區地帶也有部分草地資源分布，相對房山區、門頭溝區較少，平原地區有零星草地資源分布；其余區縣大興區、通州區、海淀區、豐臺區、石景山區都是零星的草地資源分布，總體趨勢上是從周邊植被茂盛山區向城市區域遞減。

從地形上來看，北京市草地資源主要分布在山區陽坡、半陽坡、半陰坡，平原地區河漫灘等有零星分布。總體分布趨勢是從山地到平原遞減，圖2是北京市草地資源的空間分布圖。

3.草地資源清查草地類型結果。從此次北京市草地資源清查成果來看，北京市草地資源類型主要有三大草地類，暖性灌草叢類、山地草甸類、低地草甸類，12個草地型。暖性灌草叢類中有8個型，分布是黃背草型、黃背草、白茅型、具灌木的白蓮蒿型、具灌木的白羊草型、具灌木的大油芒型、具灌木的黃背草型、具灌木的藎草型、具灌木的苔草、暖性禾草型。山地草甸類中有2個型，苔草、蒿草型和苔草、雜類草型，低地草甸類中有蘆葦型、堿蓬、雜類草型。

北京市草地資源草地類中以暖性灌草叢類為主，面積合計109.099萬畝，面積占比83.63%，主要分布在北京房山區、門頭溝區、延慶區、懷柔區、密云區、平谷區的山區，在地形上有明顯的分布特征。暖性灌草叢類是在暖溫帶（或山地暖溫帶）、濕潤、半濕潤氣候條件下，森林植被長期遭受破壞，原有植被短期內不能自然恢復，而形成以暖性中生或旱中生多年生草本植物為主，其中散生灌木或零星喬木，植被相對穩定的次生草地類型。暖性灌草叢類草地的結構層次分明，分為灌木層和草本層。草群的種類組成比較簡單，優勢中明顯，常由單優勢種組成，或1～3種共同占優勢。優勢草本植物主要有白羊草、黃背草、大油芒、野古草、野青茅、白茅等。草層中常有少量喬木和灌木散生，灌木主要有胡枝子、荊條、酸棗、沙棘、櫟等。北京是地處我國華北地區，暖性灌草叢類草地中灌木主要以胡枝子、荊條、酸棗為主。

圖3是北京市草地資源草地類的柱狀統計圖，可以直觀地看到三類草地的對比情況。

◎圖3 草地類柱狀圖

三、結束語

草地資源清查是針對草地資源狀況、生態狀況和利用狀況等本地資料進行全面摸底的清查，和常規的草原監測有很多相同點，但是又有其全面性的特點。因此3S技術在草地資源清查中應用，更能一窺3S技術在草原工作中的技術支持核心位置。遙感為草地資源清查提供了空間，大面積影像數據基礎，底圖制作階段的影像預判，草地空間分布范圍和邊界就可以基本厘清。外業地面調查中，由于草地資源分布一般在交通不便的自然環境主導的區域，全球導航衛星系統為外業工作提供導航通信保障。內業匯總階段，根據地面調查樣本，用遙感圖像分析方法獲取草地資源類型分布、產草量、覆蓋度等，最后出圖、建庫到未來提供信息基礎、監測預警和決策支持等應用地理信息系統都是核心基礎。