河南省天然草地清查遙感技術的運用和創新

張國啟，梁亞爽，李鵬飛，朱偉然，鄭愛榮，李桂蓮，李 黎

（河南省飼草飼料站，河南 鄭州 450008）

近30 多年來，河南省天然草地資源變化很大。草地資源狀況、生態狀況和利用狀況等方面基本情況不清、數據不全，難以適應生態文明建設發展要求。同時，隨著河南省農業農村生產結構調整的深入發展和人們肉食需求的不斷變化，未來膳食結構的調整需要更多的草食畜產品供應。大力開發河南省草地資源，發展草牧業將成為必然的趨勢。了解掌握河南省草地資源狀況、生態狀況和利用狀況等方面的本底資料十分必要。

1 河南省草地清查基本情況

1.1 河南省草地資源清查具體要求

綜合應用地面調查和空間信息技術，全面查清河南省草地資源的面積、區位、草地類型、草場等級、生態狀況、利用現狀等，繪制全省草地類型空間位置界線圖和各類專題圖。通過本次草地清查為提高草原精細化管理及生產，落實草地畜牧業政策提供數據支撐，為完成草地資源承載力監測預警、草地資源資產負債表編制和全面深化草原生態文明體制改革等任務奠定基礎。

1.2 河南省草地資源清查技術手段

以覆蓋全省的高分辨率多源航空航天遙感影像數據為主要數據源，包括我國資源3號、天繪系列和高分1號、高分2 號等衛星影像數據，收集、整合多行業草地專題調查數據，采用自動與人機交互影像處理、多源信息輔助判讀解譯、外業調查、空間數據庫建模、統計數據空間化、多源數據融合、空間量算、地理計算、空間統計等方法，以內、外業相結合的生產模式，對河南省草地資源的邊界、類型及資源、生態、利用狀況等進行清查與建庫。

2 草地清查的技術創新

傳統的草地監測是采用統計學的方法進行地面調查，在待監測的區域設置適當數量的樣方，并調查相應的指標參數，然后用樣方數據代表同類草地的整體狀況。這種方法費時、費力，難以實現偏遠地區監測及快速資源調查評估的需要。隨著遙感及其相關技術的出現，許多學者在不同尺度上將其應用到草地的范圍界定、估產、退化評價和災害預測等方面，由此產生了大量的模型、指標指數和其他研究成果，使動態、客觀、及時的草地監測成為可能。

2.1 數據收集

收集和整理草地一調數據、第二次土地調查數據、全國第一次地理國情普查數據、地理國情監測數據、行政區域界線數據和時相好、分辨率高的遙感影像等資料。利用第一次地理國情普查數據、第二次土地調查數據、全省1∶10 000比例尺數字高程模型數據（DEM）、遙感正射影像數據、行政區域界線數據等基礎數據，進行分析整理，并建立準確的空間坐標系統。

2.2 數字正射影像制作

本次衛星遙感影像采用國家測繪地理信息局衛星測繪應用中心分批次下發的高分辨率衛星遙感影像，可最大程度地保證遙感DOM 的技術一致性。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。多光譜波段≤10 m。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在近3 年內，選擇草地植物生長盛期獲取的影像。影像相鄰景之間有4%以上的重疊；無明顯噪聲、斑點和壞線；云覆蓋量小于10%；側視角在平原地區不超過25°，山區不超過20°。遙感DOM的幾何糾正（配準）和正射糾正后地物平面位置誤差、影像拼接誤差，平地、丘陵地不大于5m，山地、高山地不大于10m。基于遙感DOM 進行目視解譯時，采用彩紅外彩色合成模式，即近紅外、紅、綠三個波段分別輸出到紅、綠、藍三個波段合成彩色；影像有短紅外波段時，采用近紅外、短紅外、紅三個波段的彩色合成方式，與彩紅外合成方式共同使用。

2.3 草地預判圖制作

利用第一次草地調查數據，將地類按照標準整合為新地類，疊加第二次全國土地調查、第一次地理國情普查的數據提取融合結果，套合新制作的高分辨率遙感影像，重新對草地圖斑進行解譯。在大塊草地圖斑中，補充勾繪草地類型界線，主要參考最近的草地資源調查圖件，初步判定圖斑的草地類型，并計算圖斑面積。綜合圖斑的影像特征，參考地形圖、草地資源歷史已有成果圖件等，初步劃定每個圖斑的地類與草地類型，形成初步判讀圖。連片面積大于最小上圖面積的人工草地圖斑，按照草地資料逐塊校核圖斑邊界。無法獲取遙感正射影像的區域和遙感正射影像云層覆蓋較多的區域，使用與調查比例尺一致的基礎地理信息數據為基礎，勾繪地物圖斑。

2.4 樣地預設

以縣（市）為單位，根據預判的草地類型、相同類型草地的圖斑數量和平均面積大小，以及園地、林地、裸地等易與草地發生混淆的非草地地類圖斑數量等，確定各縣（市）需要進行現場調查的各類型草地樣地樣方數量。不同程度退化、沙化和石漠化的草地上，分別設置樣地。利用方式及利用強度有明顯差異的同類型草地，分別設置樣地。調查中出現疑難問題的圖斑，需要補充布設樣地。

2.5 樣地調查

外業調查是獲取草地植被特征、草原類型、綜合植被蓋度、產草量、草原退化狀況等要素的主要手段。外業調查結合遙感影像特征，草地類型分布狀況和交通條件，以鄉鎮為基本調查單位，涵蓋主要地貌類型和所有草地植被類型，同時還要考慮調查區的顯著地形、地物和主要特征。在分析和了解調查區域草地植被分布特征的基礎上，選擇和確定外業調查路線。

2.6 生物量估算

收集草地生長高峰期中低分辨率遙感影像，提取樣本植被指數，建立不同草地型植被指數與最高地上生物量關系模型，應用遙感植被指數值和草原初分類數據，估測草原類型的產草量。本次建立模型時，將河南省全省分為4個區域分區（洛陽市、三門峽市、南陽市、焦作市），在每個區域分別按不同草地類來建立生產力模型，并保證每個草原類型表中具有NDVI 值和生物量（產草量）值。基于地面樣地觀測地上生物量，開展累積年凈初級生產力與地上生物量間的相關分析，比較線性、指數、多項式等不同回歸模型的效果，最終確定適合于特定草地類型的經驗模型，找出近真值的模型，推廣到全區域，實現整個河南省草地生物量的估算。

2.7 數據匯總

全省采用統一坐標系和投影系統，精確計算草地圖斑邊界、面積、周長、生產力、綜合植被蓋度等，并錄入空間數據庫。對草地地類圖斑，按照樣地調查結果和影像特征相似性，在圖斑的預判地類屬性基礎上，逐個確定圖斑的草地類型屬性。對草地地類圖斑，以樣地調查的資源等級為基礎，結合生產力監測數據，利用圖斑影像特征相似性，逐個確定圖斑的草地資源等級屬性，并將各個圖斑的草地類型、草地資源等級、草地退化等級屬性上圖。

3 草地遙感的經驗與建議

3.1 高分辨率數據的應用

鑒于數據的可獲得性和經濟方面的考慮，目前在草地研究中主要使用的數據有MSS、TM、ETM+、AVHRR 和MODIS，其中前3 種具有較好的空間分辨率，但時間分辨率和光譜分辨率較低，而后2 個雖然在時間分辨率方面優勢明顯，特別是MODIS 還具有36 個通道的高光譜分辨率的特性，但它們的空間分辨率較低，在小尺度研究中誤差較大，即使對于空間分辨率較好的TM 和ETM+，大多數光譜段也只能達到30 m 的分辨率，因此，在草地類型的精細劃分以及毒害草的鑒別方面都存在一定的局限性。今后，隨著光譜儀性能、數據存儲技術等的提高以及使用費用的降低，各種高分辨率的遙感數據將被用于草地監測的各個方面，草地遙感監測的精度將會得到很大的提升。

3.2 多源數據的對比與融合

自從第一顆衛星升空以來，在空間技術和信息技術的推動下，已經形成了從低分辨率、中分辨率到高分辨率的衛星序列。高分辨率衛星影像雖然能更清晰地反映目標的結構和紋理特征，但也存在著數據量大、費用高，發射年限較短，不能進行長時間動態研究等問題。因此，可將不同來源的影像數據進行對比和融合，體現多源數據的整體優勢。

3.3 多種遙感形式的結合

目前，在草地的遙感監測中，主要使用的是衛星影像，而航片、雷達圖像以及機載高分辨率數字影像的使用相對較少，這些在小范圍草地利用情況、草地生態狀況快速監測方面具有十分重要的作用。