基于3S技術(shù)對(duì)河北壩上地區(qū)草原害鼠宜生區(qū)劃定研究
——以豐寧縣為例

高登滿(mǎn) 李鐵龍 王利民 李艷華 閆科技 赫 磊

（1.河北省豐寧林管處草原林場(chǎng)，河北 豐寧 068350；2.山西省林業(yè)和草原局，山西 太原 030000）

河北省西部環(huán)山，北部是壩上高原，東臨渤海，東南部是華北大平原。全省總面積18.77萬(wàn)km2，現(xiàn)有草地約4.74萬(wàn)km2，占全省總面積的25.25%，其中可利用草地約有4.11萬(wàn)km2，占草地總面積的86.78%。而河北壩上地區(qū)擁有130多萬(wàn)km2的天然草原，約占全省草原總面積的30%。河北省草原害鼠年危害面積4.32萬(wàn)km2，占全省草原總面積的8.6%，草原害鼠都是植食性種類(lèi)，不同種類(lèi)的食性存在差異，蝗蟲(chóng)的分布與植物分布有關(guān)；不同草地類(lèi)型有不同的蝗蟲(chóng)類(lèi)群發(fā)生，蝗蟲(chóng)優(yōu)勢(shì)種類(lèi)也常因植被類(lèi)型的不同而有所差異。許鵬等人研究發(fā)現(xiàn)蝗蟲(chóng)群落結(jié)構(gòu)與宜生區(qū)內(nèi)的草地類(lèi)型緊密相關(guān)。河北省草原害鼠最高蟲(chóng)口密度達(dá)917頭/m2，平均蟲(chóng)口密度達(dá)50.5頭/m2，其災(zāi)害已經(jīng)成為我省重要自然災(zāi)害之一，需進(jìn)行綜合防治。

草原害鼠宜生區(qū)是指適宜于某種草原害鼠生長(zhǎng)發(fā)育的區(qū)域。該區(qū)域應(yīng)具有相同或相似的生態(tài)環(huán)境，草原害鼠形成一定種群數(shù)量，可能形成危害。草原害鼠危害可造成草地退化、沙化、水土流失，造成草地生產(chǎn)能力的下降，草地生態(tài)環(huán)境日趨惡化。因此，要充分利用現(xiàn)代化的技術(shù)手段，把防治草原害鼠的工作由長(zhǎng)期的被動(dòng)防治轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏?jì)劃的主動(dòng)防治，建立起有效的草原害鼠宜生區(qū)監(jiān)測(cè)體系。

3S技術(shù)的發(fā)展為草原害鼠的監(jiān)測(cè)和防治提供了新的方法和技術(shù)支持。3S技術(shù)是以RS（遙感，remote sensing）、GIS（地理 信息 系統(tǒng)，geographic information system）、GPS（全球定位系統(tǒng)，global position system）三者獨(dú)立技術(shù)中的有關(guān)部分與其他高新技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)部分有機(jī)構(gòu)成一個(gè)整體結(jié)合而形成的一項(xiàng)新的綜合技術(shù)。倪紹祥等自1996年以來(lái)在青海湖地區(qū)利用3S技術(shù)對(duì)草地蝗蟲(chóng)的發(fā)生、動(dòng)態(tài)變化規(guī)律、蝗蟲(chóng)的預(yù)測(cè)模型、預(yù)測(cè)系統(tǒng)等方面都進(jìn)行了探索研究。3S技術(shù)已廣泛應(yīng)用于病蟲(chóng)害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方面，實(shí)現(xiàn)了很多常規(guī)方法無(wú)法達(dá)到的技術(shù)要求，節(jié)省了大量人力物力，取得了豐碩的成果和寶貴經(jīng)驗(yàn)。而將3S技術(shù)應(yīng)用于草原害鼠宜生區(qū)劃定方面的研究還未見(jiàn)報(bào)道，本試驗(yàn)通過(guò)運(yùn)用3S技術(shù)對(duì)蝗蟲(chóng)宜生區(qū)不同生態(tài)因子進(jìn)行量化，從而確定各生態(tài)因子對(duì)蝗蟲(chóng)發(fā)生的宜生指數(shù)，獲得草原害鼠宜生區(qū)域分布圖，為后續(xù)草原害鼠的有效防治提供依據(jù)。

1.研究方法

1.1 試驗(yàn)地概況

豐寧滿(mǎn)族自治縣位于承德市北部，介于東經(jīng)115o55'～117o23'，北緯40o54'～42o01'之間，平均海拔1050米。自然地貌由東南向西北呈階梯性增高，分為壩下淺山區(qū)、接壩深山區(qū)、壩上高原區(qū)三個(gè)不同類(lèi)型的地貌單元。全縣草原面積大約有44.13萬(wàn)公頃，占土地總面積的50.4%。該縣是河北省草原害鼠為害嚴(yán)重的區(qū)域，年發(fā)生草原害鼠為害總面積約2.33-2.67萬(wàn)公頃。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 生態(tài)因子選擇

本研究主要選擇了非生物因子，包括氣候因子（溫度、降雨量）、草原類(lèi)型立地類(lèi)型（坡度、坡向等）等。

1.2.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

a. 收集整理多年地面調(diào)查數(shù)據(jù)

根據(jù)選擇的生態(tài)因子整理調(diào)查數(shù)據(jù)：如樣點(diǎn)的地理位置、海拔高度、坡度、坡向、植被蓋度、地上生物量、草原類(lèi)型、土壤類(lèi)型等信息。

b. 收集專(zhuān)題圖件

收集行政區(qū)劃、土壤類(lèi)型、草原類(lèi)型、地上生物量、數(shù)字高程、溫度、降水等基礎(chǔ)圖件。

c. 遙感影像

選用由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部全國(guó)畜牧總站提供的2015年8月LandsatTM8影像，影像進(jìn)行了校正和重投影處理。

d. DEM影像數(shù)據(jù)

數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model），簡(jiǎn)稱(chēng)DEM，它是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體地面模型。亦由農(nóng)業(yè)部全國(guó)畜牧總站提供的空間分辨率為90m的SRTM-DEM。DEM除了包括地面高程信息外，還可以派生地貌特性（包括坡度、坡向等），以及計(jì)算地形特征參數(shù)（包括山峰、山脊、平原、位面、河道和溝谷等）。

本研究中按照豐寧區(qū)域經(jīng)緯度查找DEM數(shù)據(jù)文件。使用ERDAS 的Mosaic Images工具對(duì)涉及豐寧的兩幅DEM影像進(jìn)行拼接和重投影，保持與遙感影像的坐標(biāo)和投影一致。

1.2.3 生成宜生指數(shù)圖

a.量化地面抽樣數(shù)據(jù)

根據(jù)草原害鼠種群數(shù)量和危害次數(shù)對(duì)草原害鼠發(fā)生程度進(jìn)行量化，見(jiàn)表1。

表1 草原害鼠發(fā)生程度量化值

b. 對(duì)不同生態(tài)因子進(jìn)行量化

依據(jù)不同生態(tài)因子對(duì)草原害鼠發(fā)生的影響程度，對(duì)各項(xiàng)生態(tài)因子地面抽樣數(shù)據(jù)進(jìn)行量化，定性數(shù)據(jù)分屬性量化，定量數(shù)據(jù)分區(qū)間量化。豐寧的草原類(lèi)型就屬于定性數(shù)據(jù)，坡度數(shù)據(jù)為定量數(shù)據(jù)。

c. 建立宜生指數(shù)模型

利用地面抽樣數(shù)據(jù)，采用多指標(biāo)綜合加權(quán)模型，建立生態(tài)因子和草原害鼠發(fā)生程度量化數(shù)據(jù)間的宜生指數(shù)模型。各因子加權(quán)值為1。

式中n為宜生因子個(gè)數(shù)；Wi為第i個(gè)生態(tài)因子的權(quán)重；Ei（X，Y，Z）為空間上任何一點(diǎn)的宜生指數(shù)；SR（X，Y，Z）為綜合宜生指數(shù)

實(shí)例模型:本次豐寧宜生區(qū)劃定試驗(yàn)點(diǎn)采用的模型是

（$n1_grass*0.7+$n3_precip*0.3）*$n2_slope/100

草原類(lèi)型（grass）、降水（precip）分別占0.7和0.3權(quán)重線性加權(quán)，之后坡度作為發(fā)生規(guī)律協(xié)同因子。模型在ERDAS環(huán)境下輸入完成后進(jìn)行保存，點(diǎn)擊模型按鈕進(jìn)行運(yùn)算。

d. 宜生指數(shù)復(fù)合運(yùn)算生成宜生指數(shù)圖

利用ERDAS軟件Modeler中的Modeler Maker模塊，按照建立的模型，將各生態(tài)因子生成的量化柵格圖進(jìn)行空間運(yùn)算，生成宜生指數(shù)圖。

圖1 宜生指數(shù)圖運(yùn)算模型

2.研究結(jié)果

2.1 豐寧縣草原害鼠宜生指數(shù)圖

按照上述方法對(duì)豐寧縣全境草原基于草原類(lèi)型、氣候、土壤、坡度、坡向、海拔等各方面因素，以及2015年TM8影像，利用創(chuàng)建的模型在ERDAS軟件環(huán)境下進(jìn)行運(yùn)算，得出了豐寧縣草原害鼠宜生指數(shù)圖，即圖2。

圖2 豐寧縣草原害鼠宜生指數(shù)圖

從宜生指數(shù)區(qū)域圖的分布情況可以看出，草原害鼠在豐寧縣的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)都有分布，并且在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的分布多少和位置各不相同；從圖中各地區(qū)不同顏色可以明顯看出，草原害鼠宜生區(qū)主要分布在豐寧壩上及接壩地區(qū)，尤其以大灘鎮(zhèn)、魚(yú)兒山鎮(zhèn)、外溝門(mén)鄉(xiāng)、草原鄉(xiāng)分布比例較大，宜生指數(shù)較高。

2.2 豐寧縣草原害鼠宜生指數(shù)屬性表

由圖3可知，豐寧縣草原害鼠宜生指數(shù)分級(jí)較多，各層次的草原害鼠宜生區(qū)占據(jù)像元數(shù)（一個(gè)像元=30*30米）在各級(jí)的分布各不相同。其中，宜生指數(shù)為35的像元數(shù)值最大，有851399個(gè)，合計(jì)76622.08公頃；宜生指數(shù)為0的像元數(shù)值最小，有50101個(gè)，合計(jì)4508.86公頃；宜生指數(shù)為3、5、10、15、20、35、45、50的像元數(shù)均已超過(guò)兩萬(wàn)。像元數(shù)越大，宜生區(qū)草原害鼠分布面積越廣，數(shù)量越多。

圖3 豐寧縣宜生指數(shù)屬性

3.討論

在蝗蟲(chóng)危害的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中，有蝗災(zāi)規(guī)律與環(huán)境相互關(guān)系的機(jī)理研究和草原害鼠空間分布型與抽樣技術(shù)、物理化學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)等方面的研究。但是這些傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法實(shí)時(shí)性差，對(duì)于大范圍的宏觀動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)不能進(jìn)行，要明確特定生態(tài)系統(tǒng)的可入侵性以及入侵與災(zāi)變的關(guān)系是很困難的。預(yù)測(cè)的方法主要有觀測(cè)法、實(shí)驗(yàn)法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法等，實(shí)驗(yàn)法和觀測(cè)法的工作量大，實(shí)驗(yàn)法一般用在中、短期預(yù)報(bào)，時(shí)效期很短，而觀測(cè)法的可靠性又差，數(shù)理統(tǒng)計(jì)的范圍有限。本研究采用了“3S”技術(shù)，宜生區(qū)用GPS采集足夠的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)做支持，并與TM影像數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合，最后在地理信息系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，成為保證宜生區(qū)準(zhǔn)確劃定的重要技術(shù)手段。

草原害鼠發(fā)生和消長(zhǎng)的影響因子較多，很多研究中采用的蝗蟲(chóng)生境監(jiān)測(cè)指標(biāo)有植被蓋度、草原類(lèi)型、土壤類(lèi)型、降雨量等方面，也有利用遙感技術(shù)獲取與蝗蟲(chóng)密切相關(guān)的各種生境因子，結(jié)合GIS技術(shù)研究蝗蟲(chóng)的生境因子對(duì)東亞飛蝗生育周期的影響機(jī)理。而本研究則較全面地采用溫度、降雨量、草原類(lèi)型、坡度、坡向等因子作為主要影響因子，并結(jié)合了樣點(diǎn)的地理位置、海拔高度、坡度、坡向、植被蓋度、地上生物量、草原類(lèi)型、土壤類(lèi)型等信息，還對(duì)行政區(qū)劃、數(shù)字高程等基礎(chǔ)圖件進(jìn)行收集，并選用由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部全國(guó)畜牧總站提供的2015年8月LandsatTM8影像，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部全國(guó)畜牧總站提供的空間分辨率為90m的SRTM-DEM。按照豐寧區(qū)域經(jīng)緯度查找DEM數(shù)據(jù)文件，使用ERDAS 的Mosaic Images工具對(duì)涉及豐寧的兩幅DEM影像進(jìn)行拼接和重投影，保持與遙感影像的坐標(biāo)和投影一致,最終得到了豐寧區(qū)的草原害鼠宜生指數(shù)圖。

本研究結(jié)果與實(shí)地調(diào)查的草原害鼠分布區(qū)域基本一致，技術(shù)方法可行，省時(shí)省工，準(zhǔn)確性高，能夠作為草原害鼠宜生區(qū)的劃定研究的技術(shù)方法。“3S”技術(shù)具有高度的實(shí)用性和方便性，在草原害鼠宜生區(qū)劃定研究中草原害鼠的信息系統(tǒng)可以快速更新，可以為草原害鼠監(jiān)測(cè)管理部門(mén)提供草原害鼠防治的決策依據(jù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。該方法既加快了對(duì)草地資源的宏觀監(jiān)測(cè)速度，又能夠快速、準(zhǔn)確地反映草原害鼠的動(dòng)態(tài)變化；可廣泛應(yīng)用于草原害鼠的監(jiān)測(cè)研究中，為草原害鼠危害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作提供新思路、新方法，并且可以作為河北省草原保護(hù)建設(shè)新技術(shù)應(yīng)用的一項(xiàng)成果。

結(jié)論

經(jīng)分析，豐寧縣的草原害鼠宜生區(qū)域指數(shù)圖得知草原害鼠宜生區(qū)主要分布在豐寧縣的壩上及接壩地區(qū)，大灘鎮(zhèn)、魚(yú)兒山鎮(zhèn)、外溝門(mén)鄉(xiāng)、草原鄉(xiāng)分布比例居多，宜生指數(shù)較高。本研究結(jié)果可以準(zhǔn)確快速地進(jìn)行草原害鼠的宜生區(qū)劃定，具備向整個(gè)壩上地區(qū)推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)條件，可作為河北省草原保護(hù)建設(shè)新技術(shù)應(yīng)用的一項(xiàng)成果，建議結(jié)合蝗蟲(chóng)種類(lèi)對(duì)宜生區(qū)劃定作進(jìn)一步研究。