馮威丁，肖鵬峰，馮學(xué)智，常瀟，楊永可

(1.南京大學(xué) 地理信息科學(xué)系，南京 210023；2.南京大學(xué) 江蘇省地理信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210023)

1 引 言

遙感技術(shù)的出現(xiàn)，以其能從不同的時(shí)空尺度不斷地提供多種地表特征信息的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，受到了地學(xué)研究者的青睞[1]。因此，諸多學(xué)者利用遙感技術(shù)對(duì)呼倫貝爾草原開(kāi)展了相關(guān)研究。利用TM等遙感數(shù)據(jù)對(duì)該地區(qū)的研究表明，呼倫貝爾草原20世紀(jì)90年代以來(lái)草地覆蓋面積呈逐年減少的趨勢(shì)[2-3]，草地質(zhì)量明顯下降[4]，草地覆蓋退化嚴(yán)重[4-6]。結(jié)合歷史資料和遙感數(shù)據(jù)的研究表明，近幾十年來(lái)呼倫貝爾草原的沙漠化日益嚴(yán)重[7-10]，2004年時(shí)沙漠化面積已達(dá)土地面積的25%[9]，實(shí)地的調(diào)查研究報(bào)告也印證了呼倫貝爾草原嚴(yán)重的沙化情況[11]。此外，呼倫貝爾草原的土地覆蓋類型相互轉(zhuǎn)換頻繁[3，12]，多為草地覆蓋向耕地、林地及裸地類型轉(zhuǎn)移[3]。但有學(xué)者預(yù)計(jì)，2012年～2020年土地利用/覆蓋相互轉(zhuǎn)換的速率將會(huì)有所減緩[13]。

已有研究多針對(duì)呼倫貝爾草原草地覆蓋變化的某一特定現(xiàn)象，如草地覆蓋與其他土地覆蓋類型的相互轉(zhuǎn)換、草地覆蓋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等單獨(dú)進(jìn)行研究，需要進(jìn)一步對(duì)呼倫貝爾草原草地覆蓋的現(xiàn)狀、空間分布格局等進(jìn)行整體和系統(tǒng)的研究。本文通過(guò)對(duì)呼倫貝爾草原典型區(qū)草地覆蓋的空間分布格局、草地覆蓋中各類型時(shí)空特征、草地與其他土地覆蓋的相互轉(zhuǎn)換以及草地覆蓋的變化趨勢(shì)進(jìn)行了定量分析，試圖闡明呼倫貝爾草原典型區(qū)的草地覆蓋分布特征及時(shí)空變化規(guī)律，為呼倫貝爾草原生態(tài)保護(hù)和草地資源的開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)和數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古呼倫貝爾草原腹地，地處北緯48°48′～北緯50°12′，東經(jīng)118°22′～東經(jīng)121°02′，研究區(qū)總面積約2.35×104km2。涉及的行政區(qū)劃主要包括內(nèi)蒙古海拉爾市、陳巴爾虎旗和鄂溫克族自治區(qū)的大部分地區(qū)以及新巴爾虎左旗和牙克石市的部分區(qū)域。研究區(qū)內(nèi)年平均降水量240mm～350mm，年平均氣溫-1℃～2℃，為典型的溫帶半干旱、半濕潤(rùn)區(qū)。春秋風(fēng)大少雨，冬季干燥寒冷，夏季溫涼短促，旱災(zāi)頻發(fā)[14]。

研究區(qū)內(nèi)土地覆蓋以草地為主，東南部有林地分布，西部有兩條沙漠帶：分布于海拉爾河沿岸的北部沙帶和東起伊敏河西岸的南部沙帶[9]。較大的河流有海拉爾河、伊敏河和輝河。草原地勢(shì)平坦開(kāi)闊，牧養(yǎng)方式以自由放牧為主[15]。植被覆蓋多中生和旱生耐寒的根莖、叢生禾草及雜草，代表性植物有貝加爾針茅、日陰菅、羊草、線葉菊、隱子草、樟子松和黃柳等，其中優(yōu)質(zhì)牧草在草群中所占比例在30%以上，對(duì)畜牧業(yè)發(fā)展十分有利[16]。

2.2 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

本研究的數(shù)據(jù)源是1989年、1994年、200年7和2010年的4期Landsat TM影像和1期2000年的Landsat ETM+影像(表1)，空間分辨率均為30米。由于1994年TM影像東南部存在少量云遮蓋，所以用1993年9月10日TM影像替換1994年的有云區(qū)域影像數(shù)據(jù)，其余影像的云量均為零。其中，1989年影像的獲取時(shí)間為5月下旬，2007年影像的獲取時(shí)間為6月上旬，其余年份影像的獲取時(shí)間為9月份。5月～9月份是呼倫貝爾草地覆蓋生長(zhǎng)的旺盛階段，可以有效表征草地的植被覆蓋度。使用遙感影像進(jìn)行分類時(shí)，以Google Earth平臺(tái)提供的大量高分辨率衛(wèi)星影像和實(shí)地照片作為地面參考數(shù)據(jù)，輔助選取分類所需的訓(xùn)練樣本及驗(yàn)證樣本。為了避免因遙感影像獲取的時(shí)相不同而對(duì)分類結(jié)果產(chǎn)生影響，在分類時(shí)對(duì)不同月份的影像采用了不同的樣本選取標(biāo)準(zhǔn)和不同的分類閾值。

表1 Landsat遙感數(shù)據(jù)

所有的TM/ETM+影像均采用假彩色合成(RGB 432)方式顯示。首先利用影像頭文件提供的增益值(Gain)和偏置值(Bias)，將原始影像的DN值換算為反射率，并拉伸為0～1000之間的數(shù)值，采用FLAASH模型對(duì)TM/ETM+反射率值進(jìn)行大氣校正；然后以1989年的TM影像為參考對(duì)其余4幅影像進(jìn)行幾何精校正，RMS誤差不超過(guò)0.5個(gè)像元；最后對(duì)影像進(jìn)行裁剪，得到所需的研究區(qū)影像。

選取對(duì)于植被覆蓋分類敏感的TM/ETM+的1～4波段數(shù)據(jù)，作為主要的分類數(shù)據(jù)源。并利用第3和第4波段數(shù)據(jù)計(jì)算了NDVI值，統(tǒng)計(jì)分析研究區(qū)NDVI值普遍較低，如1989年NDVI值均值為0.27，標(biāo)準(zhǔn)差為0.061，2000年NDVI值均值為0.37，標(biāo)準(zhǔn)差為0.078，不受NDVI飽和現(xiàn)象的影響，可以作為第2個(gè)分類數(shù)據(jù)源。同時(shí)，由于遙感影像的波段間往往存在著較高的相關(guān)性，對(duì)某些影像的信息提取來(lái)說(shuō)存在數(shù)據(jù)冗余和重復(fù)，而主成分變換可以達(dá)到去相關(guān)、進(jìn)行特征提取和數(shù)據(jù)壓縮的目的[17]。因此研究中對(duì)TM/ETM+的1～4波段數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分變換，并提取前3個(gè)主成分?jǐn)?shù)據(jù)(PCA 1，2，3)，作為第3個(gè)分類數(shù)據(jù)源。在分類中，根據(jù)分類精度確定最佳的數(shù)據(jù)源組合。

3 研究方法

3.1 土地覆蓋分類

分兩步獲取呼倫貝爾草原典型區(qū)的土地覆蓋類型分布圖。首先采用最大似然法將影像分為草地、耕地、城鎮(zhèn)、水體、林地、裸地和濕地7類土地覆蓋類型。選取訓(xùn)練樣本區(qū)域時(shí)，利用高分辨率衛(wèi)星影像和實(shí)地照片作為地面參考數(shù)據(jù)，且每類訓(xùn)練樣本區(qū)域的數(shù)量不少于15個(gè)，以保證樣本的準(zhǔn)確性。由于“同物異譜”現(xiàn)象的存在，特定土地覆蓋類型的影像特征可能存在較大差異；因此將草地、林地和耕地等主要地物類型拆分為光譜相似性較高的2～5個(gè)小類，分別選取訓(xùn)練樣本，單獨(dú)進(jìn)行分類。然后將分類結(jié)果合并為所需的7類土地覆蓋類型。最后經(jīng)過(guò)分類后處理獲得初步分類結(jié)果。

為了進(jìn)一步研究草地覆蓋中的類型構(gòu)成及時(shí)空變化，將上述初步分類結(jié)果的草地按覆蓋度細(xì)分為低覆蓋度草地、中覆蓋度草地和高覆蓋度草地3類。本文采用基于NDVI的亞像元模型[18-19]計(jì)算草地的植被覆蓋度Fc(公式1)，并取草地覆蓋的NDVI最大值為式中NDVImax，取草地覆蓋的NDVI最小值為式中的NDVImin。

(1)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB19377-2003)[20]中對(duì)天然草地退化的定義、級(jí)別和指標(biāo)，參考高清等[21]采用的草地退化遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定本研究區(qū)1994年、2000年和2010年的中、高覆蓋度草地臨界值為0.65，中、低覆蓋度草地臨界值為0.3。進(jìn)一步地，由于研究區(qū)1989年影像的獲取時(shí)間為5月下旬，2007年影像的獲取時(shí)間為6月上旬，處于為草地生長(zhǎng)旺盛期[22]，而其余年份影像的獲取時(shí)間均為9月份，草地長(zhǎng)勢(shì)處于衰敗期[22]。1989年和2007年影像的草地覆蓋度顯著高于其余年份影像的草地覆蓋度[23]，為避免因季相不同為引起的分類誤差，將草地覆蓋度臨界值做相應(yīng)調(diào)整：由于草地覆蓋度隨季節(jié)變化呈現(xiàn)顯著的周期性變化[24-25]，滿多清等[26]研究不同覆蓋度草灌植被的季節(jié)性變化時(shí)表明，覆蓋度較低的植被隨季節(jié)起伏變化較小，覆蓋度較高的植被隨季節(jié)起伏變化較大。同時(shí)結(jié)合已有相關(guān)研究的草地覆蓋分類方法[21，27]，最終確定調(diào)整后的參數(shù)把1989年和2007年的中、高覆蓋度草地區(qū)分的臨界值調(diào)整為0.75，中、低覆蓋度草地區(qū)分的臨界值調(diào)整為0.35。依據(jù)上述方法將初次分類結(jié)果的草地類型細(xì)分為低覆蓋度草地、中覆蓋度草地和高覆蓋度草地，獲得最終的呼倫貝爾草原典型區(qū)土地覆蓋類型分布圖(圖2)。

3.2 分類精度評(píng)價(jià)

對(duì)獲得的土地覆蓋類型分布圖進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，隨機(jī)選取五百多個(gè)樣本點(diǎn)，將分類結(jié)果與高分辨率衛(wèi)星影像和實(shí)地照片進(jìn)行比較，制作混淆矩陣，并計(jì)算每幅分布圖的總體精度和Kappa系數(shù)(表2)。結(jié)果顯示，研究區(qū)土地覆蓋分類的總體精度在84%～89%之間，Kappa系數(shù)均在0.68以上，可以利用已有分布圖對(duì)研究區(qū)草地覆蓋的空間格局及時(shí)空變化特征進(jìn)行分析。

表2 研究區(qū)土地覆蓋類型分布圖精度評(píng)價(jià)結(jié)果

圖1 研究區(qū)土地覆蓋類型分布圖

3.3 草地覆蓋類型轉(zhuǎn)換

利用ArcGIS軟件分別將研究區(qū)相鄰時(shí)相的土地覆蓋類型分布圖進(jìn)行疊置分析，獲得1989年～1994年、1994年～2000年、2000年～2007年和2007年～2010年的草地覆蓋與其他土地類型的相互轉(zhuǎn)換圖，圖3(a)為草地覆蓋轉(zhuǎn)換為其他土地類型的時(shí)空分布，圖3(b)為其他土地類型轉(zhuǎn)換為草地覆蓋的時(shí)空分布。同時(shí)，根據(jù)草地覆蓋轉(zhuǎn)換圖統(tǒng)計(jì)了草地覆蓋與其他土地類型轉(zhuǎn)移矩陣(表4)。

4 結(jié)果分析

4.1 草地覆蓋的時(shí)空特征

1989年～2010年呼倫貝爾草原典型區(qū)的草地覆蓋面積占研究區(qū)總面積的70%以上，而且總體呈逐漸減少的趨勢(shì)：1989年為17159.66km2，1994年為16556.76km2，2000年為15308.19km2，2007年為15950.05km2，2010年為15416.13km2，1989年～2010年草地覆蓋面積累計(jì)減少1743.53km2，占研究區(qū)1989年草地覆蓋總面積的10.16%。其中，2000年～2007年階段草地覆蓋面積逆向回升，分析主要原因有兩個(gè)：(1)研究區(qū)內(nèi)輝河2006年之后水流量大幅減少，河岸兩側(cè)大量濕地轉(zhuǎn)換為草地[28]；(2)2000年以來(lái)，研究區(qū)內(nèi)積極開(kāi)展人工種草、退耕還草等生態(tài)保護(hù)工程，其成效在2007年的遙感影像中顯現(xiàn)，草地面積有所回升。

圖2 研究區(qū)1989年～2010年草地覆蓋轉(zhuǎn)換圖

研究區(qū)草地覆蓋(圖1)主要分布在中西部平坦地帶，分布較為穩(wěn)定，尤其是海拉爾河以南、伊敏河以西的區(qū)域內(nèi)分布有高覆蓋度草地。從1989年～2010年草地覆蓋與其他土地類型相互轉(zhuǎn)換圖(圖2)中可以看出，草地與耕地類型的轉(zhuǎn)換多發(fā)生在研究區(qū)的東北部區(qū)域，草地與裸地類型的轉(zhuǎn)換多發(fā)生在研究區(qū)內(nèi)的兩條沙漠帶。此外，海拉爾河和伊敏河流域的兩側(cè)是草地與濕地轉(zhuǎn)換頻繁的區(qū)域。

4.2 草地覆蓋中各類型的時(shí)空特征

對(duì)呼倫貝爾草原典型區(qū)1989年～2010年草地覆蓋的類型構(gòu)成及其占當(dāng)年草地面積比重進(jìn)行分析(圖3)，可以看出：研究區(qū)草地覆蓋中面積最大的是中覆蓋度草地，占當(dāng)年草地覆蓋總面積的60%以上，其次是高覆蓋度草地，面積最小的為低覆蓋度草地。

圖3 研究區(qū)1989年～2010年草地覆蓋構(gòu)成及其占當(dāng)年草地面積的比重

研究區(qū)草地覆蓋中各類型呈現(xiàn)中覆蓋度草地向高、低覆蓋度草地轉(zhuǎn)換的“中間減少，兩端增加”態(tài)勢(shì)，即中覆蓋度草地的面積逐年減少，而高、低覆蓋度草地的面積逐漸增加。1989年～2010年中覆蓋度草地面積從16628.92km2下降到10130.35km2，在當(dāng)年草地覆蓋總面積中所占的比重從96.90%下降到65.71%；高覆蓋度草地面積從529.65km2上升到5282.61km2，占草地總面積的比重從3.09%上升到34.26%；而低覆蓋度草地面積從1.09km2上升到3.16km2，所占草地面積比重也從0.01%上升到0.03%。

表3 研究區(qū)1989年～2010年草地覆蓋類型面積變化

對(duì)研究區(qū)1989年～2010年草地覆蓋類型面積變化(表3)進(jìn)行分析，可以看出：從1989年～2010年草地面積的總年均變化速度為-83.03km2/a，其中1994年～2000年草地面積的年均變化速度絕對(duì)值最大，為-208.10km2/a，2000年～2007年草地面積的年均變化速度絕對(duì)值最小，僅為91.69km2/a。

4.3 土地覆蓋相互轉(zhuǎn)換的時(shí)空特征

通過(guò)分析研究區(qū)1989年～2010年草地覆蓋與其他土地類型轉(zhuǎn)移矩陣(表4)可以看出：1989年～2010年研究區(qū)草地覆蓋與其他各類土地類型均有轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出，且規(guī)模相對(duì)較大，土地利用結(jié)構(gòu)屬于不穩(wěn)定狀態(tài)，相互轉(zhuǎn)換劇烈程度從大到小依次為：濕地>林地>裸地>耕地>城鎮(zhèn)>水體(圖4)。除了草地與濕地的轉(zhuǎn)換結(jié)果表現(xiàn)為草地覆蓋面積增加外，其他土地類型與草地覆蓋相互轉(zhuǎn)換的結(jié)果均表現(xiàn)為草地覆蓋面積減少。濕地累計(jì)轉(zhuǎn)換為草地覆蓋的面積為16142.29km2，而草地轉(zhuǎn)換成濕地的累計(jì)面積為6716.19km2，草地覆蓋凈增加面積9426.10km2。其他土地類型中，由草地覆蓋轉(zhuǎn)換的累計(jì)面積較多的是林地和裸地，草地覆蓋累計(jì)轉(zhuǎn)出面積分別為2611.50km2和1361.49km2。耕地與草地覆蓋的相互轉(zhuǎn)換也較為明顯，1989年～2010年草地覆蓋轉(zhuǎn)換為耕地的凈面積為95.20km2。

表4 研究區(qū)1989年～2010年草地覆蓋與其他土地類型轉(zhuǎn)移矩陣(單位：km2)

圖4 研究區(qū)1989年～2010年草地面積變化圖

4.4 草地覆蓋類型變化趨勢(shì)

土地覆蓋動(dòng)態(tài)變化度能夠定量分析草地覆蓋在1989年～2010年的變化劇烈程度及趨勢(shì)[29]。定義ΔUout為研究時(shí)間段T內(nèi)單一土地覆蓋類型A轉(zhuǎn)換為其他類型的面積之和，ΔUin為同一時(shí)間段其他土地類型轉(zhuǎn)換為特定土地覆蓋類型A的面積之和，Ua為該土地覆蓋類型A在研究初期的面積，則單一土地覆蓋類型A動(dòng)態(tài)變化度可用3種數(shù)學(xué)模型表示：其一是土地覆蓋類型A一段時(shí)間內(nèi)的面積變化速率Rs(公式2)；其二是土地覆蓋類型A一段時(shí)間內(nèi)的空間動(dòng)態(tài)變化度Rss(公式3)；其三是土地覆蓋類型A的變化趨勢(shì)及狀態(tài)模型指數(shù)Ps(公式4)[30]。

(2)

式中，Rs值越大，表示覆蓋類型A的面積變化速率越大，反之則越小。

(3)

式中，Rss值越大，表示覆蓋類型A的空間動(dòng)態(tài)變化度越大，反之則越小。

(4)

公式4中，當(dāng)Ps∈(0，1]時(shí)，表示該土地類型正朝著規(guī)模增大的方向發(fā)展，處于“漲勢(shì)”；當(dāng)Ps值在0附近時(shí)，說(shuō)明該類型轉(zhuǎn)換為其他類型的面積略小于其他類型轉(zhuǎn)換為該類型的面積；隨著Ps值逐漸增大，越來(lái)越多的土地類型轉(zhuǎn)換為了該類型，且該類型面積穩(wěn)步增加，呈現(xiàn)極端非平衡態(tài)勢(shì)。當(dāng)Ps∈(-1，0]時(shí)，表示該土地類型朝著規(guī)模減小的方向發(fā)展，處于“落勢(shì)”；當(dāng)Ps值在0附近時(shí)，說(shuō)明該類型轉(zhuǎn)換為其他類型的面積略大于其他類型轉(zhuǎn)換為該類型的面積；隨著Ps值的增大，標(biāo)志著土地類型的轉(zhuǎn)換方向越來(lái)越側(cè)重于該類型轉(zhuǎn)換為其他類型，呈現(xiàn)極端非平衡態(tài)勢(shì)，并致使該類型規(guī)模逐步萎縮[31]。根據(jù)上述理論計(jì)算了研究區(qū)草地覆蓋類型的變化劇烈程度及趨勢(shì)指數(shù)(表5)。

表5 研究區(qū)草地覆蓋類型動(dòng)態(tài)變化度指數(shù)

從研究區(qū)草地覆蓋類型動(dòng)態(tài)變化度指數(shù)(表5)可以看出：研究區(qū)草地覆蓋類型的變化狀態(tài)及趨勢(shì)的相關(guān)指數(shù)絕對(duì)值均呈逐漸減小的趨勢(shì)。其中，Rs值從13.4%下降到-1.1%，說(shuō)明草地覆蓋類型的年平均面積變化速率逐漸減小。1989年～2007年期間Rss值從125.6%下降到13.4%，而2007年～2010年階段有明顯反彈，為92.6%，表明草地覆蓋的空間變化度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。而Ps值圍繞在0左右浮動(dòng)，且絕對(duì)值逐漸減小，表明呼倫貝爾草原草地覆蓋類型的變化規(guī)模減小，但與其他土地覆蓋類型相互轉(zhuǎn)換頻繁。總體而言，草地覆蓋規(guī)模趨于平衡。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于1989年～2010年的多期遙感影像，針對(duì)呼倫貝爾草原典型區(qū)，制作了長(zhǎng)時(shí)間序列的土地覆蓋類型分布圖和草地覆蓋與其他土地類型轉(zhuǎn)換圖，進(jìn)而展開(kāi)了呼倫貝爾草原典型區(qū)草地覆蓋空間格局、時(shí)空變化特征、草地覆蓋變化程度和趨勢(shì)的研究。主要結(jié)論有：

①呼倫貝爾草原典型區(qū)草地總體特征是：草地總面積呈逐漸減少的趨勢(shì)，但其中2000年～2007年草地面積有所回升。草地覆蓋面積占研究區(qū)總面積的70%以上，約為1.6×104km2。草地覆蓋主要分布于研究區(qū)的中西部平坦地帶，且分布較為穩(wěn)定。研究區(qū)東部、流域兩側(cè)及沙漠帶土地覆蓋類型轉(zhuǎn)換頻繁。

②草地覆蓋中各類型的時(shí)空特征是：草地覆蓋以中覆蓋度草地為主，占當(dāng)年草地總面積的60%以上，但面積逐年下降，且在當(dāng)年草地總面積中所占的比重也呈下降趨勢(shì)。草地覆蓋類型呈現(xiàn)中覆蓋度草地向高、低覆蓋度草地轉(zhuǎn)換的“中間減少，兩端增加”趨勢(shì)。

③土地覆蓋類型轉(zhuǎn)換的時(shí)空特征：1989年～2010年草地覆蓋與其他土地覆蓋類型轉(zhuǎn)換頻繁，土地利用結(jié)構(gòu)屬于不穩(wěn)定狀態(tài)，草地覆蓋與其他土地覆蓋類型相互轉(zhuǎn)換劇烈程度從大到小依次為：濕地>林地>裸地>耕地>城鎮(zhèn)>水體。

④草地覆蓋變化狀態(tài)及趨勢(shì)：草地覆蓋類型的年平均面積變化速度逐漸減小，空間變化度呈現(xiàn)先減小后增大的態(tài)勢(shì)。草地覆蓋類型的變化規(guī)模減小，總體呈現(xiàn)趨于平衡。

致謝：在本論文的撰寫(xiě)和修改過(guò)程中得到了審稿人的寶貴意見(jiàn)，以及實(shí)驗(yàn)室張學(xué)良、王劍庚和汪左博士的幫助，特此一并致謝。

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