喬宇鑫，朱華忠，邵小明，鐘華平，周李磊，伍兆文

(1.西藏農(nóng)牧學(xué)院，西藏 林芝850400； 2.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100101；3.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100101；4.重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，重慶400044；5.江蘇省地理信息資源開(kāi)發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京210023；6.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083; 7．中國(guó)科學(xué)院植物研究所系統(tǒng)與進(jìn)化植物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100093)

基于空間插值數(shù)據(jù)支持下新疆伊犁地區(qū)草地類型判別與分類研究

喬宇鑫1，2，朱華忠3,5，邵小明1,6，鐘華平2*，周李磊4，伍兆文2，7

(1.西藏農(nóng)牧學(xué)院，西藏 林芝850400； 2.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100101；3.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100101；4.重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，重慶400044；5.江蘇省地理信息資源開(kāi)發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京210023；6.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083; 7．中國(guó)科學(xué)院植物研究所系統(tǒng)與進(jìn)化植物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100093)

在遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)支持下，我國(guó)草地類型學(xué)研究有新的進(jìn)展。本研究在伊犁地區(qū)草地群落高度、蓋度、地上生物量、地下生物量、草地表層土壤容重、土壤全碳、土壤有機(jī)碳、土壤全氮、土壤全磷等空間分布數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)不同草地類型不同指標(biāo)的特征值分析，研究確定各草地類型不同指標(biāo)的閥值范圍，采用決策樹(shù)分類法，實(shí)現(xiàn)新疆伊犁地區(qū)草地類型自動(dòng)判別。研究結(jié)果表明,利用伊犁地區(qū)不同草地類型在群落高度、蓋度、地上生物量、地下生物量、草地表層土壤容重、土壤全碳、土壤有機(jī)碳、土壤全氮、土壤全磷9個(gè)指標(biāo)的特征值作為草地類型劃分的依據(jù)，可以簡(jiǎn)單直觀地反映各類草地的空間分布面積和分布范圍，與20世紀(jì)80年代草地調(diào)查數(shù)據(jù)比較，分布趨勢(shì)一致，結(jié)果可靠。同時(shí)，本研究為伊犁地區(qū)草地資源利用管理提供基礎(chǔ)，為伊犁地區(qū)草地資源監(jiān)測(cè)和信息管理平臺(tái)建設(shè)提供依據(jù)，對(duì)于指導(dǎo)新疆伊犁地區(qū)草地畜牧業(yè)生產(chǎn)具有現(xiàn)實(shí)意義。

空間插值；決策樹(shù)分類法；草地自動(dòng)判別

中國(guó)草地類型學(xué)的發(fā)展承襲了前蘇聯(lián)地植物學(xué)的理論[1-3]，發(fā)展了我國(guó)植物-生境學(xué)分類[4-6]和草原綜合順序分類(Comprehensive and Sequential Classification System of Rangeland，CSCS)[7-11]兩個(gè)體系。二者均以地形、氣候、土壤、植被等自然因素的認(rèn)識(shí)為出發(fā)點(diǎn)，高度抽象、概括和分析評(píng)價(jià)草地資源實(shí)體的綜合存在形式，只是在當(dāng)時(shí)研究基礎(chǔ)及技術(shù)條件受限的情況下，各自強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)不同而已。植物-生境學(xué)分類法強(qiáng)調(diào)的是草地植被的本身，匯聚的直觀性、識(shí)別性和實(shí)用性[4,6]；綜合順序分類法更強(qiáng)調(diào)的是生物氣候特征序列的綜合，匯聚的完整性、開(kāi)放性和潛在性，更具有想象空間[12]。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、“3S”技術(shù)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)等方法的不斷發(fā)展，并伴隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)文化的進(jìn)步，我國(guó)草地類型學(xué)的研究不再停留于過(guò)去地形和氣候的紛爭(zhēng)，都在嘗試著各分類等級(jí)內(nèi)涵的包容和融合[13]。

進(jìn)入21世紀(jì)信息化大數(shù)據(jù)時(shí)代，隨著草地資源空間數(shù)據(jù)的不斷積累和厚實(shí)，借助信息化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)平臺(tái)，采用植物-生境學(xué)分類和草原綜合順序分類的方法，對(duì)我國(guó)草地類型的劃分進(jìn)入數(shù)據(jù)多源、直觀、簡(jiǎn)潔、可視化的階段成為可能，同時(shí)也在草地資源和草地生態(tài)等其他研究領(lǐng)域得到快速發(fā)展。傳統(tǒng)的植物-生境學(xué)分類得到了更廣泛的應(yīng)用，在不同區(qū)域形成了地方特色的草地分類系統(tǒng)[14]。綜合順序分類則有更進(jìn)一步的改進(jìn)，在黃土高原對(duì)各草地類型分布情況和黃土高原草地植被的分布規(guī)律有新的認(rèn)識(shí)[15]；在內(nèi)蒙古地區(qū)，運(yùn)用綜合順序分類理論，在計(jì)算內(nèi)蒙古氣候區(qū)劃指標(biāo)劃分不同類型草原區(qū)同時(shí)，還模擬了內(nèi)蒙古草地類型50年的變化趨勢(shì)[16]。而陳佐忠等[16]根據(jù)生物群落特征、無(wú)機(jī)環(huán)境特征、重點(diǎn)功能過(guò)程、動(dòng)態(tài)特征以及與生物群區(qū)結(jié)合等原則提出了我國(guó)草地生態(tài)系統(tǒng)分類方法。近年來(lái)，尤其遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展和運(yùn)用，極大地促進(jìn)包括草地分類在內(nèi)的草地資源學(xué)的發(fā)展。趙軍等[17-18]結(jié)合生態(tài)信息圖譜，采用地理信息系統(tǒng)技術(shù)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)等方法，根據(jù)地形、地貌及植被分布等特點(diǎn)，將全國(guó)劃分為若干片區(qū)，利用分區(qū)控制法對(duì)各區(qū)的多年平均降水量、≥0 ℃的年積溫和濕潤(rùn)度指數(shù)進(jìn)行了空間插值研究，更加系統(tǒng)地研究和繪制了全國(guó)草原綜合順序第一級(jí)分類的空間分布圖，全面論述了各草地類的區(qū)域分布及其特點(diǎn)[14，19-20]。駱成鳳等[21]利用遙感手段獲得流域退化草地的空間分布和變化信息，采用Markov模型、退化草地動(dòng)態(tài)變化度、轉(zhuǎn)類指數(shù)和景觀指數(shù)對(duì)青海湖流域草地退化狀況時(shí)空變化進(jìn)行多角度分析；侯西勇等[22]以Landst TM 遙感影像解譯出的新疆1990和2000年1∶10萬(wàn)土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，探討了近10年來(lái)草地資源的動(dòng)態(tài)變化及其空間格局特征。周偉等[23]基于 1982-2006 年的 GIMMS NDVI 數(shù)據(jù)和2001-2010年的 MODIS NDVI 數(shù)據(jù)反演了我國(guó)草地覆蓋度的空間格局和變化趨勢(shì)，并結(jié)合1982-2010年中國(guó)氣象站點(diǎn)氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，分別從不同時(shí)空尺度和不同草地類型上分析了我國(guó)草地覆蓋度的年際和月際變化對(duì)氣候變化的響應(yīng)。王曉爽等[24]和蘇力德等[25]在全國(guó)范圍內(nèi)采用MODIS EVI 植被指數(shù)結(jié)合多源環(huán)境因子數(shù)據(jù)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)主要草地類型的劃分，在借鑒第一次草地調(diào)查分類方案的基礎(chǔ)上，提出了新的草地分類方案。梁天剛等[26-27]利用ArcGIS地理信息系統(tǒng)(GIS)軟件的二次樣條函數(shù)等地統(tǒng)計(jì)學(xué)空間插值分析方法，探索研究了甘肅省及全國(guó)30年(1961-1990年)的年平均降水量、≥0 ℃的年積溫和濕潤(rùn)度指數(shù)(k)在1 km×1 km格網(wǎng)空間尺度的分布特征，建立了基于GIS的草原綜合順序分類空間數(shù)據(jù)庫(kù)及信息管理系統(tǒng)，研究結(jié)果應(yīng)用于“中國(guó)草業(yè)開(kāi)發(fā)專家系統(tǒng)Ver 2.0”單機(jī)軟件和基于網(wǎng)絡(luò)和WebGIS等技術(shù)的“中國(guó)草業(yè)與生態(tài)”(http: //www. ecograss. com. cn)網(wǎng)站。

本研究是在國(guó)家基礎(chǔ)性專項(xiàng)支持下，對(duì)伊犁草地進(jìn)行大量野外樣地調(diào)查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)多數(shù)據(jù)源對(duì)伊犁草地植被和草地土壤特征指標(biāo)進(jìn)行二次樣條函數(shù)等地統(tǒng)計(jì)學(xué)空間插值，得到伊犁地區(qū)草地群落高度、蓋度、地上生物量、地下生物量、草地表層土壤容重、土壤全碳、土壤有機(jī)碳、土壤全氮、土壤全磷等空間分布圖。在此基礎(chǔ)上，對(duì)各草地類型不同指標(biāo)進(jìn)行特征值分析，建立各草地類型不同指標(biāo)的分布閥值，并對(duì)伊犁地區(qū)草地類型進(jìn)行空間識(shí)別，實(shí)現(xiàn)草地類型數(shù)量化分類和空間格局的區(qū)劃。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)域概況

伊犁地區(qū)(42°14′16″-44°53′30″ N，80°09′42″-84°56′50″ E)位于歐亞大陸天山北坡西部山區(qū)的伊犁河谷，東、南、北三面高山環(huán)繞，地勢(shì)東高西低，東窄西寬，呈喇叭形向西敞開(kāi)，使來(lái)自西部的濕潤(rùn)水汽和巴爾喀什湖的暖流沿伊犁河長(zhǎng)驅(qū)直入谷地深處[28-29]，形成了溫帶大陸性半干旱氣候區(qū)?！吧焦?盆地-河谷平原”的獨(dú)特地形地貌使得伊犁降水充沛，境內(nèi)有伊犁河、喀什河和特克斯河3條主要河流，年均降水量為200～800 mm，年均氣溫為2.9～9.1 ℃，年均日照時(shí)數(shù)為2700～3000 h[30]，是新疆最濕潤(rùn)的地區(qū)。伊犁地區(qū)自然條件優(yōu)越，農(nóng)、牧業(yè)發(fā)展優(yōu)勢(shì)明顯，農(nóng)畜產(chǎn)品豐富，是新疆的糧倉(cāng)和全國(guó)著名的牧場(chǎng)。天然草地面積約為371萬(wàn)hm2，占新疆草地資源的6.38%，其產(chǎn)草量以及載畜能力均處于全疆最好水平[31-33]。

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

參與本研究的數(shù)據(jù)主要有伊犁地區(qū)草地群落高度、蓋度、地上生物量、地下生物量、草地表層土壤容重、土壤全碳、土壤有機(jī)碳、土壤全氮、土壤全磷9個(gè)指標(biāo)的1 km×1 km的空間分布數(shù)據(jù)(圖1和圖2)。該數(shù)據(jù)是根據(jù)2013年的146個(gè)草地樣地調(diào)查數(shù)據(jù)，與NDVI數(shù)據(jù)、年均氣溫、年均降雨量、≥10 ℃年積溫、濕潤(rùn)度等6個(gè)生態(tài)要素進(jìn)行相關(guān)回歸分析，建立回歸方程，并根據(jù)各要素的權(quán)重分析，構(gòu)建多元數(shù)據(jù)的綜合評(píng)價(jià)模型，采用ArcGIS軟件進(jìn)行空間插值分析，反演1 km分辨率的新疆伊犁地區(qū)草地群落和草地土壤各指標(biāo)的空間分布數(shù)據(jù)，并由檢驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。各項(xiàng)指標(biāo)的空間插值方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[34-36]。

1.3分析方法

決策樹(shù)分類法(Decision Tree Classifier)是以各像元特征值為設(shè)定的基準(zhǔn)位，按照一定規(guī)則，對(duì)各像元分層逐次進(jìn)行比較，從影像中分離目標(biāo)地物的分類方法[37]，被廣泛運(yùn)用到遙感信息提取和影像分類中[38]。

根據(jù)伊犁地區(qū)草地群落和土壤9個(gè)主要生態(tài)指標(biāo)空間分布數(shù)據(jù)，運(yùn)用草地退化遙感解譯的數(shù)據(jù)，對(duì)新疆伊犁地區(qū)溫性草甸草原類、溫性山地草甸類、溫性草原類、溫性荒漠草原類、溫性荒漠類、低地草甸類等主要草地類型進(jìn)行掩膜提取各生態(tài)指標(biāo)值，并對(duì)各草地類型的每個(gè)生態(tài)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻度分布特征分析。

頻數(shù)分布高峰一半處的峰寬度，又稱半寬度，即通過(guò)峰高的中點(diǎn)作平行于峰底的直線，此直線與峰兩側(cè)相交兩點(diǎn)之間的距離。其表示單位與峰寬相同。半峰寬等于2.354倍標(biāo)準(zhǔn)偏差[39]，在此范圍內(nèi)為最適范圍。本研究借助半峰寬法原理確定草地評(píng)價(jià)指標(biāo)的閾值，以滿足各生態(tài)指標(biāo)閾值范圍為條件，實(shí)現(xiàn)草地類型判別和自動(dòng)提取。

2 結(jié)果與分析

2.1不同草地類型群落指標(biāo)及土壤指標(biāo)特征分析

根據(jù)2000年全國(guó)草地資源調(diào)查的草地類型矢量數(shù)據(jù)[40]，采取掩膜技術(shù)，對(duì)新疆伊犁地區(qū)8個(gè)主要草地類型的草地平均總蓋度(GAC)、草地平均高度(GAH)、地上生物量(AB)及地下生物量(BB)、土壤容重(SBD)、土壤全碳含量(STC)、土壤全氮含量(STN)、土壤全磷含量(STP)和土壤有機(jī)碳(SOC)等指標(biāo)進(jìn)行提取，并對(duì)各生態(tài)指標(biāo)值進(jìn)行頻度分布特征分析。分析結(jié)果表明，不同草地類型在9個(gè)生態(tài)指標(biāo)上各有不同的分布特征，借助這些特征差異，實(shí)現(xiàn)各草地類型的自動(dòng)判別并空間化成為可能。

圖1 伊犁地區(qū)地理位置及樣點(diǎn)分布Fig.1 The location of Ili area and distribution of sample sites

圖2 新疆伊犁地區(qū)草地群落和土壤主要生態(tài)指標(biāo)空間分布Fig.2 The spatial distribution of grassland communities and soil ecological indicators

圖3為溫性山地草甸類草地各指標(biāo)的頻度分布圖，其草地平均總蓋度主要集中在87%～100%，峰值出現(xiàn)在98%附近；草地平均高度主要集中在30～42 cm，峰值出現(xiàn)在38 cm附近；地上生物量主要集中在178～240 g/m2，峰值出現(xiàn)在220 g/m2附近；地下生物量主要集中在1800～2200 g/m2，峰值出現(xiàn)在2100 g/m2附近；草地土壤容重主要集中在0.70～1.05 g/m3，峰值出現(xiàn)在0.86 g/m3附近；土壤全碳含量主要集中在4.85%～5.75%，峰值出現(xiàn)在5.50%附近；土壤全氮含量主要集中在0.46%～0.58%，峰值出現(xiàn)在0.52%附近；土壤全磷含量主要集中在0.95～1.40 mg/g，峰值出現(xiàn)在1.15 mg/g附近；土壤有機(jī)碳含量主要分布在3.9%～5.5%，峰值出現(xiàn)在4.9%附近。

圖3 溫性山地草甸類草地不同指標(biāo)分布特征Fig.3 The different index distribution of temperate upland meadow steppe

圖4為溫性草甸草原類草地各指標(biāo)的頻度分布圖，其草地平均總蓋度主要集中在80%～100%，峰值出現(xiàn)在100%；草地平均高度主要集中在29～40 cm，峰值出現(xiàn)在37 cm附近；地上生物量主要集中在180～250 g/m2，峰值出現(xiàn)在210 g/m2附近；地下生物量主要集中在1800～2155 g/m2，峰值出現(xiàn)在2100 g/m2附近；草地土壤容重主要集中在0.8～1.1 g/m3，峰值出現(xiàn)在0.95 g/m3附近；土壤全碳含量主要集中在4%～6%，峰值出現(xiàn)在5.5%附近；土壤全氮含量主要集中在0.4%～0.6%，峰值出現(xiàn)在0.46%附近；土壤全磷含量主要集中在0.8～1.3 mg/g，峰值出現(xiàn)在0.98 mg/g附近；土壤有機(jī)碳含量主要分布在3.1%～5.7%，峰值出現(xiàn)在4%附近。

圖4 溫性草甸草原類草地不同指標(biāo)分布特征Fig.4 The different index distribution of temperate meadow steppe

圖5 溫性草原類草地不同指標(biāo)分布特征Fig.5 The different index distribution of temperate steppe

圖5為溫性草原類草地各指標(biāo)的頻度分布圖，其草地平均總蓋度主要集中在70%～100%，峰值出現(xiàn)在88%附近；草地平均高度主要集中在22～36 cm，峰值出現(xiàn)在30 cm附近；地上生物量主要集中在125～225 g/m2，峰值出現(xiàn)在185 g/m2附近；地下生物量主要集中在1850～2125 g/m2，峰值出現(xiàn)在2055 g/m2附近；草地土壤容重主要集中在0.9～1.3 g/m3，峰值出現(xiàn)在1.1 g/m3附近；土壤全碳含量主要集中在3.4%～5.6%，峰值出現(xiàn)在4.5%附近；土壤全氮含量主要集中在0.26%～0.51%，峰值出現(xiàn)在0.39%附近；土壤全磷含量主要集中在0.70～1.05 mg/g，峰值出現(xiàn)在0.88 mg/g附近；土壤有機(jī)碳含量主要分布在2.0%～4.6%，峰值出現(xiàn)在3.15%附近。

圖6 溫性荒漠草原類草地不同指標(biāo)分布特征Fig.6 The different index distribution of temperate desert grassland

圖6溫性荒漠草原類草地各指標(biāo)的頻度分布圖，其草地平均總蓋度主要集中在50%～80%，峰值出現(xiàn)在72%附近；草地平均高度主要集中在20～38 cm，峰值出現(xiàn)在27 cm附近；地上生物量主要集中在85～150 g/m2，峰值出現(xiàn)在110 g/m2附近；地下生物量主要集中在1820～2100 g/m2，峰值出現(xiàn)在1900 g/m2附近；草地土壤容重主要集中在1.0～1.3 g/m3，峰值出現(xiàn)在1.1 g/m3附近；土壤全碳含量主要集中在2.7%～5.3%,峰值出現(xiàn)在3.7%附近；土壤全氮含量主要集中在0.20%～0.48%，峰值出現(xiàn)在0.32%附近；土壤全磷含量主要集中在0.65～0.95 mg/g，峰值出現(xiàn)在0.77 mg/g附近；土壤有機(jī)碳含量主要分布在1.55%～4.35%，峰值出現(xiàn)在2.75%。

圖7為溫性荒漠類草地各指標(biāo)的頻度分布圖，其草地平均總蓋度主要集中在20%～55%，峰值出現(xiàn)在30%附近；草地平均高度主要集中在17～25 cm，峰值出現(xiàn)在20 cm附近；地上生物量主要集中在20～80 g/m2，峰值出現(xiàn)在40 g/m2附近；地下生物量主要集中在1900～2110 g/m2，峰值出現(xiàn)在2050 g/m2附近；草地土壤容重主要集中在1.22～1.50 g/m3，峰值出現(xiàn)在1.34 g/m3附近；土壤全碳含量主要集中在1.1%～3.1%，峰值出現(xiàn)在1.3%附近；土壤全氮含量主要集中在0.11%～0.22%，峰值出現(xiàn)在0.12%附近；土壤全磷含量主要集中在0.56～0.70 mg/g，峰值出現(xiàn)在0.65 mg/g附近；土壤有機(jī)碳含量主要分布在0.35%～1.78%，峰值出現(xiàn)在0.66%附近。

圖8為高寒草甸類草地各指標(biāo)的頻度分布圖，其草地平均總蓋度主要集中在65%～100%，峰值出現(xiàn)在100%；草地平均高度主要集中在6.5～26.5 cm，峰值出現(xiàn)在10 cm附近；地上生物量主要集中在30～135 g/m2，峰值出現(xiàn)在70 g/m2附近；地下生物量主要集中在2050～2330 g/m2，峰值出現(xiàn)在2200 g/m2附近；草地土壤容重主要集中在0.70～0.80 g/m3，峰值出現(xiàn)在0.7 g/m3附近；土壤全碳含量主要集中在4.0%～5.8%，峰值出現(xiàn)在5.3%附近；土壤全氮含量主要集中在0.40%～0.58%，峰值出現(xiàn)在0.54%附近；土壤全磷含量主要集中在1.20～1.64 mg/g，峰值出現(xiàn)在1.32 mg/g附近；土壤有機(jī)碳含量主要分布在3.5%～5.5%，峰值出現(xiàn)在4.9%附近。

圖7 溫性荒漠類草地不同指標(biāo)分布特征Fig.7 The different index distribution of temperate desert

圖8 高寒草甸類草地不同指標(biāo)分布特征Fig.8 The different index distribution of alpine meadow steppe

圖9 低地草甸類草地不同指標(biāo)分布特征Fig.9 The different index distribution of lowland meadow steppe

圖9為低地草甸類草地各指標(biāo)的頻度分布圖，其草地平均總蓋度主要集中在26%～60%，峰值出現(xiàn)在46%附近；草地平均高度主要集中在16～28 cm，峰值出現(xiàn)在20 cm附近；地上生物量主要集中在45～120 g/m2，峰值出現(xiàn)在95 g/m2附近；地下生物量主要集中在1750～2200 g/m2，峰值出現(xiàn)在1900 g/m2附近；草地土壤容重主要集中在1.15～1.40 g/m3，峰值出現(xiàn)在1.35 g/m3附近；土壤全碳含量主要集中在1.2%～3.4%，峰值出現(xiàn)在2.4%附近；土壤全氮含量主要集中在0.11%～0.22%，峰值出現(xiàn)在0.14%附近；土壤全磷含量主要集中在0.55～0.70 mg/g，峰值出現(xiàn)在0.64 mg/g附近；土壤有機(jī)碳含量主要分布在0.6%～2.2%，峰值出現(xiàn)在1.0%附近。

圖10 沼澤類草地不同指標(biāo)分布特征Fig.10 The different index distribution of swamp steppe

圖10為沼澤類草地各指標(biāo)的頻度分布圖，其草地平均總蓋度主要集中在29%～44%，峰值出現(xiàn)在32%；草地平均高度主要集中在16.5～26.5 cm，峰值出現(xiàn)在20 cm附近；地上生物量主要集中在70～90 g/m2，峰值出現(xiàn)在90 g/m2附近；地下生物量主要集中在2050～2220 g/m2，峰值出現(xiàn)在2050 g/m2附近；草地土壤容重主要集中在0.80～1.50 g/m3，峰值出現(xiàn)在1.3 g/m3附近；土壤全碳含量主要集中在1.2%～1.9%，峰值出現(xiàn)在1.5%附近；土壤全氮含量主要集中在0.1%～0.2%，峰值出現(xiàn)在0.125%附近；土壤全磷含量主要集中在0.55～0.61 mg/g，峰值出現(xiàn)在0.60 mg/g附近；土壤有機(jī)碳含量主要分布在1.2%～1.6%，峰值出現(xiàn)在1.45%附近。

2.2草地類型定量化空間區(qū)劃

根據(jù)表1確定的各評(píng)價(jià)指標(biāo)的閾值，建立決策樹(shù)分類條件，在ENVI(the environment for visualizing images遙感圖像處理系統(tǒng)軟件)中對(duì)不同草地類型進(jìn)行定量化空間區(qū)劃，各草地類型的空間分布見(jiàn)圖11。

根據(jù)草地群落高度、蓋度、地上生物量、地下生物量、草地表層土壤容重、土壤全碳、土壤有機(jī)碳、土壤全氮、土壤全磷9項(xiàng)指標(biāo)對(duì)伊犁草地類型的劃分，在空間上可以表達(dá)各草地類型的空間分布區(qū)域和分布地帶性特點(diǎn)：沼澤類和低地草甸類草地分布在伊犁河流積水地帶，緊鄰伊犁河兩側(cè)沿岸的干旱地帶是溫性荒漠類草地分布集中區(qū)域，隨著從河谷向天山過(guò)渡，依次分布著溫性荒漠草原類草地、溫性草原類、溫性草甸草原類、溫性山地草甸類和高寒草甸類草地，這樣的分布特征符合新疆伊犁地區(qū)天然草地的基本分布規(guī)律[27,38]。

同時(shí)，由圖11還發(fā)現(xiàn)，雖然各草地類型在空間分布上各自占居不同的空間地帶，但部分草地類型的分布還是存在空間重疊的現(xiàn)象，如高寒草甸類和溫性山地草甸類草地、溫性荒漠類與溫性草原草地，溫性草原類與溫性山地草甸類草地。這種草地類型之間的重疊現(xiàn)象在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中是客觀存在的，相鄰的草地類型之間存在地域上的過(guò)渡，在類型界定上沒(méi)有非常明確的界線。

2.3草地類型空間分布比較與驗(yàn)證

把新疆伊犁地區(qū)各草地類型進(jìn)行掩膜劃分和制圖，得到最終的草地類型空間分布圖(圖12a)，并與遙感解譯結(jié)果(圖12b)進(jìn)行對(duì)比分析。由圖12可以看到，草地類型定量化分析的結(jié)果在空間分布上與遙感解譯結(jié)果分布趨勢(shì)一致。對(duì)比統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，各草地類型的面積有變化，草地總面積比目視解譯的草地總面積小608 km2，低1.71%；其中高寒草甸類和溫性荒漠類的草地面積大于目視解譯的面積，其余6種草地類型的面積均低于遙感解譯的面積，而低地草甸和沼澤類最為明顯，分別低12.25%和7.59%，主要是這二類草地面積規(guī)模小而影響明顯?？傮w而言，定量化分析識(shí)別的精度較高，可達(dá)85%以上，與地面實(shí)際考察及遙感解譯相比，節(jié)約了大量財(cái)力、人力及時(shí)間。

3 討論

(1)利用草地類型群落自身指標(biāo)的特征值來(lái)掩膜截取不同草地類型的空間范圍，這在GIS是一種常用的技術(shù)方法[41]。其關(guān)鍵的問(wèn)題是參與類型劃分?jǐn)?shù)據(jù)源的全面性、完整性和科學(xué)性。在新疆天山利用NDVI數(shù)據(jù)決策樹(shù)分類法結(jié)合地形數(shù)據(jù)來(lái)劃分草地類型有很好的效果[42-43]；青藏高原利用NDVI數(shù)據(jù)決策樹(shù)分類法結(jié)合地形數(shù)據(jù)也能有效劃分不同草地的空間范圍[44]。本研究利用伊犁地區(qū)不同草地類型在群落高度、蓋度、地上生物量、地下生物量、草地表層土壤容重、土壤全碳、土壤有機(jī)碳、土壤全氮、土壤全磷9個(gè)指標(biāo)的表現(xiàn)的特征值作為草地類型劃分的依據(jù)，可以更直接地反映各類草地的空間分布范圍，為草地資源數(shù)據(jù)庫(kù)管理提供了基礎(chǔ)，在指導(dǎo)草地畜牧業(yè)生產(chǎn)具有現(xiàn)實(shí)意義。

表1 自動(dòng)化判別閾值表Table 1 Automatic discriminant threshold value table

GAC：平均總蓋度Grassland average coverage；GAH：草地平均高度 Grassland average height；AB：地上生物量Aboveground biomass；BB：地下生物量Belowground biomass；SBD：土壤容重Soil bulk density；STC：土壤全碳含量Soil total carbon；STN：土壤全氮含量Soil total nitrogen；STP：土壤全磷含量Soil total phosphorus；SOC：土壤有機(jī)碳含量Soil organic carbon.

圖11 不同草地類型空間分布Fig.11 The distribution of different grassland type

表2 定量化分析識(shí)別結(jié)果與遙感解譯結(jié)果統(tǒng)計(jì)對(duì)比Table 2 The comparison between the statistical result of quantitative analysis recognition and remote sensing

注：遙感解譯結(jié)果(2000年)。

Note： Result of remote sensing (In 2000).

(2)草地類型的空間重疊是正?？陀^存在的一種現(xiàn)象。導(dǎo)致草地類型在空間分布上重疊問(wèn)題，首先是性質(zhì)相近的類型之間存在相互過(guò)渡的區(qū)域，并不存在明確的界線，這也正是兩個(gè)草地類型相互轉(zhuǎn)換的演變所在。解決草地類型重疊區(qū)域的歸屬問(wèn)題主要有兩種：1)根據(jù)重疊區(qū)域涉及的草地類型，選取草地類型間最明顯的特征差異，根據(jù)這個(gè)特征差異將重疊區(qū)域進(jìn)行重新歸類，如高寒草甸類和溫性山地草甸類草地，可以考慮海拔的因素，將重疊的區(qū)域區(qū)分開(kāi)，高海拔區(qū)域劃分到高寒草甸；根據(jù)植物-生境學(xué)分類法，不同草地類型區(qū)分的特征差異還包括氣候因素、草地植被因素以及坡度坡向等其他地形因素[45]。2)依據(jù)20世紀(jì)80年代全國(guó)草地調(diào)查數(shù)據(jù)，以主要類型為原則，對(duì)重疊區(qū)域進(jìn)行類型歸屬劃分，如溫性草原與溫性荒漠草原，由于溫性荒漠草原類草地面積較小，將重疊區(qū)域分配給溫性草原。

(3)多指標(biāo)數(shù)據(jù)源頻數(shù)分布特征值閾值寬度的確定可能直接影響各草地類型分布的范圍，閾值范圍取值越大導(dǎo)致劃分的草地類型面積偏大，區(qū)域重疊程度增加；閾值范圍取值越小導(dǎo)致劃分的草地類型面積偏小，出現(xiàn)草地類型分布漏空或漏劃現(xiàn)象，所以閾值寬度的確定是本研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[46-47]。本研究采用半峰寬度方法作為確定各指標(biāo)閾值寬度的原則，對(duì)新疆伊犁地區(qū)草地類型進(jìn)行定量化分析識(shí)別取得很好的效果，精度達(dá)到了85%以上。同時(shí)，閾值半峰寬度原則存在一定的缺陷，半峰寬度原則適合于基本符合正態(tài)分布指標(biāo)閾值的確定，而不符合正態(tài)分布的指標(biāo)，其閾值寬度的確定存在一定的困難。所以這也是本研究需要進(jìn)一步改進(jìn)和修正的所在。

4 結(jié)論

不同草地類型各評(píng)價(jià)指標(biāo)閾值范圍的確定是草地類型定量化識(shí)別的關(guān)鍵，針對(duì)特定區(qū)域有特定的閾值范圍，各草地類型的閾值范圍具有本地化特征。通過(guò)對(duì)新疆伊犁地區(qū)不同草地類型各項(xiàng)生態(tài)指標(biāo)的頻度分布特征值分析，根據(jù)半峰值理論確定不同草地類型各生態(tài)指標(biāo)的閾值范圍，構(gòu)建決策樹(shù)分類，對(duì)新疆伊犁地區(qū)草地類型定量化識(shí)別有很好的效果，各草地類型定量化識(shí)別的精度在85%以上。

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AutomaticclassificationofgrasslandtypeinXinjiangIlibasedonspatialinterpolationofremotesensingandotherdata

QIAO Yu-Xin1,2, ZHU Hua-Zhong3,5, SHAO Xiao-Ming1,6, ZHONG Hua-Ping2*, ZHOU Li-Lei4, WU Zhao-Wen2,7

1.TibetAgricultureandAnimalHusbandryCollege,Tibet850400,China; 2.KeyLaboratoryofLandSurfacePatternandSimulation,InstituteofGeographicalSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing1001011,China; 3.StatekeyLaboratoryofResourcesandEnvironmentInformationSystem,InstituteofGeographicalSciencesandNaturalResourcesResearches,CAS,Beijing100101,China; 4.CollegeofResourceandEnvironmentalScience,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China; 5.JiangsuCenterforCollaborativeinnovationinGeographicInformationResourceDevelopmentandApplication,Nanjing210023,China; 6.CollegeofResourcesandEnvironment,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China; 7.StateKeyLaboratoryofSystematicandEvolutionaryBotany,CAS,Beijing100093,China

With support of remote sensing and geographic information system technology, the inventory of grassland types in China has advanced rapidly. This study used a range of input data including among others grassland community height, ground cover, aboveground biomass, underground biomass, the surface soil bulk density, soil total carbon content, soil organic carbon content, soil total nitrogen content, and soil total phosphorus content. With the collected data, a spatial interpolation algorithm was applied using a Decision Tree Classifier approach to produce an automated classification and index of grassland type in Xinjiang Ili. The grassland types identified based on these nine input variables, consistently matched grassland survey data collected in the 1980s, and showed the methodology to be reliable This study provides a tool for decision makers involved in managing the utilization of grassland resources and livestock production in the Xinjiang Ili region.

spatial interpolation; Decision Tree Classifier; grassland types automatic discriminant

10.11686/cyxb2017013http//cyxb.lzu.edu.cn

喬宇鑫, 朱華忠, 邵小明, 鐘華平, 周李磊, 伍兆文. 基于空間插值數(shù)據(jù)支持下新疆伊犁地區(qū)草地類型判別與分類研究. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 26(10): 30-45.

QIAO Yu-Xin, ZHU Hua-Zhong, SHAO Xiao-Ming, ZHONG Hua-Ping, ZHOU Li-Lei, WU Zhao-Wen. Automatic classification of grassland type in Xinjiang Ili based on spatial interpolation of remote sensing and other data. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(10): 30-45.

2017-01-09；改回日期：2017-03-15

國(guó)家科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)(2012FY111900-2, 2011FY110400-3),國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)-地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)(2005DKA32300),科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)-科技基礎(chǔ)性工作數(shù)據(jù)資料集成與規(guī)范化整編項(xiàng)目和西藏飼草產(chǎn)業(yè)專項(xiàng)(2016ZDKJZC,2017ZDKJZC)資助。

喬宇鑫(1993-)，男，內(nèi)蒙古包頭人，碩士。E-mail: 1076998051@qq.com

*通信作者Corresponding author. E-mail: zhonghp@igsnrr.ac.cn