王曉棟，宛 濤，解 瑋，畢力格吉夫，劉愛軍，楊 勇，哈斯巴特爾，常書娟，蘇日圖

(1.內蒙古農業(yè)大學草原與資源環(huán)境學院，呼和浩特 010018；2.內蒙古自治區(qū)草原勘察規(guī)劃院，呼和浩特 010051；3.內蒙古財經大學工商管理學院，呼和浩特 010070)

草原是我國面積最大的綠色屏障,是維護國家生態(tài)安全、維系農牧民生產生活的物質基礎。草原上除優(yōu)質牧草以外，還生長著許多有重要經濟和藥用價值的野生植物，對開發(fā)優(yōu)良遺傳資源和發(fā)展中(蒙、藏)醫(yī)藥業(yè)具有重要作用；草原還是一些珍稀瀕危野生動植物的生長和棲息地，對維護生物多樣性具有十分重要的意義[1]。受氣候變化及人為因素的影響,草原資源數量和質量的動態(tài)變化十分明顯。內蒙古自20世紀80年代以來，先后開展了兩次規(guī)模較大較為詳實的草原資源普查和三次草原面積清查和速查，基本查清了草原面積、分布和質量，積累了一系列草原資源調查和監(jiān)測的成果和核心技術。近年來，國家高度關注內蒙古的草原生態(tài)戰(zhàn)略定位，先后實施了草原生態(tài)保護補助獎勵機制和京津風沙源治理等項目。為了筑牢北疆生態(tài)安全屏障，推進草原生態(tài)文明體制改革和生態(tài)文明建設，內蒙古政府決定在2020～2021年利用兩年時間開展全區(qū)草原生態(tài)現狀調查，全面掌握草原資源基礎數據，分析評價草原資源和生態(tài)狀況。為此，在前人已有工作成果和技術的基礎上，探討基于“3S”技術的草原生態(tài)現狀調查關鍵技術集成方法。

1 草原生態(tài)現狀調查的意義

通過遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、空間定位系統(tǒng)(GPS)，結合地面調查的方法，全面細化、更新和完善草原資源基礎數據，掌握翔實準確的草原生態(tài)狀況及動態(tài)變化情況，滿足草原生態(tài)修復、草原生態(tài)補獎及國土空間規(guī)劃和用途管控等，為嚴格依法治草和全面深化草原生態(tài)文明體制改革提供全面細致的基礎數據支持。

2 草原生態(tài)現狀調查的內容

調查內容包括6個方面:(1)開展全區(qū)草原大類、亞類面積和空間分布的遙感調查；在此基礎上完成全區(qū)草原類型的地面調查和遙感解譯；形成能夠反映天然草原植物多樣性的豐富度指數分布圖。(2)開展天然草原退化、沙化、鹽漬化的程度、面積及空間分布等生態(tài)狀況調查。(3)開展全區(qū)人工草地多年生牧草種植地塊及牧區(qū)一年生飼草飼料基地地塊的調查，包括改良草地和退耕還草地等；開展人工草地種植品種和生產力的調查；形成全區(qū)人工草地面積和空間分布圖。(4)開展毒害草種及外來入侵植物種類、發(fā)生面積及空間分布調查；形成有毒有害植物空間分布圖。(5)在上述工作成果的基礎上，開展天然草原等級的評價；開展天然草原承載力狀況評價；開展天然草原生態(tài)狀況評價。(6)按照國家基本比例尺地形圖分幅和編號標準(GB/T13989-2012)，規(guī)范數據成果，構建草原數據信息平臺。

3 草原生態(tài)現狀調查的技術方法

采用高分辨率遙感影像數據，充分利用歷次調查成果和網格化的地面樣地調查數據，通過遙感、地理信息系統(tǒng)和定位系統(tǒng)一體化技術，查清全區(qū)草原類型、退化等面積和分布。在此基礎上，進行調查成果匯總與分析；基于成熟并業(yè)務化應用的草原生產力和覆蓋度估算模型，應用空間分辨率為250m的MODIS-NDVI對全區(qū)草原生產力和蓋度進行估算，并進行草原等級評價。此外，本次調查要考慮在部分地區(qū)示范性應用國產高分數據，提高旗(縣)尺度草原生產力和覆蓋度估算空間分辨率和精度。調查技術路線見圖1。

4 草原生態(tài)現狀調查的關鍵技術

4.1 “3S”技術

“3S”技術是遙感技術(Remote sensing, RS)、地理信息系統(tǒng)(Geography information systems, GIS)以及全球定位系統(tǒng)(Global positioning systems，GPS)的統(tǒng)稱，是空間技術、傳感器技術、衛(wèi)星定位與導航技術和計算機技術、通訊技術相結合，多學科高度集成的對空間信息進行采集、處理、管理、分析、表達、傳播和應用的現代信息技術[2,3]。本次調查基于RS(國產高分和MODIS衛(wèi)星影像數據)結合GPS(地面調查)，通過GIS技術對草原生態(tài)狀況及空間分布進行識別、判讀、解譯，并建立估算模型，查清草原生態(tài)現狀及利用現狀數量、質量、分布及動態(tài)，形成自治區(qū)、盟(市)、旗(縣)三級調查成果和數據庫。

4.2 樣點布設技術

以自治區(qū)20世紀80年代草原普查結果為基礎，草原普查矢量圖作為工作底圖，旗(縣)為基本調查單位，參照遙感影像選擇典型地段布設樣地。充分考慮地形地貌與植被類型等要素，在調查區(qū)域內均勻化、網格化分布樣地，使每一個樣地輻射距離為5～10km。運用統(tǒng)計學中改進的最小樣本數確定法，并經過Matlab軟件演算，結合平衡生物量因素，計算得出全自治區(qū)內需要設置樣地數量(見表1)。

表1 不同允許誤差水平所需的最少樣本數

在簡單隨機抽樣的情況下，樣本量的計算公式如下：

式中：n表示樣本量；p表示廣播接觸率；μz表示概率度；D表示允許誤差。

根據最小樣本數確定方法，兼顧調查面積和調查成本，確定在90%置信度區(qū)間允許誤差為0.05水平下所需的最少樣本量為271個。在此基礎上，利用系數加權將20世紀80年代自治區(qū)草原類型數量和面積引入，得出以下公式：

式中：n表示樣本量；B表示草原型數量；S表示最大草原型面積；Si表示其他草原型面積。

經過上述公式計算，并綜合考慮地形地貌、草原類型和圖斑數量與分布等因素，共設置7000個樣地，保證一個樣地能夠覆蓋25～100km2(圖2)。

4.3 地面樣地的調查技術

4.3.1樣地設置技術

根據地形地貌變化情況,設置調查樣地。如在平原丘陵區(qū)，設置在比較開闊的區(qū)域；在山地，設置在不同海拔高度和坡向的草原類型分布區(qū)域內；在沙地，設置在固定、半固定沙地和丘間低地中；在草甸和沼澤樣地，根據衛(wèi)星影像預判，在分布面積大的河谷段或湖盆區(qū)內按照梯度變化情況設置[4]。

4.3.2樣方調查技術

近年來，許多地區(qū)已經對古樹名木進行了摸底調查，但調查指標設置不合理，數據較為粗放，不能準確反映當前古樹名木的生存現狀。筆者以濟源市王屋鎮(zhèn)為例，通過設置一些完善的調查指標，對古樹名木的樹種構成、生長狀況、存在問題等進行調查分析，并針對性地提出一系列保護措施，以期為古樹名木調查指標的合理化、標準化提供參考，也為古樹名木的精準保護提供支持。

根據地帶性和植被變化情況，選擇適宜的樣方大小:草原1m2(1m×1m)；高大草本及半灌木100m2(10m×10m)；高大灌木400m2(20m×20m)。每樣地草本樣方設置3次重復，分別測定植物和群落的高度、蓋度、密度、頻度和生物量。灌木樣方采用全測法分種選擇標準株測定株長、寬、高，以及剩余株叢長、寬。生物量按照取樣比例(一般為1/2或1/4或1/8等)取標準株當年生長枝進行稱重，灌木樣方中草本產量測定按《天然草原等級評定技術規(guī)范》中的方法測定，灌木樣方中草本產量需要扣除灌木的比例，按下式計算：

草本實際產量(g)=草本測定產量(g/m2)×(100%-灌木覆蓋度)×100m2

灌木樣地的總產量(g/m2)=[草本實際產量(g)+灌木總產量(g)]/100m2

4.3.3標本采集技術

在全區(qū)范圍內按照各個大類(亞類)草原建群種、優(yōu)勢種、伴生種、特有種、侵入種以及有毒有害植物采集植物標本。根據植物的物候期，采集根、莖、葉、花、果實等完整的植株體。每種植物采集數量不少于3～5份。對采集的鮮標本，要求及時加入標本夾，并隨時更換標本紙，防止霉爛、變色。每種采集植物莖、葉、花、果全株拍照，特殊的植物個體及分類特征則采用微距特寫鏡頭表現。像素要高(400萬以上)，圖像清晰，主題突出。每種植物拍照數量不少于3～5幅。

4.3.4土壤取樣技術

樣方測定結束后，在樣方區(qū)域內進行土壤樣品采集。取樣時，將土壤表層的殘留物和雜質清理干凈，分別用土壤環(huán)刀和土鉆進行分層取樣。分三層(0～10cm、10～20cm，20～30cm)采樣，每層重復三次。

4.3.5地面取樣信息核查技術

4.4 遙感數據的獲取

數字高程模型(Digital elevation model，DEM)是通過不規(guī)則三角網結合地形高程數據實現對地面地形起伏分布的數字化模擬，通過DEM的數據加工處理可以形成坡度和坡向數據，坡度和坡向可以直觀地看出草地分布趨勢，以及人為活動較大坡度范圍內草地分布特征。經過幾何精校正、拼接和裁剪，最終得到內蒙古數字高程模型圖。

4.4.1高分影像數據處理技術

輻射校正、大氣校正、幾何校正、融合、勻色、鑲嵌。對高分影像源數據進行在可見光與近紅外中，氣溶膠所引起的散射在熱紅外中，水蒸氣吸收引起的散射進行輻射校正；對傳感器端、大氣散射產生的輻射誤差進行大氣校正；通過選取GCP(Ground control point,地面控制點)建立原始影像空間與校正影像空間的坐標變換關系進行幾何校正；對多源或多景影像進行融合、勻色、鑲嵌處理。

4.4.2獲取影像數據質量

地物影像清晰；突出草原類型綜合特征；周邊影像畸變?。桓黝惖匚镩g色差大,色調差異明顯。

4.5 建立遙感判讀解譯標志

圖像的解譯標志是遙感圖像判讀和數據提取的關鍵,包括遙感圖像形狀、色調、紋理、陰影、位置、布局及分辨率等要素。草原的遙感波譜特征較為復雜,除了由于植物組成、結構的不同引起草原波譜特征不同外,還受到環(huán)境、大氣、土壤質地、土壤含水量等諸多因素的影響。本次調查利用GPS全球定位儀獲取的地面調查樣地(樣方)定位信息,結合歷史數據，通過專家判讀先驗知識，針對每一景影像建立一個適合本幅影像特征的草原類型及退化草原專題解譯標識,解決“同譜異物或同物異譜”現象，找出影像與草原類型之間對應的特點及規(guī)律,確定草原類、亞類、型以及退化、沙化、鹽漬化影像判讀標志[5]。

4.6 遙感影像解譯技術

通過非監(jiān)督分類和監(jiān)督分類相結合的方法對遙感影像進行解譯分類。非監(jiān)督分類(Unsupervised classification)技術是運用ISOCLUST ( Iterative Self-Or-ganizing data analysis technique)算法,完全按照像元的波譜特性自動進行分類。自動分類結束后,根據最小距離分類法將各類分別與不同草原型的類中心距離進行對比和計算,確定最小距離并進行類合并。

式中：n表示波段數；i表示某一特征波段；Xxyi表示波段i中像元(x，y)的數據文件值；μci表示類型ci波段的數據均值；SDxyc表示像元(X,Y)到類C均值的光滑距離。

監(jiān)督分類(Supervised classification)技術是根據野外調查數據,在目視解譯的基礎上選擇能準確地代表整個區(qū)域內每個地物類別光譜特征的訓練樣本,確定不同地物的波譜特征曲線。由于地物波譜特征受到大氣散射和天氣狀況等方面的影響,即使同類地物所呈現的特征曲線也有不同,表現為在標準特征曲線附近擺動變化。只要其特征曲線相同或相近,即可被認為是一類地物；反之,則不屬于該類。

4.7 模型估算技術

4.7.1CASA模型估算生物量

CASA(Carnegie ames stanford approach)模型是一個充分考慮環(huán)境條件和植被本身特征的光能利用率模型，已被廣泛應用于陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP(Net primary productivity)的估算[6～9]。本次調查采用CASA模型估算地上生物量，數據源為國產高分影像和MODIS影像，估算尺度在1∶5萬的比例尺上，經過地面數據和往年數據數次驗證，模型修正后獲取最終地上生物量。計算公式如下:

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(1)

APAR(x,t)=FAPAR(x,t)×PAR(x,t)

(2)

ε(x,t)=Tε1(x,t)×Tε2(x,t)×Wε(x,t)×εmax

(3)

SR(x,t)=[1+NDVI(x,t)]/[1-NDVI(x,t)]

(4)

(5)

式中:t表示時間；x表示空間位置；NPP表示凈第一性生產力。APAR表示植被所吸收的光和有效輻射；ε為光能轉化率；FAPAR表示植被層對入射光合有效輻射(PAR)的吸收比例。

4.7.2像元二分法估算蓋度

運用近紅外波段和紅外波段提取NDVI，是許多學者研究一個區(qū)域植被生長情況的一個重要方式。植被覆蓋度提取采用像元二分模型，該模型主要對NDVI值進行累計統(tǒng)計，將累計概率為95%和5%的作為歸一化植被指數最大值和最小值。計算公式如下:

(1)

(2)

式中：F表示植被覆蓋度；NDVI表示歸一化植被指數；NIR表示近紅外波段；NDVImax和NDVImin分別表示歸一化植被指數純植被像元值和純裸土像元值。

4.8 解譯精度核查技術

對遙感影像進行分類后，就需要評價其分類精度。為保障調查工作精度，以旗(縣)為單位完成解譯工作后，通過隨機抽樣的小斑調查和固定樣地調查進行圖斑的邊界準確率和圖斑屬性的正確率檢驗。首先建立混淆矩陣，對分類結果與實際地物的真正情況進行比較，分析二者之間的差別，體現分類結果的精度；再分別通過正確分類像元數和研究區(qū)總像元數2個數值進行對比得到總體分類精度。合格的精度要求是：草地類型劃分精度要達到90%以上；產草量精度要達到90%以上；草原退化調查精度要達到85%以上。如達不到上述要求，應重新進行解譯。

4.9 數據庫技術

采用2000大地坐標系，Albers和高斯-克呂格兩種投影，將調查的所有專題圖、衛(wèi)星影像圖、外業(yè)樣地數據利用定制專用的地理信息軟件，以一定的編碼和格式采集、存貯、操縱、修改、分析和綜合應用的方式標準化數據。建立具有空間數據以及屬性數據的雙向查詢和輸出與統(tǒng)計功能；文件打開、保存、清除圖層、新建、打印以及退出功能；圖片放大、縮小以及移動功能；對不同圖層(點、線、面)進行渲染，即生成專題圖件的功能；可以播放矢量、DEM以及柵格圖件的功能；對圖層進行標注的功能；對屬性數據進行追加、補充、刪除的功能；維護與更新草原生態(tài)調查成果數據庫的功能。

5 小結

5.1經過樣地布設公式計算，綜合考慮地形地貌、草原類型和圖斑數量與分布等因素，共設置7000個樣地，在調查區(qū)域內達到均勻化、網格化分布，每一個樣地輻射距離為5～10km，保證一個樣地能夠覆蓋25～100km2。

5.2集成“3S”技術、樣點布設技術、地面調查技術、數據獲取技術、遙感解譯技術、模型估算技術、精度驗證技術和數據庫技術，以旗(縣)為調查單元，調查草原生態(tài)現狀及利用現狀數量、質量、分布及動態(tài)，形成自治區(qū)、盟(市)、旗(縣)三級調查成果。

5.3針對本次內蒙古草原生態(tài)現狀調查,在已有工作基礎上結合先進的調查技術，提出了一整套關鍵技術集成方法，為今后開展類似工作提供了理論依據和技術指導。