王曉棟， 宛 濤， 畢力格吉夫， 解 瑋

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)草原勘察規(guī)劃院，呼和浩特 010051；3.內(nèi)蒙古財(cái)經(jīng)大學(xué)工商管理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070)

1 引言

1.1 研究意義

草原是土地類型中的一種，也是木本和草本飼用植物與其著生的土地構(gòu)成的自然綜合體[1]。同時(shí)，草原也是一種自然資源，涵蓋了空間、數(shù)量和質(zhì)量的結(jié)構(gòu)特征，主要用作畜牧業(yè)生產(chǎn)資料。草原還具有防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源、保持水土、凈化空氣等重要功能，因而被形象化為“地球衣被”。人們依據(jù)各自不同的側(cè)重點(diǎn)對(duì)草原進(jìn)行了多種的定義。在我國，習(xí)慣上視“草原”、“草地”、“草場”為同義詞。我國草原面積位居世界第三，總面積約3.55×108hm2，占國土面積的41.7%[2]。內(nèi)蒙古國土面積的67%為草原，約8600×104hm2，占全國草原面積的27%。近年來，由于氣候變暖、過度放牧等自然因素與人為因素，使得全區(qū)草原不斷退化，加重了草原土壤侵蝕，大幅降低了草原生產(chǎn)力[3～4]。利用“3S”技術(shù)研究草原資源狀況，有助于更好地掌握草原資源本底數(shù)據(jù)，為嚴(yán)格依法治草和全面深化草地生態(tài)文明體制改革提供數(shù)據(jù)支撐，為生態(tài)環(huán)境保護(hù)和國土整治提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)科學(xué)合理利用草原、保護(hù)草原具有十分重要的意義。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

草地資源及其生產(chǎn)管理越來越依靠先進(jìn)的手段和方法來控制。遙感與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合將為全球草地資源的管理提供全新的手段和方法。草地遙感科學(xué)研究的主要對(duì)象是草地資源和信息，主要研究范圍在草地生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域和全球變化尺度上。在國外，美國、蘇聯(lián)等發(fā)達(dá)國家最早將遙感應(yīng)用于草原調(diào)查研究中，其理論和技術(shù)一直處于世界領(lǐng)先水平。進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，傳感器性能不斷提升，GIS、GPS和相關(guān)專業(yè)軟件不斷改進(jìn)，國外應(yīng)用衛(wèi)星遙感進(jìn)行草原監(jiān)測已經(jīng)從初步探索走向成熟應(yīng)用，而且技術(shù)水平還在不斷完善，監(jiān)測能力也在繼續(xù)增強(qiáng)。我國在草地科學(xué)中應(yīng)用遙感技術(shù)雖起步較晚，但發(fā)展較快，遙感綜合調(diào)查在新疆、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、山西等省開展工作以來，遙感技術(shù)在草地資源調(diào)查、分類、制圖和產(chǎn)量估測中的應(yīng)用已取得了比較豐碩的成果。如今，遙感已經(jīng)成為我國草地科學(xué)前沿研究的領(lǐng)域之一，我國利用遙感資料基本查清了調(diào)查區(qū)草地資源的類型、分布、產(chǎn)量估測、面積和利用現(xiàn)狀以及草地與環(huán)境演變狀況，為合理利用和經(jīng)營草地資源提供了科學(xué)依據(jù)，并取得了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

1.3 遙感解譯理論基礎(chǔ)

1.3.1遙感解譯原理

遙感技術(shù)的理論基礎(chǔ)是電磁波輻射,各種地物因其理化性質(zhì)不同可以產(chǎn)生或反射不同特征的電磁波。地物的光譜特征與遙感影像的色調(diào)、形狀、大小、紋理結(jié)構(gòu)及其組合規(guī)律等特征有著良好的相關(guān)性。遙感圖像的各種特征是不同地物波譜特性的混合顯示，通過對(duì)影像上地物各種信息特征的分析，能夠準(zhǔn)確地判斷相應(yīng)地物的性質(zhì)和大小范圍，為草原遙感提取相應(yīng)信息提供理論依據(jù)。草原遙感的判讀原理與其他再生資源一樣，是利用其光譜特征、生態(tài)環(huán)境及季相規(guī)律等在遙感影像上的反映，基于地學(xué)分析通過氣候、植被、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等各種因素的綜合分析，來分辨判斷遙感圖像的地物光譜特征。此外，包括地面測定的主樣地、輔樣地及觀測樣地在內(nèi)的野外調(diào)查數(shù)據(jù)是遙感判讀的主要依據(jù)，專家經(jīng)驗(yàn)及歷史資料是重要的參考信息，地面信息與遙感影像特征之間建立的有效判讀標(biāo)志是草原遙感調(diào)查編制各類型草原專業(yè)圖的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1.3.2圖像分類原理

目前，應(yīng)用遙感技術(shù)監(jiān)測土地利用類型變化主要采用面向像素的分類方法，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對(duì)遙感圖像進(jìn)行分類。從分類前是否經(jīng)過訓(xùn)練樣本訓(xùn)練這一角度，可以劃分為監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類。監(jiān)督分類屬于自頂部向下的知識(shí)驅(qū)動(dòng)法，需要先學(xué)習(xí)再分類；非監(jiān)督分類則是一種自底部向上的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，與前者的主要區(qū)別在于是否有知識(shí)的參與。本次研究主要是以監(jiān)督分類為主，通過已知類別的訓(xùn)練區(qū)內(nèi)像元屬性特征來判別其他區(qū)域像元的屬性類別。訓(xùn)練區(qū)內(nèi)像元分類通過目視解譯法進(jìn)行。

1.4 本研究的目的

通過對(duì)阿巴嘎旗草原的遙感解譯，對(duì)草原的地貌資源等進(jìn)行一系列的分析，對(duì)于草原的各種地貌增減進(jìn)行相應(yīng)的對(duì)比。通過對(duì)比以及解譯出來的數(shù)據(jù)，分析草原的基本現(xiàn)狀，為草原的進(jìn)一步生態(tài)保護(hù)與利用提供理論支撐。

2 研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

阿巴嘎旗位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟中北部，東與東烏旗、錫林浩特市為鄰，南與正藍(lán)旗接壤，西與蘇尼特左旗毗連，北與蒙古國交界，國境線長175km。全境南北長約260km，東西寬約110km，總面積2.75萬km2。系蒙古高原低山丘陵區(qū)，地勢由東北向西南傾斜，平均海拔1127m。從地形上可劃分為低山丘陵、高平原、熔巖臺(tái)地、沙地4個(gè)類型，兼有多種地貌單元組成的地區(qū)，沒有明顯的山脈和溝壑，地勢呈波狀起伏，東北高西南低。中溫帶半干旱大陸性氣候，冬季寒冷漫長，夏季溫涼短促，春秋兩季多寒潮大風(fēng)，冷暖劇變，晝夜溫差大，降水量少，蒸發(fā)量大；年均溫度0.7℃，相對(duì)濕度59%，年照時(shí)數(shù)3126.4h，年均降水量244.7mm,無霜期103d，降雪期217d。

2.2 地面調(diào)查

野外取樣是地面調(diào)查的主要任務(wù)。通過地面調(diào)查樣地樣方數(shù)據(jù)，為遙感解譯建立判讀標(biāo)志，同時(shí)為解譯結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。樣地設(shè)置在草原生態(tài)與生產(chǎn)中有價(jià)值、面積較大、分布廣泛、代表性強(qiáng)的草原類型中，兼顧具有特殊經(jīng)濟(jì)價(jià)值和一些特殊地形地貌，并考慮在室內(nèi)判讀過程中對(duì)具有一定面積且影像特征較均勻一致的地段。每個(gè)樣地設(shè)置10個(gè)1m×1m樣方：3個(gè)為分種樣方，分別測定植物種類名稱、高度、蓋度、多度、生物量；另外7個(gè)樣方為頻度樣方，只記錄樣方中每個(gè)植物的種名和出現(xiàn)次數(shù)。在有灌木區(qū)域還要設(shè)置10m×10m的灌木樣方。此次調(diào)查樣地共147個(gè)，其中80%用于遙感解譯，20%用于解譯精度驗(yàn)證，分布情況見圖1。

2.3 數(shù)據(jù)源獲取及處理

阿巴嘎旗草原資源普查采用的遙感數(shù)據(jù)包括2017年6～10月覆蓋全旗的Landsat8的7個(gè)通道及全色波段TM影像數(shù)據(jù)，目視解譯采用LANDSat8，經(jīng)過大氣校正、輻射校正等環(huán)節(jié)，并與全色波段融合形成空間分辨率為15m的正射影像數(shù)據(jù)集。合成影像數(shù)據(jù)采用5通道、4通道、3通道為主要合成方案，個(gè)別地區(qū)融入中紅外等通道，最終進(jìn)行影像拼接、裁切等。

2.4 遙感判讀解譯方法

2.4.1建立解譯標(biāo)志

在遙感影像上，不同的地物有不同的特征，這些影像特征是判讀識(shí)別各種地物的依據(jù)，這些都成為判讀或解譯標(biāo)志。解譯標(biāo)志包括直接解譯標(biāo)志和間接解譯標(biāo)志(表1)，直接判讀標(biāo)志包括形狀、大小、顏色和色調(diào)、陰影、位置、結(jié)構(gòu)(圖案)、紋理、分辨率、立體外貌；間接判讀標(biāo)志包括水系、地貌、土質(zhì)、植被、氣候、人文活動(dòng)。

2.4.2解譯方法及流程

本次研究利用Arcgis軟件，以外業(yè)樣地為基礎(chǔ)，采用目視解譯與計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別相結(jié)合的信息提取技術(shù)，進(jìn)行人機(jī)交互解譯，準(zhǔn)確獲取草地范圍、類型等信息。

2.4.3精度驗(yàn)證

精度驗(yàn)證是判定圖斑分類結(jié)果正確率的重要環(huán)節(jié)。為保障遙感解譯精度，完成解譯工作后將20%的未參與分類解譯的樣地?cái)?shù)據(jù)用于精度驗(yàn)證。通過對(duì)草原亞類分類精度結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，解譯正確率達(dá)到了95%以上。

2.4.4制圖

按照國家基本比例尺地形圖分幅和編號(hào)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T13989-2012)，采用“2000國家大地坐標(biāo)系”、Albers和高斯-克呂格投影方式，以旗縣為基礎(chǔ)單元制作標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)查專題圖。

2.5 技術(shù)路線

本研究統(tǒng)一使用ARCGIS為主要的地理信息系統(tǒng)專業(yè)軟件，采用阿爾伯斯投影坐標(biāo)，主要依據(jù)野外調(diào)查資料及遙感影像特征，通過人機(jī)交互式目視判讀解譯的方法進(jìn)行草原類型判讀與勾繪，具體采用的遙感解譯技術(shù)路線如圖2所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 草原亞類分布情況

通過人機(jī)交互式遙感解譯方法，最終獲得解譯結(jié)果：阿巴嘎旗共分布有9個(gè)草原亞類，分別是平原丘陵草甸草原亞類、平原丘陵典型草原亞類、山地典型草原亞類、沙地典型草原亞類、平原丘陵荒漠草原亞類、草原化荒漠亞類、低濕地草甸亞類、鹽化低地草甸亞類和沼澤化草甸亞類，分別隸屬于草甸草原類、典型草原類、荒漠草原類、草原化荒漠類和低地草甸類等5大草原類，分布情況見圖3。

3.2 草原類型面積

在阿巴嘎旗草原亞類中，面積最大的是平原丘陵典型草原，為226.55×104hm2，占全旗草原面積的82.74%；其次是沙地典型草原亞類，面積為27.91×104hm2，占全旗草原面積的10.19%；再次是低濕地草甸亞類，面積為6.92×104hm2，占全旗草原面積的2.53%；其他依次是鹽化低地草甸亞類、平原丘陵草甸草原亞類、平原丘陵荒漠草原亞類、沼澤化低地草甸亞類、草原化荒漠亞類和山地典型草原亞類，面積分別為6.05×104hm2、2.38×104hm2、2.09×104hm2、1.45×104hm2、0.44×104hm2和0.02×104hm2，各占全旗草原面積的2.21%、0.87%、0.76%、0.53%、0.16%和0.01%?？梢?，阿巴嘎旗草原涉及到了內(nèi)蒙古所有地帶性草原類，包括草甸草原、典型草原、荒漠草原，其中典型草原最多(見圖4)，占全旗草原面積的92.94%，面積254.48×104hm2；典型草原和荒漠草原面積分別是2.38×104hm2和2.09×104hm2，分別占全旗草原面積的0.87%和0.76%。非地帶性的低地草甸類面積是14.42×104hm2，占全旗草原面積的5.27%，是阿巴嘎旗面積第二多的草原類，最少的是草原化荒漠類，面積0.44×104hm2，占全旗草原面積的0.16%。由此表明，阿巴嘎旗草原是分布在內(nèi)蒙古草原的過渡帶上，地貌以平原丘陵為主，典型草原是該旗的主要草原類型。

3.3 阿巴嘎旗草原動(dòng)態(tài)分析

與2000年相比，阿巴嘎旗草原面積增加了近3.73×104hm2，十年間草原各項(xiàng)保護(hù)措施起到了決定性的作用，草原類型有了很大變化(表2)：沙地草原減少了近3.8×104hm2，平原丘陵草原增加了近22.33×104hm2，草原沙化得到了改善；鹽化草甸減少了7.33×104hm2之多，鹽堿化也得到了相應(yīng)的改善；濕地草原減少了近0.8×104hm2，水位的下降是造成濕地減少的主要原因。

表2 阿巴嘎旗草原類型動(dòng)態(tài)變化

4 結(jié)論

4.1阿巴嘎旗草原以典型草原為主，草甸草原、典型草原、荒漠草原、草原化荒漠和低地草甸都有分布。

4.2阿巴嘎旗地貌以平原丘陵為主，草原亞類主要是平原丘陵典型草原。

4.3經(jīng)過十年的草原保護(hù)建設(shè)，阿巴嘎旗草原面積增加了近3.73×104hm2，其中平原丘陵典型草原增加了近22.33×104hm2，沙地草原、鹽漬化草原和濕地草原分別減少了近3.8×104hm2、7.33×104hm2和0.8×104hm2。