青藏高原冻土区划与草原分类一致性分析

2012-08-20王志伟冯琦胜庞强强马亦彤岳广阳赵拥华史健宗吴通华任正炜

草业科学 2012年6期

王志伟，赵林，冯琦胜，庞强强，马亦彤，秦彧，岳广阳，赵拥华，史健宗，吴通华，任正炜

（1．中国科学院寒区旱区环境与工程研究所青藏高原冰冻圈观测研究站，甘肃兰州730000；2．中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室，甘肃兰州730000；3．兰州大学草地农业科技学院，甘肃兰州730020；4．内蒙古民族大学，内蒙古通辽028000）

冻土是指0℃以下的各种岩石和土壤，如果这种岩土物质保持在0℃以下至少连续两年以上就称为多年冻土，冻结状态保持半月至数月称为季节冻土。多年冻土覆盖了全球陆地表面的很大面积，约占北半球陆地表面的24%［1－3］。冻土分布广泛且具有独特的水热特性，是地球陆地表面过程中一个非常重要的因子。

中国的多年冻土区面积约为2．15×106km2，青藏高原是我国最主要的多年冻土分布区，占全国多年冻土面积的70%左右，同时也是全球中、低纬度地区海拔最高、面积最大的冻土区［4］。青藏高原冻土分布的特征以及变化等各种数据，是准确衡量我国生态环境的基础性数据资源［5］，可以为青藏高原乃至我国多年冻土区各种工程的规划、生态环境影响评估与保护等许多领域提供重要的数据支持［6－7］。但是全球变化导致青藏高原冻土分布发生显著改变，传统意义上单纯的数据统计无法体现冻土分布的空间性。冻土制图可以有效解决这一问题的不足，便于计算且直观性强。青藏高原冻土图的绘制工作始于20世纪60年代［8－9］，发展至90年代，李树德和程国栋［10］依据各种资料和冻土区划原则绘制出青藏高原冻土图。同样，不同因子与多年冻土的分布又有着一定的相关性［11］，如草原作为占有陆地总面积24%的巨大而复杂的生态系统，也是由气候、土地、生物和生产劳动等多种因素的矛盾运动所构成并推动其发展的。任继周［12］依据草原综合顺序分类法划分出中国区域内的41个草原类。因此，研究冻土与草原的关系及分析冻土区划与草原分类的一致性可以为今后的冻土研究提供一定的理论指导。

1 研究区概况

青藏高原位于亚洲中部偏南部位，平均海拔4 500m，位于75°～104°E，25°～40°N［13］，包括西藏自治区和青海省的全部、四川省西部、新疆维吾尔自治区南部，以及甘肃、云南的一部分（图1），具有独特的植被地理和气候带［14－15］。青藏高原高寒草地约为1．28×108km2，涵养着我国五大水系：黄河、长江、澜沧江、怒江和雅鲁藏布江。对我国东部、西南部、北半球甚至全球的气候都会产生显著的影响［16］，还是“世界第三极”地区重要的碳库［17］。

2 材料与方法

图1 青藏高原图Fig．1 Map of Qinghai－Tibet Plateau

2．1 冻土区划重分类依据青藏高原冻土图［10］，将原始冻土图的4种类型（多年冻土、季节冻土、冰川、湖泊）（图2a）重新划分为多年冻土区、季节冻土区和非冻土区（对应原始图像中的冰川和湖泊）（表1、图2b）。因为本研究分析冻土与草原的一致性，所以将冰川和湖泊划分为非冻土区。

图2 冻土区划图Fig．2 Map of permafrost distribution

表1 新赋值冻土各区划类型比例Table 1 Ratio of new evaluation about permafrost division

2．2 草原分类重分类依据草原综合顺序分类法［12］，青藏高原包含30个草原类（图3a、表2），依据热量级可知，暖热、亚热和炎热3种热量级分别分布于北亚热带、南亚热带和热带地区。这些地区存在冻土和季节冻土的可能性较小［18］，因此将这3个热量级下的草原类赋值为热带草原，占总面积的1．41%，而综合顺序分类下检索号为ⅠF36的高寒草甸类占总面积的57．51%。相比其他草原类，高寒草甸类属于青藏高原地区的优势草原。除上述两者外，其他的22个草原类占总面积的41．08%，将这些草原类共同划分为亚优势草原（图3b）。

图3 草原分类图（分类序号见表2）Fig．3 The map of steppe classification（Class－ID refers to table 2）

表2 青藏高原草原类［19］Table 2 Classification of the Tibetan Plateau steppe［19］

2．3 图像叠加首先，将步骤2．1重分类后的冻土区划图和步骤2．2重分类后的草原分类图进行投影转换，使其具有一致的投影系统 WGS－1984。然后，利用栅格计算将两幅图像的数值进行加法运算，完成图像叠加（图4）。

图4 冻土区划与草原分类融合图Fig．4 Merging image of permafrost distribution and steppe classification

3 结果与分析

根据冻土区划与草原分类融合图（图4）对青藏高原冻土区划与草原分类一致性进行分析。具有一致性关系的部分是：优势草原（高寒草甸类）和多年冻土区叠加到一起的，亚优势草原和季节冻土叠加到一起的，以及热带草原和非冻土区叠加到一起的部分。除上述部分之外，其他冻土区划和草原类叠加到一起的是不具有一致性关系的部分。根据评价图像分类精度的误差矩阵分析方法［20］可得表3。针对误差矩阵的基本统计估计量包括总体分类精度、用户精度和制图精度。

3．1 总体分类精度式中，Pc为总体分类精度，kk为对角线上精度一致的栅格数，P代表样本总数。根据公式（1），计算总体一致性精度为65．95%。

3．2 用户精度和制图精度用户精度（Pui）和制图精度（PAj）的公式分别为：

式中，Pii表示分类产生的类型图中第i类的任意像元值，Pi＋表示相同位置实际地物的像元值；Pjj表示分类产生的类型图中第j类的任意像元值，Pj＋表示相同位置实际地物的像元值。用户精度（对于第i类）可以表示从分类结果（如分类产生的类型图）中任取一个随机样本，其所具有的类型与地面实际类型相同的概率。制图精度（对于第j类）可以表示相对于地面获得的实际资料中的任意一个随机样本，分类图上同一地点的分类结果与其相一致的条件概率。在此计算的只是两幅区划分类图像的一致性，所以以一致性代表用户精度，用非一致性代表用户精度和制图精度产生的漏分误差和错分误差［20］，结果如表4所示。

表3 冻土区划与草原分类误差矩阵Table 3 Error matrix about permafrost distribution and steppe classification

表4 冻土区划与草原分类一致性表Table 4 Consistency about permafrost distribution and steppe classification

一般来说，误差矩阵得到的65．95%的总体一致性精度为具有空间相关性［21］，说明冻土区划和草原分类也具有明显空间相关性。例如，根据早期研究［22］，人口密度同农牧交错带的一致性为64．13%时，可以将人口分布作为一个重要的因素应用于农牧交错带的拟合中。不过根据Kappa系数法公式：

式中，r是误差矩阵中总列数（即总的类别数）；Xii是误差矩阵中第i行第i列上栅格数量（即正确分类的数目）；Xi＋和X＋i分别是第i行和第i列的总栅格数量；N是总的用于一致性精度评估的栅格数量。将表3中的相关数据代入公式（4），得出结果为：

Khat＝34．78%。

Kappa系数远小于误差矩阵的总体精度，这是由于冻土区划图和草原分类图重分类后的非冻土区和热带草原类在空间一致性上不相关所致。

4 讨论与结论

研究地球表层系统的时空信息时，常用模型模拟和观测这两种基本手段。不过，近年来随着遥感技术的快速发展，也将大量遥感数据应用于反演地表变量、调整模型轨迹和弥补常规观测在数量上的不足［23］。但是这些手段都存在着自身的缺陷，主要是因为：依据内在物理过程和动力学机制的模型模拟虽然为冻土区划和草原分类提供了空间上的连续演进，但是由于模型模拟的结果不能完全考虑到所有地表变量，而且所用于模拟的地表变量在空间上具有高度的异质性，使得上述冻土区划图和草原分类图重分类后的非冻土区和热带草原类的分类结果空间一致性比较差。然误差矩阵结果较好，但是Kappa系数偏低。

直接观测的优势在于能得到观测时刻内的空间“真值”，却也因为变量的空间变异强烈和观测条件限制，无法重建地表的完全连续特征。如冻土区划图中，湖泊和冰川下面是否也包括各种冻土。

遥感数据因无法观测地表以下信息、与地表变量之间的关系是隐含的，以及定标、定点时候会引起误差等原因，存在使用遥感数据拟合结果必然存在误差的缺点。使用遥感数据对冻土区划进行研究时，一定要有冻土区观测点数据进行验证来调整遥感数据反演。

因此，三者结合应用十分重要。青藏高原多年冻土本底调查项目［7］将会为以后的冻土区划和草原分类提供大量有效的直接观测数据，然后结合多时相的遥感数据，利用优化的路面过程模型对模型模拟的轨迹进行调整，将误差减至最小，将它们有机地融合，将会为我们对冻土区划和草原分类［24－26］的研究提供一种更好的方法。

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