基于3S技术的退牧还草工程实施生态效果监测评价——以玛曲县2005年工程区为例

王炳煜，姜佳昌，潘冬荣，王　惠，王红霞（甘肃省草原技术推广总站，甘肃 兰州 730010）

基于3S技术的退牧还草工程实施生态效果监测评价
——以玛曲县2005年工程区为例

王炳煜，姜佳昌，潘冬荣，王惠，王红霞
（甘肃省草原技术推广总站，甘肃 兰州 730010）

以3S（GIS、RS、GPS）技术为主要手段，辅以地面样方监测，从时间和空间两个方面，对玛曲县2005年退牧还草工程实施的生态效果进行量化评价。通过对工程区内外、工程实施前后草原的鲜草产量、盖度的监测比较分析，对工程区内外高度、可食比例等指标的监测比较分析，可看出退牧还草工程的实施，减轻了草原放牧压力，工程区草原植被平均盖度、高度、鲜草产量和可食比例与工程区外相比均有提高，工程实施后草原植被平均盖度、鲜草产量均比项目实施前有所提高。

3S技术；NDVI；退牧还草工程；生态效果评价

2003年起，国家在甘肃实施退牧还草工程，退牧还草工程的主要建设内容包括围栏建设和退化草原补播，在草原牧区建设围栏实施禁牧和休牧。退牧还草工程以恢复草原植被，改善草原环境为目标，把生态保护与草原建设密切结合起来，建立起动态平衡草地畜牧业生产系统，优化草地生态环境，促进草地生态系统良性循环，使匮乏的草地资源得到充分合理利用的同时，做到持续平衡、永续利用［1，2］。本文就是以玛曲县2005年工程区为例，以3S（地理信息系统GIS、遥感技术RS、全球定位系统GPS）技术为主要手段，辅以地面样方监测，对退牧还草工程实施的生态效果进行量化评价。

1　材料与方法

1.1研究区

玛曲县2005年度退牧还草工程在木西合乡、欧拉秀玛乡、采日玛乡、欧拉乡、阿万仓乡、曼日玛乡、齐哈玛乡等7个乡实施。围栏禁牧2万hm2，围栏季节性休牧7万hm2。草地类型主要有山地草甸。禾本科和莎草科牧草为建群种。

1.2研究数据

1.2.1工程方案及作业设计图从退牧还草工程实施方案和项目竣工报告获得工程实施范围、面积、涉及乡镇等信息，收集专业的作业设计图、竣工图。玛曲县行政边界矢量数据。

1.2.2地面样地样方数据在草原生长盛期（七八月），对工程实施区草地，采用地面样方监测的方法，草本用1 m×1 m样方，灌木草地用10 m×10 m样方，记录样方样地的草原类型、所属工程区内外、工程类型、工程年份、地形、土壤、等情况，获取样方经纬度、海拔、总盖度、草群平均高度、样方内各植物种的鲜重等数据。拍摄样地景观照和样方俯视照。在2015年7月15日进行地面监测。

布设地面调查样地30个，其中工程区内、外样地数量各15个。调查样地涵盖禁牧、休牧的草原类型，2个样地之间距离在1 km以上。设置工程区外对比样地时，选择与工程区内样地草原类型一致的邻近区域。

1.2.3遥感数据从美国航空航天局（NASA）的网站（htt p：//ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html）免费下载MODIS数据。本研究下载2003、2015年第225天开始16 d合成的h26v5景的MOD13Q1影像数据产品，其空间分辨率为250 m。对MODIS数据进行提取NDVI、投影转换、掩膜等处理，生成玛曲县NDVI图。

1.3评价方法

1.3.1工程区分布图矢量化将纸质竣工图扫描为TIFF图，分辨率在200dpi以上。在ArcGIS中，对TIFF图进行几何纠正和投影转换，以此为底图分别勾绘出禁牧、休牧工程区斑块，生成的工程区shape文件，并标明工程类型属性。在ERDAS中，将禁牧、休牧工程区shape文件转换为AOI。沿工程区边界外侧，均匀绘点，生成工程区外点shape文件。

1.3.2地面样地样方监测数据处理将地面样地样方监测纸质表的数据输入Excel表格，每张表输入为一行，统计每个样方的可食牧草的鲜重、样方总鲜重，计算样方可食比。计算2015年禁牧、休牧区内外的草群高度、可食比的算数平均数，填入表1中高度、可食比的值。

在ArcGIS中，将含有经纬度数据的样方Excel表格转换为样方shape点文件，样方shape点文件就具有了与玛曲县NDVI图一样的空间位置属性。

1.3.3工程实施县产量、盖度分布图生成在ArcGIS中，用样方shape点文件从玛曲县2015年NDVI图上提取对应的NDVI值，用一一对应的样方产量值和NDVI值建立模型，即为产量模型［3］。本例模型为：y= 171.6e0.0004x（R2=0.59）。y是产草量，x是NDVI值。

运用像元二分模型计算盖度［4］，y=（NDVI-NDVI最小）/（NDVI最大-NDVI最小）。在ERDAS中，从玛曲县NDVI图读取最大、最小值，生成玛曲县的盖度模型。2005年的模型为y=（x-209）/（8908-209），2015年的模型为y=（x-296）/（8278-296）。y是盖度，x是NDVI值。

在ERDAS中，通过Model Maker模块，用产量模型、盖度模型对2003、2015年NDVI图分别进行反演计算，生成2003、2015年玛曲县产量、盖度分布图4张图。

1.3.4数据统计分析在ERDAS中，运用工程区AOI，分别从2003、2015年玛曲县产量、盖度分布图裁切出禁牧、休牧工程区的相应的图，并读取禁牧、休牧工程区产量、盖度值；在ArcGIS中，用工程区外点shape文件，分别从2015年玛曲县产量、盖度分布图提取工程区外点的产量、盖度值，计算平均数。得出表1中盖度、产量的值。

1.3.5专题图生成在ArcGIS中，生成带有指南针、比例尺、经纬度网格的2003、2015年玛曲县产量、盖度分布图、以TM为地图的工程区分布图。

图1　退牧还草工程实施生态效果评价数据分析流程

表1　退牧还草工程实施生态效果评价数据分析结果汇总表

2　结果与分析

2.1工程实施前后植被变化情况

2015年禁牧区草原植被平均盖度80%，平均鲜草产量5832.5kg/hm2，分别比2005年提高了3个百分点和2.7%；休牧区草原植被平均盖度87%，平均鲜草产量7136.2kg/hm2，分别比2005年提高2个百分点和1.5%。

2.2工程区内外植被变化情况

2015年禁牧区草原植被平均盖度80%，休牧区87%，分别比工程区外高3和9个百分比。禁牧区草原植被平均高度26.1 cm，休牧区21.4 cm，分别比工程区外高56.0%和27.9%。禁牧区草原植被平均鲜草产量5 832.5 kg/hm2，休牧区7 136.2 kg/hm2，分别比工程区外高26.4%和36.8%。禁牧区牧草平均可食比例74%，休牧区66%，分别比工程区外高12和4个百分点。

3　讨论

通过对工程区内外、工程实施前后草原的鲜草产量、盖度的监测比较分析，对工程区内外高度、可食比例等指标的监测比较分析，从时间和空间上对退牧还草工程实施生态效果进行了监测评价，可看出退牧还草工程的实施，减轻了草原放牧压力，工程区草原植被平均盖度、高度、鲜草产量和可食比例与工程区外相比均有提高，工程实施后草原植被平均盖度、鲜草产量均比项目实施前有所提高。

常规的地面监测只能做到点上的监测，不能够代表整个面上的趋势，而3S技术的应用，完成了由点至面的评价，同时，遥感影像弥补了时间序列上草原数据的缺失，能够实现工程实施前后的比较，直观反映工程实施效果。

遥感影像需要与地面点监测结合分析［5］，因此，常年的地面监测数据积累也是很有必要的。本试验中未工程实施前后高度、牧草可食比例的数据比较，是由于在工程实施前没有对该区进行过草原监测，为了避免工程评价等其他草原评价工作缺少历史数据的问题，就需要各级草原技术推广部门未雨绸缪，具有大局意识，做好地面监测点的布局与日常监测工作。

［1］赵成章，贾亮红.退牧还草工程综合效益评价指标体系及实证研究［J］.中国草地学报，2008，30（4）：83-87.

［2］王岩春，干友民，费道平，等.川西北退牧还草工程区围栏草地植被恢复效果的研究［J］.草业科学，2008，25（10）：15-19.

［3］王立耕，豆卫，王炳煜，等.基于MODIS的河西走廊高平原荒漠草原区生产力遥感模型研究［J］.中国草食动物，2012，32（2）：59-61.

［4］贾坤，姚云军，魏香琴，等.植被覆盖度遥感估算研究进展［J］.地球科学进展，2013，28（7）：774-782.

［5］单丽艳，贠旭疆，董永平，等.退牧还草工程项目遥感分析与效益评价——以四川省阿坝县为例［J］.遥感技术与应用，2008，23（2）：173-177.

（编辑：高真贞）

S812.6

B

1006-799X（2016）11-0092-02

王炳煜（1984-），男，甘肃民乐人，畜牧师，主要从事天然草原监测与评价工作。