阿尔金山草地鼠害发生区及鼠荒地面积遥感估算

李培先 ,郑江华,3,倪亦非 ,吴建国 ,吾买尔·吾守 ,艾合买江·阿吉 ,那松曹克图

(1.新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046； 2.新疆大学智慧城市与环境建模普通高校重点实验室，乌鲁木齐 830046；3.绿洲生态教育部重点实验室，乌鲁木齐 830046； 4.新疆维吾尔自治区治蝗灭鼠指挥部办公室，乌鲁木齐 830001；5.新疆巴音郭楞蒙古自治州草原工作站，新疆库尔勒 841000)



阿尔金山草地鼠害发生区及鼠荒地面积遥感估算

李培先1,2,郑江华1,2,3,倪亦非4,吴建国4,吾买尔·吾守5,艾合买江·阿吉5,那松曹克图5

(1.新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046； 2.新疆大学智慧城市与环境建模普通高校重点实验室，乌鲁木齐 830046；3.绿洲生态教育部重点实验室，乌鲁木齐 830046； 4.新疆维吾尔自治区治蝗灭鼠指挥部办公室，乌鲁木齐 830001；5.新疆巴音郭楞蒙古自治州草原工作站，新疆库尔勒 841000)

【目的】运用“3S”技术对阿尔金山草地鼠害发生区和鼠荒地进行监测和解译，获得鼠害发生面积和分布，为研究区鼠害蔓延的防治及鼠荒地的治理提供参考。【方法】研究区Landsat8遥感影像，采用最大似然监督分类方法，初步分出鼠害发生区、草地、裸地、水体等地物，再添加海拔高度和植被覆盖度的训练规则，运用决策树分类方法，进一步从鼠害发生区中提取鼠荒地、鼠害发生区，鼠害潜在发生区，最后生成专题图。【结果】遥感估算得阿尔金山地区鼠害发生区面积为3 419.621 km2，其中鼠荒地面积1 376.476 km2，分别占到研究区的6.92%和2.78%，与2014年11月新疆巴州草原站实地调查估算结果相近，且有扩大趋势。【结论】鼠荒地或鼠害潜在发生区有沿水源边缘分布特征，鼠荒地与草地，裸地多呈镶嵌分布。鼠荒地和裸地、草地共存易形成混合像元，造成解译误差；最大似然法和决策树方法的结合使结果更符合实际调查。

“3S”技术; 阿尔金山；监督分类；决策树；鼠荒地

0 引 言

【研究意义】草原鼠害是有害啮齿类动物对草原资源及草原畜牧业产生的危害性影响[1]。草原鼠荒地指主要因啮齿类动物活动和超载过牧等原因引起草原严重退化的次生裸地，其植被覆盖度低于20%，地上植物生物量低于原生草原的20%[2]。草原鼠害监测预报仅依靠人工的采样调查虽然有较高的准确性，但费时耗力，存在时效性差等缺点，难以适应大范围实时监测的需求。结合多种现代技术有效监测鼠害发生区及鼠荒地面积与分布对研究区鼠害蔓延的防治、鼠荒地的治理以及草原植被生态恢复等具有重要意义。【前人研究进展】一些学者已运用“3S”技术(Geographic Information System，GIS；Remote Sensing，RS；Global Positional System，GPS)进行鼠害监测：黄建文等[3]利用TM影像，分析了天然梭梭林大沙鼠鼠害防治前后的土壤调节植被指数和植被生长状况，为鼠害防治管理和动态监测提供科学依据。何咏琪等[4]运用“3S”技术，确定了高程、坡度、坡向、草地类型、土壤类型、5～10月增强型植被指数6个鼠害监测模型因子，计算因子权重值和量化值，建立鼠害监测模型，提取了不同鼠害发生区和鼠害危害区的阈值，最终生成青海省草原鼠害模拟分布区，结果与实地调查的鼠害区域基本一致。徐正刚等[5]基于MODIS数据，提出通过分析洞庭湖区植被指数变动规律以确定评价时间的方法，选择增强型植被指数EVI进行鼠害的敏感性分析，确定了灾害阈值，最终采用植被指数差值法获得了研究区作物危害分布图与危害等级分布图。王玮等[6]指出满足草地鼠害监测要求的有TM和SPOT、Quick Bird等卫星遥感数据, TM影像是进行草原鼠虫害的研究主要数据。阿尔金山鼠害发生区属于新疆巴音郭楞蒙古自治州四大鼠害发生区之一[7]。该发生地分布有5个鼠害区，害鼠有灰尾兔(Lepusoiostolus)，大耳鼠兔(Ochotonamacrotis)、高原鼠兔(O.curzoniae)、柯氏鼠兔(O.koslowi)、喜马拉雅旱獭(Marmotahimalayana)、白尾松田鼠(Microtus(Phaiomys)leucurus Blyth(1863))等 17 种，均为寒旱型种类[8]。其中优势种白尾松田鼠有效洞口数 187.5 个/hm2，高原鼠兔有效洞口数 260个/hm2。相关高原鼠兔的生态学研究涉及与草甸植物群落的关系[9-12]、食物选择[13]、冬季死亡率[14]和行为模式[15]等，以及阿尔金山自然保护区高原鼠兔夏季微生境选择的主导因子分析[16]与食性显微组织分析[17]。贾婷婷等[18]得出：随高原鼠兔有效洞穴密度增加，样方内出现的植物种数逐渐增多，说明高原鼠兔活动增加了高寒草甸植物群落的物种丰富度，但增加物种主要是有毒的乳浆大戟、圆叶筋骨草、蓝花棘豆，以及适口性差的矮火绒草和兰石草，草甸质量变劣。马波等[19]得出：NDVI与洞穴数有显著正相关的线性回归关系:在无家畜竞争的自然环境中, 高原鼠兔有选择地利用植被较好的生境而避免使用植被过度退化的生境。【本研究切入点】对高原鼠兔生态学特性的研究可为更准确分析鼠害的空间分布提供参考依据，然而对阿尔金山鼠害发生区及鼠荒地的发生面积以及空间分布的研究却少有涉及。研究运用“3S技术”对阿尔金山草地鼠害发生区和鼠荒地进行监测和解译，获得鼠害发生面积和分布。【拟解决的关键问题】研究结合实地采集的GPS数据等，参照鼠害发生海拔、植被覆盖度的生境特点，利用研究区的Landsat8 遥感影像，采用最大似然监督分类方法和决策树分类方法提取鼠荒地、鼠害发生区，鼠害潜在发生区并统计其面积，分析鼠荒地和鼠害发生区的空间分布特征。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

阿尔金山鼠害发生区主要位于阿尔金山自然保护区境内低于海拔4 800 m的区域，行政区划隶属于巴音郭楞蒙古自治州若羌县和且末县境内。在保护区中是以高原有蹄类野生动物为主的高原荒漠生态系统[20]。年平均降雨量 100～300 mm，主要集中在 6～8 月，形成明显的雨季。年平均气温0～1 ℃，最热月平均气温8 ℃，最低温度在-30 ℃以下；土壤类型主要有山地棕漠土、高寒荒漠土、高寒荒漠草原土、高寒草原土和高寒草甸土等[16]。该发生区海拔在3 500 m以上，植物异常稀疏。4 000 m 以上的高山带为垫状优若黎、藏艾菊构成的寒漠，4 000 m以下的沟谷有水柏枝和小蔚构成的稀疏灌丛[21]。山地荒漠带的上限高达 3 100～3 300 m，以合头草荒漠为主，蒿属荒漠次之[7]。主要植被类型包括紫花针茅、垫状驼绒藜、硬叶苔草，以及棘豆、蒿子、冰草、草地早熟禾、芨芨草、合头草、黑枸杞、沙拐枣、琵琶柴、驼绒藜、鸢尾等。随着海拔升高和植被类型变化草地类型依次为、温性荒漠草原、荒漠草原、高山草原、高山草原和高寒草原的过渡带、高寒草原。表1，图1

表1 阿尔金山鼠害发生研究区坐标范围

注：研究区确定依据：1)包含实地调查路线和采样点，包含2015年新疆畜牧厅治蝗办提供的阿尔金山鼠害发生区。2)由高原鼠兔生境多发生在3 500～4 000 m海拔高度，研究区需覆盖阿尔金山该海拔区间

Note: the study range was determined by two reasons:(1) The study area need to contain the routes of field survey, sampling points, and the data of rodent damage rangeland in Altun Mountain grassland in 2015 provided by Locust and Rodent Control Headquarters of Xinjiang. (2) The study area need to cover the altitude interval from 3500m to 4000m in Altun Mountain grassland where the habitats of plateau pika(Ochotonacurzoniae) exist

注：研究区范围(绿色边框)；鼠害发生区估算范围，由巴州草原站和治蝗办提供(淡蓝色面)；野外调查路线和采样点(红线和黄色标记)；高原鼠兔和鼠害发生区照片(红色边框)

Note: the scope of the study area (green border).The estimation range of rodent damage rangeland was provided by Grassland Workstation of Bayinguoleng Mongolian Autonomous Prefecture (light blue area). Routes of field investigation and sampling points were shown with red lines and yellow marks separately. The photos of Plateau pika (Ochotonacurzoniae) and rodent damage rangeland were presented with red border

图1 研究区位置及采样点分布

Fig.1 The location and sampling point of study area

1.2 材 料

1.2.1 遥感数据及预处理

遥感数据为Landsat8 OLI数据，DEM数字高程数据为ASTER GDEM 30 m数据。表2

表2 研究区影像数据信息

遥感影像空间分辨率为30 m，时间分辨率为16 d，地图投影坐标系为 UTM-WGS84。影像选择考虑到其适用性(研究区云量<10%，无阴影条带),与调查时间2015年9月13～15日最接近的影像。选择日期在9月14日和9月5日的影像覆盖研究区的主体部分，与调查时间很接近。而8月22日与8月27日影像仅覆盖在研究区的两个边沿，与调查时间间隔小于1个月，对研究区鼠荒地解译的影响可以接受。

历史野外数据：新疆畜牧厅治蝗办提供的2014年阿尔金山鼠害发生区和鼠荒地GPS数据。

图像处理软件为ENVI5.1，ArcGIS10.0和Google Earth Free 7.1.4。

遥感数据预处理：对已进行系统辐射校正和地面控制点几何校正的Landsat8 OLI的影像进行辐射定标，图像镶嵌与裁剪，FLAASH大气校正；对14景DEM数据进行镶嵌与裁剪。

1.2.2 实地调查数据

经实地调查，鼠害发生区的优势鼠种为高原鼠兔，处于高寒草原和高山草原的过渡带，海拔基本在3 500 m以上，鼠害发生区主要植被类型：针茅、硬叶苔草、蒿子、冰草、草地早熟禾。徐瑶[22]得出在草场发生轻度退化的样方中，鼠害的发生率为 100%。草场退化加剧，鼠害发生的概率则随之减少。与此次调查的情况相同：在此次调查中发现的鼠害发生区，植被覆盖度都较高，部分达到70%，对鼠害发生区不同草种光谱数据的采集与分析，发现有较明显退化迹象。采用GPS采集研究区鼠害发生地、草地、鼠荒地、裸地等地物样本，作为训练样本辅助后期遥感影像解译。

1.3 方 法

1.3.1 最大似然监督分类(MLC)

基于参数化密度分布函数判别的最大似然方法MLC(Maximum Like-hood Classification)是遥感影像监督分类最常用的统计方法之一[23-24]。最大似然法与其他非参数方法比较具有易于与先验知识融合和算法简单而便于实施等优点[25],且具有较高的分类精度。

根据此次调查的实际情况和影像特点，将研究区地物分为：鼠荒地(粗分)、草地、裸地、水体、雪地、云和阴影。通过GPS数据、结合Google Earth进行训练样本的选择。具体为将部分实地采集的草地、裸地的GPS面作为验证样本，用于精度评价；将实地采集的鼠害发生区样本，结合巴州治蝗办提供的鼠荒地坐标点在Google Earth绘制60 m×60 m鼠荒地样本， 随机均匀选择一半为训练样本，另一半为验证样本，运用最大似然监督分类初步进行阿尔金山鼠荒地(粗分)解译和精度验证。

1.3.2 决策树分类

决策树方法主要是决策树学习和决策树分类两个过程。决策树学习过程是通过对训练样本进行归纳学习(Inductive learning) ,生成以决策树形式表示的分类规则的机器学习(Machine learning)过程[26]。通过对训练样本进行决策树学习生成决策树,决策树可以根据属性的取值对一个未知样本集进行分类,就是决策树分类[27-28]。

巴州复杂的地理自然环境，为各种鼠类提供了有利的生存条件，随着海拔高度和草地类型的垂直变化，鼠类的分布呈现出明显的垂直分异[7]。李叶等[16]指出对阿尔金山高寒荒漠草原高原鼠兔生境选择的主成分分析表明影响高原鼠兔生境选择的主要因子依次是海拔、盖度、植物种数和距道路距离。说明海拔高度是提取阿尔金山鼠害发生区的最重要因子。分析GPS数据对海拔高度的训练规则如下。

(1)鼠害发生区(3 500～4 000 m)：由此次调查，以及新疆畜牧厅治蝗办、巴州治蝗办提供的鼠害发生区GPS坐标数据确定。(2)高海拔潜在发生区 (4 000～4 400 m):指发现鼠害有局部发生的高海拔地区。由此次实际调查有鼠害局部发生(4 026～4 069 m),结合巴州草原站与治蝗办提供的鼠害局部发生GPS坐标(海拔4 409 m)确定。以及李叶等[16]于2012年7～8月在阿尔金山海拔高度为(4 122.25±139.48)m处做高原鼠兔穴居地样本实验。鼠害潜在发生区说明鼠害发生有局部扩大趋势。(3)低海拔潜在发生区(3 250～3 500 m): 指发现鼠害有局部发生的低海拔地区。由巴州草原站与治蝗办提供的鼠害局部发生GPS坐标确定(最低海拔3 238 m)。(4)未确定发生区(>4 250 m or <3 250 m)：高原鼠兔生境选择在植被高度、植被密度、坡度、海拔高度、植被类型和土壤硬度等生态因子方面差异都有统计学意义(P<0.01)[16]。所以仅依靠海拔高度无法确定是否发生鼠害，定为不确定发生区。在该海拔高度内有适合高原鼠兔等鼠种适宜的生境，也可能变成鼠害潜在发生区。

由草原鼠荒地“植被覆盖度低于20%”的定义[2]作为鼠荒地的提取规则。

2 结果与分析

2.1 最大似然监督分类方法粗分鼠害发生区

鼠荒地(粗分)包括鼠害发生区，鼠害潜在(局部)发生区，鼠荒地等，因为训练样本中包含鼠害发生区，鼠害潜在(局部)发生区，鼠荒地信息；另外分类中可能造成的鼠荒地与裸地混分，鼠害发生区与草地之间的混分等。作为初步分类。

从混淆矩阵中得出总体分类精度为86.67%，Kappa系数为0.81。鼠荒地的生产者精度为85.37%；用户精度低，为31.25%，错分误差高。混合像元造成了鼠荒地与裸地、草地的错分现象。从影像解译图中鼠荒地空间分布上看，也说明鼠荒地和草地，鼠荒地与裸地都有交集，镶嵌分布，符合实际的调查情况。图2

2.2 决策树分类方法细分鼠害发生区和提取鼠荒地

对鼠荒地(粗分)结果进行基于海拔训练规则的决策树分类，分离具体鼠害发生区和未确定发生区，减小错分影响。进一步对结果运用决策树分类，添加植被覆盖度小于20%的训练规则，减小草地对鼠荒地造成的错分误差，从鼠害发生区中提取鼠荒地。图3

图2 2015年新疆阿尔金山地区鼠荒地潜在分布卫星影像解译

图3 2015新疆阿尔金山地区鼠害发生区分布卫星影像解译

首先运用基于NDVI的像元二分法选择不同的阈值计算植被覆盖度，用ArcGIS计算出从0%～10%到90%～100% 10个等级；再结合实地调查目测法，照片比对，进行实际调查结果和不同阈值下计算结果的误差分析。选择的NDVIsoil和NDVIveg的阈值分别为累计贡献率的5.2%和99.5%时各误差率相对最低。表3

然后绘出植被覆盖度等级图。图4

表3 不同阈值下基于NDVI像元二分法计算的草地覆盖度及其误差

图4 2015年新疆阿尔金山地区植被覆盖等级

最后，按决策树方法进一步得出鼠荒地解译图并进行面积统计。得出2015年新疆阿尔金山地区鼠荒地空间分布图，阿尔金山地区鼠害发生区面积为3 419.621 km2(512.943 17万亩)，其中鼠荒地面积1 376.476 km2(206.471 43万亩)，以及潜在鼠害发生区面积。将图2、图5与Google Earth影像进行比对发现鼠荒地及鼠害潜在发生区有沿阿牙克库木湖与阿其克库勒湖周边分布以及沿山地河流边缘分布的特征。 图5，表4

2014年巴州草原站由实地调查GPS点勾画初步计算的阿尔金山草原鼠害面积已达3 466.667 km2(520万亩)，严重危害面积(鼠荒地)约1 333.333 km2(200万亩)，且有继续扩大的趋势。这与2015年遥感估算得到的面积相近，但鼠害发生区及鼠荒地在空间分布上并非成片的面状分布(图1)，而是由生境等多因素决定的点状或斑块状分布，呈现出与草地，裸地互有交集，镶嵌分布特点。图5

2015年鼠荒地遥感估算面积比2014年多出3.24%，为43.143 km2(6.471 43万亩)，尤其鼠害潜在(局部)发生或活动区的大面积出现，说明鼠害有一定扩大蔓延的趋势。

图5 2015年新疆阿尔金山地区鼠荒地及鼠害发生区分布卫星影像解译

鼠害地类型Thetypeofrodentdamagerangelands面积(km2)Area面积(万亩)Area(104mu)占研究区比(%)Ratio鼠荒地137647620647143278鼠害发生区(3500～4000m)204314530647174413高海拔潜在发生区(4000～4400m)6334533950179951281低海拔潜在发生区(3250～3500m)87092313063842176未确定发生区(>4400mor<3250m)471203170680465953其它341078365116175466898

注：研究区总面积为49 444.944 km2( 7 416.741 65万亩)。Landsat8 OLI影像单个像元的实际面积为900 m2≈0.001 km2故面积(km2)保留三位小数。实际工作中多使用(万亩)单位，故进行换算；0.001 km2=0.000 15万亩，面积(万亩)保留五位小数

Note: the whole study area is 49,444.944 km2(7,416.741,65×104mu).The single pixel area of Landsat8 OLI image is 900 m2≈0.001 km2, so the area/ km2keep three decimal. The unit of mu is used more often in practical work because of 0.001 km2equal to 0.000,15×104mu. So the area/ 104mu keep five decimal

3 讨 论

此次监测完成了研究区鼠害发生区和鼠荒地分布及面积的提取。但从影像方面看，30 m空间分辨率下只能通过适当波段组合后不同地物的颜色和深浅来区别，造成训练样本选择的目视误判。区分草地、裸地、鼠荒地的四景镶嵌影像时间不同也对影像的自动解译造成误差。由于阿尔金山鼠害研究区属无人区，海拔高，空气较稀薄，山路崎岖或无法通行，给样本的采集带来很大困难，造成严重鼠荒地训练样本少，对鼠荒地的解译精度造成一定影响。可考虑引进无人机航拍技术对鼠害区进行监测，提高解译精度。

4 结 论

4.1 从影像解译效果和方法上:30 m中空间分辨率的landsat8 OLI数据针对鼠荒地和裸地的用户精读依然较低，最主要原因是鼠害发生区与草地、鼠荒地与裸地存在共存现象。30 m中空间分辨率的影像对阿尔金山草地和裸地区分基本可行，但共存现象和混合像元，造成较多错分。针对鼠荒地高原鼠兔为主要鼠害，进行生境因子分析，将海拔高度以及植被覆盖度作为训练规则，运用最大似然监督分类和决策树方法相结合提取鼠害发生区、鼠害潜在发生区以及鼠荒地。使结果更符合实际调查。

4.2 从鼠害发生区及鼠荒地的空间分布来看，鼠荒地或鼠害潜在发生区有沿水源边缘分布的特征，且鼠荒地与草地，裸地互相有交集。与黄倩等[1]得出的高原鼠兔和大耳鼠兔主要沿河谷阶地，阳坡或避风的洼地分布，鼠害草原多呈镶嵌分布的结论相近。鼠害潜在分布区(4 000～4 400 m)、(3 250～3 500 m)的局部鼠害发生，其危害程度和面积估算等需要进一步实地验证工作，为有效预防鼠害蔓延扩散提供依据。

4.3 从鼠害防治上看，阿尔金山草地鼠害发生区和鼠荒地面积大并有一定扩大趋势，对当地草原生态环境势必造成负面影响，需进行及时有效的鼠害监测和相应防治工作，同时鼠荒地宜进行合理的草地植被生态修复，以实现阿尔金山草原畜牧业的可持续发展。

致谢：感谢新疆维吾尔自治区产学研联合培养研究生基地—新疆维吾尔自治区畜牧厅治蝗灭鼠指挥部办公室和新疆巴州草原站与治蝗办的大力支持与协助！

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Estimating Area of Grassland Rodent Damage Rangeland and Rat Wastelands Based on Remote Sensing in Altun Mountain, Xinjiang, China

LI Pei-xian1,2, ZHENG Jiang-hua1,2,3, NI Yi-fei4, WU Jian-guo4, Wumaier Wushou5,Aihemaijiang Aji5,Nasongcaoketu5

(1. College of Resources & Environmental Sciences，Xinjiang University, Urumqi 830046, China;2.KeyLaboratoryofCityIntellectualizingandEnvironmentModelling,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China; 3.KeyLaboratoryofOasisEcology,Urumqi830046,China; 4.LocustandRodentControlHeadquartersofXinjiangUygurAutonomousRegion,Urumqi830004,China；5.GrasslandWorkstationofBayingolinMongolAutonomousPrefecture,KorlaXinjiang841000,China)

【Objective】 Monitoring and interpreting grassland rodent damage rangeland and rat wastelands in Altun Mountain with 3S technologies can acquire area and distribution of grassland rodent in order to provide a reference in grassland rodents control and management.【Method】Landsat 8 remote sensing image of study area were classified preliminarily into pest occurrence area, grassland, bare land, body of water and others by supervising classification of maximum likelihood classification. Then rat wastelands, rodent damage rangeland and rodent damage potential (local) occurrence area were extracted from preliminary pest occurrence area by decision tree classifier based on rules about altitude and vegetation coverage further. Finally, the thematic map of grassland rodent damage rangeland and rat wastelands was made and occurrence area was calculated.【Result】The area of grassland rodent damage rangeland and rat wastelands in Altun Mountain were 3,419.621 km2and 1,376.476 km2, accounting for 6.92% and 2.78% of the study area, which is similar with the estimated result of Bazhou Prairie Station in November, 2014. And the area of grassland rodent damage rangeland has the trend of expansion.【Conclusion】It is a characteristic that rat wastelands, rodent damage rangeland and rodent damage potential(local) occurrence area are along with the edge of the water, and the rat wasteland, the bare land and the grassland are mostly of mosaic distribution. The coexistence of the wasteland and bare land, grassland is easy to lead to a mixed pixel interpretation. The combination of the maximum likelihood supervised classification and the decision tree method to extract rat wastelands, rodent damage rangeland and rodent damage potential (local) occurrence area makes the results more consistent with the actual survey

"3S" technologies; Altun Mountain; supervised classification; decision tree; rat wasteland

10.6048/j.issn.1001-4330.2016.07.023

2016-03-20

新疆维吾尔自治区治蝗灭鼠指挥部办公室委托项目“新疆草原生物灾害遥感监测”(2014～2015)；新疆维吾尔自治区高层次人才计划(104-40002)。

李培先(1991-)，男，新疆伊宁人，硕士研究生，研究方向为草原生物灾害遥感监测，(E-mail)15894623722@163.com

郑江华(1973-)，男，浙江江山人，教授，研究方向为遥感与地理信息系统应用，(E-mail)zheng_jianghua@126.com

S443

A

1001-4330(2016)07-1346-10