基于3S技术的草原类型提取分析——以阿巴嘎旗为例

王晓栋， 宛 涛， 毕力格吉夫， 解 玮

(1.内蒙古农业大学草原与资源环境学院，呼和浩特 010018；2.内蒙古自治区草原勘察规划院，呼和浩特 010051；3.内蒙古财经大学工商管理学院，内蒙古 呼和浩特 010070)

1 引言

1.1 研究意义

草原是土地类型中的一种，也是木本和草本饲用植物与其着生的土地构成的自然综合体[1]。同时，草原也是一种自然资源，涵盖了空间、数量和质量的结构特征，主要用作畜牧业生产资料。草原还具有防风固沙、涵养水源、保持水土、净化空气等重要功能，因而被形象化为“地球衣被”。人们依据各自不同的侧重点对草原进行了多种的定义。在我国，习惯上视“草原”、“草地”、“草场”为同义词。我国草原面积位居世界第三，总面积约3.55×108hm2，占国土面积的41.7%[2]。内蒙古国土面积的67%为草原，约8600×104hm2，占全国草原面积的27%。近年来，由于气候变暖、过度放牧等自然因素与人为因素，使得全区草原不断退化，加重了草原土壤侵蚀，大幅降低了草原生产力[3～4]。利用“3S”技术研究草原资源状况，有助于更好地掌握草原资源本底数据，为严格依法治草和全面深化草地生态文明体制改革提供数据支撑，为生态环境保护和国土整治提供科学依据，对科学合理利用草原、保护草原具有十分重要的意义。

1.2 国内外研究现状

草地资源及其生产管理越来越依靠先进的手段和方法来控制。遥感与地理信息系统相结合将为全球草地资源的管理提供全新的手段和方法。草地遥感科学研究的主要对象是草地资源和信息，主要研究范围在草地生态系统区域和全球变化尺度上。在国外，美国、苏联等发达国家最早将遥感应用于草原调查研究中，其理论和技术一直处于世界领先水平。进入21世纪以来，随着计算机技术不断发展，传感器性能不断提升，GIS、GPS和相关专业软件不断改进，国外应用卫星遥感进行草原监测已经从初步探索走向成熟应用，而且技术水平还在不断完善，监测能力也在继续增强。我国在草地科学中应用遥感技术虽起步较晚，但发展较快，遥感综合调查在新疆、甘肃、宁夏、内蒙古、山西等省开展工作以来，遥感技术在草地资源调查、分类、制图和产量估测中的应用已取得了比较丰硕的成果。如今，遥感已经成为我国草地科学前沿研究的领域之一，我国利用遥感资料基本查清了调查区草地资源的类型、分布、产量估测、面积和利用现状以及草地与环境演变状况，为合理利用和经营草地资源提供了科学依据，并取得了巨大的社会经济效益。

1.3 遥感解译理论基础

1.3.1遥感解译原理

遥感技术的理论基础是电磁波辐射,各种地物因其理化性质不同可以产生或反射不同特征的电磁波。地物的光谱特征与遥感影像的色调、形状、大小、纹理结构及其组合规律等特征有着良好的相关性。遥感图像的各种特征是不同地物波谱特性的混合显示，通过对影像上地物各种信息特征的分析，能够准确地判断相应地物的性质和大小范围，为草原遥感提取相应信息提供理论依据。草原遥感的判读原理与其他再生资源一样，是利用其光谱特征、生态环境及季相规律等在遥感影像上的反映，基于地学分析通过气候、植被、社会经济等各种因素的综合分析，来分辨判断遥感图像的地物光谱特征。此外，包括地面测定的主样地、辅样地及观测样地在内的野外调查数据是遥感判读的主要依据，专家经验及历史资料是重要的参考信息，地面信息与遥感影像特征之间建立的有效判读标志是草原遥感调查编制各类型草原专业图的关键环节。

1.3.2图像分类原理

目前，应用遥感技术监测土地利用类型变化主要采用面向像素的分类方法，应用统计学的方法对遥感图像进行分类。从分类前是否经过训练样本训练这一角度，可以划分为监督分类和非监督分类。监督分类属于自顶部向下的知识驱动法，需要先学习再分类；非监督分类则是一种自底部向上的数据驱动方法，与前者的主要区别在于是否有知识的参与。本次研究主要是以监督分类为主，通过已知类别的训练区内像元属性特征来判别其他区域像元的属性类别。训练区内像元分类通过目视解译法进行。

1.4 本研究的目的

通过对阿巴嘎旗草原的遥感解译，对草原的地貌资源等进行一系列的分析，对于草原的各种地貌增减进行相应的对比。通过对比以及解译出来的数据，分析草原的基本现状，为草原的进一步生态保护与利用提供理论支撑。

2 研究方法

2.1 研究区域概况

阿巴嘎旗位于内蒙古锡林郭勒盟中北部，东与东乌旗、锡林浩特市为邻，南与正蓝旗接壤，西与苏尼特左旗毗连，北与蒙古国交界，国境线长175km。全境南北长约260km，东西宽约110km，总面积2.75万km2。系蒙古高原低山丘陵区，地势由东北向西南倾斜，平均海拔1127m。从地形上可划分为低山丘陵、高平原、熔岩台地、沙地4个类型，兼有多种地貌单元组成的地区，没有明显的山脉和沟壑，地势呈波状起伏，东北高西南低。中温带半干旱大陆性气候，冬季寒冷漫长，夏季温凉短促，春秋两季多寒潮大风，冷暖剧变，昼夜温差大，降水量少，蒸发量大；年均温度0.7℃，相对湿度59%，年照时数3126.4h，年均降水量244.7mm,无霜期103d，降雪期217d。

2.2 地面调查

野外取样是地面调查的主要任务。通过地面调查样地样方数据，为遥感解译建立判读标志，同时为解译结果进行精度验证提供数据基础。样地设置在草原生态与生产中有价值、面积较大、分布广泛、代表性强的草原类型中，兼顾具有特殊经济价值和一些特殊地形地貌，并考虑在室内判读过程中对具有一定面积且影像特征较均匀一致的地段。每个样地设置10个1m×1m样方：3个为分种样方，分别测定植物种类名称、高度、盖度、多度、生物量；另外7个样方为频度样方，只记录样方中每个植物的种名和出现次数。在有灌木区域还要设置10m×10m的灌木样方。此次调查样地共147个，其中80%用于遥感解译，20%用于解译精度验证，分布情况见图1。

2.3 数据源获取及处理

阿巴嘎旗草原资源普查采用的遥感数据包括2017年6～10月覆盖全旗的Landsat8的7个通道及全色波段TM影像数据，目视解译采用LANDSat8，经过大气校正、辐射校正等环节，并与全色波段融合形成空间分辨率为15m的正射影像数据集。合成影像数据采用5通道、4通道、3通道为主要合成方案，个别地区融入中红外等通道，最终进行影像拼接、裁切等。

2.4 遥感判读解译方法

2.4.1建立解译标志

在遥感影像上，不同的地物有不同的特征，这些影像特征是判读识别各种地物的依据，这些都成为判读或解译标志。解译标志包括直接解译标志和间接解译标志(表1)，直接判读标志包括形状、大小、颜色和色调、阴影、位置、结构(图案)、纹理、分辨率、立体外貌；间接判读标志包括水系、地貌、土质、植被、气候、人文活动。

2.4.2解译方法及流程

本次研究利用Arcgis软件，以外业样地为基础，采用目视解译与计算机自动识别相结合的信息提取技术，进行人机交互解译，准确获取草地范围、类型等信息。

2.4.3精度验证

精度验证是判定图斑分类结果正确率的重要环节。为保障遥感解译精度，完成解译工作后将20%的未参与分类解译的样地数据用于精度验证。通过对草原亚类分类精度结果的统计分析，解译正确率达到了95%以上。

2.4.4制图

按照国家基本比例尺地形图分幅和编号标准(GB/T13989-2012)，采用“2000国家大地坐标系”、Albers和高斯-克吕格投影方式，以旗县为基础单元制作标准化调查专题图。

2.5 技术路线

本研究统一使用ARCGIS为主要的地理信息系统专业软件，采用阿尔伯斯投影坐标，主要依据野外调查资料及遥感影像特征，通过人机交互式目视判读解译的方法进行草原类型判读与勾绘，具体采用的遥感解译技术路线如图2所示。

3 结果与分析

3.1 草原亚类分布情况

通过人机交互式遥感解译方法，最终获得解译结果：阿巴嘎旗共分布有9个草原亚类，分别是平原丘陵草甸草原亚类、平原丘陵典型草原亚类、山地典型草原亚类、沙地典型草原亚类、平原丘陵荒漠草原亚类、草原化荒漠亚类、低湿地草甸亚类、盐化低地草甸亚类和沼泽化草甸亚类，分别隶属于草甸草原类、典型草原类、荒漠草原类、草原化荒漠类和低地草甸类等5大草原类，分布情况见图3。

3.2 草原类型面积

在阿巴嘎旗草原亚类中，面积最大的是平原丘陵典型草原，为226.55×104hm2，占全旗草原面积的82.74%；其次是沙地典型草原亚类，面积为27.91×104hm2，占全旗草原面积的10.19%；再次是低湿地草甸亚类，面积为6.92×104hm2，占全旗草原面积的2.53%；其他依次是盐化低地草甸亚类、平原丘陵草甸草原亚类、平原丘陵荒漠草原亚类、沼泽化低地草甸亚类、草原化荒漠亚类和山地典型草原亚类，面积分别为6.05×104hm2、2.38×104hm2、2.09×104hm2、1.45×104hm2、0.44×104hm2和0.02×104hm2，各占全旗草原面积的2.21%、0.87%、0.76%、0.53%、0.16%和0.01%。可见，阿巴嘎旗草原涉及到了内蒙古所有地带性草原类，包括草甸草原、典型草原、荒漠草原，其中典型草原最多(见图4)，占全旗草原面积的92.94%，面积254.48×104hm2；典型草原和荒漠草原面积分别是2.38×104hm2和2.09×104hm2，分别占全旗草原面积的0.87%和0.76%。非地带性的低地草甸类面积是14.42×104hm2，占全旗草原面积的5.27%，是阿巴嘎旗面积第二多的草原类，最少的是草原化荒漠类，面积0.44×104hm2，占全旗草原面积的0.16%。由此表明，阿巴嘎旗草原是分布在内蒙古草原的过渡带上，地貌以平原丘陵为主，典型草原是该旗的主要草原类型。

3.3 阿巴嘎旗草原动态分析

与2000年相比，阿巴嘎旗草原面积增加了近3.73×104hm2，十年间草原各项保护措施起到了决定性的作用，草原类型有了很大变化(表2)：沙地草原减少了近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；盐化草甸减少了7.33×104hm2之多，盐碱化也得到了相应的改善；湿地草原减少了近0.8×104hm2，水位的下降是造成湿地减少的主要原因。

表2 阿巴嘎旗草原类型动态变化

4 结论

4.1阿巴嘎旗草原以典型草原为主，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为主，草原亚类主要是平原丘陵典型草原。

4.3经过十年的草原保护建设，阿巴嘎旗草原面积增加了近3.73×104hm2，其中平原丘陵典型草原增加了近22.33×104hm2，沙地草原、盐渍化草原和湿地草原分别减少了近3.8×104hm2、7.33×104hm2和0.8×104hm2。