河南省天然草地清查遥感技术的运用和创新

2021-01-18张国启梁亚爽李鹏飞朱伟然郑爱荣李桂莲

河南畜牧兽医 2020年24期

张国启，梁亚爽，李鹏飞，朱伟然，郑爱荣，李桂莲，李黎

（河南省饲草饲料站，河南郑州 450008）

近30 多年来，河南省天然草地资源变化很大。草地资源状况、生态状况和利用状况等方面基本情况不清、数据不全，难以适应生态文明建设发展要求。同时，随着河南省农业农村生产结构调整的深入发展和人们肉食需求的不断变化，未来膳食结构的调整需要更多的草食畜产品供应。大力开发河南省草地资源，发展草牧业将成为必然的趋势。了解掌握河南省草地资源状况、生态状况和利用状况等方面的本底资料十分必要。

1 河南省草地清查基本情况

1.1 河南省草地资源清查具体要求

综合应用地面调查和空间信息技术，全面查清河南省草地资源的面积、区位、草地类型、草场等级、生态状况、利用现状等，绘制全省草地类型空间位置界线图和各类专题图。通过本次草地清查为提高草原精细化管理及生产，落实草地畜牧业政策提供数据支撑，为完成草地资源承载力监测预警、草地资源资产负债表编制和全面深化草原生态文明体制改革等任务奠定基础。

1.2 河南省草地资源清查技术手段

以覆盖全省的高分辨率多源航空航天遥感影像数据为主要数据源，包括我国资源3号、天绘系列和高分1号、高分2 号等卫星影像数据，收集、整合多行业草地专题调查数据，采用自动与人机交互影像处理、多源信息辅助判读解译、外业调查、空间数据库建模、统计数据空间化、多源数据融合、空间量算、地理计算、空间统计等方法，以内、外业相结合的生产模式，对河南省草地资源的边界、类型及资源、生态、利用状况等进行清查与建库。

2 草地清查的技术创新

传统的草地监测是采用统计学的方法进行地面调查，在待监测的区域设置适当数量的样方，并调查相应的指标参数，然后用样方数据代表同类草地的整体状况。这种方法费时、费力，难以实现偏远地区监测及快速资源调查评估的需要。随着遥感及其相关技术的出现，许多学者在不同尺度上将其应用到草地的范围界定、估产、退化评价和灾害预测等方面，由此产生了大量的模型、指标指数和其他研究成果，使动态、客观、及时的草地监测成为可能。

2.1 数据收集

收集和整理草地一调数据、第二次土地调查数据、全国第一次地理国情普查数据、地理国情监测数据、行政区域界线数据和时相好、分辨率高的遥感影像等资料。利用第一次地理国情普查数据、第二次土地调查数据、全省1∶10 000比例尺数字高程模型数据（DEM）、遥感正射影像数据、行政区域界线数据等基础数据，进行分析整理，并建立准确的空间坐标系统。

2.2 数字正射影像制作

本次卫星遥感影像采用国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心分批次下发的高分辨率卫星遥感影像，可最大程度地保证遥感DOM 的技术一致性。影像波段数应≥3个，至少有1 个近红外植被反射峰波段和1 个可见光波段。多光谱波段≤10 m。融合影像的空间分辨率不能小于单色波段空间分辨率。原始影像的获取时间在近3 年内，选择草地植物生长盛期获取的影像。影像相邻景之间有4%以上的重叠；无明显噪声、斑点和坏线；云覆盖量小于10%；侧视角在平原地区不超过25°，山区不超过20°。遥感DOM的几何纠正（配准）和正射纠正后地物平面位置误差、影像拼接误差，平地、丘陵地不大于5m，山地、高山地不大于10m。基于遥感DOM 进行目视解译时，采用彩红外彩色合成模式，即近红外、红、绿三个波段分别输出到红、绿、蓝三个波段合成彩色；影像有短红外波段时，采用近红外、短红外、红三个波段的彩色合成方式，与彩红外合成方式共同使用。

2.3 草地预判图制作

利用第一次草地调查数据，将地类按照标准整合为新地类，叠加第二次全国土地调查、第一次地理国情普查的数据提取融合结果，套合新制作的高分辨率遥感影像，重新对草地图斑进行解译。在大块草地图斑中，补充勾绘草地类型界线，主要参考最近的草地资源调查图件，初步判定图斑的草地类型，并计算图斑面积。综合图斑的影像特征，参考地形图、草地资源历史已有成果图件等，初步划定每个图斑的地类与草地类型，形成初步判读图。连片面积大于最小上图面积的人工草地图斑，按照草地资料逐块校核图斑边界。无法获取遥感正射影像的区域和遥感正射影像云层覆盖较多的区域，使用与调查比例尺一致的基础地理信息数据为基础，勾绘地物图斑。

2.4 样地预设

以县（市）为单位，根据预判的草地类型、相同类型草地的图斑数量和平均面积大小，以及园地、林地、裸地等易与草地发生混淆的非草地地类图斑数量等，确定各县（市）需要进行现场调查的各类型草地样地样方数量。不同程度退化、沙化和石漠化的草地上，分别设置样地。利用方式及利用强度有明显差异的同类型草地，分别设置样地。调查中出现疑难问题的图斑，需要补充布设样地。

2.5 样地调查

外业调查是获取草地植被特征、草原类型、综合植被盖度、产草量、草原退化状况等要素的主要手段。外业调查结合遥感影像特征，草地类型分布状况和交通条件，以乡镇为基本调查单位，涵盖主要地貌类型和所有草地植被类型，同时还要考虑调查区的显著地形、地物和主要特征。在分析和了解调查区域草地植被分布特征的基础上，选择和确定外业调查路线。

2.6 生物量估算

收集草地生长高峰期中低分辨率遥感影像，提取样本植被指数，建立不同草地型植被指数与最高地上生物量关系模型，应用遥感植被指数值和草原初分类数据，估测草原类型的产草量。本次建立模型时，将河南省全省分为4个区域分区（洛阳市、三门峡市、南阳市、焦作市），在每个区域分别按不同草地类来建立生产力模型，并保证每个草原类型表中具有NDVI 值和生物量（产草量）值。基于地面样地观测地上生物量，开展累积年净初级生产力与地上生物量间的相关分析，比较线性、指数、多项式等不同回归模型的效果，最终确定适合于特定草地类型的经验模型，找出近真值的模型，推广到全区域，实现整个河南省草地生物量的估算。

2.7 数据汇总

全省采用统一坐标系和投影系统，精确计算草地图斑边界、面积、周长、生产力、综合植被盖度等，并录入空间数据库。对草地地类图斑，按照样地调查结果和影像特征相似性，在图斑的预判地类属性基础上，逐个确定图斑的草地类型属性。对草地地类图斑，以样地调查的资源等级为基础，结合生产力监测数据，利用图斑影像特征相似性，逐个确定图斑的草地资源等级属性，并将各个图斑的草地类型、草地资源等级、草地退化等级属性上图。

3 草地遥感的经验与建议

3.1 高分辨率数据的应用

鉴于数据的可获得性和经济方面的考虑，目前在草地研究中主要使用的数据有MSS、TM、ETM+、AVHRR 和MODIS，其中前3 种具有较好的空间分辨率，但时间分辨率和光谱分辨率较低，而后2 个虽然在时间分辨率方面优势明显，特别是MODIS 还具有36 个通道的高光谱分辨率的特性，但它们的空间分辨率较低，在小尺度研究中误差较大，即使对于空间分辨率较好的TM 和ETM+，大多数光谱段也只能达到30 m 的分辨率，因此，在草地类型的精细划分以及毒害草的鉴别方面都存在一定的局限性。今后，随着光谱仪性能、数据存储技术等的提高以及使用费用的降低，各种高分辨率的遥感数据将被用于草地监测的各个方面，草地遥感监测的精度将会得到很大的提升。

3.2 多源数据的对比与融合

自从第一颗卫星升空以来，在空间技术和信息技术的推动下，已经形成了从低分辨率、中分辨率到高分辨率的卫星序列。高分辨率卫星影像虽然能更清晰地反映目标的结构和纹理特征，但也存在着数据量大、费用高，发射年限较短，不能进行长时间动态研究等问题。因此，可将不同来源的影像数据进行对比和融合，体现多源数据的整体优势。