基于3S技术对河北坝上地区草原害鼠宜生区划定研究——以丰宁县为例

高登满 李铁龙 王利民 李艳华 闫科技 赫 磊

（1.河北省丰宁林管处草原林场，河北 丰宁 068350；2.山西省林业和草原局，山西 太原 030000）

河北省西部环山，北部是坝上高原，东临渤海，东南部是华北大平原。全省总面积18.77万km2，现有草地约4.74万km2，占全省总面积的25.25%，其中可利用草地约有4.11万km2，占草地总面积的86.78%。而河北坝上地区拥有130多万km2的天然草原，约占全省草原总面积的30%。河北省草原害鼠年危害面积4.32万km2，占全省草原总面积的8.6%，草原害鼠都是植食性种类，不同种类的食性存在差异，蝗虫的分布与植物分布有关；不同草地类型有不同的蝗虫类群发生，蝗虫优势种类也常因植被类型的不同而有所差异。许鹏等人研究发现蝗虫群落结构与宜生区内的草地类型紧密相关。河北省草原害鼠最高虫口密度达917头/m2，平均虫口密度达50.5头/m2，其灾害已经成为我省重要自然灾害之一，需进行综合防治。

草原害鼠宜生区是指适宜于某种草原害鼠生长发育的区域。该区域应具有相同或相似的生态环境，草原害鼠形成一定种群数量，可能形成危害。草原害鼠危害可造成草地退化、沙化、水土流失，造成草地生产能力的下降，草地生态环境日趋恶化。因此，要充分利用现代化的技术手段，把防治草原害鼠的工作由长期的被动防治转变为有计划的主动防治，建立起有效的草原害鼠宜生区监测体系。

3S技术的发展为草原害鼠的监测和防治提供了新的方法和技术支持。3S技术是以RS（遥感，remote sensing）、GIS（地理 信息 系统，geographic information system）、GPS（全球定位系统，global position system）三者独立技术中的有关部分与其他高新技术领域的相关部分有机构成一个整体结合而形成的一项新的综合技术。倪绍祥等自1996年以来在青海湖地区利用3S技术对草地蝗虫的发生、动态变化规律、蝗虫的预测模型、预测系统等方面都进行了探索研究。3S技术已广泛应用于病虫害的预测预报方面，实现了很多常规方法无法达到的技术要求，节省了大量人力物力，取得了丰硕的成果和宝贵经验。而将3S技术应用于草原害鼠宜生区划定方面的研究还未见报道，本试验通过运用3S技术对蝗虫宜生区不同生态因子进行量化，从而确定各生态因子对蝗虫发生的宜生指数，获得草原害鼠宜生区域分布图，为后续草原害鼠的有效防治提供依据。

1.研究方法

1.1 试验地概况

丰宁满族自治县位于承德市北部，介于东经115o55'～117o23'，北纬40o54'～42o01'之间，平均海拔1050米。自然地貌由东南向西北呈阶梯性增高，分为坝下浅山区、接坝深山区、坝上高原区三个不同类型的地貌单元。全县草原面积大约有44.13万公顷，占土地总面积的50.4%。该县是河北省草原害鼠为害严重的区域，年发生草原害鼠为害总面积约2.33-2.67万公顷。

1.2 试验方法

1.2.1 生态因子选择

本研究主要选择了非生物因子，包括气候因子（温度、降雨量）、草原类型立地类型（坡度、坡向等）等。

1.2.2 数据准备

a. 收集整理多年地面调查数据

根据选择的生态因子整理调查数据：如样点的地理位置、海拔高度、坡度、坡向、植被盖度、地上生物量、草原类型、土壤类型等信息。

b. 收集专题图件

收集行政区划、土壤类型、草原类型、地上生物量、数字高程、温度、降水等基础图件。

c. 遥感影像

选用由农业农村部全国畜牧总站提供的2015年8月LandsatTM8影像，影像进行了校正和重投影处理。

d. DEM影像数据

数字高程模型（Digital Elevation Model），简称DEM，它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型。亦由农业部全国畜牧总站提供的空间分辨率为90m的SRTM-DEM。DEM除了包括地面高程信息外，还可以派生地貌特性（包括坡度、坡向等），以及计算地形特征参数（包括山峰、山脊、平原、位面、河道和沟谷等）。

本研究中按照丰宁区域经纬度查找DEM数据文件。使用ERDAS 的Mosaic Images工具对涉及丰宁的两幅DEM影像进行拼接和重投影，保持与遥感影像的坐标和投影一致。

1.2.3 生成宜生指数图

a.量化地面抽样数据

根据草原害鼠种群数量和危害次数对草原害鼠发生程度进行量化，见表1。

表1 草原害鼠发生程度量化值

b. 对不同生态因子进行量化

依据不同生态因子对草原害鼠发生的影响程度，对各项生态因子地面抽样数据进行量化，定性数据分属性量化，定量数据分区间量化。丰宁的草原类型就属于定性数据，坡度数据为定量数据。

c. 建立宜生指数模型

利用地面抽样数据，采用多指标综合加权模型，建立生态因子和草原害鼠发生程度量化数据间的宜生指数模型。各因子加权值为1。

式中n为宜生因子个数；Wi为第i个生态因子的权重；Ei（X，Y，Z）为空间上任何一点的宜生指数；SR（X，Y，Z）为综合宜生指数

实例模型:本次丰宁宜生区划定试验点采用的模型是

（$n1_grass*0.7+$n3_precip*0.3）*$n2_slope/100

草原类型（grass）、降水（precip）分别占0.7和0.3权重线性加权，之后坡度作为发生规律协同因子。模型在ERDAS环境下输入完成后进行保存，点击模型按钮进行运算。

d. 宜生指数复合运算生成宜生指数图

利用ERDAS软件Modeler中的Modeler Maker模块，按照建立的模型，将各生态因子生成的量化栅格图进行空间运算，生成宜生指数图。

图1 宜生指数图运算模型

2.研究结果

2.1 丰宁县草原害鼠宜生指数图

按照上述方法对丰宁县全境草原基于草原类型、气候、土壤、坡度、坡向、海拔等各方面因素，以及2015年TM8影像，利用创建的模型在ERDAS软件环境下进行运算，得出了丰宁县草原害鼠宜生指数图，即图2。

图2 丰宁县草原害鼠宜生指数图

从宜生指数区域图的分布情况可以看出，草原害鼠在丰宁县的各乡镇都有分布，并且在各乡镇的分布多少和位置各不相同；从图中各地区不同颜色可以明显看出，草原害鼠宜生区主要分布在丰宁坝上及接坝地区，尤其以大滩镇、鱼儿山镇、外沟门乡、草原乡分布比例较大，宜生指数较高。

2.2 丰宁县草原害鼠宜生指数属性表

由图3可知，丰宁县草原害鼠宜生指数分级较多，各层次的草原害鼠宜生区占据像元数（一个像元=30*30米）在各级的分布各不相同。其中，宜生指数为35的像元数值最大，有851399个，合计76622.08公顷；宜生指数为0的像元数值最小，有50101个，合计4508.86公顷；宜生指数为3、5、10、15、20、35、45、50的像元数均已超过两万。像元数越大，宜生区草原害鼠分布面积越广，数量越多。

图3 丰宁县宜生指数属性

3.讨论

在蝗虫危害的动态监测中，有蝗灾规律与环境相互关系的机理研究和草原害鼠空间分布型与抽样技术、物理化学监测技术等方面的研究。但是这些传统的监测方法实时性差，对于大范围的宏观动态监测不能进行，要明确特定生态系统的可入侵性以及入侵与灾变的关系是很困难的。预测的方法主要有观测法、实验法、数理统计法等，实验法和观测法的工作量大，实验法一般用在中、短期预报，时效期很短，而观测法的可靠性又差，数理统计的范围有限。本研究采用了“3S”技术，宜生区用GPS采集足够的样点数据做支持，并与TM影像数据进行耦合，最后在地理信息系统中进行数据处理，成为保证宜生区准确划定的重要技术手段。

草原害鼠发生和消长的影响因子较多，很多研究中采用的蝗虫生境监测指标有植被盖度、草原类型、土壤类型、降雨量等方面，也有利用遥感技术获取与蝗虫密切相关的各种生境因子，结合GIS技术研究蝗虫的生境因子对东亚飞蝗生育周期的影响机理。而本研究则较全面地采用温度、降雨量、草原类型、坡度、坡向等因子作为主要影响因子，并结合了样点的地理位置、海拔高度、坡度、坡向、植被盖度、地上生物量、草原类型、土壤类型等信息，还对行政区划、数字高程等基础图件进行收集，并选用由农业农村部全国畜牧总站提供的2015年8月LandsatTM8影像，农业农村部全国畜牧总站提供的空间分辨率为90m的SRTM-DEM。按照丰宁区域经纬度查找DEM数据文件，使用ERDAS 的Mosaic Images工具对涉及丰宁的两幅DEM影像进行拼接和重投影，保持与遥感影像的坐标和投影一致,最终得到了丰宁区的草原害鼠宜生指数图。

本研究结果与实地调查的草原害鼠分布区域基本一致，技术方法可行，省时省工，准确性高，能够作为草原害鼠宜生区的划定研究的技术方法。“3S”技术具有高度的实用性和方便性，在草原害鼠宜生区划定研究中草原害鼠的信息系统可以快速更新，可以为草原害鼠监测管理部门提供草原害鼠防治的决策依据，具有广泛的应用前景。该方法既加快了对草地资源的宏观监测速度，又能够快速、准确地反映草原害鼠的动态变化；可广泛应用于草原害鼠的监测研究中，为草原害鼠危害的预测预报工作提供新思路、新方法，并且可以作为河北省草原保护建设新技术应用的一项成果。

结论

经分析，丰宁县的草原害鼠宜生区域指数图得知草原害鼠宜生区主要分布在丰宁县的坝上及接坝地区，大滩镇、鱼儿山镇、外沟门乡、草原乡分布比例居多，宜生指数较高。本研究结果可以准确快速地进行草原害鼠的宜生区划定，具备向整个坝上地区推广应用的基础条件，可作为河北省草原保护建设新技术应用的一项成果，建议结合蝗虫种类对宜生区划定作进一步研究。