草原调查监测技术体系构建思路与主要任务

尹晶萍 付 尧 高志雄 刘晓波 王 蕾

（国家林业和草原局产业发展规划院，北京 100010）

我国地域辽阔，气候复杂，地形及海拔差别较大，加之人为因素影响，形成了多样化的草原类型。《2014年全国草原监测报告》[1]显示我国有各类天然草原面积近4 亿hm2，覆盖了我国2/5 的国土面积。草地是可更新的自然资源[2]，具有防风固沙、净化空气、涵养水源、保持水土、调节气温等生态功能[3]，也是重要的碳汇资源。面对新的历史发展机遇，详实而可靠的草原基本数据是开展草原保护修复治理、草原自然保护地确标立界、制定草原有偿使用方案、推进草原自然公园建设、完善草原承包经营制度、探索国有草场建设、计算碳汇储量等工作科学有效推进的重要依据。

1 草原资源监测背景

中国草原资源调查与监测内容包括查清草原的类型、生物量、等级、生态状况以及变化情况等；获取全国草原植被覆盖度、草原综合植被盖度、草原生产力的指标数据；掌握全国草原植被生长、利用、退化、鼠害、病虫害、草原生态修复状况等信息；每年发布草原综合植被盖度重要数据等方面的内容。

20世纪50年代期间，一些北方省市认识到了摸清草原家底的重要性，以政府为主导，组织开展了一批北方草原牧区草地的调查活动[4]。以内蒙古自治区为代表，先后对锡林郭勒盟、呼伦贝尔盟、伊克昭盟的草原、牧场、牛场、马场进行调查勘测，采集土壤及植物标本，测定产草量[5]。甘肃省对皇城滩、大马营草原、天祝高山草原等地进行了考察[6]。这一阶段的调查方法和手段相对简单，仅在局部对某类单一因子展开调查，调查因子、范围控制和精度要求都不完全相同，但调查成果仍然对指导当时的草地畜牧业、草地畜牧生产、重点牧场规划等重大决策起了关键性作用。

20世纪50年代末至70年代初，中国科学院组织了系列大规模区域性自然资源考察，这次考察是概查性质，以地形图控制、路线调查为主，初步查清了中国北方和青藏高原的天然草地资源，为这些地区的草地畜牧业生产建设与规划提供了科学依据[4-6]。

为了探讨草场形成和发展与周围环境等因素的生态关系，1979年以后，全国范围内开展第一次全国草原资源普查，仍旧由地方负责统筹组织技术力量，分片实施，统一汇总。本次相对详实的调查，运用了常规调查和遥感调查相结合的方法[7]，以县为单位，首次全面摸清了我国草原资源底数，在落实草原承包经营、开展草原保护建设利用等方面发挥了重要作用[4-5]。本次调查结果掌握了草场的自然属性和经济属性，促进了草地分类、草场生态系统及资源系统分区等基础理论的发展。1988年编制的《中国草地类型的划分标准和中国草地类型分类系统》在之后相当长的一段时期内指导了我国草地资源调查工作。草地资源调查新技术在这个时期的应用，推动了我国草地资源调查理论和技术的发展，同时培养了一批草地资源调查必需的分类学、植物资源学等方面的专业人才，奠定了我国草原资源调查的数据、技术和人才队伍基础。

2017年至2018年，采用NY/T 2997—2016《草地分类》《草地资源调查技术规程》两项新的技术标准，继续沿用20世纪80年代草地资源调查的“四度一量”的调查指标，结合遥感和地面植被调查，全国各省相继开展了“草地资源清查”，包括草地资源、质量等级，天然草地退化、沙化、石漠化程度，合理载畜量等草地资源现状[8]。调查主要包括底图制作、外业调查和内业汇总三个环节，利用先进技术天地结合（遥感与地面调查相结合）的手段，北京等地首次应用“便携式近红外草地植被盖度测量系统”，利用图像采集和识别技术对区域内草地植被覆盖度进行了高效、准确的测量[9]，但这次清查由于种种原因并未完成全国所有调查数据的最终汇总。

2019年，依托现有草原植被覆盖调查技术，以草原资源原有数据和第三次全国土地调查为基础，自然资源部组织实施了以综合植被覆盖指数为主的草原资源专项调查[10-11]。同时，为了建成自然资源日常管理所需的“一张底版、一套数据和一个平台”的目标，森林资源调查与国土调查开始进行预衔接，灌木覆盖度标准开始从大于30%调整为大于40%，根据《森林法实施条例》林地的定义，这次资源调查使草地与林地形成了互补关系。

2021年起，国家林业和草原局整合森林、草原、湿地等各类监测资源，首次以“三调”数据为统一底版、统一标准、统一时点产出综合监测成果，首次构建了无缝衔接的全国林草资源“一张图”，林草调查监测进入由单项资源监测向多种资源综合监测、由资源监测向资源与生态综合监测评价的转变，开创了我国林草调查监测新局面，首次实现了以国土“三调”为统一底版的森林、草原、湿地资源全覆盖监测，按统一时点、统一标准全面查清了全国和各省林草湿资源本底及生态状况。

2 草原监测技术发展

2.1 地面调查技术

自我国开展草地资源调查以来，地面调查便成为主要的技术手段之一。传统地面调查方法一直以样地调查和样方调查为主，通过样方获取的样地基本信息来说明整体。由于早期的草地资源调查主要服务于生产，因此调查的对象为草地的盖度、多度、高度、可食牧草系数、单位面积产草量和类型产草量[12]。草原资源地面调查技术随着调查目标要求的变化而变化。

20世纪50年代的首次草地资源调查，主要针对黑龙江、吉林、辽宁和内蒙古等地区的牧区草地，各地的政府负责组织此次调查，针对不同的区域，调查的范围、精度要求不一样，所要达到的目标和所使用的调查方法也各不相同，多以路线调查为主，随机性强，不具备典型性和代表性。

20世纪80年代初，四川省通过野外调查的方式，设立1 687 个草层群落样方，对四川的草原和草山资源进行了全覆盖调查。调查选取具有代表性的草场设置样地，样地规模不小于100 hm2，每个样地中设置的样方数量随机。样方大小共计3 种：1 m×1 m、2 m×2 m、0.5 m×0.5 m，另设置有20 m×5 m的样条[13]。内蒙古则是每4 000 ～6 666.67 hm2设置一个样地，路线距离6 ～8 km，每个样地控制面积为5 333.33 hm2或者8 000 hm2[14]。

至2007年，草原资源地面调查以大于100 hm2的样地为基础，样地要求植物群落典型且一致，样地间具有异质性。每个样地内沿任意方向，间隔距离大于250 m的固定距离设置不少于3 个的样方，100 m2的大样方可只设置1 个。样方形式有3 种：正方形（ 1 m×1 m、10 m×10 m）、长方形（20 m×5 m）和圆形（半径5.65 m）。样方大小有3 种：1 m2、2 ～4 m2和100 m2[15]。

2009年，内蒙古草原资源地面调查布设了主样地、辅助样地和观察样地3 种类型。在1 ∶10 万的地形图上每幅设置1 个主样地，重复设置3 次，辅助样地每幅平均布设6 ～8 个，对样地功能进行了提升。主样地内共设置13 个样方，其中3 个为分种测定样方，另外10个为记名样方；辅助样地也设置13 个样方，分别为记名样方（10 个）、分种测定样方（1 个）和不分种测产样方（2 个）。样方之间的间距为50 ～100 m。样方规格分为6 种，分别是0.5 m×0.5 m、1 m×1 m、1 m×12 m、2 m×2 m、4 m×4 m、10 m×10 m[15]。

2020年，我国首次统一了草原资源调查的相关技术规程和调查所使用的方法，规定以国土三调草原数据为基础，开展草原资源的地面调查工作。样地分为遥感大样地（北方区域样地大于100 hm2，南方区域样地大于10 hm2）和统计分析小样地（单个样地面积大于0.25 hm2），每个样地中设置的样方不少于3 个。样方面积规格分为5 种：1 m×1 m、2 m×2 m、10 m×10 m、10 m×5 m和5 m×5 m[16]。

表1 草原地面调查技术一览表Tab.1 The ground survey technical of grassland

2.2 遥感调查技术

自20世纪70年代以来，遥感技术迅猛发展，草地资源遥感调查更新了常规的调查方法和手段[7]，利用航空相片（黑白航片、彩虹外航片）和航天影像（MSSTMSPOT）基本特征参数，结合少量的地面实测，查清草地的类型和分布，从而确定草地的数量和质量。贾慎修等[17]人利用我国1 ∶4.5 万航空黑白全色片结合Mss4、5、6、7 黑白卫片和假彩色合成卫片结合实地调查核对，对河北省围场县后沟牧场的草场类型进行了调查实验，可有效地获得草场类型图、各类型面积，运用遥感、周期性收集卫星遥感资料，配合航片和地面实测，是草场调查实现快速、高精度、低成本的重要途径，基本解决了传统草地监测技术确性差、效率低、人力物力资源需求量大[18]的问题。

类型调查是20世纪80年代草地资源类型调查最基础的环节[19]，草场类型准确测定可以抽样估测各类层的年草总量、可食产量与适宜载畜量。遥感影像的正确预处理和判读、数据精确的统计分析、地面资料的科学收集，是草原遥感的3 个技术关键。1981年，在山西省利用多时相卫星影像通过目视解译的方法，将乔、灌、草准确区分，是“六五”科技攻关项目“遥感在内蒙古草场资源调查中的应用研究”一次大范围草地遥感资源监测的应用[20]，这次调查通过对MSS、TM影像技术处理和生物地学分析，使目视解译精度达到“草场型”一级精度。由于卫片起着缩宏作用，地物经过综合，划分的轮廓及类型非常准确，各草场类型的空间结构一目了然，能够准确反应人为活动所引起的草场退化、沙化范围及其程度，较同比例尺常规制图的精度大大提高。研究还开展了利用NOAA气象卫星资料在草场植物地上产量与绿度之间的模型建立试验，以解决大面积天然草场遥感估产及产量动态监测的问题。气候的遥感影像解译，天地结合考虑，增加了分类层次与类型。这次调查，形成了内蒙古自治区建立40年以来第一套比较完整的自然资源研究成果，是20世纪80年代内蒙古自治区草场等农业自然资源研究的基本总结，对当地的农业区划、草原管理、生产布局等事业提供了科考的基础资料，是遥感技术在草地资源监测上取得的重大进展。

20世纪90年代以来，草地遥感监测由单一目标向多元化方向发展。刘富渊等[7]总结TM波段比较值处理，如TM4/TM5 能够突出草地类型特征，缨帽变换处理后的影像包含绿度、亮度和湿度特征，绿度可以反映植物的覆盖度、叶面积指数及生物量大小，亮度可以反映土壤粒度大小，湿度则反映土壤的湿度，解译精度能够满足大规模草地资源调查的进度要求。李刚[21]结合地面实测FAPAR（植被冠层能量的吸收能力）数据，采用北京-1 号卫星影像和3 种MODIS Terra陆地产品对全球植被类型图的MODIS/FAPAR产品进行精度验证。研究表明，对于草地类型多样的中国，更多的野外试验资料能够促进不同草地类型FAPAR值精度的提高，而FAPAR值是定量碳通量、估算区域碳支出、寻找碳丢失的一个关键参量。为了构建草地资源监测系统，使监测结果得到更好的表达及应用，提高草地监测的综合分析与评价能力，任鹏等[18]人综合C#平台的优点，利用陆地资源卫星(Landsat)数据及中国的环境与灾害监测小卫星星座(HJ-1A/B)数据，构建了用户管理、基本的地图管理、产草量计算、载畜压力指数计算、土地利用动态度计算、土壤风蚀危险度计算等监测功能模块。随着我国航空航天事业“高分辨率对地观测”的发展，王磊[22]以高分一号影像为数据源，分析其波段设置、光谱响应函数和辐射分辨率等特征，提取草地分布状况，计算不同植被指数，结合地面同步观测的草地光谱、生物量、覆盖度、冠层高度和叶面积指数等实测数据，通过相关分析筛选最佳植被指数，建立回归模型。空间分辨率的提高，增强了地物类型的识别能力，对草地生长状况、退化预警及管理都具有重要意义。

2018年以来，我国的草地资源监测采用遥感解译调查为主、地面调查为辅的技术路线，建立草地资源专项调查数据库[11]，重点向在线核实现场调查数据真实性，充分运用大数据、云计算和互联网等新技术建立草原调查数据库等方向发展，更加注重“天空地一体化”组网监测技术和空间信息的表达。

3 草原监测短板分析

3.1 分类系统繁复，实际操作困难

1988 版的《中国草地类型的划分标准和中国草地类型分类系统》，草地类型种类繁杂，基层技术人员难以掌握，在实际调查过程中可操作性差，调查难度较大。而新的分类标准NY/T 2997-2016 是否合理，种类繁多的分类，如何取舍，各类型的调查频度是否需要保持一致，均是现代草原分类需要思考的现实问题。

3.2 调查方法原始，技术推广滞后

目前，草地调查技术、方法主要依据1988 版的《中国草地类型的划分标准和中国草地类型分类系统》，新的分类标准NY/T 2997-2016 仅在个别地区进行了应用，没有得到大面积推广，自然资源监测技术、人类对自然资源需求的变化、相关学科理论进展日新月异，监测内容、监测手段及监测结果应用也从单一向多元化、传统向现代化、学科内向跨学科、行业内向跨部门等方向发展[23]，亟须将国内外资源调查中的新技术和新方法进行整合和凝练，提出我国新时代行之有效的草原资源调查技术方法并进行有效推广。

3.3 专业人才缺乏，队伍流失严重

一方面，遥感技术应用于草原调查离不开与草场相关的专业知识，专业知识掌握得越深刻，对地面情况越熟悉、对资源性质和分布规律认识得越清楚，则解译精度越高，监测精度越高[20]。另一方面，我国草地主要分布在干旱半干旱和高寒高海拔地区，气候条件恶劣，资源调查难度较高，这就决定了大多数地区草原资源调查仅能在每年的七、八月开展，时间较短，任务繁重，对人力物力要求较高。而目前，我国林草基层调查机构较少，专业人员严重缺乏，职业技能和技术培训较少，难以满足信息化和现代化的草原调查监测需要。

3.4 监测体系落后，标准亟待完善

目前，我国仍没有建立起多维度、多功能、多用途的草原资源监测体系标准，草原数据更新不及时、林地和草地地类交叉使用、草原资源消长动态及变化趋势难以获取等问题没有解决，难以实现草原资源的科学管理[24]。而多部门出台的不同标准也使得林、草监测结果无法有机结合，因此构建全国草原资源遥感监测体系建设非常必要。

4 草原监测体系构建

4.1 重构草原监测分类体系

尽快整合《中国草地类型的划分标准和中国草地类型分类系统》《草地分类》《草地资源调查技术规程》《全国草原资源综合植被盖度调查技术方案》等现行各类草地、草原分类体系，重构适宜于自然资源管理的草原分类标准，各类型之间应有明确的指示辨识因素，能够指导草原资源调查监测，基层人员经过培训后可准确掌握，快速识别草地类型，可操作性强。

4.2 编制草原监测技术规程

我国森林资源基本实现了全国和地方森林资源“一盘棋”“一套数”，积累了大量的理论和技术经验，应积极借鉴森林资源监测经验，与森林、湿地、荒漠资源监测接轨，将自然属性、经济属性、社会属性[25-27]、草原的生态功能、草地资源生态价值等指标一并纳入草原监测指标体系[28-30]，根据不同调查区域，划分不同精度的调查要求，结合草原大数据管理平台[31-33]，建立和完善草原资源调查监测的指标体系，及时掌握草原资源数量与质量状况，明确南北差异化草原监测范围和调查方法。另外，草原资源调查监测指标内容应注重与自然资源管理衔接，保持一致，且应具有前瞻性，各指标能够为自然资源资产管理、生态补偿等提供基础数据，更好的实现草地生态保护与生产利用。

4.3 组建草原调查监测队伍

机构改革前，因工作重点方向不同，相对于其他自然资源监测，草原资源监测相对落后，机构改革后虽然国家级行政管理力量得到了强化，但市县级草原管理机构明显弱化，草原监督管理机构不健全，草原监管力量大幅削弱，各级草原技术力量流失严重，草地资源监测工作受到严重影响。而草原法律法规、政策、目标、规划的积极推进都需要监测结果的保障与支持。因此，组建专业的技术队伍，构建草原资源监测体系是当务之急。

4.4 构建分级监测网络体系

强化监测站点作用的发挥，形成以国家级固定监测站点为引导，省级固定监测样地为主体的地面监测网络。将现有的国家级固定监测点由“多而浅”浓缩强化为“少而精”，可采用与科研院所联合办站的方式，建成集方法研究、人才培训、科研攻关为一体的综合性站点。省级固定监测样地涵盖主要草地类型，固定监测路线和位置，倾向监测草地的生态功能。

5 结语

使用卫星遥感技术监测草原植被是非常有效的手段，运用遥感技术可以获取短周期、大范围且相对客观的观测资料；探索无人机草地动态监测技术[34-35]，进一步研究近地遥感监测草原资源可推广的方法和技术，实现草原生长、植被盖度变化等动态监测；开发信息共享和数据处理平台，实现卫星遥感信息共享、草原监测预警、数据加工处理和生成结果报表等多种功能，实现监测数据处理、报告编写等工作的程序化、精准化和效率化[36]；进一步加强草原监测技术创新，加快构建卫星+无人机+地面立体监测网络，实现“天空地”一体化。

以人工地面调查为补充，解决结构问题，调查草原资源本底，验证遥感判读的面积与类型，分析草原退化的原因、变化的机理性研究、对草原质量进行评价。

逐渐完善与林地一张图并轨的林草资源一张图数据库，达到通过遥感手段或者是地面调查获取的信息能够在数据库里落实的要求。包括数据的集成、数据库的建立（可以借鉴林业数据库的建库经验）以及对外输出、满足用户需求、形成报告及专题图。

综上，草原资源监测体系的构建是为了完善以遥感调查监测为主，地面调查为辅、以地理信息系统为技术支撑的草地资源一张图，从而更好地与森林资源管理“一张图”并轨成“林—草地资源管理一张图”。