内蒙古(2009-2010年)草原普查内业的技术方法*

高 娃,邢 旗,何宝贵,巴 金

(1.内蒙古草原勘察设计院,内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古锡林郭勒盟乌拉盖管理区草原监管管理局,内蒙古 乌拉盖 026300；3.内蒙古兴安盟科右中旗代钦塔拉兽医站,内蒙古 科右中旗 029400)

引言:

内蒙古草原在维护国家生态安全中占有重要位置,草原保护建设是构筑我国北方生态屏障的迫切需要,也是新时期实现可持续发展的历史重任。受气候变化及人为因素影响,草原数量和质量始终处于动态变化之中。内蒙古草原勘察设计院自上世纪80年代以来进行了全区第3次和第4次草原调查,调查成果为全区草原保护和规划管理提供了科学依据。近几年来国家在内蒙古实施了大规模的草原保护建设工程项目,各级政府及农牧民都加大了对草原的投入力度,国家和自治区政府特别关注这些大规模的生态项目对植被恢复产生的影响。为了加强草原保护和区域可持续发展需要,内蒙古政府决定在2009～2010年,利用2年时间全面开展全区草原资源普查,摸清草原资源变化情况。本文针对全区新一轮草原普查工作,在前人工作的基础上,进一步总结了3S技术和地面调查有机结合的草原调查的方法,为全区草原普查内业工作提供技术规范。

1 草原资源普查的目的

通过遥感、GIS、GPS结合地面调查的方法,订正全区天然草原分布的范围,清查草原类型及退化、沙化、盐渍化草原的空间分布及配置,测算草原产草量及载畜能力,分析评价近20年来草原资源变化情况；掌握近年来全区草原生态保护建设和政策措施,以及全区草原可持续利用的背景条件；以全区草原本底数据为基础,创建不同区域不同类型草原地理信息系统数据库。

2 草原资源普查技术路线

采用3S技术结合地面调查的方法。参照全国第一次草原调查分类系统,建立本次遥感调查的全区草原类型分类系统。通过遥感数据处理、地面数据的格式转换,历史资料的收集等,在地理信息软件环境中,进行判读解译、专业制图、数据统计及分析。以旗县为单位编辑底图及统计数据,逐级汇总到盟市及全区范围。提交的全区草原资源电子版图件及统计数据等成果清单,采用通用格式储存与标准数据库对接。

草原调查内业技术流程图

3 准备工作

3.1 组织准备

自治区草原普查领导小组办公室,按着外业工作的组织形式,抽调自治区、盟市相关人员组成若干技术指导组,培训、指导、检查及监督12个盟市草原普查内业工作。内业工作以盟市为单位开展各旗县的勾图、解译及统计计算、汇总等工作。由自治区草原普查领导小组办公室组织相关单位负责对内业图件及数据进行图幅接边、统计汇总等工作。并抽调草勘院、草原站、草原监理所、草原研究所等单位相关技术人员对全区各盟市内业成果进行数据复核、检查验收。

各盟市草原普查领导小组办公室负责本区域草原调查的内业组织和协调工作,根据内业工作任务制订工作方案和计划,抽调盟市、旗县技术骨干,组成强有力的内业工作技术组开展内业汇总工作。

3.2 技术培训

自治区草原普查领导小组办公室集中对参加草原普查的内业工作技术骨干进行培训,内容包括内业工作内容与方法、遥感影像判读解译、草原分类系统、地理信息系统软件操作、统计计算等。从事影像解译人员要具备3个条件:一是要具备遥感影像知识；二是要具有一定的实践经验；三是要对不同地区的土地利用特点有一定了解。

3.3 设备配置

计算机系统:草原资源专题数据采集遥感数据为主要信息源,操作和处理数据量较大,对系统配置要求较高。为满足操作需要,依靠高性能微机作为图像图形处理的硬件。建议配置为:主频:Pentium42.0GHZ以上；内存512MB以上；硬盘80GB以上的高端 PC机。有条件可配置图形工作站。

操作系统为 windows2000、windows2000XP系统；遥感图像处理主要为ERDAS、ENVI,图形矢量化主要为ArcGIS、ArcViewGIS软件；扫描与广谱性软件为Photoshop、RapidScan等。

4 草原分类系统及草原“三化”分级标准

4.1 草原分类系统

4.1.1 草原的范围

根据《中华人民共和国草原法》和已颁布实施的《土地利用现状分类》、国家标准界定草原的范围。

《中华人民共和国草原法》所称草原是指天然草原和人工草地。天然草原包括草地、草山和草坡,人工草地包括改良草地和退耕还草地,不包括城镇草地。

全国第二次土地调查采用《土地利用现状分类》国家标准GB/T21010—2007中,草地是指灌木覆盖度小于40%、乔木郁闭度小于0.1的以生长草本植物为主的土地为草地范畴。草地包括天然牧草地、人工牧草地和其他草地。

《土地利用现状分类》中下列土地确认为草地:(1)自然生长草本为主的土地；(2)人工种植、管理,生长草本植物的土地；(3)草本植物与树木、灌木混合生长无法区分,且以草本植物为主的土地；

(4)草地中,直接用于放牧、割草等服务设施的土地；

(5)用于对草本植物进行科学研究、试验、示范的草地；

(6)由于工程需要,改善生存环境等因素,农民整建制或部分移民,造成居民点和耕地自然生长或人工种植草本植物的土地；

(7)在居民点外的铁路、公路、渠道两侧,用于固定的、人工种植用于美化环境、绿化,生长草本植物的土地。

4.1.2 草原类型分类系统

根据本次监测草原类型分类精度为类(亚类)、型的要求,制定了本次内蒙古草原遥感调查的草原分类系统。其原则:保持和全国第一次草原调查一致的草原分类系统,便于与全国草原资源动态监测数据接轨；保持草地类型分类单位与遥感制图精度、信息源分辨率的一致性；反映对区域生产与生态中起主要作用的草原类型。参照《中国草地类型的划分标准和中国草地类型分类系统》规定,本次采用草地分类单位为类(亚类)、型。

草原分类系统参考上世纪80年代全国统一使用的分类系统,编制基于本次遥感调查的草原类型分类系统,即在保留有代表性的草原类型的基础上,归并同一大类中优势种基本相同的类型,注意具有特殊用途类型的保留。

4.1.3 草原类型勾图解译编码系统

草原类型勾图解译编码系统由6位阿拉伯数字组成,第1位数字表示草原类,编码为1～8；第2、3位表示草原亚类,编码为 001～019；后3位数字表示草原型,编码为000001～000267。如温性草甸草原类,平原丘陵草甸草原亚类,贝加尔针茅、羊草、杂类型,编码为101003,307118表示为温性荒漠草原类,平原丘陵荒漠草原亚类,中间锦鸡儿、沙生针茅、冷蒿型。

人工草地编码为2位数组成,第1位表示人工草地类,编码数字为9；第2位数字表示人工草地的类型,其中多年生人工牧草地为91,一年生人工饲草地为92,灌木人工草地为 93。水域编码为W,居民点为C,矿产开采地编码为M,其他非草地图斑编码为0。

4.2 草原“三化”分级标准及指标

4.2.1 草原退化、沙化、盐溃化分级原则及指标

草原退化、沙化、盐渍化调查是本次调查的一项重要任务。根据草原遥感调查的方法,参照《天然草原退化、沙化和盐溃化的分级指标》GB/T19377、《内蒙古天然草地退化标准》DB15/T323-1999、《内蒙古天然草地沙漠化标准》DB15/T340-2000,结合“三化”草原遥感调查的判读方法,规定了本次草原“三化”遥感调查标准及指标。

本次遥感调查“三化”草原分级划分原则为:一是考虑遥感宏观性的技术特点,设计指标简单易行,较客观的反映“三化”草原的规律和特点；二是依据野外调查的资料建立退化指标的解译标志；三是退化、沙化、盐渍化程度的划分在同一类草原内进行,按不同草原类型进行不同分级指标的判读解译。

草原退化、沙化、盐渍化分级指标的判定,要以未退化草原植被特征与地表、土壤状况等指标为判断“三化”草原对照基准。调查样地附近相同水热条件,植被状况接近原生状态植被的草原为未退化草原(如相同地区同一类型有历史调查记录的草原,经围封后已恢复的草原,自然保护区中合理利用的草原等)。

未退化草原与相同类型的草原相比,草群中优势植物和退化指示植物的种类、覆盖度、产量相对百分数的减少率作为重要的量化指标,同时还考虑地表状况。按不同草原类设置分级指标,根据不同草原类型、不同退化级别,确立基于遥感技术的“三化”草原分级指标。

“三化”草原程度划分为3级。草原退化分为轻度退化、中度退化和重度退化；土壤基质为沙质的退化草原分为轻度沙化、中度沙化、重度沙化；土壤盐碱化的退化草原分为轻度盐渍化、中度盐渍化、重度盐溃化。

内蒙古草原退化、沙化、盐渍化遥感调查分级指标见表1

表1 内蒙古三化草原的遥感调查分级指标

4.2.2 草原“三化”勾图解译编码系统

草原退化、沙化、盐渍化勾图解译编码系统采用2位阿拉伯数字表示,第1位数字表示草原“三化”的性质,编码为3～5,3为草原退化,4为草原沙化,5为草原盐渍化。第2位表示草原“三化”程度,1为轻度,2为中度,3为重度。如:草原轻度退化为31、中度退化为32、重度为33。

5 资料准备及数据处理

5.1 TM遥感信息源

以陆地资源卫星Landsat5、Landsat7的 TM数据为主,用于草原类型及草原退化调查。主要信息源2009年TM影像数据,分辨率为30m。时相似植物生长旺季,6～9月份为主,波段为4、3、2假彩色合成,校正误差应小于2个像元。底图投影选用等积割圆锥投影,即A1bers等面积投影方式。数据格式为TIF格式。

TM图像处理基本过程如下:

图像投影变换、几何精纠正、彩色合成、图像增强、镶嵌拼接、分幅裁切等处理。影像数据的质量要求:1、地物影像清晰；2、突出草原类型综合特征；3、周边影像畸变小；4、各类地物间色差大,色调差异明显。

5.2 MODIS遥感信息源

使用MODIS地球观测卫星(EOS)地面分辨率为250m,应用于草原牧草产量估算,进行全区草原植被变化趋势分析,时间为2001～2009年,时相为7～8月。MODIS数据需要进行图像精校正、植被指数(NDVI)归一化处理等,根据NDVI(植被指数)的计算原理,选取 MODIS第1、2波段〔波长分别为620～670微米(红)、841～876微米(近红外)〕,采用如下公式:NDVI=(NIR-RED)/(NIR+RED),得到NDVI(植被指数)分布图。

5.3 其他信息源

全区及各盟市旗县有关草原资源与畜牧业方面的图件及统计资料为辅助信息源。2001～2003年,全区草原遥感调查草原亚类电子图形及其统计数据；80年代比例尺为1∶100万《内蒙古草地资源类型图》及其统计数据,各盟(市)旗(县)1∶50万草地资源类型图,历史的草原调查报告和统计资料等。自治区、盟市、旗县行政区域界线由草原普查办公室统一提供。

5.4 野外调查数据处理

按旗县将野外测定的样地样方数据,通过“内蒙古草原地面调查数据录入汇总平台”进行录入及计算处理,并按照统一坐标将电子化野外属性数据,在该软件导出系统的支持下,转换为GIS图形数据。

6 草原遥感制图

6.1 阅读调查区的相关资料

遥感判读之前,应熟悉调查区域的自然、社会经济及草原资源利用方式与现状,草原资源分布的规律及区域分布的差异性。主要了解情况有:

自然条件概况包括气候、地貌、植被、土壤、水文等方面的情况。社会经济概况包括行政区划、人口、劳动力、农牧业生产比例、产值、土地利用现状等。畜牧业生产概况包括家畜种类、品种、数量、生产性能、饲养方式、繁殖方式、商品生产、草原建设、草畜平衡状况等。灾情统计资料包括发生灾害种类,面积、程度、防治、损失等方面的资料。

6.2 建立解译标志

目视解译目的是从遥感图像中获取需要的草原专题信息。草原的遥感波谱特征较为复杂,除了由于植物组成、结构的不同引起草原波谱特征不同外,还受到环境、大气、土壤质地、土壤含水量等诸多因素的影响。本次调查的影像解译系统是按着“内蒙古草原普查内业工作手册”规定的指标和标准,依据影像特征在完成预判及野外验证基础上,进一步根据影像反映的气候、地貌、植被、土地利用、人与环境的关系,找出影像与草原类型之间对应的特点及规律,确定草原类、亚类、型以及退化、沙化、盐渍化影像判读标志。

利用GPS全球定位仪获取的地面调查样地(样方)定位信息,经过“内蒙古草原地面调查数据录入汇总平台”将样地(样方)位置复合于经过几何精纠正后的 TM图像上,直接可以在遥感影像上查看地面调查样地的分布。图像的解译标志是遥感图像判读和数据提取的关键,包括遥感图像形状、色调、纹理、阴影、位置、布局及分辨率等要素。对于一些熟悉的地物,只需要1、2种解译要素就能辨别,而一些不熟悉的地区,则需要多种要素结合对地物的属性做出鉴别。

由于影像的时相及不同空间区域的气候、地貌、土壤等方面的差异,每一景影像色调的差别等问题,有时出现相同的草原特征而影像特征不同,不同的草原特征而影像特征相同等现象,因此,需要对每一景影像建立一个适合本幅影像特征的草原类型及退化草原专题解译标识,解决“同谱异物或同物异谱”现象。解译标志的确定是在解译人员积累多年草原资源研究与调查的实际工作经验,能够宏观掌握全区草原情况,对地面情况有一定了解,充分利用野外调查资料基础上进行。

6.3 人工屏幕判读勾绘

以旗县为单位根据解译判读标志对卫星影像进行解译和类型识别。利用GIS软件系统,在屏幕上按照草原分类系统、草原退化、沙化、盐渍化分级指标,勾绘草原类型、草原“三化”图斑,对每一个图斑加注全区统一草原分类系统、草原“三化”属性编码,准确定位、定性。

各盟市旗县遥感解译、勾绘统一采用Arc-ViewGIS软件系统。在ArcViewGIS软件环境下,以旗县为单位,遥感影像数据为背景,叠加野外调查的GIS图形数据、上世纪 80年代草原类型图、2001～2003年草原亚类图、草原退化、沙化、盐渍化图等,对调查区的草原资源分布规律进行综合分析,判读勾绘的图形包括草原类型图及草原“三化”分级图。

草原类型图勾绘解译:依据野外调查资料,草原类型图以旗县为单位,按着草原类型分类系统,在预判基础上,叠加野外样地资料、遥感影像等信息数据,参考当地过去的草原调查数据及相关的资料,按着野外调绘的草原类型工作底图,对预判的草原类型图进行进一步的修改校正。

草原退化、沙化及盐渍化图勾绘解译:根据野外样地调查资料,进行群落特征及其生境的分析,明确退化、沙化及盐渍化草原与未退化草原的关系,按“三化”草原分级指标,依据遥感影像特征、已定稿的草原类型及野外调查资料,进行草原退化、沙化及盐渍化分级解译及勾绘。

ArcViewGIS软件使用操作方法见第三部分《地理信息系统软件应用》

6.4 图像解译精度

基础地图采用1∶10万或1∶5万比例尺地形图和遥感影像图,面积较大的牧业旗可以采用1∶25万地形图和遥感影像图。图斑解译过程中边界漂移小于2个像元。为确保数据精确度,在遥感影像(TM 影像)上进行图斑勾绘时,最小上图面积为:面状图斑6×6像元以上；线状图斑(或狭长地物)宽度在2个像元以上。草原与非草原边界偏差小于2个像元,草原类型、草原“三化”等边界偏差平均小于6个像元。

6.5 图形编辑与审核

图形编辑是指消除图斑空号、重号,建立拓扑关系,相邻图斑接边、图形整合、分切等一系列编辑操作过程。依据遥感解译的方法,草原类型、草原“三化”划分的原则等对修改校正的解译图形进行审查。如地带性草原分布特征与调查区的气候带及地形走向是否一致；解译草原类型、草原“三化”图形与野外调查资料是否对应、解译结果的空间定位是否准确；图幅接边误差是否符合要求；采用多种互补方法进行审核,召集有关专家、熟悉当地草原情况的人员参与,进一步检查验证草原与非草原的图斑界线,草原类型、草原“三化”的图斑界线及其属性编码。审查合格后,确认定稿。矢量数据单元以旗县为单位组成,逐级拼接或切割。定稿的解译图形可进行面积量算等汇总工作。

6.6 面积统计汇总

编稿图定稿后,根据 1∶10万(1∶5万或1∶25万)工作底图的精度要求,按草原各类代码分别以旗县为单位利用计算机系统进行面积量算及统计汇总。由旗县汇总到盟市及全区。

草原总面积为草原图斑面积的总和。草原可利用面积是指草原总面积减去最小图像的小居民地,道路、冲沟、零星裸地、盐斑、流沙、小溪等地块面积之和的面积。这些地物占地面积因分布地区和地形不同而异,各地区参考不同地形草原利用系数,并根据当地实际情况采用合适的利用系数进行折算〔1〕。

草原面积平差精度根据国家测绘规范、规定进行。草原面积统计汇总数据注意与自治区第二次土地利用现状调查旗县的草地面积相衔接。

6.7 成果图件编制

草原专题图件有2种类型,一种是标准分幅的草原类型、草原“三化”电子版图,是基础图件,与调查地图比例尺相同；第二种是按行政区域编制的草原类型、草原“三化”挂图。图件统一采用规定的图式,以标准分幅的旗县电子图为基础编制,套合地理底图生成含有行政区域界限、草原类型属性,有道路、河流、湖泊、城镇等地理要素注记的电子图及挂图。旗县以上行政区域的图件以旗县图件为基础进行缩编。

最小图斑面积为4cm2；草地类型划分精度达90%以上；产草量测定精度达90%以上；草原退化调查精度达85%以上。

7 草原产量及载畜量计算

7.1 产草量计算

7.1.1 产草量计算方法

采用传统的草原产量计算结合遥感数据估测方法进行产草量计算。

传统的产草量计算方法,是在草原类型面积统计基础上,分别计算样地样方矮小草本、小半灌木及高大草本、灌丛(当年嫩枝)单位面积产草量,根据样地样方数据计算各区域各类型草原单位面积产草量,再根据不同行政区域草原类型面积计算该类型的总产量,最后汇总到整个区域。

遥感估测产草量方法,应用MODIS、TM数据的归一化植被指数(NDVI)处理,与其同步的野外调查样点资料相对应,按不同估产区域建立分区估产模型,估测各类型单位面积产量,进而计算各类型、各区域产草量。

用2种方法计算的产草量进行相互印证,产草量测定精度要达到90%以上。

7.1.2 最高月及平年产草量计算

野外测定的产草量系当时当地一次性测产,各类型单位面积产量应换算成最高月份和平年产草量。最高月份和平年产草量换算可依据月和年度动态变化系数,参照以往定位研究成果等资料,将野外一次测定的产草量换算成最高月、平年的产草量。确定丰、平、歉年的主要依据是降雨条件。找出年降雨量和产草量之间相对稳定的变动系数,计算相近的平年产草量。

最高月及平年产草量计算还可以依据不同年度、不同月份MODIS植被指数进行产量估算与核定。

7.1.3 产草量统计汇总

草原产量调查的各类数据、资料的汇总以旗县为基本单元。为了获得以行政单位为单元的草地实际产量,需要相应的行政界线数字图与草原生产力分布图叠合,用地理信息系统软件统计不同行政区域产草量。以旗县为基础,分别按草原类(亚类)型,退化、沙化、盐渍化类别进行统计。由旗县汇总到盟市及全区。

7.1.4 精度检验

在不同草原类型布设样点,通过实地抽查进行精度检验,评价草原产草量与测算结果的可靠性。估产与实际产量误差在10%左右视为合格。

7.2 载畜量计算

7.2.1 天然草原合理载畜量计算

用不同类型草原利用率、再生率、保存率及放牧时间、家畜日食量等基本参数,计算各类型草原季节或全年载畜量。天然草原合理载畜量计算参照《天然草地合理载畜量的计算》NY/T635—2002行业标准。按行政区域界线分别统计计算旗县、盟市、自治区不同草原类型冷季、暖季和全年的理论载畜量。

7.2.2 草畜平衡计算

将天然草原、人工草地、青贮和农作物秸秆等折算成饲草总贮量,计算不同区域总合理载畜量,将现有牲畜头数折成绵羊单位,计算出现实载畜量,合理载畜量与现实载畜量相减,算出载畜盈亏状况。

8 草原等级图制作及评价

8.1 草原等级评价

参照《中国草地资源》的中国草地资源评价原则及标准,按照《天然草原等级评定技术规范》NY/T1579—2007,依据草群的饲用品质和产草量评定草原资源质与量〔2〕。

8.2 草原等级图制作

按草原等级评价标准,对已定稿的草原类型图形变换为相应的草原“等”和“级”的图形编码,对部分产草量有差异的草原类型,其草原“级”的评定应给出相应的“级”差幅度。为了便于应用地理信息系统软件进行图形编辑与统计计算,图形编码用相应的阿拉伯数字代替,即草原五“等”按1～5,草原“级”按1～8编码。将草原“等”和草原“级”的图斑编码属性,合拼变换为具“等”和“级”并存的属性编码,编码为2位数。草原等级图审查合格后,确认定稿,以旗县级为单位进行草原等级进行综合评价。

9 内业检查

内业检查主要对各专业图进行严格检查。室内对各专业图遥感解译进行自检,自检为解译人员自己检查,合格后进行组内互检,互检图斑抽检率要达到90%。互检合格后,将解译成果送交到审核组,由审核组做抽样检查,抽检的图斑不得少于5%。审核组由草原普查领导小组办公室组织专家及相关人员组成,检查内容包括草原类型图斑,草原退化、沙化、盐渍化图斑,草原开垦图斑,以及图斑所对应的属性。

审核小组还要召集熟悉当地情况的盟市级,以及重点牧区旗县的管理、技术人员参与审查。不合格的图斑通过修改达到合格为止。

审核小组在第2年还要进行实地验证及审核:将解译的结果与野外样地样方建立的解译标志进行复核验证,验证解译指标与地面实际状况的匹配情况,同时对解译结果的空间定位,工作底图的地类及草原专题图、编码等准确性等进行核查。核查图斑抽检率2%～5%。

10 报告编写与成果分析

在完成上述各项成果图件和统计数据的基础上,全面分析和评价草原资源与生态现状和存在问题,提出保护建设和利用对策。文字报告主要内容包括:调查区自然、社会经济概况,各草原类型分布规律,草原面积、草原生产力现状及时空变化,草原“等级”评价,草原退化、沙化、盐溃化现状及成因分析,草原保护、利用、建设现状及存在问题,合理利用草原资源的政策、措施与建议。

11 提交成果

11.1 文字报告

《内蒙古自治区草原资源调查报告》；

《内蒙古自治区草原退化、沙化、盐渍化调查报告》。

11.2 图件

11.2.1 草原类型图

内蒙古自治区草原资源类型图(1∶100万)

分盟市、旗县草原类型图(1∶50万、1∶25万或1∶10万、1∶5万)

11.2.2 草原退化、沙化、盐渍化图

内蒙古自治区草原退化、沙化、盐渍化分布图(1∶100万)

分盟市、旗县草原退化、沙化、盐渍化分布图(1∶50万、1∶25万或1∶10万、1∶5万)

11.2.3 草原资源等级图

内蒙古自治区草原资源等级图(1∶100万)

分盟市、旗县草原等级图(1∶50万、1∶25万或1∶10万、1∶5万)

11.3 统计资料

自治区、盟市、旗县级草原类型面积、草原产草量、草原载畜量、草原退化沙化盐渍化面积、草原等级面积等统计资料。

11.4 数据库

建立2009～2010年内蒙古草原资源调查GIS数据库。

结论

针对第5次全区草原普查工作,论述了采用3s技术结合地面调查数据的草原普查内业技术方法,为从事草原工作者和研究者提供技术工具。本方法按着全国统一标准在野外调查的基础上,制定全区草原类型分类系统；在遥感目视判读草原类型及退化、沙化、盐渍化基础上,采用传统方法和遥感估产方法计算产草量,按着统一标准评价草原承载力和草原等和级,通过统计汇总分析完成各项成果。

〔1〕中华人民共和国农业部畜牧兽医司.全国畜牧兽医总站.中国草原资源〔M〕.北京:中国科学技术出版社,1995.

〔2〕章祖同.内蒙古草地资源〔M〕.呼和浩特:内蒙古人民出版社.1990.贾慎修.遥感技术在草原应用上的初步探讨〔J〕.中国草原,1983.

〔3〕郑威.陈述彭.资源遥感纲要〔M〕.北京:中国科学技术出版社,1995,6.