基于3 S技术的若尔盖县草原沙化遥感监测研究

鲁 岩，唐川江，张绪校，张新跃，周 俗

（四川省草原工作总站，四川 成都 610041）

建国以来，伴随着经济的日益进步，科技的强劲发展，我国草原畜牧业取得了令人瞩目的骄人成绩。但是随着人民生活水平的提高，草原沙化等生态环境问题也日趋严峻，水土流失严重，草原沙化面积逐年扩大，全国有沙漠、戈壁、荒漠化土地约332.7万km2，占国土面积的31%，远高于世界水平。每年因土地沙化造成的直接经济损失超过540亿元人民币。草原生态环境的严重破环等问题极大地影响了我国草原畜牧业的可持续发展。就四川省而言，处于阿坝州西北部的若尔盖县的草原沙化情况尤其严峻，近年来原本生机盎然的草场出现了不同程度的退化，且面积不断扩大；原本就处于沙化边缘的严重退化的草原面积呈逐年递增的趋势，沙化形势每况愈下。

在这种背景下，怎样更好地解决草原沙化生态环境问题，已成为草地畜牧生产可持续发展的一个重要课题。而遥感技术、地理信息系统、全球定位系统的“3S”集成技术，正成为当今空间信息技术的发展方向和必然趋势。它能够提供大量综合、宏观、动态、快速、准确的信息，具有不可替代的优越性。本文笔者采用TM高空间分辨率数据遥感数据源，利用遥感数据的大范围、短周期、信息量大等特点，结合地面调查数据，对若尔盖县草原沙化情况进行了遥感监测，获取了若尔盖县草原沙化的数据结果，并对结果进行了精度评价。本次研究得出的结果可为进一步开展四川省草原沙化调查提供技术支持，为制定生态环境规划提供一定的科学参考。

1 研究区域概况

若尔盖县地处青藏高原末端，位于四川省阿坝州西北部，平均海拔3500m，属于黄河水系，气候为高原亚寒带温润季风气候，长冬无夏,雨热同季,气候寒冷干燥,日照强烈，昼夜温差大。全县现有天然草原面积1 212.6万亩（1亩约合667 m2，下同），占全县土地面积的79.2%，其中可利用草原面积为977.9万亩，占全县草原面积的80.65%，是川西北牧区的重要组成部分，四川省十大牧区之一，同时也是黄河上游地区重要的绿色生态屏障。

若尔盖县的草原类型多样，共有4类、12组、20个型，以高寒草甸草地和高寒沼泽草地为主，伴有高寒灌丛草甸草地和山地灌木草丛草地。2010年天然草原可食鲜草产量为38.78亿kg，天然草原理论载畜量为125.2万羊单位。

2 研究内容与方法

本研究以1∶105比例的若尔盖县地形图和四川省草原资源分布图为工作底图，以TM遥感影像数据为数据源，确定草原沙化调查路线，获取具有准确地理信息的草原沙化样本。利用3S技术将样本数据与遥感影像数据相结合，根据野外实际调查情况，结合草原植被、生态、土壤等特点，参照草原沙化程度分级标准，确立草原沙化有关因子与TM遥感影像的色调、纹理、分布、形状等特征对应关系，建立遥感图像草原沙化解译标志。采用室内人机交互解译的方法初步解译遥感图像，经验证修正后，获取若尔盖县草原沙化监测结果数据。

2.1 遥感影像预处理 本次选取若尔盖县2010年7、8月份的Landset TM影像为数据源，云量少于5%，基本无噪声。主要使用第4、3、2波段，空间分辨率为30m。

2.1.1 几何精校正和配准。以经过几何精校正的2000年TM影像为参考影像，通过二次或三次多项式校正模型对2009年TM图像进行几何精校正，公式如下：

在每景TM影像中选取30～40个空间尺度小、特征明显、易于识别、均匀分布的控制点，采用双线性内插法对图像进行重采样，图像几何校正和配准时的均方根误差控制在0.5个像元内，保证2个时相的遥感影像高度匹配，均方根误差如下：

2.1.2 影像拼接裁剪。扫描1∶105比例的若尔盖县地形图，并对各地形图进行配准、拼接，数字化若尔盖县边界，对具有投影信息的行政边界进行投影变换，投影类型与TM遥感影像一致。在地理信息软件中对TM影像进行裁剪，获取研究区域。遥感影像采用 R（TM4）∶G（TM3）∶B（TM2）合成标准假彩色影像。

2.2 地面调查 2009年8月，根据草原沙化分布的空间状况，选择了若尔盖县阿西乡、辖曼乡、唐克乡和麦西乡为重点区域，设置5条调查路线进行野外地面调查。调查路线贯穿了草原沙化分布的主要区域，包括未沙化区域、轻度沙化区域、中度沙化区域和重度沙化区域。在调查路线上选择有代表性的地段设置样点，在样点内设置样方，调查与草原沙化有关的主要因素，如沙化土地类型、沙化程度、地形地貌、土壤类型、植被信息等。

为保证调查结果具有准确性和普遍性，在选择样点区域时应尽量选在地势开阔、平缓的地方，选择远离道路、河流、村庄，并能够代表大范围的草原类型。

2.3 建立分级标准与解译标志 要对草原沙化进行分级，必须建立科学的沙化分级标准和解译标志，根据GB19377-2003《天然草原退化、沙化、盐渍化的分级指标》技术标准的规定，结合四川省天然草原的沙化特点，依据植被盖度、地表覆沙面积和状态等，将草原沙化分成四个等级：未沙化、轻度沙化、中度沙化、重度沙化。

对野外调查数据按草原沙化的四个等级进行分类整理，获取每种类型的野外调查数据样本。使用Excell工具将调查数据按沙化等级进行汇总、统计，并按照样方编号、次序与样方经纬度值一一对应。将野外实地调查的数据准确定位到TM影像上，获取各样方数据在遥感图像上所代表的影像信息，如色调、阴影、纹理、大小、形状等，分析后建立初步解译标志。经过实地验证，修正参数，最终确立草原沙化解译标志。草原沙化分级与分级指标见表1。

表1 草原沙化分级因子及TM影像目视解译标志

图1 若尔盖县草原沙化分布图

2.4 图像解译 确定解译标志后，在遥感图像上提取样本，利用ERDAS软件分类模块，采用人工交互式分类解译的方法对草原沙化区域进行图像解译，最终获取若尔盖县草原沙化的具体情况，再根据沙化等级像元数和分布情况，得到若尔盖县草原沙化的分布情况和面积等数据。结果见图1。

2.5 调查修正 按1∶105比例尺的地形图分幅，输出带有草原沙化图斑边界的遥感影像，给遥感影像叠加基础地理信息。选取一定比例的图斑进行核实，对区划有误的图斑边界进行修正。笔者对若尔盖县草原沙化TM影像的解译成果进行了检验，共布设样地95个，正判率为98%，误判率为2%，基本上达到了草原沙化监测的结果要求。

2.6 内业整理 根据调查核实结果，对原草原沙化图像数据文件进行修改，同时进行数据逻辑检查，生成新的矢量图形数据文件（包括空间数据和属性数据）。在地理信息软件上进行图斑面积求算，最终获得若尔盖县草原沙化监测的数据结果。如表2所示。

表2 若尔盖县沙化草原监测结果

3 监测结果

3.1 草原沙化情况 根据2009年TM遥感影像解译，得出若尔盖县共有沙地图斑319074个，面积为43.06万亩，占幅员面积的6.12%。其中，轻度沙化草原图斑有173642个，面积为23.44万亩；中度沙化草原图斑有101093个，面积为13.64万亩；重度沙化草原图斑有44339个，面积为5.98万亩。

3.2 草原沙化分布情况 沙化草原主要分布在若尔盖县境内黄河首曲和黑河中下游的麦溪乡、辖曼乡、嫩哇乡、阿西乡、黑河牧场，以及白河下游唐克乡的高寒草甸草地上，呈带状分布，以山丘迎风面和古河道附近区域为多发区，土壤以砂质土和沙壤土为主。若尔盖草原沙化主要分为三个条带，其主要特征为：

（1）第一条带：从境内西北部黑河下游沿西北向东南方向延伸，至中部阿西乡境内，断续延展80 km。沙丘群多分布于山脊北坡，呈长垄状，分布地海拔在3 400～3 500 m。最大单体沙丘长2.8 km、宽1.4km，主要包括麦西乡、嫩哇乡和阿西乡。

（2）第二条带：从辖曼乡所在地向南偏东方向，断续延伸50km。沙丘多呈南北方向分布于山脊的顶部。沙丘大小不等，多零星分布，以辖曼乡乡政府所在地附近最为集中。

（3）第三条带：唐克乡南部、白河下游东侧，呈面状分布，一直延伸至红原县境内。沙丘面积较大，一般长 1～3km，宽 1～2km，不连续，断续延伸。

4 结果分析

应用TM遥感影像开展草原沙化调查是一项综合性非常强的研究课题，是现代科学技术在实际生产工作中的重大应用。

4.1 正确区分各种草原沙化类型 若尔盖县各种类型的沙化草原在遥感图像上都具有独特的色彩特征，不易混淆，因此能够根据色调、形态和地理位置等特征对其加以区分。

4.2 充分利用了前人的工作结果 在分析TM影像结构特征和地理位置、环境背景的基础上，充分利用了以前土地调查、植被分布等相关图件，体现了遥感解译、资料参照和地面调查的有机结合，提高了调查的精度及准确度。

4.3 社会、经济效益显著 利用TM影像进行草地沙化遥感监测，大大减少了野外工作量，同时也提高了调查精度，节约了社会成本，其社会效益和经济效益是显而易见的。

4.4 存在的问题 比例尺相对较小，较小的地块较难准确划分，给图斑解译带来难度。TM影像的时相选择可能影响监测效果。由于时相的不同，解译中会造成沙化分级的混淆。因此选取最佳时相是成功监测的关键。目视解译是TM影像应用的最基本方法，在计算机上进行数字图像处理时，也需要目视解译作为基础。因此，解译者个人对当地环境的了解及工作经验、相关知识掌握等因素都会造成解译结果有差别，这些都可能影响到最终研究结果。建议在进行大范围监测之前，需要对人员进行培训，尽量减少工作误差。

[1]雍国玮，石承苍，邱鹏飞.川西北高原若尔盖草地沙化及湿地萎缩动态遥感监测[J].山地学报，2003，（6）：758-762.

[2]段世文.我国土地沙漠化趋势仍未得到有效遏制[R].全国政协“水与土地沙漠化”专题动态报道，2005.

[3]若尔盖县地方志编纂委员会.若尔盖县志[M].北京：民族出版社，1996：121-314.

[4]四川省畜牧局.四川省天然草地资源调查统计册[Z].1987.

[5]天然草原退化、沙化、盐渍化的分级指标[S].2004.