呼伦贝尔草原典型区1989年～2010年草地覆盖变化遥感研究

冯威丁，肖鹏峰，冯学智，常潇，杨永可

(1.南京大学 地理信息科学系，南京 210023；2.南京大学 江苏省地理信息技术重点实验室，南京 210023)

1 引 言

遥感技术的出现，以其能从不同的时空尺度不断地提供多种地表特征信息的独特优势，受到了地学研究者的青睐[1]。因此，诸多学者利用遥感技术对呼伦贝尔草原开展了相关研究。利用TM等遥感数据对该地区的研究表明，呼伦贝尔草原20世纪90年代以来草地覆盖面积呈逐年减少的趋势[2-3]，草地质量明显下降[4]，草地覆盖退化严重[4-6]。结合历史资料和遥感数据的研究表明，近几十年来呼伦贝尔草原的沙漠化日益严重[7-10]，2004年时沙漠化面积已达土地面积的25%[9]，实地的调查研究报告也印证了呼伦贝尔草原严重的沙化情况[11]。此外，呼伦贝尔草原的土地覆盖类型相互转换频繁[3，12]，多为草地覆盖向耕地、林地及裸地类型转移[3]。但有学者预计，2012年～2020年土地利用/覆盖相互转换的速率将会有所减缓[13]。

已有研究多针对呼伦贝尔草原草地覆盖变化的某一特定现象，如草地覆盖与其他土地覆盖类型的相互转换、草地覆盖的结构特点等单独进行研究，需要进一步对呼伦贝尔草原草地覆盖的现状、空间分布格局等进行整体和系统的研究。本文通过对呼伦贝尔草原典型区草地覆盖的空间分布格局、草地覆盖中各类型时空特征、草地与其他土地覆盖的相互转换以及草地覆盖的变化趋势进行了定量分析，试图阐明呼伦贝尔草原典型区的草地覆盖分布特征及时空变化规律，为呼伦贝尔草原生态保护和草地资源的开发利用提供科学依据。

2 研究区和数据

2.1 研究区概况

研究区位于内蒙古呼伦贝尔草原腹地，地处北纬48°48′～北纬50°12′，东经118°22′～东经121°02′，研究区总面积约2.35×104km2。涉及的行政区划主要包括内蒙古海拉尔市、陈巴尔虎旗和鄂温克族自治区的大部分地区以及新巴尔虎左旗和牙克石市的部分区域。研究区内年平均降水量240mm～350mm，年平均气温-1℃～2℃，为典型的温带半干旱、半湿润区。春秋风大少雨，冬季干燥寒冷，夏季温凉短促，旱灾频发[14]。

研究区内土地覆盖以草地为主，东南部有林地分布，西部有两条沙漠带：分布于海拉尔河沿岸的北部沙带和东起伊敏河西岸的南部沙带[9]。较大的河流有海拉尔河、伊敏河和辉河。草原地势平坦开阔，牧养方式以自由放牧为主[15]。植被覆盖多中生和旱生耐寒的根茎、丛生禾草及杂草，代表性植物有贝加尔针茅、日阴菅、羊草、线叶菊、隐子草、樟子松和黄柳等，其中优质牧草在草群中所占比例在30%以上，对畜牧业发展十分有利[16]。

2.2 数据及预处理

本研究的数据源是1989年、1994年、200年7和2010年的4期Landsat TM影像和1期2000年的Landsat ETM+影像(表1)，空间分辨率均为30米。由于1994年TM影像东南部存在少量云遮盖，所以用1993年9月10日TM影像替换1994年的有云区域影像数据，其余影像的云量均为零。其中，1989年影像的获取时间为5月下旬，2007年影像的获取时间为6月上旬，其余年份影像的获取时间为9月份。5月～9月份是呼伦贝尔草地覆盖生长的旺盛阶段，可以有效表征草地的植被覆盖度。使用遥感影像进行分类时，以Google Earth平台提供的大量高分辨率卫星影像和实地照片作为地面参考数据，辅助选取分类所需的训练样本及验证样本。为了避免因遥感影像获取的时相不同而对分类结果产生影响，在分类时对不同月份的影像采用了不同的样本选取标准和不同的分类阈值。

表1 Landsat遥感数据

所有的TM/ETM+影像均采用假彩色合成(RGB 432)方式显示。首先利用影像头文件提供的增益值(Gain)和偏置值(Bias)，将原始影像的DN值换算为反射率，并拉伸为0～1000之间的数值，采用FLAASH模型对TM/ETM+反射率值进行大气校正；然后以1989年的TM影像为参考对其余4幅影像进行几何精校正，RMS误差不超过0.5个像元；最后对影像进行裁剪，得到所需的研究区影像。

选取对于植被覆盖分类敏感的TM/ETM+的1～4波段数据，作为主要的分类数据源。并利用第3和第4波段数据计算了NDVI值，统计分析研究区NDVI值普遍较低，如1989年NDVI值均值为0.27，标准差为0.061，2000年NDVI值均值为0.37，标准差为0.078，不受NDVI饱和现象的影响，可以作为第2个分类数据源。同时，由于遥感影像的波段间往往存在着较高的相关性，对某些影像的信息提取来说存在数据冗余和重复，而主成分变换可以达到去相关、进行特征提取和数据压缩的目的[17]。因此研究中对TM/ETM+的1～4波段数据进行主成分变换，并提取前3个主成分数据(PCA 1，2，3)，作为第3个分类数据源。在分类中，根据分类精度确定最佳的数据源组合。

3 研究方法

3.1 土地覆盖分类

分两步获取呼伦贝尔草原典型区的土地覆盖类型分布图。首先采用最大似然法将影像分为草地、耕地、城镇、水体、林地、裸地和湿地7类土地覆盖类型。选取训练样本区域时，利用高分辨率卫星影像和实地照片作为地面参考数据，且每类训练样本区域的数量不少于15个，以保证样本的准确性。由于“同物异谱”现象的存在，特定土地覆盖类型的影像特征可能存在较大差异；因此将草地、林地和耕地等主要地物类型拆分为光谱相似性较高的2～5个小类，分别选取训练样本，单独进行分类。然后将分类结果合并为所需的7类土地覆盖类型。最后经过分类后处理获得初步分类结果。

为了进一步研究草地覆盖中的类型构成及时空变化，将上述初步分类结果的草地按覆盖度细分为低覆盖度草地、中覆盖度草地和高覆盖度草地3类。本文采用基于NDVI的亚像元模型[18-19]计算草地的植被覆盖度Fc(公式1)，并取草地覆盖的NDVI最大值为式中NDVImax，取草地覆盖的NDVI最小值为式中的NDVImin。

(1)

根据国家标准(GB19377-2003)[20]中对天然草地退化的定义、级别和指标，参考高清等[21]采用的草地退化遥感监测与评价指标，确定本研究区1994年、2000年和2010年的中、高覆盖度草地临界值为0.65，中、低覆盖度草地临界值为0.3。进一步地，由于研究区1989年影像的获取时间为5月下旬，2007年影像的获取时间为6月上旬，处于为草地生长旺盛期[22]，而其余年份影像的获取时间均为9月份，草地长势处于衰败期[22]。1989年和2007年影像的草地覆盖度显著高于其余年份影像的草地覆盖度[23]，为避免因季相不同为引起的分类误差，将草地覆盖度临界值做相应调整：由于草地覆盖度随季节变化呈现显著的周期性变化[24-25]，满多清等[26]研究不同覆盖度草灌植被的季节性变化时表明，覆盖度较低的植被随季节起伏变化较小，覆盖度较高的植被随季节起伏变化较大。同时结合已有相关研究的草地覆盖分类方法[21，27]，最终确定调整后的参数把1989年和2007年的中、高覆盖度草地区分的临界值调整为0.75，中、低覆盖度草地区分的临界值调整为0.35。依据上述方法将初次分类结果的草地类型细分为低覆盖度草地、中覆盖度草地和高覆盖度草地，获得最终的呼伦贝尔草原典型区土地覆盖类型分布图(图2)。

3.2 分类精度评价

对获得的土地覆盖类型分布图进行精度评价，随机选取五百多个样本点，将分类结果与高分辨率卫星影像和实地照片进行比较，制作混淆矩阵，并计算每幅分布图的总体精度和Kappa系数(表2)。结果显示，研究区土地覆盖分类的总体精度在84%～89%之间，Kappa系数均在0.68以上，可以利用已有分布图对研究区草地覆盖的空间格局及时空变化特征进行分析。

表2 研究区土地覆盖类型分布图精度评价结果

图1 研究区土地覆盖类型分布图

3.3 草地覆盖类型转换

利用ArcGIS软件分别将研究区相邻时相的土地覆盖类型分布图进行叠置分析，获得1989年～1994年、1994年～2000年、2000年～2007年和2007年～2010年的草地覆盖与其他土地类型的相互转换图，图3(a)为草地覆盖转换为其他土地类型的时空分布，图3(b)为其他土地类型转换为草地覆盖的时空分布。同时，根据草地覆盖转换图统计了草地覆盖与其他土地类型转移矩阵(表4)。

4 结果分析

4.1 草地覆盖的时空特征

1989年～2010年呼伦贝尔草原典型区的草地覆盖面积占研究区总面积的70%以上，而且总体呈逐渐减少的趋势：1989年为17159.66km2，1994年为16556.76km2，2000年为15308.19km2，2007年为15950.05km2，2010年为15416.13km2，1989年～2010年草地覆盖面积累计减少1743.53km2，占研究区1989年草地覆盖总面积的10.16%。其中，2000年～2007年阶段草地覆盖面积逆向回升，分析主要原因有两个：(1)研究区内辉河2006年之后水流量大幅减少，河岸两侧大量湿地转换为草地[28]；(2)2000年以来，研究区内积极开展人工种草、退耕还草等生态保护工程，其成效在2007年的遥感影像中显现，草地面积有所回升。

图2 研究区1989年～2010年草地覆盖转换图

研究区草地覆盖(图1)主要分布在中西部平坦地带，分布较为稳定，尤其是海拉尔河以南、伊敏河以西的区域内分布有高覆盖度草地。从1989年～2010年草地覆盖与其他土地类型相互转换图(图2)中可以看出，草地与耕地类型的转换多发生在研究区的东北部区域，草地与裸地类型的转换多发生在研究区内的两条沙漠带。此外，海拉尔河和伊敏河流域的两侧是草地与湿地转换频繁的区域。

4.2 草地覆盖中各类型的时空特征

对呼伦贝尔草原典型区1989年～2010年草地覆盖的类型构成及其占当年草地面积比重进行分析(图3)，可以看出：研究区草地覆盖中面积最大的是中覆盖度草地，占当年草地覆盖总面积的60%以上，其次是高覆盖度草地，面积最小的为低覆盖度草地。

图3 研究区1989年～2010年草地覆盖构成及其占当年草地面积的比重

研究区草地覆盖中各类型呈现中覆盖度草地向高、低覆盖度草地转换的“中间减少，两端增加”态势，即中覆盖度草地的面积逐年减少，而高、低覆盖度草地的面积逐渐增加。1989年～2010年中覆盖度草地面积从16628.92km2下降到10130.35km2，在当年草地覆盖总面积中所占的比重从96.90%下降到65.71%；高覆盖度草地面积从529.65km2上升到5282.61km2，占草地总面积的比重从3.09%上升到34.26%；而低覆盖度草地面积从1.09km2上升到3.16km2，所占草地面积比重也从0.01%上升到0.03%。

表3 研究区1989年～2010年草地覆盖类型面积变化

对研究区1989年～2010年草地覆盖类型面积变化(表3)进行分析，可以看出：从1989年～2010年草地面积的总年均变化速度为-83.03km2/a，其中1994年～2000年草地面积的年均变化速度绝对值最大，为-208.10km2/a，2000年～2007年草地面积的年均变化速度绝对值最小，仅为91.69km2/a。

4.3 土地覆盖相互转换的时空特征

通过分析研究区1989年～2010年草地覆盖与其他土地类型转移矩阵(表4)可以看出：1989年～2010年研究区草地覆盖与其他各类土地类型均有转入转出，且规模相对较大，土地利用结构属于不稳定状态，相互转换剧烈程度从大到小依次为：湿地>林地>裸地>耕地>城镇>水体(图4)。除了草地与湿地的转换结果表现为草地覆盖面积增加外，其他土地类型与草地覆盖相互转换的结果均表现为草地覆盖面积减少。湿地累计转换为草地覆盖的面积为16142.29km2，而草地转换成湿地的累计面积为6716.19km2，草地覆盖净增加面积9426.10km2。其他土地类型中，由草地覆盖转换的累计面积较多的是林地和裸地，草地覆盖累计转出面积分别为2611.50km2和1361.49km2。耕地与草地覆盖的相互转换也较为明显，1989年～2010年草地覆盖转换为耕地的净面积为95.20km2。

表4 研究区1989年～2010年草地覆盖与其他土地类型转移矩阵(单位：km2)

图4 研究区1989年～2010年草地面积变化图

4.4 草地覆盖类型变化趋势

土地覆盖动态变化度能够定量分析草地覆盖在1989年～2010年的变化剧烈程度及趋势[29]。定义ΔUout为研究时间段T内单一土地覆盖类型A转换为其他类型的面积之和，ΔUin为同一时间段其他土地类型转换为特定土地覆盖类型A的面积之和，Ua为该土地覆盖类型A在研究初期的面积，则单一土地覆盖类型A动态变化度可用3种数学模型表示：其一是土地覆盖类型A一段时间内的面积变化速率Rs(公式2)；其二是土地覆盖类型A一段时间内的空间动态变化度Rss(公式3)；其三是土地覆盖类型A的变化趋势及状态模型指数Ps(公式4)[30]。

(2)

式中，Rs值越大，表示覆盖类型A的面积变化速率越大，反之则越小。

(3)

式中，Rss值越大，表示覆盖类型A的空间动态变化度越大，反之则越小。

(4)

公式4中，当Ps∈(0，1]时，表示该土地类型正朝着规模增大的方向发展，处于“涨势”；当Ps值在0附近时，说明该类型转换为其他类型的面积略小于其他类型转换为该类型的面积；随着Ps值逐渐增大，越来越多的土地类型转换为了该类型，且该类型面积稳步增加，呈现极端非平衡态势。当Ps∈(-1，0]时，表示该土地类型朝着规模减小的方向发展，处于“落势”；当Ps值在0附近时，说明该类型转换为其他类型的面积略大于其他类型转换为该类型的面积；随着Ps值的增大，标志着土地类型的转换方向越来越侧重于该类型转换为其他类型，呈现极端非平衡态势，并致使该类型规模逐步萎缩[31]。根据上述理论计算了研究区草地覆盖类型的变化剧烈程度及趋势指数(表5)。

表5 研究区草地覆盖类型动态变化度指数

从研究区草地覆盖类型动态变化度指数(表5)可以看出：研究区草地覆盖类型的变化状态及趋势的相关指数绝对值均呈逐渐减小的趋势。其中，Rs值从13.4%下降到-1.1%，说明草地覆盖类型的年平均面积变化速率逐渐减小。1989年～2007年期间Rss值从125.6%下降到13.4%，而2007年～2010年阶段有明显反弹，为92.6%，表明草地覆盖的空间变化度呈现先减小后增大的趋势。而Ps值围绕在0左右浮动，且绝对值逐渐减小，表明呼伦贝尔草原草地覆盖类型的变化规模减小，但与其他土地覆盖类型相互转换频繁。总体而言，草地覆盖规模趋于平衡。

5 结束语

本文基于1989年～2010年的多期遥感影像，针对呼伦贝尔草原典型区，制作了长时间序列的土地覆盖类型分布图和草地覆盖与其他土地类型转换图，进而展开了呼伦贝尔草原典型区草地覆盖空间格局、时空变化特征、草地覆盖变化程度和趋势的研究。主要结论有：

①呼伦贝尔草原典型区草地总体特征是：草地总面积呈逐渐减少的趋势，但其中2000年～2007年草地面积有所回升。草地覆盖面积占研究区总面积的70%以上，约为1.6×104km2。草地覆盖主要分布于研究区的中西部平坦地带，且分布较为稳定。研究区东部、流域两侧及沙漠带土地覆盖类型转换频繁。

②草地覆盖中各类型的时空特征是：草地覆盖以中覆盖度草地为主，占当年草地总面积的60%以上，但面积逐年下降，且在当年草地总面积中所占的比重也呈下降趋势。草地覆盖类型呈现中覆盖度草地向高、低覆盖度草地转换的“中间减少，两端增加”趋势。

③土地覆盖类型转换的时空特征：1989年～2010年草地覆盖与其他土地覆盖类型转换频繁，土地利用结构属于不稳定状态，草地覆盖与其他土地覆盖类型相互转换剧烈程度从大到小依次为：湿地>林地>裸地>耕地>城镇>水体。

④草地覆盖变化状态及趋势：草地覆盖类型的年平均面积变化速度逐渐减小，空间变化度呈现先减小后增大的态势。草地覆盖类型的变化规模减小，总体呈现趋于平衡。

致谢：在本论文的撰写和修改过程中得到了审稿人的宝贵意见，以及实验室张学良、王剑庚和汪左博士的帮助，特此一并致谢。

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