喀斯特山地草地资源遥感调查及常态化监测研究——以灌阳县为例

史莎娜，汤传勇，谢炳庚，刘敏，覃畅文

(1.湖南师范大学资源与环境科学学院，湖南 长沙 410081；2.广西师范学院北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室，广西 南宁 530001；3.广西师范学院地理科学与规划学院，广西 南宁 530001；4.广西国土资源规划院，广西 南宁 530022)

草地资源遥感调查是应用航空和航天遥感信息源，结合植被、土壤、自然条件等地面资料，完成草地类型的划分、生产力测定与成图的草地资源调查[1]。近30年来，国内外学者根据多种类型的遥感影像开展了草地类型识别、景观格局、时空分布特征、综合顺序分类、生产力评估等草地资源方面的研究[2-6]。1998年，Purevdorj等[7]采用NOAA气象卫星的遥感数据，通过计算植被指数估算了蒙古国的草地覆盖率；2000年，Bennouna等[8]采用SPOT卫星影像数据，通过最大似然法监督分类开展了干旱区草地类型的调查研究；1993年，刘金祥[9]以甘青宁类型区为例，介绍了TM影像在草地资源类型调查与制图的流程和方法；2005年，苏大学等[10]阐述了3S技术在草地资源调查中的应用和方法；2009年，王春兰等[11]采用TM遥感影像，开展了乌海市草地资源现状监测并获得不同草地类型的空间分布；2010年，李昀等[12]采用3S技术划分了甘肃景泰县天然草地类型和空间分布；2012年，孙明等[13]根据不同草地类型的波段组合特征，利用决策树分类法对雅鲁藏布江源区草地类型进行遥感识别；2013年，赵凤杰等[14]通过研究高光谱遥感反射光谱和生物量之间的关系，开展锡林浩特2种草地类型生产力监测；2015年，王磊等[15]采用高分一号卫星的影像特征，完成了内蒙古自治区贡格尔草原的草地监测研究；2016年，杨淑霞等[16]基于MODIS逐日地表反射率开展了青海省青南地区草地生长状况遥感监测研究；2016年，曹旭娟等[17]基于植被覆盖指数(NDVI)开展了西藏高原草地退化时空分布特征分析研究。

根据历年的参考文献进行统计分析，国内学者的研究区主要集中在甘肃、西藏、内蒙古等西、北方大型草场。南方喀斯特山地草地资源丰富，空间上被地形地貌切割，导致集中连片程度差而难以调查[18-20]。随着3S技术的飞速发展，利用遥感影像数据的草地资源调查已经由科学研究转入成熟实用的阶段，而喀斯特山地草地资源的“碎片化”分布给调查带来了较大的难度。自然灾害和人为活动等因素极易导致草地资源的分布变化，其草地资源调查成果需要常态化更新维护。本研究选择广西壮族自治区桂林市灌阳县为研究区，耦合数字高程模型(digital elevation model，DEM)、坡度、土壤等数据要素，利用面向对象方法解译高分辨率遥感影像，获取草地资源的类型、面积及空间分布，挖潜第二次全国土地调查及年度变更调查成果在草地资源调查的应用，实现喀斯特山地草地资源的调查及常态化监测，为草地资源的保护和利用以及畜牧业合理有序的发展提供了科学的依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

灌阳县位于广西东北部，东邻湖南省江永县，南接广西恭城县，西靠广西兴安县，北连广西全州县(图1)。地理坐标为 110°43′-111°21′ E，25°10′-25°46′ N。灌阳县地处都庞岭、海洋山之间(图2)，东、南、西三面群山环绕、地形狭长、南高北低，北部为喀斯特峰丛地貌，中部是南北走向的盆地，灌江川流而过。灌阳县属于中亚热带季风气候，光热丰富，雨量充沛，年均气温17.9 ℃，最高气温39.0 ℃，最低气温-5.8 ℃，年平均降水量1552 mm。土壤类型主要为潴育型水稻土、黄壤、红壤、紫色土、石灰性土、自然土、山地草甸土和河流潮沙泥土等。1979-1986年，在中国科学院自然资源综合考察委员会南方草场调查科技办公室的指导下，广西壮族自治区开展第1次草地资源普查[21-22]，获得热性草丛类、热性灌草丛类、热性稀树灌草丛类以及零星草地等类型和面积。

图1 灌阳县位置示意 Fig.1 Location of Guanyang county

图2 灌阳县DEM Fig.2 DEM of Guanyang county

1.2 数据源

主要数据来源：1)基础地理信息和1∶10000正射影像图，来源于第二次全国土地调查成果；2)2012年和2016年土地利用现状数据，来源于第二次全国土地调查年度变更调查成果；3)遥感数据，订购于南方数码公司，其中Worldview-Ⅰ，全色影像，0.5 m分辨率，购买1710 km2，云量为2%，接收时间分别为2011年11月14日和2011年6月29日；Worldview-Ⅱ，多光谱影像，0.5 m分辨率，购买386 km2，云量为1%，接收时间为2011年12月22日；4)DEM(30 m)，来源于中国科学院数据云；5)土壤分布图，来源于广西土壤肥料工作站；6)第1次草地资源普查资料，来源于广西草地监理中心。

1.3 空间参照系统

平面坐标系统采用“1980西安坐标系”，高程系统采用“1985国家高程基准”，投影系统采用高斯-克吕格投影，3°分带，中央子午线为111°。

1.4 草地分类

本次草地资源遥感调查的草地分类系统采用20世纪80年代全国统一草地资源调查的草地分类系统[23]，即《中国草地类型的划分标准和中国草地类型分类系统》，是以草地植被为主要分类因素，结合郁闭度程度为辅的分类标准；第二次全国土地调查土地利用现状分类(GB/T21010-2007)以土地利用方式为主要分类因素。通过二级地类的含义、郁闭度程度、植被特征等多个方面构建两种分类的对应关系，将灌阳县草地资源分类和第二次全国土地调查土地利用现状二级分类形成以下对应关系(表1)。

1.5 研究方法

1.5.1遥感影像处理 1)影像纠正:在ERDAS 2014软件中，以第二次全国土地调查成果的1∶10000正射影像图为地理参考，采用多项式变换模型(Polynomial)的二次多项式变换纠正，以 0.5 m的分辨率重采样Worldview-Ⅰ和Worldview-Ⅱ遥感影像。

表1 草地资源分类与第二次全国土地调查地类的对应关系Table 1 The corresponding relationship between grassland resources classification and the second national land survey

2)遥感解译:在ArcGIS 10.1软件中，根据2012年土地利用现状数据筛选可能存在草地资源的地类(有林地、其他林地、其他草地、裸地等)叠加遥感影像制作外业调查底图，制定调查路线进行野外调绘，建立遥感解译标志；本研究采用面向对象方法解译获取草地图斑，即以每个地物作为一个对象单元，根据其光谱和纹理等属性来分割遥感影像，形成具有相同对象特征的“同质”图斑，采用监督分类或者规则分类提取解译图斑[24]。在ENVI 5.1中对比分析10、20和30等3种影像分割尺度参数的结果，显示参数10的分割结果较好反映喀斯特山地草地的零星分布特征，采用监督分类中K近邻法分类提取分割后的草地图斑。叠加分析DEM、坡度、土壤和初步解译的草地图斑，进一步提纯草地资源矢量图斑。通过开展野外调绘、校核草地图斑所反映的草地类型，遥感解译的总体精度达到87%。

1.5.2草地资源调查数据库建设 参考《第二次全国土地调查技术规程(TD/T 1014-2007)》的数据库建设技术规范，建设《灌阳县草地资源调查数据库》。草地资源调查数据库的内容主要包括基础地理信息、土地利用、草地资源、栅格数据、元数据等信息。

1.5.3草地资源成果更新 根据第二次土地调查分类与草地资源调查分类的对应关系，通过2012-2016年土地利用变更调查监测图斑核实因土地类型改变导致的草地资源的变化情况，判读2016年变更调查遥感影像(SPOT6、SPOT7和BJ2)，经外业抽查后更新《灌阳县草地资源调查数据库》，实现草地资源的常态化监测管理。

2 结果与分析

2.1 2012年草地资源调查成果

综合2012年土地利用现状、DEM、坡度、土壤等资料，通过遥感影像解译获得3个类别、6个组别的草地资源(图3)，面积合计20829.42 hm2(表2)。

1)热性草丛类，包含山地草丛组和石山草丛组，其中山地草丛组面积为636.44 hm2，分布在海洋山和都庞岭，海拔为500～1500 m，坡度分布在15°～35°，土壤类型主要为红壤和黄壤；石山草丛组面积为74.65 hm2，主要分布在北部喀斯特峰丛地区，石灰岩裸露明显，海拔为200～500 m，各级坡度均有分布，土壤类型主要为石灰性土和红壤。

2)热性灌草丛类，包含山地灌草丛组和石山灌草丛组，其中山地灌草丛组面积为14051.48 hm2，分布在海洋山、都庞岭和北部的喀斯特峰丛地区，海拔为500～1200 m，坡度分布在20°～40°，土壤类型主要为黄壤、红壤、紫色土和自然土；石山灌草丛组面积为2195.28 hm2，分布在北部喀斯特峰丛地区和灌江两侧的低山，海拔为200～500 m，土壤类型主要为石灰岩化黄壤、石灰性土和自然土。

3)热性稀树灌草丛类，包含山地稀树灌草丛组和石山稀树灌草丛组，其中山地稀树灌草丛组面积为3811.45 hm2，分布在海洋山、都庞岭和北部的喀斯特峰丛地区，海拔为500～2000 m，坡度分布在15°～35°，土壤类型主要为沙页岩黄壤和自然土；石山稀树灌草丛组面积为60.12 hm2，分布在北部的喀斯特峰丛地区，海拔为200～500 m，土壤类型主要为石灰性土和自然土。

2.2 2016年草地资源更新成果

根据2012-2016年土地变更调查监测图斑和2016年遥感影像(图4)，分析判断因实地建设、农业结构调整和耕地开垦等引起草地资源的变化，更新《灌阳县草地资源调查数据库》。2016年，灌阳县草地资源面积为20744.18 hm2，其中热性草丛类面积为7109.92 hm2，热性灌草丛类面积为16184.28 hm2，热性稀树灌草丛类面积为3849.98 hm2(表2)。

图3 灌阳县2012年草地资源分布Fig.3 Distribution of grassland resources in 2012

图4 灌阳县2016年草地资源分布Fig.4 Distribution of grassland resources in 2016

2.3 草地资源动态变化分析

1)2012年草地资源遥感调查面积比1986年第1次草地资源普查减少32125.05 hm2。从草地类型分析：热性草丛类面积急剧减少，热性灌草丛类面积有所增加，新增石山草丛组、山地稀树灌草丛组和石山稀树灌草丛组，丘陵草丛组和丘陵稀树灌草丛组消失，零星草地因为面积较小、地物特征复杂而难以解译。草地资源面积减少的原因：一是第1次草地资源普查(1979-1986年)和草地资源遥感调查方法的不同造成调查结果存在差异。二是受经济利益驱使导致大量开垦荒山种植速生桉树和果树，冻雨、暴雨、山体滑坡等自然灾害等原因造成草地资源的减少。

2)2012-2016年间，草地资源面积减少85.24 hm2，主要是扶贫生态移民搬迁安置等建设活动和未利用地开垦等人为因素，以及山体滑坡等自然灾害原因造成草地资源面积减少。

表2 灌阳县草地资源调查和更新Table 2 Investigation and renewal of grassland resources in Guanyang county (hm2)

3 讨论

目前草地资源遥感调查的研究都是基于像元的影像解译分类方式，主要归纳为两大类。一类是采用遥感影像的目视解译方法，辅助参考土地利用现状图、地形图、地貌图、土壤图和植被图等数据，根据影像特征人工勾绘出草地类型界线[2-12]；另一类是采用监督或非监督分类方法，根据遥感影像地物光谱特征和不同草地类型的波段组合，提取草地资源的类型和分布[13-15]。随着SPOT5、IKONOS、QuickBird、Worldview-Ⅰ、Worldview-Ⅱ、GeoEye-1等高分辨率遥感影像的大量出现，面向对象影像分析与信息提取技术已成为高分辨率遥感影像主流的解译方式，但是还未应用于草地资源遥感调查的研究。

传统的基于像元的遥感解译方法难以有效的实现喀斯特山地草地资源遥感调查。本研究根据第1次草地资源普查成果获得的各种草地类型的生长环境特征，采用高分辨率遥感影像及面向对象的遥感解译方法，叠加DEM、坡度和土壤等空间矢量数据，从而获得热性草丛类、热性灌草丛类和热性稀树灌草丛类等3类草地资源的面积及空间分布，实现了喀斯特山地草地资源遥感调查。对比传统的基于像元的遥感解译方法，面向对象的方法有效吸收了高分辨率遥感影像丰富的光谱、形状、纹理等特征，辅助每种草地类型分布的海拔、坡度和土壤等生长环境特征要素，实现了多要素的解译判断，进一步提升了遥感解译精度。另外，草地资源遥感调查的研究区主要集中在西、北方大型草场，而喀斯特山区草地资源丰富但因其分布零散而缺乏关注，影像分辨率的提高和面向对象方法的使用将使喀斯特山区的草地资源成为研究热点。

4 结论

通过综合第二次全国土地利用调查土地利用现状数据、DEM、坡度和土壤等资料，采用面向对象方法解译灌阳县高分辨率遥感影像，获得热性草丛类、热性灌草丛类和热性稀树灌草丛类等3类草地资源的面积及空间分布，实现了喀斯特山地草地资源遥感调查。借助第二次全国土地调查成果的年度变更调查成果实现了对草地资源调查成果的更新，保持了草地资源调查成果的现势性，节减单独开展草地资源调查成果更新的成本，实现了草地资源的常态化监测，为畜牧业的可持续发展提供坚实的数据保障。

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