照片样线法测量人工草地覆盖度精度分析

汪欢欢，蒲红梅，杨琴，程华，彭靖，李中才，韩敏*，金宝成*

（1.贵州大学动物科学学院，贵州 贵阳 550025；2.兰州大学生命科学学院，甘肃 兰州 730000；3.贵州省自然资源勘测规划研究院，贵州 贵阳 550001）

草地覆盖度是评估草地情况的客观指标［1-2］和重要的生态学参数［3-4］，应用于土地退化评价［5］，大气污染［6］、荒漠化［7-8］和放牧管理［9-10］等方面的研究，植被覆盖度变化可以反映气候变化趋势［11］，并且是多种土壤侵蚀预报模型的基本参数［12-14］。快速精准的植被覆盖度测量方法的研究具有十分重要的意义。

植被覆盖度定义为植物垂直投影面积占样地总面积的百分比［4，15-17］，理想的覆盖度测量方法应该具有耗时短，工具简单，结果准确，受人为因素影响小［18-19］等优点。植被覆盖度测量方法按原理可分为3类［3］，第1类为目估法，测量人员通过肉眼凭借经验直接估计样方植被覆盖度，优点是不需要测量工具，获取数据较快［4，17，20］。章文波等［4］认为目估法主观随意性大，目估精度与测量人员的经验密切相关，个人目估绝对误差可达40%。也有研究发现草地覆盖度目估误差小于10%，适用于高度较低且覆盖度较低或较高的人工草地［1］。同时目估法精度受植被高度影响，植株越高，目估人员越不容易向下观察，目估误差也越大［1］。第2类包括点框架法、样点法和样线法等，这类方法是测量样方中植被所占小孔数（或者点数和线长度）与小孔总数（或者总点数和总样线长度）的比值即为该样方植被覆盖度［3］。杨琴等［1］发现点框架法精度低且耗时较长，样点法适用于植被高度低且硬度较小的草地样方，而样线法误差小于5%，精度较高且耗时短，但是样线法需要具备一定的专业知识和培训才能进行测量［21］，适用于人工草地、稀疏植被和高大植被 的 覆 盖 度 测 量［1，22］。第3类 包 括 空 间 定 量 计 法（SQS）、移动光量计法（TQS）和照相法等，SQS和TQS方法需要专用传感器设备，其设备价格昂贵且室外操作不便［3］。照相法是使用相机垂直样方向下拍照获取照片，再通过计算机软件对照片提取植被与非植被像元，植被像元与样方总像元的比值即为覆盖度，该方法能有效排除人为误差且精度高［1，23-25］，但该方法要求测量人员掌握照片植被信息提取技术［23］。宋雪峰等［26］使用数码相机拍摄照片，通过图像处理软件提取照片中草地绿色植被信息，抽样精度达94.7%。照相法测量农作物覆盖度精度达89.6%［27］，测量人工草地覆盖度精度达96.8%［1］。

以上植被覆盖度实地测量方法虽然具有一定的精度，但是（除目估法外）需要消耗较长的实地采样时间。如果能够将传统实地样线法的思路应用于样方照片分析，测量人员实地拍摄样方照片，室内对照片使用样线法思路进行覆盖度获取，将极大地减少实地采样时间和经济成本。本研究以结缕草（Zoysia japonica）、白三叶（Trifolium repens）和雀稗（Paspalum thunbergii）草地为研究对象，以照相法测量值为参考，探索照片样线法的精度和适用性，以期为草地覆盖度测量提供更为快速经济的方法。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于中国西南地区的贵州省贵阳市花溪区（E 106°27′～106°53′，N 26°11′～26°34′），花溪区位于贵州高原中部，地处云贵高原由西向东低山丘陵过渡的斜坡，山峰众多，山地性显著，坝地较少，全区总面积9 641 4.7 hm2，草地面积6 140.1 hm2［28］。花溪区平均海拔1 100 m，属于亚热带湿润季风气候，年平均气温（2008-2018年）13.7～15.3 ℃，最冷月（1月）气温-1.5～6.6 ℃，最热月（7月）气温21.9～24.3 ℃，年均降水量735～1562 mm，年平均日照为681.6～1 230.7时（中国气象数据网；http://data.cma.cn/）。土壤类型繁多，以黄壤为主［29］（中国土壤数据库；http://vdb3.soil.csdb.cn）。

1.2 研究方法

以结缕草、白三叶和雀稗作为建群种的3种人工草地试验样地（表1），每个人工草地设置10个50 cm × 50 cm样方。采用照相法、照片目估法和照片样线法分别测量其植被覆盖度，并记录测量时间。试验时间为2018年6月14-21日，采用1 600万像素相机，置于样方中心上方，在1.5 m高度垂直向下拍照，获取样方照片用于室内分析植被覆盖度。

表1 测量样地Table 1 Sampling plots

使用ERDAS IMAGINE 2013 软件中的监督分类工具，提取样方照片中的植被像元，继而在ArcMap 10.2 软件中加载监督分类后的照片，计算出植被像元在整个样方中所占的比例，即为照相法植被覆盖度（表1），该方法能排除人为测量误差且精度较高［1，23-25］，因此本研究中其他测量方法精度的评估，以照相法测量值为参考。

对于每个草地样方，通过计算机产生约50个随机点，对以上目视解译分类精度进行检验，得到分类精度为（96.8±3.2）%（平均值±标准差，n=30）。实地目估法测量人员为草业科学专业硕士研究生，每个样方由4-6人独立完成目估测量，取平均值作为实地目估法测量值；照片目估法通过样方照片目估测量植被覆盖度，每个样方由10人独立完成目估测量，取平均值作为照片目估法测量值。实地样线法是将带有刻度的样线置于样方对角线，记录样线在垂直方向上拦截植被的长度，将该长度除以样线总长度，即为该样方覆盖度［20］。照片样线法是使用电脑中的桌面刻度尺软件（version 1.0）代替实地覆盖度测量中的样线，通过桌面刻度尺测量样方照片的对角线或垂直线上植被所占长度与总样线长度的比值，即为该样方植被覆盖度（图1）［3］。照片样线法分为两种处理，一种测样方照片2条对角线（合计1.4 m）（图1-A），另一种测量样方照片2条对角线和2条垂直线，共计4条样线（合计2.4 m）（图1-B）。

图1 照片样线法示意图Fig.1 Illustration of photo line interception method

1.3 数据分析

使用Microsoft Office 2019软件对数据进行整理统计，采用SPSS 20软件进行数据分析，并用Sigma-Plot 10.0软件制图。以照相法测量值为参考，计算其它方法误差［1］（公式1）。

式中：vci表示某测量方法在样方i的测量值，vci照相表示照相法在样方i的测量值。

2 结果与分析

实地目估法测量误差平均为（5.6±4.0）%，其中雀稗草地误差最大，为（10.1±16.5）%，白三叶草地其次，为（4.2±3.5）%，结缕草草地最小，为（2.3±10.2）%。照片目估法测量误差平均为（14.6±7.3）%，其 中 结 缕 草 草 地 误 差 最 大，为（26.3±4.6）%，白三叶草地其次，为（12.1±5.1）%，雀稗草地最小，为（5.6±12.2）%。实地样线法测量误差平均为（2.7±2.2）%，每种草地的测量误差均小于5%，每个50 cm×50 cm草地样方平均需要消耗（3.5±1.6） min野外测量时间（表2）。

照片样线法测量2条样线时，结缕草、白三叶和雀稗草地测量误差均小于5%，平均（3.3±10.5）%，分别为（2.6±14.3）%、（4.4±9.2）%和（2.8±8.0）%。测量4条样线时，结缕草和雀稗草地误差小于5%，分别为：（0.4±15.6）%和（2.3±6.8）%，白三叶草地误差大于5%，为（6.8±8.8）%。照片样线法的测量样线数量从2条（合计长度1.4 m）增加到4条（合计长度2.4 m）时，平均每个样方耗时增加3.5 min，即从（3.7±0.8） min增加到（7.2±1.4） min。照片样线法测量2条和4条样线时均倾向于高估植被覆盖度，其中白三叶草地测量4条样线时与0值差异显著（表2）。

表2 不同方法误差与耗时Table 2 Errors and time consumption of different methods

照片样线法2条样线和4条样线的测量值均与照相法测量值均呈显著线性相关关系（P＜0.05），2条样线和4条样线的测量值均随照相法覆盖度测量值的增加而增加，两者公式的系数和截距接近，2条样线的R2略大于4条样线的R2（图2）。

图2 照片样线法覆盖度与照相法覆盖度的相关关系Fig.2 The relationship between the plant cover of photo line interception method and photographic method

照片样线法2条样线和4条样线的测量误差均随照相法测量值的增加而显著降低（P＜0.05），2条样线和4条样线的误差均随照相法覆盖度测量值的增加而降低，两者公式的系数和截距接近，4条样线的R2略大于2条样线的R2（图3）。

图3 照片样线法误差与照相法覆盖度的相关关系Fig.3 The relationship between the error of photo line interception method and the plant cover of photographic method

3 讨论

之前研究发现实地样线法精度较高、获取数据较快，适用于人工草地、稀疏植被和高大植被的覆盖度测量［1，20-22］。本研究将实地样线法思路应用于样方照片分析，提出了草地覆盖度测量的照片样线法，发现照片样线法测量耗时短且精度较高。每个样方耗时约3.7 min（表2），时间消耗小于点框架法（11.8 min）、网格法1 cm×1 cm（12.7 min）和网格点法1 cm×1 cm（13.3 min），但比网格法5 cm×5 cm（1.4 min）和网格点法5 cm×5 cm（1.4 min）耗时较多，与样针法和实地样线法耗时接近［1］，但是时间消耗主要发生在室内。不同草地测量误差平均3.3%（表2），结缕草、白三叶和雀稗3个人工草地测量误差均低于5%，与实地样线法测量精度接近［1］。照片样线法测量精度均高于样针法（8.8%）、点框架法（10.4%）、网格法1 cm×1 cm（9.2%）、网格法5 cm×5 cm（18.6%）、网格点法1 cm×1 cm（12.1%）和 网 格 点 法5 cm×5 cm（16.4%）［1］。虽然之前研究发现实地样线法增加样线数量会降低误差［1，16］，但是本研究发现增加样线数量不能明显提高测量精度，样线数量从2条（长度合计1.4 m）增加到4条（长度合计2.4 m）时，误差仅降低0.1%，但耗时增加近1倍（3.5 min）（表2）。因此，当草地覆盖度测量可接受误差为5%时，照片样线法只需测量2条样线（长度合计1.4 m）。照片样线法误差可能受植被覆盖度影响［1，21］，覆盖度越高误差越小（图3）。本研究发现随白三叶（71.5%）、雀稗（73.3%）和结缕草草地（73.9%）覆盖度的增加，其误差逐渐减小（表2），并且增加测量样线数量后也有相似趋势（图3）。照片目估法和样线法测量值均与照相法测量值呈显著正相关（图2），这两种方法测量值可通过拟合公式转化为照相法测量值。样线法植被覆盖度测量需要具备一定的专业知识［21］，当在室外不具备测量条件时，测量人员只需实地拍摄样方照片，室内使用照片样线法进行覆盖度获取，将能够减少实地采样时间消耗。

4 结论

照片样线法测量耗时短且精度较高，不同草地测量误差均小于5%，适合于类似草地植被覆盖度测量。当可接受误差为5%时，照片样线法只需测量2条样线。照片目估法和样线法测量值均与照相法测量值呈显著正相关。照片样线法均可应用于草地植被覆盖度的测量。未来研究应探索该方法在其他草地和植被类型中的适用性。