基于3 S技術的若爾蓋縣草原沙化遙感監(jiān)測研究

魯 巖，唐川江，張緒校，張新躍，周 俗

（四川省草原工作總站，四川 成都 610041）

建國以來，伴隨著經濟的日益進步，科技的強勁發(fā)展，我國草原畜牧業(yè)取得了令人矚目的驕人成績。但是隨著人民生活水平的提高，草原沙化等生態(tài)環(huán)境問題也日趨嚴峻，水土流失嚴重，草原沙化面積逐年擴大，全國有沙漠、戈壁、荒漠化土地約332.7萬km2，占國土面積的31%，遠高于世界水平。每年因土地沙化造成的直接經濟損失超過540億元人民幣。草原生態(tài)環(huán)境的嚴重破環(huán)等問題極大地影響了我國草原畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。就四川省而言，處于阿壩州西北部的若爾蓋縣的草原沙化情況尤其嚴峻，近年來原本生機盎然的草場出現(xiàn)了不同程度的退化，且面積不斷擴大；原本就處于沙化邊緣的嚴重退化的草原面積呈逐年遞增的趨勢，沙化形勢每況愈下。

在這種背景下，怎樣更好地解決草原沙化生態(tài)環(huán)境問題，已成為草地畜牧生產可持續(xù)發(fā)展的一個重要課題。而遙感技術、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)的“3S”集成技術，正成為當今空間信息技術的發(fā)展方向和必然趨勢。它能夠提供大量綜合、宏觀、動態(tài)、快速、準確的信息，具有不可替代的優(yōu)越性。本文筆者采用TM高空間分辨率數(shù)據(jù)遙感數(shù)據(jù)源，利用遙感數(shù)據(jù)的大范圍、短周期、信息量大等特點，結合地面調查數(shù)據(jù)，對若爾蓋縣草原沙化情況進行了遙感監(jiān)測，獲取了若爾蓋縣草原沙化的數(shù)據(jù)結果，并對結果進行了精度評價。本次研究得出的結果可為進一步開展四川省草原沙化調查提供技術支持，為制定生態(tài)環(huán)境規(guī)劃提供一定的科學參考。

1 研究區(qū)域概況

若爾蓋縣地處青藏高原末端，位于四川省阿壩州西北部，平均海拔3500m，屬于黃河水系，氣候為高原亞寒帶溫潤季風氣候，長冬無夏,雨熱同季,氣候寒冷干燥,日照強烈，晝夜溫差大。全縣現(xiàn)有天然草原面積1 212.6萬畝（1畝約合667 m2，下同），占全縣土地面積的79.2%，其中可利用草原面積為977.9萬畝，占全縣草原面積的80.65%，是川西北牧區(qū)的重要組成部分，四川省十大牧區(qū)之一，同時也是黃河上游地區(qū)重要的綠色生態(tài)屏障。

若爾蓋縣的草原類型多樣，共有4類、12組、20個型，以高寒草甸草地和高寒沼澤草地為主，伴有高寒灌叢草甸草地和山地灌木草叢草地。2010年天然草原可食鮮草產量為38.78億kg，天然草原理論載畜量為125.2萬羊單位。

2 研究內容與方法

本研究以1∶105比例的若爾蓋縣地形圖和四川省草原資源分布圖為工作底圖，以TM遙感影像數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，確定草原沙化調查路線，獲取具有準確地理信息的草原沙化樣本。利用3S技術將樣本數(shù)據(jù)與遙感影像數(shù)據(jù)相結合，根據(jù)野外實際調查情況，結合草原植被、生態(tài)、土壤等特點，參照草原沙化程度分級標準，確立草原沙化有關因子與TM遙感影像的色調、紋理、分布、形狀等特征對應關系，建立遙感圖像草原沙化解譯標志。采用室內人機交互解譯的方法初步解譯遙感圖像，經驗證修正后，獲取若爾蓋縣草原沙化監(jiān)測結果數(shù)據(jù)。

2.1 遙感影像預處理 本次選取若爾蓋縣2010年7、8月份的Landset TM影像為數(shù)據(jù)源，云量少于5%，基本無噪聲。主要使用第4、3、2波段，空間分辨率為30m。

2.1.1 幾何精校正和配準。以經過幾何精校正的2000年TM影像為參考影像，通過二次或三次多項式校正模型對2009年TM圖像進行幾何精校正，公式如下：

在每景TM影像中選取30～40個空間尺度小、特征明顯、易于識別、均勻分布的控制點，采用雙線性內插法對圖像進行重采樣，圖像幾何校正和配準時的均方根誤差控制在0.5個像元內，保證2個時相的遙感影像高度匹配，均方根誤差如下：

2.1.2 影像拼接裁剪。掃描1∶105比例的若爾蓋縣地形圖，并對各地形圖進行配準、拼接，數(shù)字化若爾蓋縣邊界，對具有投影信息的行政邊界進行投影變換，投影類型與TM遙感影像一致。在地理信息軟件中對TM影像進行裁剪，獲取研究區(qū)域。遙感影像采用 R（TM4）∶G（TM3）∶B（TM2）合成標準假彩色影像。

2.2 地面調查 2009年8月，根據(jù)草原沙化分布的空間狀況，選擇了若爾蓋縣阿西鄉(xiāng)、轄曼鄉(xiāng)、唐克鄉(xiāng)和麥西鄉(xiāng)為重點區(qū)域，設置5條調查路線進行野外地面調查。調查路線貫穿了草原沙化分布的主要區(qū)域，包括未沙化區(qū)域、輕度沙化區(qū)域、中度沙化區(qū)域和重度沙化區(qū)域。在調查路線上選擇有代表性的地段設置樣點，在樣點內設置樣方，調查與草原沙化有關的主要因素，如沙化土地類型、沙化程度、地形地貌、土壤類型、植被信息等。

為保證調查結果具有準確性和普遍性，在選擇樣點區(qū)域時應盡量選在地勢開闊、平緩的地方，選擇遠離道路、河流、村莊，并能夠代表大范圍的草原類型。

2.3 建立分級標準與解譯標志 要對草原沙化進行分級，必須建立科學的沙化分級標準和解譯標志，根據(jù)GB19377-2003《天然草原退化、沙化、鹽漬化的分級指標》技術標準的規(guī)定，結合四川省天然草原的沙化特點，依據(jù)植被蓋度、地表覆沙面積和狀態(tài)等，將草原沙化分成四個等級：未沙化、輕度沙化、中度沙化、重度沙化。

對野外調查數(shù)據(jù)按草原沙化的四個等級進行分類整理，獲取每種類型的野外調查數(shù)據(jù)樣本。使用Excell工具將調查數(shù)據(jù)按沙化等級進行匯總、統(tǒng)計，并按照樣方編號、次序與樣方經緯度值一一對應。將野外實地調查的數(shù)據(jù)準確定位到TM影像上，獲取各樣方數(shù)據(jù)在遙感圖像上所代表的影像信息，如色調、陰影、紋理、大小、形狀等，分析后建立初步解譯標志。經過實地驗證，修正參數(shù)，最終確立草原沙化解譯標志。草原沙化分級與分級指標見表1。

表1 草原沙化分級因子及TM影像目視解譯標志

圖1 若爾蓋縣草原沙化分布圖

2.4 圖像解譯 確定解譯標志后，在遙感圖像上提取樣本，利用ERDAS軟件分類模塊，采用人工交互式分類解譯的方法對草原沙化區(qū)域進行圖像解譯，最終獲取若爾蓋縣草原沙化的具體情況，再根據(jù)沙化等級像元數(shù)和分布情況，得到若爾蓋縣草原沙化的分布情況和面積等數(shù)據(jù)。結果見圖1。

2.5 調查修正 按1∶105比例尺的地形圖分幅，輸出帶有草原沙化圖斑邊界的遙感影像，給遙感影像疊加基礎地理信息。選取一定比例的圖斑進行核實，對區(qū)劃有誤的圖斑邊界進行修正。筆者對若爾蓋縣草原沙化TM影像的解譯成果進行了檢驗，共布設樣地95個，正判率為98%，誤判率為2%，基本上達到了草原沙化監(jiān)測的結果要求。

2.6 內業(yè)整理 根據(jù)調查核實結果，對原草原沙化圖像數(shù)據(jù)文件進行修改，同時進行數(shù)據(jù)邏輯檢查，生成新的矢量圖形數(shù)據(jù)文件（包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)）。在地理信息軟件上進行圖斑面積求算，最終獲得若爾蓋縣草原沙化監(jiān)測的數(shù)據(jù)結果。如表2所示。

表2 若爾蓋縣沙化草原監(jiān)測結果

3 監(jiān)測結果

3.1 草原沙化情況 根據(jù)2009年TM遙感影像解譯，得出若爾蓋縣共有沙地圖斑319074個，面積為43.06萬畝，占幅員面積的6.12%。其中，輕度沙化草原圖斑有173642個，面積為23.44萬畝；中度沙化草原圖斑有101093個，面積為13.64萬畝；重度沙化草原圖斑有44339個，面積為5.98萬畝。

3.2 草原沙化分布情況 沙化草原主要分布在若爾蓋縣境內黃河首曲和黑河中下游的麥溪鄉(xiāng)、轄曼鄉(xiāng)、嫩哇鄉(xiāng)、阿西鄉(xiāng)、黑河牧場，以及白河下游唐克鄉(xiāng)的高寒草甸草地上，呈帶狀分布，以山丘迎風面和古河道附近區(qū)域為多發(fā)區(qū)，土壤以砂質土和沙壤土為主。若爾蓋草原沙化主要分為三個條帶，其主要特征為：

（1）第一條帶：從境內西北部黑河下游沿西北向東南方向延伸，至中部阿西鄉(xiāng)境內，斷續(xù)延展80 km。沙丘群多分布于山脊北坡，呈長壟狀，分布地海拔在3 400～3 500 m。最大單體沙丘長2.8 km、寬1.4km，主要包括麥西鄉(xiāng)、嫩哇鄉(xiāng)和阿西鄉(xiāng)。

（2）第二條帶：從轄曼鄉(xiāng)所在地向南偏東方向，斷續(xù)延伸50km。沙丘多呈南北方向分布于山脊的頂部。沙丘大小不等，多零星分布，以轄曼鄉(xiāng)鄉(xiāng)政府所在地附近最為集中。

（3）第三條帶：唐克鄉(xiāng)南部、白河下游東側，呈面狀分布，一直延伸至紅原縣境內。沙丘面積較大，一般長 1～3km，寬 1～2km，不連續(xù)，斷續(xù)延伸。

4 結果分析

應用TM遙感影像開展草原沙化調查是一項綜合性非常強的研究課題，是現(xiàn)代科學技術在實際生產工作中的重大應用。

4.1 正確區(qū)分各種草原沙化類型 若爾蓋縣各種類型的沙化草原在遙感圖像上都具有獨特的色彩特征，不易混淆，因此能夠根據(jù)色調、形態(tài)和地理位置等特征對其加以區(qū)分。

4.2 充分利用了前人的工作結果 在分析TM影像結構特征和地理位置、環(huán)境背景的基礎上，充分利用了以前土地調查、植被分布等相關圖件，體現(xiàn)了遙感解譯、資料參照和地面調查的有機結合，提高了調查的精度及準確度。

4.3 社會、經濟效益顯著 利用TM影像進行草地沙化遙感監(jiān)測，大大減少了野外工作量，同時也提高了調查精度，節(jié)約了社會成本，其社會效益和經濟效益是顯而易見的。

4.4 存在的問題 比例尺相對較小，較小的地塊較難準確劃分，給圖斑解譯帶來難度。TM影像的時相選擇可能影響監(jiān)測效果。由于時相的不同，解譯中會造成沙化分級的混淆。因此選取最佳時相是成功監(jiān)測的關鍵。目視解譯是TM影像應用的最基本方法，在計算機上進行數(shù)字圖像處理時，也需要目視解譯作為基礎。因此，解譯者個人對當?shù)丨h(huán)境的了解及工作經驗、相關知識掌握等因素都會造成解譯結果有差別，這些都可能影響到最終研究結果。建議在進行大范圍監(jiān)測之前，需要對人員進行培訓，盡量減少工作誤差。

[1]雍國瑋，石承蒼，邱鵬飛.川西北高原若爾蓋草地沙化及濕地萎縮動態(tài)遙感監(jiān)測[J].山地學報，2003，（6）：758-762.

[2]段世文.我國土地沙漠化趨勢仍未得到有效遏制[R].全國政協(xié)“水與土地沙漠化”專題動態(tài)報道，2005.

[3]若爾蓋縣地方志編纂委員會.若爾蓋縣志[M].北京：民族出版社，1996：121-314.

[4]四川省畜牧局.四川省天然草地資源調查統(tǒng)計冊[Z].1987.

[5]天然草原退化、沙化、鹽漬化的分級指標[S].2004.