呼倫貝爾草原典型區(qū)1989年～2010年草地覆蓋變化遙感研究

馮威丁，肖鵬峰，馮學(xué)智，常瀟，楊永可

(1.南京大學(xué) 地理信息科學(xué)系，南京 210023；2.南京大學(xué) 江蘇省地理信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210023)

1 引 言

遙感技術(shù)的出現(xiàn)，以其能從不同的時空尺度不斷地提供多種地表特征信息的獨(dú)特優(yōu)勢，受到了地學(xué)研究者的青睞[1]。因此，諸多學(xué)者利用遙感技術(shù)對呼倫貝爾草原開展了相關(guān)研究。利用TM等遙感數(shù)據(jù)對該地區(qū)的研究表明，呼倫貝爾草原20世紀(jì)90年代以來草地覆蓋面積呈逐年減少的趨勢[2-3]，草地質(zhì)量明顯下降[4]，草地覆蓋退化嚴(yán)重[4-6]。結(jié)合歷史資料和遙感數(shù)據(jù)的研究表明，近幾十年來呼倫貝爾草原的沙漠化日益嚴(yán)重[7-10]，2004年時沙漠化面積已達(dá)土地面積的25%[9]，實(shí)地的調(diào)查研究報告也印證了呼倫貝爾草原嚴(yán)重的沙化情況[11]。此外，呼倫貝爾草原的土地覆蓋類型相互轉(zhuǎn)換頻繁[3，12]，多為草地覆蓋向耕地、林地及裸地類型轉(zhuǎn)移[3]。但有學(xué)者預(yù)計(jì)，2012年～2020年土地利用/覆蓋相互轉(zhuǎn)換的速率將會有所減緩[13]。

已有研究多針對呼倫貝爾草原草地覆蓋變化的某一特定現(xiàn)象，如草地覆蓋與其他土地覆蓋類型的相互轉(zhuǎn)換、草地覆蓋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等單獨(dú)進(jìn)行研究，需要進(jìn)一步對呼倫貝爾草原草地覆蓋的現(xiàn)狀、空間分布格局等進(jìn)行整體和系統(tǒng)的研究。本文通過對呼倫貝爾草原典型區(qū)草地覆蓋的空間分布格局、草地覆蓋中各類型時空特征、草地與其他土地覆蓋的相互轉(zhuǎn)換以及草地覆蓋的變化趨勢進(jìn)行了定量分析，試圖闡明呼倫貝爾草原典型區(qū)的草地覆蓋分布特征及時空變化規(guī)律，為呼倫貝爾草原生態(tài)保護(hù)和草地資源的開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)和數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古呼倫貝爾草原腹地，地處北緯48°48′～北緯50°12′，東經(jīng)118°22′～東經(jīng)121°02′，研究區(qū)總面積約2.35×104km2。涉及的行政區(qū)劃主要包括內(nèi)蒙古海拉爾市、陳巴爾虎旗和鄂溫克族自治區(qū)的大部分地區(qū)以及新巴爾虎左旗和牙克石市的部分區(qū)域。研究區(qū)內(nèi)年平均降水量240mm～350mm，年平均氣溫-1℃～2℃，為典型的溫帶半干旱、半濕潤區(qū)。春秋風(fēng)大少雨，冬季干燥寒冷，夏季溫涼短促，旱災(zāi)頻發(fā)[14]。

研究區(qū)內(nèi)土地覆蓋以草地為主，東南部有林地分布，西部有兩條沙漠帶：分布于海拉爾河沿岸的北部沙帶和東起伊敏河西岸的南部沙帶[9]。較大的河流有海拉爾河、伊敏河和輝河。草原地勢平坦開闊，牧養(yǎng)方式以自由放牧為主[15]。植被覆蓋多中生和旱生耐寒的根莖、叢生禾草及雜草，代表性植物有貝加爾針茅、日陰菅、羊草、線葉菊、隱子草、樟子松和黃柳等，其中優(yōu)質(zhì)牧草在草群中所占比例在30%以上，對畜牧業(yè)發(fā)展十分有利[16]。

2.2 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

本研究的數(shù)據(jù)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)，空間分辨率均為30米。由于1994年TM影像東南部存在少量云遮蓋，所以用1993年9月10日TM影像替換1994年的有云區(qū)域影像數(shù)據(jù)，其余影像的云量均為零。其中，1989年影像的獲取時間為5月下旬，2007年影像的獲取時間為6月上旬，其余年份影像的獲取時間為9月份。5月～9月份是呼倫貝爾草地覆蓋生長的旺盛階段，可以有效表征草地的植被覆蓋度。使用遙感影像進(jìn)行分類時，以Google Earth平臺提供的大量高分辨率衛(wèi)星影像和實(shí)地照片作為地面參考數(shù)據(jù)，輔助選取分類所需的訓(xùn)練樣本及驗(yàn)證樣本。為了避免因遙感影像獲取的時相不同而對分類結(jié)果產(chǎn)生影響，在分類時對不同月份的影像采用了不同的樣本選取標(biāo)準(zhǔn)和不同的分類閾值。

表1 Landsat遙感數(shù)據(jù)

所有的TM/ETM+影像均采用假彩色合成(RGB 432)方式顯示。首先利用影像頭文件提供的增益值(Gain)和偏置值(Bias)，將原始影像的DN值換算為反射率，并拉伸為0～1000之間的數(shù)值，采用FLAASH模型對TM/ETM+反射率值進(jìn)行大氣校正；然后以1989年的TM影像為參考對其余4幅影像進(jìn)行幾何精校正，RMS誤差不超過0.5個像元；最后對影像進(jìn)行裁剪，得到所需的研究區(qū)影像。

選取對于植被覆蓋分類敏感的TM/ETM+的1～4波段數(shù)據(jù)，作為主要的分類數(shù)據(jù)源。并利用第3和第4波段數(shù)據(jù)計(jì)算了NDVI值，統(tǒng)計(jì)分析研究區(qū)NDVI值普遍較低，如1989年NDVI值均值為0.27，標(biāo)準(zhǔn)差為0.061，2000年NDVI值均值為0.37，標(biāo)準(zhǔn)差為0.078，不受NDVI飽和現(xiàn)象的影響，可以作為第2個分類數(shù)據(jù)源。同時，由于遙感影像的波段間往往存在著較高的相關(guān)性，對某些影像的信息提取來說存在數(shù)據(jù)冗余和重復(fù)，而主成分變換可以達(dá)到去相關(guān)、進(jìn)行特征提取和數(shù)據(jù)壓縮的目的[17]。因此研究中對TM/ETM+的1～4波段數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分變換，并提取前3個主成分?jǐn)?shù)據(jù)(PCA 1，2，3)，作為第3個分類數(shù)據(jù)源。在分類中，根據(jù)分類精度確定最佳的數(shù)據(jù)源組合。

3 研究方法

3.1 土地覆蓋分類

分兩步獲取呼倫貝爾草原典型區(qū)的土地覆蓋類型分布圖。首先采用最大似然法將影像分為草地、耕地、城鎮(zhèn)、水體、林地、裸地和濕地7類土地覆蓋類型。選取訓(xùn)練樣本區(qū)域時，利用高分辨率衛(wèi)星影像和實(shí)地照片作為地面參考數(shù)據(jù)，且每類訓(xùn)練樣本區(qū)域的數(shù)量不少于15個，以保證樣本的準(zhǔn)確性。由于“同物異譜”現(xiàn)象的存在，特定土地覆蓋類型的影像特征可能存在較大差異；因此將草地、林地和耕地等主要地物類型拆分為光譜相似性較高的2～5個小類，分別選取訓(xùn)練樣本，單獨(dú)進(jìn)行分類。然后將分類結(jié)果合并為所需的7類土地覆蓋類型。最后經(jīng)過分類后處理獲得初步分類結(jié)果。

為了進(jìn)一步研究草地覆蓋中的類型構(gòu)成及時空變化，將上述初步分類結(jié)果的草地按覆蓋度細(xì)分為低覆蓋度草地、中覆蓋度草地和高覆蓋度草地3類。本文采用基于NDVI的亞像元模型[18-19]計(jì)算草地的植被覆蓋度Fc(公式1)，并取草地覆蓋的NDVI最大值為式中NDVImax，取草地覆蓋的NDVI最小值為式中的NDVImin。

(1)

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)(GB19377-2003)[20]中對天然草地退化的定義、級別和指標(biāo)，參考高清等[21]采用的草地退化遙感監(jiān)測與評價指標(biāo)，確定本研究區(qū)1994年、2000年和2010年的中、高覆蓋度草地臨界值為0.65，中、低覆蓋度草地臨界值為0.3。進(jìn)一步地，由于研究區(qū)1989年影像的獲取時間為5月下旬，2007年影像的獲取時間為6月上旬，處于為草地生長旺盛期[22]，而其余年份影像的獲取時間均為9月份，草地長勢處于衰敗期[22]。1989年和2007年影像的草地覆蓋度顯著高于其余年份影像的草地覆蓋度[23]，為避免因季相不同為引起的分類誤差，將草地覆蓋度臨界值做相應(yīng)調(diào)整：由于草地覆蓋度隨季節(jié)變化呈現(xiàn)顯著的周期性變化[24-25]，滿多清等[26]研究不同覆蓋度草灌植被的季節(jié)性變化時表明，覆蓋度較低的植被隨季節(jié)起伏變化較小，覆蓋度較高的植被隨季節(jié)起伏變化較大。同時結(jié)合已有相關(guān)研究的草地覆蓋分類方法[21，27]，最終確定調(diào)整后的參數(shù)把1989年和2007年的中、高覆蓋度草地區(qū)分的臨界值調(diào)整為0.75，中、低覆蓋度草地區(qū)分的臨界值調(diào)整為0.35。依據(jù)上述方法將初次分類結(jié)果的草地類型細(xì)分為低覆蓋度草地、中覆蓋度草地和高覆蓋度草地，獲得最終的呼倫貝爾草原典型區(qū)土地覆蓋類型分布圖(圖2)。

3.2 分類精度評價

對獲得的土地覆蓋類型分布圖進(jìn)行精度評價，隨機(jī)選取五百多個樣本點(diǎn)，將分類結(jié)果與高分辨率衛(wèi)星影像和實(shí)地照片進(jìn)行比較，制作混淆矩陣，并計(jì)算每幅分布圖的總體精度和Kappa系數(shù)(表2)。結(jié)果顯示，研究區(qū)土地覆蓋分類的總體精度在84%～89%之間，Kappa系數(shù)均在0.68以上，可以利用已有分布圖對研究區(qū)草地覆蓋的空間格局及時空變化特征進(jìn)行分析。

表2 研究區(qū)土地覆蓋類型分布圖精度評價結(jié)果

圖1 研究區(qū)土地覆蓋類型分布圖

3.3 草地覆蓋類型轉(zhuǎn)換

利用ArcGIS軟件分別將研究區(qū)相鄰時相的土地覆蓋類型分布圖進(jìn)行疊置分析，獲得1989年～1994年、1994年～2000年、2000年～2007年和2007年～2010年的草地覆蓋與其他土地類型的相互轉(zhuǎn)換圖，圖3(a)為草地覆蓋轉(zhuǎn)換為其他土地類型的時空分布，圖3(b)為其他土地類型轉(zhuǎn)換為草地覆蓋的時空分布。同時，根據(jù)草地覆蓋轉(zhuǎn)換圖統(tǒng)計(jì)了草地覆蓋與其他土地類型轉(zhuǎn)移矩陣(表4)。

4 結(jié)果分析

4.1 草地覆蓋的時空特征

1989年～2010年呼倫貝爾草原典型區(qū)的草地覆蓋面積占研究區(qū)總面積的70%以上，而且總體呈逐漸減少的趨勢：1989年為17159.66km2，1994年為16556.76km2，2000年為15308.19km2，2007年為15950.05km2，2010年為15416.13km2，1989年～2010年草地覆蓋面積累計(jì)減少1743.53km2，占研究區(qū)1989年草地覆蓋總面積的10.16%。其中，2000年～2007年階段草地覆蓋面積逆向回升，分析主要原因有兩個：(1)研究區(qū)內(nèi)輝河2006年之后水流量大幅減少，河岸兩側(cè)大量濕地轉(zhuǎn)換為草地[28]；(2)2000年以來，研究區(qū)內(nèi)積極開展人工種草、退耕還草等生態(tài)保護(hù)工程，其成效在2007年的遙感影像中顯現(xiàn)，草地面積有所回升。

圖2 研究區(qū)1989年～2010年草地覆蓋轉(zhuǎn)換圖

研究區(qū)草地覆蓋(圖1)主要分布在中西部平坦地帶，分布較為穩(wěn)定，尤其是海拉爾河以南、伊敏河以西的區(qū)域內(nèi)分布有高覆蓋度草地。從1989年～2010年草地覆蓋與其他土地類型相互轉(zhuǎn)換圖(圖2)中可以看出，草地與耕地類型的轉(zhuǎn)換多發(fā)生在研究區(qū)的東北部區(qū)域，草地與裸地類型的轉(zhuǎn)換多發(fā)生在研究區(qū)內(nèi)的兩條沙漠帶。此外，海拉爾河和伊敏河流域的兩側(cè)是草地與濕地轉(zhuǎn)換頻繁的區(qū)域。

4.2 草地覆蓋中各類型的時空特征

對呼倫貝爾草原典型區(qū)1989年～2010年草地覆蓋的類型構(gòu)成及其占當(dāng)年草地面積比重進(jìn)行分析(圖3)，可以看出：研究區(qū)草地覆蓋中面積最大的是中覆蓋度草地，占當(dāng)年草地覆蓋總面積的60%以上，其次是高覆蓋度草地，面積最小的為低覆蓋度草地。

圖3 研究區(qū)1989年～2010年草地覆蓋構(gòu)成及其占當(dāng)年草地面積的比重

研究區(qū)草地覆蓋中各類型呈現(xiàn)中覆蓋度草地向高、低覆蓋度草地轉(zhuǎn)換的“中間減少，兩端增加”態(tài)勢，即中覆蓋度草地的面積逐年減少，而高、低覆蓋度草地的面積逐漸增加。1989年～2010年中覆蓋度草地面積從16628.92km2下降到10130.35km2，在當(dāng)年草地覆蓋總面積中所占的比重從96.90%下降到65.71%；高覆蓋度草地面積從529.65km2上升到5282.61km2，占草地總面積的比重從3.09%上升到34.26%；而低覆蓋度草地面積從1.09km2上升到3.16km2，所占草地面積比重也從0.01%上升到0.03%。

表3 研究區(qū)1989年～2010年草地覆蓋類型面積變化

對研究區(qū)1989年～2010年草地覆蓋類型面積變化(表3)進(jìn)行分析，可以看出：從1989年～2010年草地面積的總年均變化速度為-83.03km2/a，其中1994年～2000年草地面積的年均變化速度絕對值最大，為-208.10km2/a，2000年～2007年草地面積的年均變化速度絕對值最小，僅為91.69km2/a。

4.3 土地覆蓋相互轉(zhuǎn)換的時空特征

通過分析研究區(qū)1989年～2010年草地覆蓋與其他土地類型轉(zhuǎn)移矩陣(表4)可以看出：1989年～2010年研究區(qū)草地覆蓋與其他各類土地類型均有轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出，且規(guī)模相對較大，土地利用結(jié)構(gòu)屬于不穩(wěn)定狀態(tài)，相互轉(zhuǎn)換劇烈程度從大到小依次為：濕地>林地>裸地>耕地>城鎮(zhèn)>水體(圖4)。除了草地與濕地的轉(zhuǎn)換結(jié)果表現(xiàn)為草地覆蓋面積增加外，其他土地類型與草地覆蓋相互轉(zhuǎn)換的結(jié)果均表現(xiàn)為草地覆蓋面積減少。濕地累計(jì)轉(zhuǎn)換為草地覆蓋的面積為16142.29km2，而草地轉(zhuǎn)換成濕地的累計(jì)面積為6716.19km2，草地覆蓋凈增加面積9426.10km2。其他土地類型中，由草地覆蓋轉(zhuǎn)換的累計(jì)面積較多的是林地和裸地，草地覆蓋累計(jì)轉(zhuǎn)出面積分別為2611.50km2和1361.49km2。耕地與草地覆蓋的相互轉(zhuǎn)換也較為明顯，1989年～2010年草地覆蓋轉(zhuǎn)換為耕地的凈面積為95.20km2。

表4 研究區(qū)1989年～2010年草地覆蓋與其他土地類型轉(zhuǎn)移矩陣(單位：km2)

圖4 研究區(qū)1989年～2010年草地面積變化圖

4.4 草地覆蓋類型變化趨勢

土地覆蓋動態(tài)變化度能夠定量分析草地覆蓋在1989年～2010年的變化劇烈程度及趨勢[29]。定義ΔUout為研究時間段T內(nèi)單一土地覆蓋類型A轉(zhuǎn)換為其他類型的面積之和，ΔUin為同一時間段其他土地類型轉(zhuǎn)換為特定土地覆蓋類型A的面積之和，Ua為該土地覆蓋類型A在研究初期的面積，則單一土地覆蓋類型A動態(tài)變化度可用3種數(shù)學(xué)模型表示：其一是土地覆蓋類型A一段時間內(nèi)的面積變化速率Rs(公式2)；其二是土地覆蓋類型A一段時間內(nèi)的空間動態(tài)變化度Rss(公式3)；其三是土地覆蓋類型A的變化趨勢及狀態(tài)模型指數(shù)Ps(公式4)[30]。

(2)

式中，Rs值越大，表示覆蓋類型A的面積變化速率越大，反之則越小。

(3)

式中，Rss值越大，表示覆蓋類型A的空間動態(tài)變化度越大，反之則越小。

(4)

公式4中，當(dāng)Ps∈(0，1]時，表示該土地類型正朝著規(guī)模增大的方向發(fā)展，處于“漲勢”；當(dāng)Ps值在0附近時，說明該類型轉(zhuǎn)換為其他類型的面積略小于其他類型轉(zhuǎn)換為該類型的面積；隨著Ps值逐漸增大，越來越多的土地類型轉(zhuǎn)換為了該類型，且該類型面積穩(wěn)步增加，呈現(xiàn)極端非平衡態(tài)勢。當(dāng)Ps∈(-1，0]時，表示該土地類型朝著規(guī)模減小的方向發(fā)展，處于“落勢”；當(dāng)Ps值在0附近時，說明該類型轉(zhuǎn)換為其他類型的面積略大于其他類型轉(zhuǎn)換為該類型的面積；隨著Ps值的增大，標(biāo)志著土地類型的轉(zhuǎn)換方向越來越側(cè)重于該類型轉(zhuǎn)換為其他類型，呈現(xiàn)極端非平衡態(tài)勢，并致使該類型規(guī)模逐步萎縮[31]。根據(jù)上述理論計(jì)算了研究區(qū)草地覆蓋類型的變化劇烈程度及趨勢指數(shù)(表5)。

表5 研究區(qū)草地覆蓋類型動態(tài)變化度指數(shù)

從研究區(qū)草地覆蓋類型動態(tài)變化度指數(shù)(表5)可以看出：研究區(qū)草地覆蓋類型的變化狀態(tài)及趨勢的相關(guān)指數(shù)絕對值均呈逐漸減小的趨勢。其中，Rs值從13.4%下降到-1.1%，說明草地覆蓋類型的年平均面積變化速率逐漸減小。1989年～2007年期間Rss值從125.6%下降到13.4%，而2007年～2010年階段有明顯反彈，為92.6%，表明草地覆蓋的空間變化度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。而Ps值圍繞在0左右浮動，且絕對值逐漸減小，表明呼倫貝爾草原草地覆蓋類型的變化規(guī)模減小，但與其他土地覆蓋類型相互轉(zhuǎn)換頻繁?？傮w而言，草地覆蓋規(guī)模趨于平衡。

5 結(jié)束語

本文基于1989年～2010年的多期遙感影像，針對呼倫貝爾草原典型區(qū)，制作了長時間序列的土地覆蓋類型分布圖和草地覆蓋與其他土地類型轉(zhuǎn)換圖，進(jìn)而展開了呼倫貝爾草原典型區(qū)草地覆蓋空間格局、時空變化特征、草地覆蓋變化程度和趨勢的研究。主要結(jié)論有：

①呼倫貝爾草原典型區(qū)草地總體特征是：草地總面積呈逐漸減少的趨勢，但其中2000年～2007年草地面積有所回升。草地覆蓋面積占研究區(qū)總面積的70%以上，約為1.6×104km2。草地覆蓋主要分布于研究區(qū)的中西部平坦地帶，且分布較為穩(wěn)定。研究區(qū)東部、流域兩側(cè)及沙漠帶土地覆蓋類型轉(zhuǎn)換頻繁。

②草地覆蓋中各類型的時空特征是：草地覆蓋以中覆蓋度草地為主，占當(dāng)年草地總面積的60%以上，但面積逐年下降，且在當(dāng)年草地總面積中所占的比重也呈下降趨勢。草地覆蓋類型呈現(xiàn)中覆蓋度草地向高、低覆蓋度草地轉(zhuǎn)換的“中間減少，兩端增加”趨勢。

③土地覆蓋類型轉(zhuǎn)換的時空特征：1989年～2010年草地覆蓋與其他土地覆蓋類型轉(zhuǎn)換頻繁，土地利用結(jié)構(gòu)屬于不穩(wěn)定狀態(tài)，草地覆蓋與其他土地覆蓋類型相互轉(zhuǎn)換劇烈程度從大到小依次為：濕地>林地>裸地>耕地>城鎮(zhèn)>水體。

④草地覆蓋變化狀態(tài)及趨勢：草地覆蓋類型的年平均面積變化速度逐漸減小，空間變化度呈現(xiàn)先減小后增大的態(tài)勢。草地覆蓋類型的變化規(guī)模減小，總體呈現(xiàn)趨于平衡。

致謝：在本論文的撰寫和修改過程中得到了審稿人的寶貴意見，以及實(shí)驗(yàn)室張學(xué)良、王劍庚和汪左博士的幫助，特此一并致謝。

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