用3S技術監(jiān)測壤塘縣退牧還草工程

顏玲，魯巖

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用3S技術監(jiān)測壤塘縣退牧還草工程

顏玲1，魯巖2

（1 四川省地政地籍事務中心，成都 610072；2 四川省草原工作總站，成都，610041）

應用“3S”技術為主要技術手段，輔以地面路線調查，利用2006年和2012年的MODIS影像數(shù)據(jù)，通過建立遙感與地面數(shù)據(jù)的數(shù)學模型，對壤塘縣2006年實施的國家天然草原退牧還草工程進行監(jiān)測，對工程實施進展情況、工程建設效益進行評價。為進一步開展草原資源與生態(tài)動態(tài)監(jiān)測和草原生態(tài)建設工程效益評價與監(jiān)測等工作提供科學的技術支持。

“3S”技術；退牧還草；遙感監(jiān)測；壤塘縣

長期以來，由于氣候變暖與不合理利用等原因，我國90%的天然草原出現(xiàn)不同程度的退化。為了保護已經(jīng)嚴重退化的草原，根據(jù)《全國草原保護建設利用總體規(guī)劃》，國家決定加大草原保護建設的力度，啟動國家天然草原退牧還草工程項目。四川省壤塘縣2006年實施了國家天然草原退牧還草工程建設項目，工程建設面積總面積75萬畝，其中圍欄禁牧21萬畝，圍欄季節(jié)休牧54萬畝。該工程應用草原圍欄封育保護措施，對嚴重退化草原進行圍欄禁牧，對中度退化草原進行季節(jié)性休牧。為及時掌握該項目的實施進度和實施效益情況，于2013年實施可退牧還草工程效益監(jiān)測工作，分析、評價了壤塘縣2006年度退牧還草工程建設的綜合效益。

1 研究區(qū)概況

壤塘縣地處青藏高原東南緣，川西北草原的西北部，阿壩藏族羌族自治州西部，位于東經(jīng)100°31′～101°29′，北緯31°29′～32°41′，幅員面積7 030km2。全縣地貌以高山峽谷為主，兼有部分高山丘原。壤塘縣屬典型青藏高原峽谷氣候類型，冬長夏短；夏秋相連；空氣稀?。淮髿飧稍?；日照時數(shù)多；晝夜溫差大；降雨集中；干濕季分明。年均氣溫分布為南高北低，相差約2～8℃?？h城壤柯鎮(zhèn)年均氣溫4.8℃，7月最高氣溫29.4℃，最低-23.4℃。年平均降水量763.1mm，中部偏多，南北略少。壤塘縣土地總面積為999.9萬畝，其中耕地3.2萬畝，占總面積的0.30%；天然草原面積628.3萬畝，占全縣土地面積的62.83%。

2 研究方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

影像：NASA（National Aeronautics and Space Administration，美國國家航空航天局）MODIS陸地產(chǎn)品組按統(tǒng)一算法開發(fā)的MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品，時間序列為2006年和2012年第225天，空間分辨率為250m。工作底圖：壤塘縣1:10萬地形圖；壤塘縣TM遙感影像圖，軌道號為131 038、132 037、132 038，空間分辨率為30m；2006年度壤塘縣天然草原退牧還草工程布局圖；中國草地資源類型圖；壤塘縣交通、河流圖等。地面調查數(shù)據(jù)：2012年7月下旬至8月初調查的壤塘縣退牧還草工程野外樣地、樣方調查數(shù)據(jù)。輔助資料:壤塘縣農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、氣象、人口、土地資源、草原生態(tài)狀況等歷史資料。

2.2 軟、硬件

ENVI、ERDAS等圖像處理軟件；ArcGIS等地理信息軟件；SPSS、Access等統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)庫軟件。能實時滿足以上軟件運行的計算機及圖形輸入、輸出設備等。

2.3 技術路線和方法

以全球定位系統(tǒng)技術為輔助工具對壤塘縣2006年退牧還草工程區(qū)進行詳細地面調查，獲取具有準確地理信息的草原資源狀況樣本數(shù)據(jù)，利用遙感技術（RS）獲取監(jiān)測區(qū)的有關草原資源的影像數(shù)據(jù)，在地理信息系統(tǒng)（GIS）技術平臺支持下，對獲取的多種來源數(shù)據(jù)進行復合分析，建立草原生產(chǎn)力模型，利用模型數(shù)據(jù)繁衍工程實施前后的植被生長狀況，將工程實施前后數(shù)據(jù)做對比，得出工程實施前后的植被生長狀況、植被組成、地上生物量、植被蓋度、高度等變化信息，最終實現(xiàn)對壤塘縣國家天然草原退牧還草工程效益的全面、系統(tǒng)的監(jiān)測[1,2]。

2.3.1 遙感影像預處理

1）幾何糾正。遙感影像由于受大氣層、傳感器本身特性和地物光照條件等的影響，導致所獲得的測量值與實際輻射存在一定的偏移，因此，需要對遙感影像進行幾何糾正以獲取準確地面信息。以1：10萬地形圖為參照，每景TM影像選擇至少10個地面控制點，對TM影響進行幾何糾正，糾正后像元均方根誤差RMS小于0.5個像元。在選擇同樣的方法對MODIS影像進行幾何糾正，得到具有相同坐標信息的遙感影像。

2）影像鑲嵌。由于單景影像難以覆蓋整個研究區(qū)域，需要對遙感影像進行拼接。由于在獲取時間、太陽輻射等不同，不同影像的對比度和亮度存在差異，因此在鑲嵌過程中需要進行直方圖匹配和彩色亮度匹配。

2.3.2 地面數(shù)據(jù)

2012年7月下旬至8月初，對壤塘縣主要草地類型和退牧還草工程區(qū)進行野外數(shù)據(jù)調查。調查數(shù)據(jù)主要內(nèi)容包括：樣地草地類型，樣地、樣方經(jīng)緯度，地形地貌，工程實施情況，樣方內(nèi)主要植物名稱、蓋度、高度、地上生物量等。樣方選擇在具有代表性植被組成相對均勻的區(qū)域。數(shù)據(jù)獲取后，按照工程類型、圍欄內(nèi)外分別進行匯總、統(tǒng)計，利用地理信息軟件將經(jīng)緯度轉換，并按照樣方編號次序與樣方經(jīng)緯度值一一對應。

2.3.3 植被指數(shù)提取

植被指數(shù)通常是紅色可見光和近紅外光的組合來確定。植被指數(shù)和草原生產(chǎn)力具有明顯的相關性[3,4]。將野外實地調查數(shù)據(jù)準確復合到遙感影像上，獲取各樣點的植被指數(shù)。因為植被指數(shù)對綠色植被表現(xiàn)較為敏感，經(jīng)常作為土壤、植被監(jiān)測的指標，可有效的反映草原第一性生產(chǎn)力，本文研究采用歸一化差異植被指數(shù)（NDVI）進行草原估測模型建立，其公式為：NDVI=（ch2-ch1）/（ch2+ch1）

式中：ch1為紅光通道反射值，計算時對應MODIS的1通道；ch2為近紅外通道反射值，計算時對應MODIS的2通道。（圖1）

2.3.4 草原估產(chǎn)模型

將野外實地調查的退牧還草樣地數(shù)據(jù)準確復合到NDVI圖像上，通過地理信息軟件抽取各樣地的灰度值，利用統(tǒng)計軟件分析植被指數(shù)與草原地上生物量的相關關系，并進行對比分析，建立生產(chǎn)力估產(chǎn)模型。在經(jīng)過驗證，修正參數(shù)，最后確定最能真實反映工程區(qū)生產(chǎn)力的數(shù)據(jù)模型。

3 研究結果與分析

3.1 工程完成情況

工程實施面積監(jiān)測是工程監(jiān)測評價的重要指標之一。本次研究根據(jù)當?shù)貙嶋H交通狀況，在進行地面調查過程中，隨機抽取多個工程項目的圍欄拐點，并記錄其經(jīng)緯度，在進行工程竣工圖數(shù)字化的基礎上，將圍欄拐點作為校驗點，對工程完成情況進行監(jiān)測評價。監(jiān)測結果為:地面調查過程中隨機抽取了30個圍欄拐點，95%的圍欄拐點與工程竣工圖的拐點基本一致。因此，工程完成情況的監(jiān)測結果以工程竣工圖為準。

2006年壤塘縣退牧還草工程建設面積為75萬畝，其中，圍欄禁牧21萬畝，圍欄休牧54萬畝。工程在浦西鄉(xiāng)、石里鄉(xiāng)、上杜柯3個鄉(xiāng)實施。全額完成了計劃任務。（圖2）

3.2 草原估產(chǎn)模型建立與分析

利用非線性回歸分析方法，對Y（地上生物量）與X（NDVI）進行相關分析，建立工程區(qū)大面積遙感估產(chǎn)模型。工程模型：Y=80.33e0.000 3X（R2=0.778 6）。植被指數(shù)與地上生物量的關系見圖3。

根據(jù)遙感估產(chǎn)模型，結合遙感影像及繁衍工程實施前后的草原生產(chǎn)力情況可以看出：2012年壤塘縣退牧還草工程區(qū)鮮草產(chǎn)量為7 068.1kg/公頃，其中禁牧區(qū)鮮草產(chǎn)量6 802.6kg/公頃，休牧區(qū)鮮草產(chǎn)量7 182.7 kg /公頃，分別比2006工程實施前提高15.9%和16.9%。兩期草原植被鮮草產(chǎn)量空間分布如圖4、圖5所示。

經(jīng)監(jiān)測，工程區(qū)禁牧區(qū)草原植被平均蓋度79%，休牧區(qū)草原植被平均蓋度80%，比非工程區(qū)高8個百分點。禁牧區(qū)草原植被平均高度24.3cm，休牧區(qū)草原植被平均高度24.0cm，分別比非工程區(qū)高39.4%和37.9%。工程實施前后草原植被蓋度變化見圖5所示。

3.3 工程區(qū)內(nèi)外草原植被種群變化監(jiān)測結果與分析

草原植被中優(yōu)質牧草的優(yōu)勢度，是確定生態(tài)效益的重要指標和衡量草原優(yōu)劣的主要依據(jù)。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，退牧還草工程區(qū)內(nèi)主要優(yōu)勢植物為嵩草、針茅、早熟禾、披堿草、鵝觀草、苔草等，其中以嵩草、披堿草為主要優(yōu)勢種，在群落中比例較高。工程區(qū)外主要植物為嵩草、萎菱菜、火絨草、狼毒、鳳毛菊等，其中以嵩草和各類雜草為主要優(yōu)勢種。工程區(qū)外植被飼用價值明顯低于工程區(qū)內(nèi)。

3.4 退牧還草工程效益分析

隨著退牧還草工程的實施，生態(tài)效益比較明顯。主要表現(xiàn)在：①草原植被蓋度明顯提高，飼用價值較高的莎草科和禾本科牧草為主要牧草建群種的草原群落明顯增多。②草原小氣候環(huán)境得到改善。從壤塘縣退牧還草監(jiān)測結果來看，工程區(qū)內(nèi)草原平均蓋度和平均高度比工程去外都有了較為明顯的提高，草原第一性生產(chǎn)力顯著增加。由此可見，退牧還草工程實施后，通過圍欄保護措施控制牲畜數(shù)量和放牧強度，草原植被狀況也得到較大改善，大大減輕了草原放牧壓力，從根本上解決牧區(qū)草畜矛盾，實現(xiàn)草畜平衡；有利于提高植被蓋度、高度，提高草原生產(chǎn)力水平；有利于制止草原亂挖、濫墾、過牧等行為，保護生物多樣性，對防止草原退化，恢復草原生態(tài)系統(tǒng)具有明顯作用。較好的植被、土壤狀況能有效的減少草原的水分蒸發(fā)，增強了草原涵養(yǎng)水源、蓄水能力，對草原旱化、沙化、減輕水土流失等也起到遏制作用，促進了草原生態(tài)系統(tǒng)向良性循環(huán)方向發(fā)展。

同時實施退牧還草工程建設，提高了全民生態(tài)環(huán)境保護意識，加快了放牧方式的轉變，促進了草原畜牧業(yè)生產(chǎn)結構的調整。

4 研究展望

本文研究表明，利用“3S”技術進行退牧還草工程監(jiān)測，可有效的監(jiān)測和評價退牧還草工程實施狀況和效益，節(jié)約大量的人力、財力和物力。但是由于是對遙感瞬時的數(shù)據(jù)進行研究，只能代表一定時間、一定區(qū)域的植被狀況，因而需要繼續(xù)研究監(jiān)測的方法和技術。

[1] 裴浩, 李去鵬, 烏日娜. 應用衛(wèi)星遙感技術監(jiān)測生態(tài)建設工程[J]. 遙感技術與應用, 2003, 18（4）: 221～225.

[2] 趙薇, 宮輝力, 趙廣吉. 基于RS與GIS的野鴨湖濕地土地利用變化研究[J]. 遙感技術應用, 2004, 19（3）: 177～181.

[3] 王正興, 劉闖, 趙冰茹. 1999年錫林郭勒草地AVHRR-NDVI時空變化研究[J]. 遙感技術與應用, 2003, 18（5）: 286－290.

[4] 李建龍, 蔣平. 戴若蘭. RS,GPS和GIS集成系統(tǒng)在新疆北部天然草地估產(chǎn)技術中的應用進展[J]. 生態(tài)學報, 1998, 18（5）: 504～510.

Monitoring Return Grazing Land to Grassland Project in Zamtang by 3S Technology

YAN Ling1LU Yan2

(1-Sichuan Cadastral Cadastral Affairs Center, Chengdu 610072; 2-Sichuan Prairie Work Station, Chengdu 610041)

A returning grazing land to grassland project is been carrying out in Zamtang due to the increasingly deteriorated grassland. This paper deals with the application of 3 S technology to this project by means of a mathematical model based on MOIDS image data in combination with route survey data which provides scientific basis for the assessment of progress and benefit of this project.

3 S technology; returning grazing land to grassland; remote sensing monitoring; Zamtang

P627

A

1006-0995（2015）01-0147-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.01.035

2014-04-08

顏玲（1981-）女，重慶市人，碩士，主要從事測繪工程、礦權審批與遙感監(jiān)測等工作