全 文 ：第1 8卷第5期
1 9 g 8年 9月
生 态 报 VoI_18，No．5
SeP。 1 g98
Rs，GPS和GIS集成系统在新疆北部天然草
， ． ， 地估产技术中的应用进展
、／ 『‘ 、
宅建龙 整 垩 戴若兰
(兰州大学干旱农业生态国塞重点实验室 兰州市 730000)
(’新誓师范大学学报编辑部 乌鲁术齐市 830053)
擒l 利用 1991~1996年在新誓天山北坡不同草地类型上观测的草地可食产量．环境与遥感资料等．使用
RS技术、GPS和 GIS集成系统进行了多重相关分折和遥感估产技术的探八研究．并在圈蕞处理、信息提取，
信息虚用和RS-G~ 一体化估产方法及遥感知识与草原生态专业知识结合方面获得一定研究进晨 研
究结果表明，4十草地类型的可食鲜干草产量与两种遥感绿度值间存在着极显著相关性(P
类型 I则相反 进而从 9种教学方程式中选优．建立了地学、光学和非线性遥感估产模型，井在实际估产中加
以应用、检验和蛤出了生态学解释及机理分析．使大面积草地可食牧草遥感估产精度达到 75．8 以上．实现
了遥感大面积估产目标和草地生态学意 及RS-GPS-GIS与蕈地专家系统一体化集成的应用。 、r
关t调：蓬堕亟斟兰里，垒球定位系统{盆Ps)·地理信息系统f ) 蔓垫， 亘亟焦亡，研究进展。 { 』 工
ADVANCES IN STUDY oN THE REMoTE SENSING TECHN—
oLoGY AND GPS AND GIS INTEGRATIoN SYSTEM S IN
ESTIM ATING GRASSLAND YIELD APPLICATIoNS IN THE
NoRTH oF XINJIANG，CHINA
Li Jianlong ．Tiang Ping Dai Ruolan
(The StateKeyLaborot~y ofAgroeeology，z 船 ^ Uni~ sity．Lanzhou。730000．China)
( Xinjlang Normal University，u m ·830053，China)
A~stract Using the green herbage yields，environment and the remote sensing(RS)data
observed in different grassland types in the northern slope of Tianshan，Xinjinag Province
from 1 991 to 1 996，the correlation analysis and the estimating yield methods were studied
using the 3S technology integration．The methods of processing images，and collecting and
using information，and lining RS data and grassland data were explored in the paper．The
results showed that there existed an obvious correlation between the fresh herbage yields
and RVI and NDVI(P
收祷日期 1997—01—09，修改稿收到 日期：1997 10 06
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4期 李建龙等：RS，GPS和GIS集成系统在新疆北部天然草地估产技术中的应用进展 505
and RV1 was better than NDVI in Ⅱ，Ⅲ andⅣ types．The opposite was found in I types．
The finest nonlinear geographical，the optical and satellite remote sensing estimating yield
models were made from 6 curve types．The effects were checked by the observing yields
and statistics．The ecological interpretations and mechanism analysis of the results were
given．The total accuracy of the RS estimating green yields was above 75．8 in large ar—
eas．The objectives were realized hy the RS，GPS and GIs and grassland expert syster~in-
tegrations．
Key words： RS，GPS，GIS，grassland，estimating large area yields．
草地产量是草业生产力高低的重要衡量指标．同时也是制定畜牧业生产规划的基础。能否及时掌握准
确地大面积草地动态产量资料，对计算草地载音量和安排草畜生产．提高草地畜牧业生产力．都具有十分
重要的意义。然而．目前一般采用的传统测产方法．由于测点控恻面窄·周期长．再加之费时费力，成本高，
鄯不瞻及时反映大面积草地产量动态变化状况，而具有其局限性。因此，为了克服传统测产方法和技术的
不足，提高生态学在群落和景观层次的研究水平和范围．提高人们对草地生态系统在空间、时间和属性特
征动态变化的了解和滇替过程的掌握。使生态学原理和草地信息更有效应用于草业生产，发展草业生产力
和丰富草地生态学研究方法。本研究旨在探讨利用遥感技术．全球定位系统和借助 GIS系统的统计功能，
通过多年地面观测工作和卫星影像的印证和草地专家系统分析，经过一系列专业化技术处理 ，实现草地信
息获取．信息处理和信息应用自动化、定量化和一体化目标，进而通过建立草地可食牧草各类估产模型和
遥感环境综合技术系统(RSECTS)(图1)，努力实现草地可食产量太面积遥感动态监测和估产指标及提高
估产的精度。最终实现草地估产新思路的目标——Rs、GPS、GIS和草地专家系统(4s)一体化集成，丰富及
拓宽草地生态学研究方法。
1 试驻地、材料与方法
1．1 试验地概况与样地定位 位于新疆北部阜康县境内．地处天山北坡山前及低山带．为东经 87。46 ～
88~44 ，北纬 4 45 ～45。30 之间。该县属于温带干旱太陆性气候，多年平均气温山区 3．4"C，平原区 6 6℃，
沙漠区5．9．G，多年平均降水量山区406 8ram，平原区 187．5ram，沙漠区 114．7mm。利用草地调查与 TM
资料进行植被分类和底图制作 草地植被从北到南依次分布的主要类型为温性荒漠类(类型 I)、低平地草
甸类(类型 I)、温性荒漠草原类(类型I)和温性草甸草原类(类型 )等。在遣4类型区内建立了长期草地
与环境气象资料生态定位观测站，进行多年常规生态环境资料观测。其方位用TRANSPAK(made in U．S．
A)便携式全球卫星导航定位仪结合地形图订正确定，在计算机工作站建立起GPS定位系统。
1．2 材料与方法 (1)遥感影像和处理方法 从 1991年至 1 996年共收集 24幅 NOAA卫片资料和 2幅
TM卫片资料等，利用GPS准确定位．提供空间定位资料等和使用ERDAS软件进行图象处理和信息提
取，用ARC／INFO(GIS)建立空间数据库荨和进行资料统计分析．做到RS—GPS—GIS一体化集成分析。(2)
草地产量 每年于5月16甘至 l0月16日每隔半月用lm。拌方按收获法测产．重复测4次。另外．在每年
6月 1日和 9月 16日夏秋高产期分别在 4个类型区内，选择典型地段设置100×25 样条进行结构调查
和太区铡产．重复测3次，用于太面积遥感估产结果的精度检验。(3)环境气象和光谱资料 用常规法观测
了每十样地的 0～5ocm平均土壤含水量、地下 25cm地温、地面气温、降水量、蒸发量和日照等及用 RS-B
型野外光谱仪观测了地面光谱资料等。(4)遥感植被指数 用提供气象卫星通道 1和 2的经校正后的RVI
和 NDVI绿度值 ，进行可食牧草产量相关分析 ，并接受F检验、精度与灵敏度分析等数据加工处理。建立了
地学，地面光学和卫星遥感估产模型及遥感一环境综合技术系统(RSECTS)苷(图1)。做到 RS—GPS．GIS与
草地专家系统(4s)方法一体化集成，提高草地大面积估产精度和拓宽草地生态学研究方法。
2 结果与分析
2．1 遥感图象处理与信息提取技术和估产方法等特色 利用NOAA资料对大面积草地牧草长势进行动
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生 态 学 报 18卷
态监测是可行的，精度是可靠的．业已被现有研究所证实 ]，但能否应用于草地准确估产仍值得深入探
讨，因为其资料易受空间分辩率低和大气及地理背景的干扰“ 。为克服NOAA资料本身的不足·发挥其动
态宏观优越性和提高草地大面积估产的精度，在进行了一般常规图象处理、信息提取和资料加工及应用基
础上 ，本研究特做如下改进 ：(1)首先对获取的所有 NOAA资料反复做太阳高度角影响纠正·利用不同时
相 NOAA影像筛选和叠加进行大气效应订正，几何粗精和经纬度校正 (在 ERDAS和 GIS系统支持下·利
用天池海水域进行反复校对)，在 RS与GIS结合下进行数值和坐标转换及数据矢量化，信息分类、复合和
量资料平均校正等处理，以减少资料本身在加工处理过程中的误差}(2)利用TM资料和地面光谱资料
对 已处理的NOAA信息做必要校正。在利用TM 资料进行分类．底圉制作和多阶抽样下 ，进而又用TM 资
料作为“桥梁 间接地建立 NOAA信息与实地资料的关系，逐步做到多星多时相天、地资料的有机结合}
(8)为克服象元影像坐标偏移及边缘畸变的缺点，采用地面观测点及周围 24个象元(5×5)的气象卫星绿
度值平均后，再用于可食牧草产量相关分析．以减少。点对点 资料的偏差}(4)采用天、地多年 24个时相的
向步观测资料，建立可食牧草产量与绿度值间相关估产模型．发挥GPS与RS和GIS一体化功能结合优
势，并对其结果做相关系数(r值)、灵敏度统计和模型估产精度检验与分析(面非单时相单因子的倚单相关
估产模型)．使数学模型本身的估产精度达到 95％以上}(5)对建立的各种地学、光学和卫星遥感动态估产
模型．均进行了实际估产精度的验证和效果分析，注重遥感估产结果与草原专业知识和生态问题相结合。
充分利用专业模式和经验去连接和发挥RS与GIS的作用，形成完整的可操作遥感监测与估产和灾害预报
应用系统(结果略)}(6)草地估产系统的作业程序包括从点到面估产，然而再乘以面积推广到大区域估产
(圈1)。注重不同遥感信息在不同估产层次上的使用，最大限度地发挥NOAA资料宏观动态效应好的优势
和TM资料地面分辩率高、分类精度好的特点，从而提高大面积草地估产的精度和景观生态学效应Ⅱ～目。
2．2 GPS-RS．GIS一体化集成在草地估产技术中的效应 GPS(全球定位系统)是以卫星为基础的无线电
沸时定位，导航系统．可为各种用户提供不同精度的空间定位数据}Rs用于实时或准实时地提供目标及其
草地、环境的语义或非语义动态信息，可及时对GIS进行数据更新，具有动态信息优势I而GIS则被各行各
业用于建立各种不同尺度的空间数据库和决策支持系统，向用户提供各种形式的空间查询，空间分析和辅
助规划决策的功能．具有空间分析优势等，一般将GPS、RS和GIS的一体化集成系统统称为 3s 系统，由
于GIS与RS、GPS的一体化发展，使草地资源信息采集、标准化、定位、传输、存贮、管理、分析和应用成为
一 个整体的信息网络。因为RS和GIS资料加工需要在GSP系统下定位．快速准确获取目标点的坐标，并
结合GIS大大提高了移动目标的管理能力．面GIS需要应用遥感(Rs)资料更新其数据库中的数据}而RS
蓐像的识别需要在GIS支持下改善其精度并在数学模型上得到应用。本研究证明采用“3s 技术的一体化
集成，能使草地估产信息收集、存贮、管理和分析等更加实时、全方位、快速和精度高，可为生态学和地学研
兜提供全新的研究手段和思路 为此，既对NOAA气象卫星信息做更深层分折．亦对RS—GIS-专家系统一
体化技术进行探索，做出了各种专业圉件，以期在草地环境宏观监测、估产和草业生产实际应用中发挥更
大的效应(RSECTS) 。
2．3 草地估产的地学模型建立 在本RSECTS系统分析中，模型的建立起着重要作用．它既是信息分析
的工具，又是建立可运行的草地资源动态监测和估产一体化系统的基础。地学模型通式为；Y=Y(GT，t，
珂，， ，置，X．)，式中r为可食牧草鲜干草产量(kg／hm )，GT为不同草地类型，t为时间(指年季月)．X，为
Oe-50era土壤平均含水量，噩 为 25cm年均地温．x 为年均气温．置 为年均降水量。利用近代最新统计回
哺法——运用Cp准则辅以RMsq准则作所有自变量子集回归分析，从中选择最优主导生态因子和回归方
程，建立标准地学估产模型(从 Q=1，2，3，4中逐步选择分析，见表 1)。
由结果可见 ．运用所有 自变量子集回归分析 ，得出了相关估产优化地学模型和找出了影响产量形成的
主导生态因子，如类型 I为水热各因子，类型 l为土壤含水量和地温，类型I为地温、气温和降水量及类型
I为气温和降水量，结果符合实际生态规律和成因分析结论，它即反映了可食牧草产量形成的本质．又有
利于将来的产量预报。同时．也表明由于不同草地类型因所处生态环境和牧草组成种类和结构不同，导致
蓐响牧草产量形成的主导生态因子也有所不同．而以上数学表达式则定量反映了这种成因相关生态规律
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Fig·1 The grass／and m Ourse RSECTS sketch廿】a。
表 1 标准估产地学模型
Tal~"1 The estimating—fresh and estim ating hay yield爪0dd
s
鲜草的最优标准估产地学模型
Estlmatlng—tresh yield models
干草的最优标准估产地学模型
Estiraating hay yield models
【 y】 15×[8l·5—61·548x1—536．269x2+487．691
一 76．673x‘]
15×E174 59—168．103x1+149．672 2
I Y1— 15× E 71·955+ 187 982x2+ 207．429x~+
69 552 ‘：
一 15× [32·~85— 22．601x1— 277．895 2+
248·913∞一23 675x‘]
=15×[85 395-64 274 l+52 02 ]
一15×[39．5—15．059x 3]
h Y]flSX E286,345+
—
~36,024x2+388．367x~]
—
Y2=15X[94．85+73．923 }+113 902 ‘]
及本质，弥补了遥感估产“微观 不足的弱点
· 草苎_估产的地面光学模型建立本文光学模型通式为：g 一g (cH1．CH2)， — (g1．g2)，式中J ：
’ 种算法模式 ，c +CH2分别为地面实测光谱通道 1．2+g，为第 种算法模式计算的地面实测
谱绿度值； 为地面实测可食牧草产量，g1一RVI．g2一NDVI
。
经参考 值、回归平方和、F值及最大绝对误差大小，从6种常见数字曲线类型中选择最优形式哺
，建
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生 态 学 报 1B卷
立牧草产量监测与估产模型如表2。由表2结果分析可见-这些建立的非线性优化光学估产模型r值均高
于0 917，相关程度很高，且都通过了0 o1极显著水平坑计检验．表明估产模型是敏度报高，具有实际应用
竹值。在不同时空条件下可食牧草鲜干重仍与两种光谱绿度值成正相关，并且以非线性曲线形式拟合，其
蛙果更佳．因此，这些光学模型均可用于草地资源监测、估产和产量预报。研究还表明．在同一类型不同时
间的绿度值随可食牧草产量高低变化而发生同步变化．由此说明可利用绿度值的变化对牧草产量、长势和
资源动态变化进行监测，而且在不同的草地类型，应选择不同的绿度值和不同的曲线拟合，则可提高估产
精度 另外在同一时间不同草地类型上观测的光谱绿度也有所不同．有豫植被盖度和可食牧草产量增高而
变大的趋势，为此，可用光谱绿度值的数值高低，进行草地产量分级和大面积估产及草地利用现状田制作
等(表2)，井将此结果进行草地专家系坑分析．获得了许多草地研究成果。
2—5 草地估产的卫星遥感模型建立 利用线性或非线性逯步回归分析法．对y (蛘草产量)、x (NDV1)
和XI(RV1)进行多重相关分析、从中选择最优回归方程，建立了太面积卫星遥感估产模型(衰3)．经参考r
值太小·模型的回归平方和、F值和最大绝对误差大小．从 6种常用曲线类型中选择出最优形式，建立的线
性或非线性草地产估模型强]．经效果检验分析后得出．在不同时空条件下．y，与x 和x。值闻成正相关．且
相关性密切·r值均在 o．679~0．984之间，井通过了F检验(P
由于类型I多以音叶绿素相对较少的木本灌木组成．且易受山体干扰，地面光谱反射事较高，导致其产量
与RVI、NDVI的相关性与其它类型相比稍差。一般在植被盖度较高的类型Ⅳ、l和 I，是衅草产量与 w
竹相关性好于NDVI，而在植被盖度相对较低、处于荒漠区的类型 I更!I相反，是衅草产量与NDVI的相关
性好于RVI，表明不同草地类型固植被盖度和叶绿索音量不同，应选用不同绿虚值进行草地估产，方可提
高估产精度(表 3)。
衰2 不同时间不同草地类型牧草产量地面光谱监潮与估产模型
TIlbe 2 The spectral monitodq mad estima~q models of hert=~ ylel~ In different time and grm l~ d
types above ground(kg／hm )
2t 不同草地类型分区遥感估产效果与精度分析 利用建立的优化非线性遥感估产模型，实际估测了
1996—06—01的 4十草地类型大面积分区产草量-并与地面实测结果进行对比．做出了统计学精度检验(表
4)．由表 4结果分析可见，4十大 区遥感估测的草地可食牧草产量与实测产量基奉吻合 ，相对误差小 于
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4期 李建龙等：RS，GPS和GIS集戚系统在新疆北部天然草地估产技术中的应用进展 509
25 ，估产总精度分别为 75．8 、85．5 、84．7 和 81．1 ，均在 7s 以上，且通过 了F统计检验。从草原
生产实际要求和统计学的标准衡量，各大分区鲜草产量遥感估测精度均达到了比较满意的水平=结果表明
利用 NOAA资料和 GPS—RS—GIS及草地专家系统一体化体系进行大面积草地怙产是可行的和经许的 ，是
植物生态学研究中又一新方法和技术，有必要将此技术和成果在草业生产上和生态学研究方面广泛应
用 。
丧3 不同类型的草地产量卫星遥感估产模型(kg／ha )
Table 3 The satellite remote san sing estimating modds ef herbage yields in different grassland types
丧 4 利用遥感技术和GIS估测草地产量与地面实．删产量结果及效果统计检验(鲜草， 一24)
Table al The results of the estimating herbage elds an d real herbage yteld~and effect checks by the RS
an d GIS technology(fresh herbage， 一 24)
*I：Plaln desertI I：Low [and meadow} -：Desert sleppe；Ⅳ {hilt meadow
3 结论与讨论
研究证明，在遥感图象处理，信息提取与应用过程及GPS—SR—GIS一草地专家系统一体化集成技术方面
所做探索，是有益和创新的[5 在GPS—RS—GIS集戚体系支持下，利用多年草地产量资料与多时相遥感绿
度值问建立的各种相关估产模型 ，其 r值均在 O．679以上t都通过了 F检验，在 4十大分区实际估产检验
中，精度分别为 75．8 、85．5 、84．7 和 81．1 (从类型 I至Ⅳ)，可满足统计学和草业生产的实际要求 ，
圆而可用于草地动态监测和估产。实现了遥感估产日的，井获得了诸多研究进展 由于 RS和GIS系统的匹
配应用·使小范围内所获研究结果和草地生态信息得以外延和扩展。使人们有能力“更为宏观综合的方式
来探讨草地资源的奥秘和了解更大范围的草地演替变化过程等。研究还发现酴类型 1 外，用RVI指标估
测其它 3个类型草地可食牧草产量的精度要高于用 NDVI指标(在类型 I，则相反) 因此，用 NOAA资料
和遥感技术与 GIS等的结合进行大面积草地动态估产和生态学研究是可行的、可信的，也是经济的，其研
究成果具有广搓的学术和应用价值及生态学意义=诚然，对GPS—RS GIS和草地专家系统(4s)一体化草地
估产方法，还将有必要做进一步探索。当然，充分利用草地专业模式去连接和发挥RS，GIS和 GPS的作用，
将会形成完整的草地遥感监谢与估产应用系统 叫]
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51O 生 态 学 报 18卷
参 考 文 献
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李博等著．中国北方草地膏技业动态监测研究．北京t中国农业科技出版社，1993．92～108
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Tucker C、J．Setellte l-~llote sensir~ of prlm~y production、，m J．Remo~e S“嘶 l987．7(11)l1395~1416．
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