全 文 ：第 18 卷 第 2 期
Vol. 18 No. 2
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2010 年 3 月
Mar . 2010
三江源区草地覆盖遥感信息提取方法及动态研究
刘晓东1 , 刘荣堂1* , 刘爱军2 , 贠旭疆1, 2, 李新一2 , 包海明1
( 1.甘肃农业大学草业学院 , 甘肃 兰州 730070; 2.农业部全国畜牧总站 , 北京 100125)
摘要: 在建立三江源区草地植被覆盖遥感监测和评价指标体系的基础上,对 2008 年三江源区草地植被覆盖状况做
出评价,并用马尔柯夫链, 对 2000- 2008 年三江源区草地植被覆盖动态变化进行分析。结果表明:三江源区 2008
年草地总体为低植被覆盖草地,低覆盖和极低覆盖草地面积分别占 31. 29% 和 9. 29% , 其中西部和中东部草地植
被覆盖状况令人担忧;依据转移矩阵, 表明近九年,三江源区的草地植被覆盖总体呈降低趋势,但从低覆盖和极低
覆盖草地出现好转,有 10. 82%低覆盖和 14. 23%极低覆盖草地分别转化为中覆盖和低覆盖等级草地, 说明2000 年
以来实施的青海三江源自然保护区生态保护和建设总体规划生态建设项目效果明显。
关键词:遥感; 信息提取;草地覆盖; 动态;三江源区
中图分类号: S127 文献标识码: A 文章编号: 1007-0435( 2010) 02-0154-06
Study on Information Extraction and the Dynamic Monitoring of
Grassland Coverage in Three River Source Area
LIU Xiao-dong1 , L IU Rong- tang1* , L IU A-i jun2 , YUN Xu- jiang1, 2 , L I Xin-y i2 , BAO Ha-i ming1
( 1. Gansu Agricultural University, L anzhou, Gansu Province 730070, China; 2. Nat ional An imal H usb andry Service, Beijing 100125, Chin a)
Abstract: T he paper made a comment on coverage of grassland of the T hr ee River Sour ce A rea, based on
monitoring and building indicato r system fo r evaluat ing coverage and also implemented Markov process to
analyse dynamic changes of coverage o f the reg ion during the last nine years. T he result indicated that cov-
erage of grassland in the area belonged to poor g rade in 2008, w hich low coverage and low er coverage re-
spectively occupied 31. 29% and 9. 29%. The coverage of w estern and m id-eastern reg ions w as serious deg-
r adation in the study area. In the meant ime the result also show that extent o f coverage had a hier archical
reduct ion. Otherw ise for low coverage and low er coverage began to appear changes in the negativ e dir ec-
t ion, w hich meant a ascending tendency from low coverage and low er coverage that o ccupied 10. 82% and
14. 23% of the study region r espect ively to the middle coverage and low coverage during last nine years.
Key words: Remo te sensing ; Info rmat ion ex t ract ion; Grassland coverage; Dynamic change; T hree river
source area
三江源位于青海南部, 地处青藏高原腹地, 是
长江、黄河、澜沧江三大河流的发源地, 素有中华水
塔之称[ 1]。近几十年来由于对草地的不合理利用
及在自然因素的综合作用下, 三江源区草地出现了
大面积的草地植被覆盖下降, 草地生产力更是下降
明显,已成为社会、经济、生态可持续发展的巨大屏
障[ 2]。因此,精确监测和分析三江源区草地植被覆
盖程度及时空特征,积累三江源区草地基本科学数
据,为三江源区草地资源可持续利用及生态恢复提
供理论依据与技术支持。
草地植被覆盖下降是土地退化的一种表现形
式,是植被自然振荡、气候变化和人为干扰等综合作
用而导致的植被逆向演替的现象[ 3]。近年来, 随着
遥感和地理信息系统等技术的发展及遥感数据源和
评价方法不断推陈出新, 为草地植被覆盖监测和评
价的选择提供了很大的空间[ 4, 5]。常用的草地遥感
监测和评价方法有遥感影像目视解译法、遥感影像
分类法、遥感植被指数法以及其他指标法等[ 5~ 10]。
不管采取何种方法,获取可靠的遥感数据,并通过有
效的提取途径获得专题信息是草地监测和评价成功
的关键[ 11] 。本文从三江源区草地特征、遥感数据特
点等实际问题出发, 采用国家标准中有关草地盖度
收稿日期: 2009-07-30;修回日期: 2010- 01-15
基金项目: 十一五支撑课题( 2006BAD16B04-1)、国家自然科学基金项目( 30471226)资助
作者简介:刘晓东( 1983- ) ,男,甘肃天水人,硕士研究生,研究方向为遥感与地理信息系统在草地资源环境中的应用, E-mail: l iuxiaod ong-
com@ 163. com * 通讯作者 Au th or for correspondence, Email: liu rt@ gsau. edu. cn
第 2期 刘晓东等:三江源区草地覆盖遥感信息提取方法及动态研究
的定义、级别和指标等分级方法,选择草地盖度作为
主要遥感监测指标,建立草地植被覆盖遥感快速监
测和评价指标体系, 对 2000- 2008年三江源区草地
覆盖动态变化进行了监测, 并分析和评价了三江源
区草地植被覆盖程度及其空间格局。
1 研究区概况
研究地位于青藏高原腹地,青海省南部, 地理位
置介于东经 8924- 10223, 北纬 3139- 3616。
行政区域涉及青海省玉树、果洛、海南、黄南四个藏
族自治州,共 16个县, 总面积 363100 km2 , 占青海
省总面积的50. 31%。草地以高寒草甸类和高寒草原
类草地为主[ 12]。年平均降水量为 274. 6 - 746. 9
mm。年降水量的分布由东南向西北渐次减少, 该
地区年降水量的分配特点是: 夏季多, 冬季少, 雨热
同季; 秋季降水较于春季多。一年中的热量多集中
在 6- 8月份,辐射强烈, 光照资源丰富,太阳年辐射
量在 6. 0 109J m- 2以上,各地年日照时数在 2. 2
103 - 2. 9 103 h; 气象灾害类型多,发生频繁, 干
旱、霜冻、大风和冰雹等十分常见[ 13] 。
2 研究方法
2. 1 遥感数据源及处理方法
2. 1. 1 数据源 我们采用了 GIMMS( Global In-
ventory M odeling and Mapping Studies) 全球植被
指数变化数据集和来自 NASA( National Aeronau-
t ics and Space Administr at ion, 美国国家航空航天
局) 的 MODIS 植被指数的 MOD13Q1 数据集。
GIMMS 选用 1981 - 1984 年的时间分辨率为 15
天、空间分辨率为 8 km 的最大值合成的 AVHRR-
NDVI数据; MOD13Q1 选用 2000 和 2008 年的时
间分辨率为16天、空间分辨率为 250 m 的最大值法
合成的 NDVI数据, 两类数据都选取植被生长季 7
- 8月底的 NDVI 图像。
2. 1. 2 处理方法 在 ERDA S 及 MRT ( MODIS
Repro jection Too ls)软件支持下, 把两类数据投影
转为 Alber s正轴等面积双标准纬线圆锥投影。将
1981- 1984年的 AVHRR-NDVI及 2000- 2008年
MODIS/ NDV I生长季( 7- 8月)数据, 进行叠加, 求
出草地植被生长季平均 NDVI 图像。然后, 用中国
草地资源类型图的草原界限将三江源区的草地进行
裁切,并分区,写出模型, 分别反演盖度。
2. 2 草地植被盖度的计算
植被盖度与归一化植被指数 NDVI 之间存在
着极显著直线相关关系[ 14~ 16] 。在遥感监测植被盖
度中,通常利用植被盖度与 NDVI 之间关系估算区
域植被盖度[ 17~ 19] ,其计算公式如下:
Vc=
ND VI- ND VI s
N D VI v - ND VI s
式中: V c 为草地植被盖度, ND VI s 为研究区裸
土最小 ND VI 值, ND VI s= 0. 05 (专家经验值) ,
ND VI v为象元最大 NDVI值。
2. 3 三江源分区的建立
由于草地类型、气候、水热条件、地形地貌、行政
区域及草地植被覆盖分布的空间差异,根据文献、专
家咨询等方法, 将三江源划分为四个区: 东部地
区,包括八个县(兴海县、同德县、泽库县、玛沁县、河
南蒙古族自治县、甘德县、久治县、班玛县) ; 中东
部地区,包括两个县(玛多县、达日县) ; 中西部地
区,包括两个县(玉树县、称多县) ; 西部地区, 包括
(杂多县、曲麻莱县、治多县、唐古拉山乡)。
2. 4 三江源区草地植被覆盖度遥感监测和评价指
标体系的建立
2. 4. 1 草地植被覆盖的分级 我们以 20 世纪 80
年代初( 1981- 1984年)的草地植被盖度作为正常
草地植被盖度,以此为基准进行三江源草地植被覆
盖度等级的划分,参照国家标准( GB19377-2003)及
高清竹对藏北地区草地退化等级的划分 [ 11] , 将三江
源区草地植被覆盖等级分为五级:优等覆盖草地、良
等覆盖草地、中等覆盖草地、差等覆盖草地及劣等覆
盖草地,并确定草地植被覆盖遥感监测和评价指标、
标准以及等级划分和评分方法(表 1)。
2. 4. 2 草地植被覆盖度指数的计算 在草地植被
覆盖等级划分的基础上, 采用草地植被覆盖度指数
GVCI( Grassland vegetation cover age Index ) 来表
达草地植被覆盖状况。草地植被覆盖指数是将草地
覆盖程度的面积与草地覆盖等级信息相整合的高度
综合的指标,本研究中引入该指数用于建立评价指
标体系。草地植被覆盖度指数计算公式为:
GVCI= ( 5
i= 1
Di A i) / A
式中: GVCI为草地植被覆盖指数; D i 为草地
植被覆盖等级 i 的评分; A i 为草地植被覆盖等级 i
的分布面积 ( km 2 ) ; A 为三江源区草地总面积
( km2 )。
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草 地 学 报 第 18卷
表 1 三江源草地植被覆盖遥感监测与评价指标、标准以及等级划分方法
Table 1 Evaluation indices system, cr iteria and classification of remo te sensing
monitor ing o f gr assland vegetation coverage in three river sour ce ar ea
草地覆盖等级
Grade of grassland coverage
覆盖等级评分
Point of g rade
草地植被覆盖等级划分方法
Division method
优等覆盖
M uch better g rade
1
在优等覆盖草地植被盖度的 90%之上
Coverage is m ore than 90% wi th mu ch bet ter grade
良等覆盖
Bet ter grade
2
达到优等覆盖草地植被盖度的 75% - 90%
Coverage u pto 75% - 90% of m uch bet ter grade
好等覆盖
M edium grade
3
达到优等覆盖草地植被盖度的 60% - 75%
Coverage u pto 60% - 75% of m uch bet ter grade
差等覆盖
Worse grade
4
达到优等覆盖草地植被盖度的 30% - 60%
Coverage u pto 30% - 60% of m uch bet ter grade
劣等覆盖
M uch w orse grade
5
在优等覆盖草地植被盖度的 30%之下
Coverage is less than 30% w ith much b et ter grade
2. 4. 3 草地植被覆盖度指数的分级 在利用 AN-
HRR-NDVI及 MODIS/ NDV I数据, 通过遥感反演
获得逐年草地植被盖度的基础上,运用 ERDAS 编
写运算程序,获得研究区草地植被盖度的空间格局,
并计算逐年草地植被覆盖度指数,综合判别和分析
该区时空格局(表 2)。
表 2 三江源草地植被覆盖遥感评价指标综合判别
Table 2 Evaluation index integr ated judgment of g r assland
vegetation coverage in three river sour ce ar ea
草地植被覆盖指数
GVCI
草地植被覆盖状态
Coverage of grass lan d situat ion
GVCI 1 高覆盖草地 H igh degree of coverage
1< GVCI 2 中高覆盖草地 Lit tl e high degr ee of coverage
2< GVCI 3 中覆盖草地 Middle d egree of coverage
3< GVCI 4 低覆盖草地 Low degree of coverage
4< GVCI 极低覆盖草地 Low er degree of coverage
3 结果与分析
3. 1 2008年三江源区草地植被覆盖空间分布
通过对 2008年草地植被覆盖等级的反演,获得
草地植被覆盖状况分布图(图 1)。由于三江源区海
拔由东向西逐渐升高, 因此该区草地覆盖也呈现出
从东向西逐渐降低的变化趋势。
3. 2 2008年三江源区草地植被覆盖状况
2008年三江源地区高植被覆盖草地占草地总
面积的 7. 04% ,其面积约为 15540. 74 km2 ; 中高植
被覆盖草地占 27. 21% ,其面积约 60066. 08 km2 ; 中
植被覆盖草地占 25. 17% , 其面积约为 55568. 87
km2 ; 低植被覆盖草地和极低植被覆盖草地面积分
别占 31. 29% 和 9. 29% , 分布面积约为 69090. 82
km2 和 20508. 74 km2 (表 3)。
3. 3 2008年三江源区草地植被覆盖指数
从图 2可以看出, 三江源整体 GVCI 为 3. 10,
属于低覆盖草地级别。各个区域的 GVCI 在 2. 34
- 3. 58之间,草地覆盖状况处于中覆盖和低覆盖草
地之间, 其中, 西部的草地植被覆盖状况最差, 其
GVCI分别是唐古拉山乡为 3. 89、曲麻莱县为
3. 64、治多县为 3. 41、杂多县为 3. 38,草地处于低覆
盖草地;其次是中东部的达日县和玛多县, GVCI
分别为,达日 3. 19、玛多 3. 15,草地仍属于低覆盖草
地;然后是中西部和东部, 这两区的 GVCI 分别为
2. 69和 2. 34,草地是中覆盖草地, 属于较好的植被
覆盖状况,其中东部的 GVCI最低,是全区草地中植
被覆盖最好的区, 也是现存优良牧场的所在。
3. 4 三江源区草地植被覆盖动态变化
3. 4. 1 草地植被覆盖动态变化分析方法 在人为
干扰下,不同草地植被覆盖的面积和等级都在不断
演变,研究其草地植被等级在空间上的动态变化,可
用马尔柯夫链来描述, 但关键在于确定各草地覆盖
状态之间相互转化的初始转移概率矩阵。大量研究
表明,马尔柯夫链已经能够得出相当可靠的转移结
果[ 2 0]。其数学表达式为:
式中, p 为转移概率, n为草地植被覆盖类型的
数目, p ij为草地植被覆盖类型 i 转化为草地植被覆
盖类型 j 的概率, p ij满足以下两个条件: 0 p ij 1;
n
i= 1
p ij = 1。
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第 2期 刘晓东等:三江源区草地覆盖遥感信息提取方法及动态研究
图 1 2008 年三江源区草地植被覆盖分布图
F ig . 1 Grassland vegetat ion cover age in thr ee r iv er source area in 2008
表 3 三江源区不同草地植被覆盖状态面积
Table 3 Percent of different degr ee o f gr assland vegetation coverage in three river sour ce ar ea
草地覆盖
Gras sland coverage
2000年面积
Area in 2000( km2)
2008年面积
Area in 2008( km2 )
2000- 2008年面积变化
Area variat ion in 2000- 2008( km 2)
高覆盖草地
Hig h degree of coverage
21498. 45 9. 74% 15540. 74 7. 04% 5957. 70
中高覆盖草地
Lit tl e high deg ree of coverage
61278. 34 27. 76% 60066. 08 27. 21% 1212. 26
中覆盖草地
Middle degree of coverage
51901. 95 23. 51% 55568. 87 25. 17% - 3666. 92
低覆盖草地
Low degree of coverage
68073. 84 30. 83% 69090. 82 31. 29% - 1016. 98
极低覆盖草地
Low er degree of coverage
18022. 68 8. 16% 20508. 74 9. 29% - 2486. 06
图 2 2008 年三江源区不同区域草地植被覆盖指数
Fig . 2 Grassland vegetation coverage index of different
area in three r iver source area in 2008
以 2000和 2008年两期草地植被覆盖数据为基
础,采用草地植被覆盖类型年均转化率替代其转移
概率, 计算 2000 年到 2008年的草地植被覆盖等级
之间的相互动态变化情况和初始概率矩阵(表 4)。
p =
p 11 p 12 p 13 p 1j p 1n
p 21 p 22 p 23 p 2j p 2n
p i1 p i2 p i3 p ij p in
p n1 p n2 p n3 p nj p nn
3. 4. 2 草地植被覆盖动态变化分析 2000- 2008年
三江源区草地植被覆盖经历了复杂的变化,草地植被
覆盖分布比例在 9年中波动较大,高覆盖草地和中高
覆盖草地面积从 2000年的 21498. 45 km2 和 61278. 34
km2 , 分别减少了 5957. 70km2 和 1212. 36km2 ; 中
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草 地 学 报 第 18卷
表 4 2000 年到 2008 年三江源区草地植被覆盖类型转移矩阵及转移概率矩阵
Table 4 T ransit ion matrix and transitio n pr obabilit y matr ices o f gr assland vegetation
coverage types from 2000 t o 2008 in three river sour ce a rea
2000年
Year
2008年 Year
高覆盖草地
H igh degree
of coverage
中高覆盖草地
Litt l e high degree
of coverage
中覆盖草地
Middle degree
of coverag e
低覆盖草地
Low degree
of coverage
极低覆盖草地
Lower degree
of coverage
2000年总计
T otal ( km2 )
高覆盖草地
H igh degree of coverage
10923. 36
0. 5081
8867. 36
0. 4125
1679. 66
0. 0781
27. 71
0. 0013
0. 36
0. 0000
21498. 45
中高覆盖草地
Li tt le high degree of coverage
4233. 36
0. 0691
41945. 1
0. 6845
14327. 69
0. 2338
767. 08
0. 0125
5. 11
0. 0001
61278. 34
中覆盖草地
M iddle deg ree of coverage
349. 02
0. 0067
8679. 17
0. 1672
32002. 97
0. 6166
9729. 28
0. 1875
1141. 5
0. 022
51901. 95
低覆盖草地
L ow degree of coverage
34. 95
0. 0005
572. 69
0. 0084
7363. 94
0. 1082
56002. 87
0. 8227
4099. 38
0. 0602
68073. 84
极低覆盖草地
L ow er degree of coverage
0. 05
0. 0000
1. 75
0. 0001
194. 61
0. 0108
2563. 87
0. 1423
15262. 4
0. 8468
18022. 68
2008年总计
Total ( km 2)
15540. 74 60066. 08 55568. 87 69090. 82 20508. 74 220775. 25
注: 为 2000年到 2008年初始状态下转移概率矩阵
Note: is t ransit ion probab ilit y m at rices in primary s tates
覆盖草地、低覆盖草地、极低覆盖草地分别增加了
3666. 92 km
2、1016. 98 km2 和 2486. 06 km 2 (表 4)。
从表 4的统计结果表明:高覆盖草地中分别有
8867. 36 km2 和1679. 66 km2转化成中高覆盖草地和
中覆盖草地, 分别占 2000 年高覆盖草地面积的
41. 25%和7. 81%,说明高覆盖度草地主要向下级的
中高和中覆盖草地发展;中高覆盖草地中,有 4233. 36
km2转化为高覆盖草地, 占 2000年高覆盖草地面积
的6. 91%, 有 14327. 69 km2 转化成中覆盖草地, 占
2000年中高覆盖草地面积的 23. 38%,转移面积中小
部分向上级转化,大部分转化为下一级;中覆盖草地,
有 8679. 17 km2 转化成中高覆盖草地, 同时有
9729. 28 km2 转化成低覆盖草地,分别占 2000年中高
覆盖草地面积的 16. 72%和 18. 75%, 呈现出了明显
的两极分化趋势;低覆盖草地也出现了两级分化,但
无前者明显;极低覆盖草地, 69090. 82 km2 转化成低
覆盖草地,占 2000年极低覆盖草地面积的 14. 23%,
草地明显向上一级转化,说明极低覆盖草地好转。
图 3 2000 年到 2008 年三江源区草地植被盖度动态变化示意图
F ig . 3 The drawing of dynamic change of g rassland vegetation coverage in three r iver sour ce a rea
综合上述, 结合图 3分析, 自 2000年来高覆盖
和中高覆盖草地强烈的转移到下一级; 中覆盖草地
明显两极分化;低覆盖草地向上一级草地转化面积
大于向极低覆盖草地转化面积; 极低覆盖草地向上
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第 2期 刘晓东等:三江源区草地覆盖遥感信息提取方法及动态研究
一级转化,占到其 2000年草地面积的 14. 23%。表
明国家在生态脆弱的三江源区,通过实施青海三江
源自然保护区生态保护和建设总体规划项目,在破
坏严重的低覆盖和极低覆盖草地上,逐步实施退耕
还草、生态移民、黑土滩草地治理、鼠害综合治理
等工程建设,是这两个草地植被覆盖类型明显的向
上一级开始转化的动力之一; 中覆盖草地处于保护
与不保护, 治理与不治理或治理效果甚微的尴尬
境地。
三江源地域广阔,地区间差异大,如东部和中西
部地区,整体的草地植被覆盖指数较高,会将部分中
覆盖草地也纳入保护和治理的范围,就使部分中覆
盖草地向上一级转化;中东部和西部地区,整体处于
中覆盖草地,低覆盖和极低覆盖草地面积占大部分,
而投入的资金有限,所以主要将低覆盖和极低覆盖
草地纳入重点保护和治理的范围,就使三江源区整
体中覆盖草地向两极分化。高覆盖和中高覆盖草地
处于少量保护或未保护的状况,在这种状况下,还要
承受放牧及人为活动的压力, 因此高覆盖和中高覆
盖草地强烈转移到下一级, 这就对三江源区生态保
护建设及政策提出了新的问题, 既要保护、治理、改
良已破坏的草地, 同时还要保护、治理现存的, 产量
较高的优良草地。
4 讨论与结论
从三江源区草地植被覆盖实际情况出发, 根据
国家标准( GB19377-2003)及遥感数据特征, 选择草
地植被覆盖作为评价指标, 建立三江源区草地植被
覆盖遥感监测和评价指标体系, 对快速进行该区域
草地覆盖变化遥感监测和评价,是可行的。
在 2008年,三江源区西部草地覆盖状态最差,
为低覆盖草地; 其次是中东部,也处于低覆盖草地;
中西部和东部, 处于中植被草地, 为全区优良牧场
所在。
根据马尔柯夫链,得到 2000- 2008年草地植被
覆盖转移矩阵。结果表明,近九年,该区总体草地覆
盖呈下降趋势, 但从低覆盖和极低覆盖草地开始出
现好转,说明从 2000年以来国家实施的青海三江
源自然保护区生态保护和建设总体规划项目效果
明显。
利用 MOD13Q1 数据集对三江源区草地植被
覆盖时空变化特征分析的研究表明, M OD13Q 1数
据集可用于大尺度草地植被覆盖变化的研究, 且效
果良好,也是对此数据集在草地资源监测应用中的
大胆探索与信息挖掘。
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(责任编辑 米 佳)
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