全 文 ：文章编号: 1007-0435( 2004) 04-0327-04
3S技术在草原资源与生态状况研究中的应用
——以内蒙古自治区镶黄旗为例
董永平1 , 吴新宏1 , 李新一2 , 单丽燕2 , 宋雪峰2
( 1. 中国农业科学院草原研究所, 呼和浩特 010010; 2. 全国畜牧兽医总站, 北京 100026)
摘要: 利用多期次的 T M 遥感影像, 结合全球定位系统支持下的地面精确定位调查,在地理信息系统平台上对镶黄旗草
原资源与生态现状及历史动态进行了研究, 完成了草原类型、面积、生产力、退化、沙化、盐渍化、草原生态保护建设工程
的定性和定量分析, 并研究 3S 技术应用于草原资源与生态状况变化方面的方法体系、数据集成过程等。
关键词: 草原学; 3S 技术;草原资源; 草原生态;监测; 动态
中图分类号: S 812　　　文献标识码: A
Application of 3S Technologies( Remote Sensing, Geographical Information
System, and Global Positioning System) to Assess the Resources and Ecology
of the Grassland of Xianghuang Banner, Inner Mongolia
DONG Yong-ping1 , WU Xin-hong1 , L I Xin-yi2 , SHAN Li-yan2 , SONG Xue-feng2
( 1. Ins t itute of Gras sland Research, CAAS, Huhh ot , Inner Mongolia Auton om ous Region 010010, Chin a;
2. Chinese An imal Hu sbandry & Veterinary S ervice, Beijin g 100026, China)
Abstract: U sing mult i-t imed T M images, g lobal po sit io ning system , and geog raphical info rmat ion system to
study the grassland r esources and the current ecolog ical situat ion of Xianghuang Banner of Inner M ongolia, w e
have assessed and quant itat ively analy sed the gr assland type, area, and product iv ity , the situat ion of
degener at ion, desert if icat ion and salinity o f the g rassland, as w ell as the ef fect o f our eco logical restor at ion
pr ojects in the r eg ion. W e have also studied the methodo logy and data collect ion pro cess of the 3S technolog ies.
Key words: Grassland science; 3S technolog ies; Grassland resources; Gr assland ecolog y; M onitor ing ; Dyna-
mics
　　3S 技术是遥感( Remo te sensing)、地理信息系统
( Geogr aphical information sy stem )、全球定位系统
( Global po sit ioning sy stem )三种技术的总称。遥感技
术具有快速、客观、宏观、周期覆盖等特征, 能够及时获
取目标的波谱信息,从而反映目标的实际状况; 地理信
息系统具有强大的空间复合、运算、查询、分析等能力,
可用来分析空间对象之间的数量和空间关系;全球定
位系统具有实时、高精度定位等特点,是空间目标样本
采集的有效工具。三者的结合成为当前针对空间对象
的最有效的研究手段, 能够实现及时、准确的获取空间
对象的定位和特征信息,并完成空间对象之间的关系
分析[ 1, 2]。
3S 技术及其产品以数字方式进行存储和传输, 以
数字处理和定量分析为主, 极大地提高了空间研究和
分析的速度。在中、大比例尺的空间尺度上, 3S 技术在
资源调查与监测中有着明显的优势, 应用尤为广泛。草
原资源与生态状况具有明显的宏观特性,应用3S技术
进行研究,相对于传统的地面调查,能够及时准确地反
映其现实状况和历史动态变化[ 3]。但是, 3S 技术在我
国草原领域的应用起步较晚,相关研究也很少。
为探索 3S 技术应用于草原资源和生态状况研究
的方法体系,建立适于我国北方草原资源和生态状况
的 3S技术监测模式。本研究收集了20世纪 80年代以
来内蒙古镶黄旗的气象、草原资源、畜牧业生产、生态
收稿日期: 2003-11-20;修回日期: 2004-04-05
作者简介:董永平( 1970-) ,男, 副研究员,主要从事草原遥感、3S 技术、草原资源与生态方面研究, E-mail: dong yp 　1@263. net
第 12 卷　第 4 期
　Vol. 12　　No . 4
草　地　学　报
ACTA AGREST IA SINICA
　2004 年　12月
　Dec. 　2004
工程、自然灾害等资料, 调查样地 143个、样方 231个
(精度达到 0. 3个样方/ km2 ) , 完成了镶黄旗 1∶10万
草原资源类型、生产力、退化、沙化、盐渍化、灾害、建设
规划等系列数字图件, 并在此基础上对3S 技术的应用
效果及其注意事项进行了探讨。
1　材料与方法
1. 1　资料收集
收集镶黄旗行政区划、地形和草原资源、草原退化
等基础专题图件,对不同时期草原资源分布、灾害、草
原建设等统计资料进行了整理、汇总, 并购置了 1989、
1994、2000-2002年三个时期的遥感影像。在镶黄旗全
境内采用T M 和ET M +影像,局部地区应用 SPOT 卫
星的HRV 影像。影像的基本特征如表 1。
1. 2　主要研究内容及实现方法
1. 2. 1　草原资源类型　以地面调查的草原群落组成
确立草原资源的类型,并利用地面样方的定位信息确
定不同类型对应的影像特征, 用分类的方法生成草原
资源类型数字图, 获得不同草原类型分布的范围和
面积。
表 1　影像的基本特征
Table 1　T he feat ur e of sat ellite images
获取时间
Acqu isit ion tim e
卫星
S atellit e type
传感器
S ensor type
轨道号 Orbit
Path Row
波段数
Bands
分辨率
Resolut ion( m)
经纬度范围
Range of lon gitude an d lat itude
1989-9-13 LANDSAT 5 TM 125 31 7 30 112. 67°E, 41. 17°N～115. 40°E, 42. 35°N
1994-6-23 LANDSAT 5 TM 125 31 7 30 112. 86°E, 41. 15°N～115. 59°E, 42. 32°N
2000-7-17 LANDSAT 7 TM 125 30 7 15, 30 113. 08°E, 42. 54°N～115. 94°E, 43. 82°N
2002-7-7 LANDSAT 7 ET M + 125 31 8 15, 30 112. 61°E, 41. 12°N～115. 40°E, 42. 41°N
2001-8-20 SPOT-1 HRV2 274 265 1 10 113. 38°E, 41. 05°N～114. 49°E, 42. 57°N
1. 2. 2　草原生产力　确定地面样方测定的地上生物
量和影像植被指数之间的相关关系, 并建立数学模型,
生成地上生物量数字分布图, 根据草原类型及其利用
率等参数,计算各类型的生产力。
1. 2. 3　草原植被退化　分析地面的植物群落特性及土
壤基质变化对应的影像特征变化, 对照地面调查样方划
定的退化等级, 在影像的主要地物斑块中划定不同草原
类型的退化等级, 获取草原退化的分布区域和范围。
1. 2. 4　草原沙化　根据制定的沙化程度的划分标准,
利用影像特征,结合地面样方调查数据,在影像的地物
斑块中划定不同草原类型的沙化等级, 并计算各等级
面积,生成沙化数字图。
1. 2. 5　草原盐渍化　以遥感影像判读为主,结合地面
盐化草原类型样方资料,在草原资源类型图上划定盐
渍化区域,获取盐渍化程度和面积。
1. 2. 6　草原建设工程　采用 SPOT -4与 ETM + 影像
及地面实地调查,确定禁牧、围封、飞播等生态工程项
目的面积、分布及生态恢复状况等。
1. 2. 7　动态分析　采用 1989、1994、2002年三个时期
的遥感影像, 对草原资源与生态状况,包括资源类型面
积、生产力和生态工程现状及其变化等进行动态分析
与评价。
1. 3　技术流程
包含三个主要技术环节: GPS 定位地面调查、RS
影像处理和 GIS 分析。其中地面调查和影像处理同步
进行, 所获取的数据和处理结果复合于地理信息系统
中,用于综合空间分析。具体步骤介绍如下:
1. 3. 1　GPS定位地面调查
地面调查主要完成地面控制点采集和草原属性定
位测定两部分工作。地面控制点采用GPS 手持终端测
定空间标志性地物的地理位置,用于遥感影像的几何
纠正。草原属性定位测定是在 GPS手持终端准确定位
(精度在 15 m 以内)的条件下,进行植物组成、高度、
盖度、地上生物量、土壤状况的测定和描述(强调退化、
沙化指示植物和一年生植物的分布及数量特征)。通过
空间定位信息建立地面样方属性与遥感影像、专题图
件及各项统计资料的联系, 形成各类专业要素的样本。
1. 3. 2　卫星遥感影像处理
主要处理流程 [ 4～6]为:
几何纠正 利用地面控制点进行空间配准;
影像融合 提高影像空间分辨率;
增强　扩大目标地物之间的色彩或数值差异;
滤波　减少非目标地物的干扰;
镶嵌与直方图匹配　协调相邻或多期影像的辐射
水平;
主成分分析　提取主要地物特性;
非监督分类　根据波谱特征划分地物斑块;
植被指数　提取反映植物生物量的专题信息。
其中, 几何纠正采用 15个地面控制点,分布于影
像的中心和边角, 纠正精度< 30 m, 以保证多元空间
328 草　地　学　报 第 12卷
数据的复合精度。融合采用ET M +和 TM 的多波段数
据与 ETM+ 的 PAN 波段融合,融合后空间分辨率为
15 m。为保证类型划分精度,采用 ISODATA 非监测
分类法初步确立 240类地物, 再利用专业要素的样本
信息,进行草原类型归并[ 7, 8] ,退化、沙化和盐渍化等级
的划分[ 9]。
影像的接边处理采用直方图匹配的方法,使其波
谱响应有较好的一致性。不同时期的遥感影像经直方
图匹配后,利用差异主成分分析的方法,确定变化剧烈
的区域。植被指数提取采用逐像元运算的归一化植被
指数。
1. 3. 3　GIS 空间分析
首先将专题图件和历史资料进行数字化并建立空
间联接,建立统一的投影和空间坐标系。并对各类图件
和影像处理结果进行图斑合并处理, 消除小于制图比
例尺规定面积的图斑。利用 GIS 空间叠加和复合工
具,形成不同行政区域、不同草原类型、不同退化、沙
化、盐渍化等级复合的图表,最后进行面积统计。具体
的分析过程依次为:
专题图数字化　行政区划图、历史的草原资源图;
属性资料的空间连接　载畜量、样地样方属性的
数据建立空间坐标;
复合地上生物量与植被指数　建立相关模型, 逐
像元计算地上生物量;
非监督分类结果与地面测定数据复合　确定影像
图斑的草原类型;
非监督分类结果与地面测定数据、统计数据复合
　确定影像图斑的退化、沙漠化、盐渍化等级;
不同类型、不同分级图斑面积统计　草原类型、退
化、沙化和盐渍化分级图的类型归并和面积统计;
复合行政区划图　完成各类专题信息的面积统计
和制图。
2　结果与分析
2. 1　草原资源类型
草原类型主要根据 20世纪 80年代的全国草原资
源普查的划分方案 [ 7] , 以草原型为基本单位,对部分草
原型进行了合并。镶黄旗草原资源以温性草原类占绝
对优势, 面积达 479426 hm2 , 占草原总面积的 94.
05%, 占土地总面积的 92. 98% ; 其中, 平原丘陵草原
亚类面积为 437832 hm2 ,占草原总面积的 85. 89%, 面
积大, 分布广。低地草甸类有 30304 hm2 ,占草原总面
积的 5. 95% ,占土地总面积的5. 88%。在草原型中, 具
锦鸡儿( Car agana sinica)的针茅( Stipa spp . )草原型
分布最多, 几乎占草原总面积的一半, 为 47. 42% , 面
积达 241728 hm 2(见图 1)。
2. 2　草原生产力
镶黄旗草原地上生物量平均为 448 kg / hm2 ,平原
丘陵草原亚类 393 kg/ hm 2, 沙地草原亚类 332 kg /
hm
2 ,低地盐生草甸亚类地上生物量最高, 为 1409 kg /
hm
2。在草原型中以分布在谷地周边湿润环境的羊草
( L eymus chinensi s) + 杂类草( For bs)型生物量最高, 为
1552 kg / hm
2, 其次为芨芨草( Achnatherum sp lendens)
+ 杂类 草 型, 为 1440 kg/ hm 2, 百 里 香 ( Thymus
serp y llum var mongo licus) + 杂类草草原生物量最低,
只有 180 kg / hm2。
2002年的地上生物量比 20 世纪 80 年代下降了
近 40%、比 20世纪 90年代下降了 26%。理论载畜能
力为每羊单位 1. 4 hm 2, 比 20 世纪 80年代下降了
22%。
2. 3　草原植被退化状况
镶黄旗草原植被退化总面积 462462 hm2 ,占草原
总面积的 91. 05%。其中, 轻度 95049 hm2 ,占草 18.
7% ; 中度退化 218708 hm 2, 占 43. 06%; 重度退化
129677 hm
2 , 占 25. 5% ; 极度退化 19027 hm2 , 占 3.
75%。
从镶黄旗草原退化趋势看, 与 20 世纪 80年代相
比,质量较好、产草量较高的禾草+ 杂类草草原和芨芨
草草原 大幅度减 少, 具小 叶锦鸡 儿 ( Car agana
micr op hy lla) 的草原大幅度增加, 冷蒿 ( A rtemisia
f r igida)草原略有增加。从退化草原的分布状况看, 文
贡乌拉苏木西南及宝格丁高勒苏木西北与东苏、西苏
交界地带草原退化比较严重, 重度及极重度退化草原
多分布于此。
通过 1989、1994、2002年三个不同时期的遥感影
像作相减运算,然后做差异主成份分析,结果表明, 宝
格丁高勒苏木西北地区的原哈音海尔瓦布苏木、东北
地区的原新宝拉格苏木北部及南部的额根乌苏苏木平
原地区草原资源的变化最大,退化严重,其次是这些地
区的丘陵地区,变化最小的是原宝格丁高勒苏木的东
部及原新宝拉格苏木的西南部山地草原。
2. 4　草原沙漠化状况
镶黄旗草原沙漠化现象非常严重, 占总土地面积
的 86%。其中以轻度沙化和中度沙化为主, 分别占沙
化草原面积的 36. 95%和31. 34%。极重度沙化草原面
积较少,仅占 5. 7%。其余 13%为重度沙化。
从沙化草原的分布状况看, 镶黄旗北部,由于小腾
格里沙漠的侵入, 形成沙地草原,为重度及极重度沙化
草原。巴音塔拉苏木西南丘陵区的丘间各地和高原低
329第 4期 董永平等: 3S 技术在草原资源与生态状况研究中的应用——以内蒙古自治区镶黄旗为例
330 草　地　学　报 第 12卷
地和中部沟谷地带,多为中度沙化草原,文贡乌拉西部
多为中度及轻度沙化草原。
2. 5　草原盐渍化状况
镶黄旗盐渍化总面积 3889 hm2 , 其中轻度 2028
hm
2 ,占 52. 14%, 中度 1546 hm 2, 占39. 75%,重度315
hm
2 ,占 8. 11%。境内沟谷、淖尔大多干枯, 积水时间
短,多为轻度、中度盐渍化草原。只有少量的淖尔具季
节性积水,盐渍化程度较高。
2. 6　草原灾害状况
镶黄旗鼠害、虫害、火灾、雪灾等灾害发生的历史
资料较少,调查时也未发生。从收集的历史资料可以看
出, 1995年以来, 镶黄旗草原连年发生蝗灾, 且平均每
年以近 50%的速度递增。1995年发生面积为 10000
hm
2 ,到 1999年,受灾面积达 120000 hm2。害虫种类主
要是白边痂蝗( Bryodema luctuosum ( Stoll ) )和亚洲
小车蝗( Oedaleus decorus asiat icus B. Bienko)。虫害
发生最频繁地区为那仁乌拉和白音塔拉, 其次是哈音
哈尔和宝格丁高勒。
2. 7　草原建设状况
镶黄旗生态建设工程项目主要分布在北部沙区的
南缘及中部地区的沟谷地带,以围封、禁牧为主。围封
时间最长达 10年以上,围封 2～5年的草场面积较大,
其余多为围封 5～8年的草场。草场围封后,生态效益
十分明显,围栏内外牧草的高度、盖度及产草量都有明
显的区别, 3～5年内产草量增加 10%。
3　讨论与结论
3. 1　3S技术应用的效果
本研究证明了 3S 技术在草原资源与生态研究中
的可行性,具体表现为快速、准确和实用等几个特点。
特别是在草原类型、生产力、退化、沙化等方面, 因有一
定的历史基础资料积累,与传统方法相比在速度和准
确性上有明显的优势; 而盐渍化、生态工程方面尽管历
史资料较少, 仍能够较为准确地分析。
3. 2　3S技术应用中应注意的问题
3. 2. 1　地面定位调查　由于空间数据分析基于不同
的尺度,所以要求样地、样方的选择必须适应数据分析
中的空间尺度要求。样方测定位置如果靠近景观或地
物的边缘,将影响影像与地面属性的匹配和相关关系,
从而影像数据分析的准确性。但远离交通主线以及强
调在地物中心区域测定又会严重地降低地面调查的效
率,因而需要科学地配置调查路线。以配合 TM 影像
分析的地面调查为例,地面测定位置应保证离景观或
地物边缘 100 m 以上。
3. 2. 2　影像获取　不同的草原类型出现明显季相特
征的时间不一致,反映在遥感影像上不同季节获取影
像的地物波谱差异水平也不一致。由于卫星的周期、气
象条件等因素,影像的获取时间和地面调查时间很难
保持一致,出现地面调查的属性与影像特征不符的现
象,如季节性积水、一年生植物的比例等, 从而出现了
属性匹配上的错误。针对主要研究目标选择获取遥感
影像的适宜季节,需要丰富的地面调查和遥感分析经
验,本研究中 8～9月份获取的影像地物之间的差异更
为明显。另外,由于草原生产力高峰与水热高峰同期,
遥感影像受云覆盖的影响较多。但是,为了在更好的季
节获得影像, 需要牺牲部分受云影响的区域,也即需要
在影像质量和获取时间上做出均衡。
3. 2. 3　数据集成　影像上专业要素的准确判读与评
价是 3S 技术应用的关键, 必须基于植被、地貌、土壤、
水分、历史资料及遥感知识等的综合分析, 需要具备理
论与实践经验的专业人员完成。同时,保证各类资料的
配套和在历史变化中的典型性也是保证数据分析精度
的重要因素。
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