全 文 ：第 2 卷 1 9 9 4
V o l
.
2 N o
.
草 地 学 报
A CT A A G R E S T IA S IN C A
年
1 , 9 4
大面积草地遥感估产技术研究
以内蒙古锡林郭勒草原估产为例 ’
史培军 李 博
(北京师范大学地理系 ) (中国农业科学院草原研究所 )
李忠厚 湖 涛
(内蒙古大学自然资源研究所 ) (内蒙古气象局气象灾害监测服务中心 )
提要 : 本文讨论了利用 N O AA 数据与地面同步测量的光谱与生产力资料 , 进行大面积草
地遥感估产的技术 , 并以内蒙古锡盟草原为例 , 进行了应用 , 证实了该技术的可用性和可操作
性 。
关键词 : 内蒙古草原 ; 遥感估产 ; 估产模型 ; 草地动态监测
1 前言
中国温带草地约 3 50 万 k m Z , 是中国重要的放牧畜牧业基地 。 由于气候等因素的影响 ,
草地生产力呈现 出明显的季节变化和年际波动 , 每遇旱年 , 常因冬春缺草引起大批牲畜死
亡 。 因此 , 对草地放牧系统草畜平衡状况进行监测 , 对畜牧业的宏观管理与调控具有重要意
义 。 我们在国家科委和农业部的支持下 ,对中国北方草地草畜平衡动态监测技术进行了研
究 。在这一研究中 , 关键是解决大范围 、快速估产技术 。为此我们选定利用 N O A A 卫星资料 ,
结合地面的准同步测量 , 建立一套大范围遥感估产的技术 , 并试图进一步建立草地生产力的
时空动态模型 。 1 9 9。年起 , 以内蒙古锡林郭勒草原作为试验区进行试验 。 试验区地势高平 ,
以禾草草原为主 ,是中国温带草地的典型代表 。 试验区面积达 19 . 8 万平方公里 , 自东往西 ,
气温渐增而降水量渐减 (图 1 ) , 草地具明显的地带分异 , 有利于不同草地类型的对比分析 。
2 信息源及研究方法
遥感信息主要利用内蒙古气象灾害监测服务中心提供的 1 9 90 、 1 9 9 1 年牧草生长期的
N O A A
一
A V H R R 数据 ;气象资料取 自试验区的 2 个气象站的多年观测资料 ;草地类型利用
内蒙古草原遥感考察资料 (李博等 , 1 9 1 ) ;地面数据为 1 9 9 0 年 8 月 、 1 9 9。年 9 月两次野外
调查和测量的资料 , 共 59 个抽样点 , 每个抽样点面积为 2 k m x Z km , 用五点抽样法在抽样
点同步测量牧草产量与其相应的光谱资料 , 与此 同时接收试验区的 N O A A 一A v H R R 数据 。
数据处理利用 IP一 9 0 0 0 图像处理系统及 Ol ive ti iM 30 0 微机及 A ST 38 6 微机完成 。研究方法
及过程为 :
¹ 建立地面样点产草量与相应地面光谱关系 。
º 建立地面光谱与 A V H R R 数据之间的关系 。
, 国家“八五 ”科技攻关和农业部工程项目 , 项目负责人为李博教授 。 参加野外测量的还有 : 陈晋 、 陈浩 、张远明 、李
欣 、杨劫 、潘旭忠 、 刘东升 、邢旗 、色音巴图等 。
草 地 学 报 1 9 9 4 年
» 建立地面产草量与降水 、温度 、
地势之间的关系 (空间分布 ) 。
¼合成 地面产草量与 A v H R R
数据和地面降水 、温度 、地势资料间的
多元统计模型 。
½ 利 用 4 中的模型 按 N O A A -
A V H R R 像元点及旗 (县 )级统计单
元 , 分别计算单位面积草地生产量和
各行政 区的草地生产量 , 实现遥感估
产 。
3 草地估产模型
本项研究中的草地估产模型包括
遥感估产模型 、地学估产模型 、遥感与
地学联合估产模型 。
3
.
1 草地遥感佑产模 型 N O A A 气
象卫星 A V H R R 传感器有两个通道 ,
图 1 内蒙古锡林郭勒草原水热分布图
F ig
.
1 D is t r ibu t io n o f p r e e i p it a t io n a n d
t e m p e r a t u r e in X ili n g u o le s t e p p e
— M e a n a n n u a l r a in fal ( m rn )— A ve r a g e t e m p e r a t u r e ( ℃ )即 e H I ( 0 . 55 拼m 一 0 . 6 5 拜m )与 C H Z ( 0 . 7 2 拼m 一 1 . 1 拜m ) , 前者为绿色植物吸收光谱带 , 后
者为反射光谱带 。 以这两个通道所获数据的一定 比值 (绿度值 )可做为绿色植物盖度或 叶面
积指数的函数 。 对于天然草地而言 , 绿色植物的叶面积指数与地面生物量成正 比 , 因此可以
根据绿度值估算地上产草量 。
遥感估产模型主要包括以下几方面的内容 , 一是将 N O A A 一A v H R R 数据经过投影校
正 、太阳高度角校正等计算机处理后 获得 I B 数据 (徐希儒等 , 198 5 ) , 再经大气校正及各种
形式 的数学运算获得绿度值 , 进一步估算地上产草量 。 为了避免复杂的计算 , 我们采用了一
个简单而 有效的办法代替大气校正 , 即在地面测产 、测光谱的同时 , 收集 N O A A 一A V H R R
数据 , 找出地面光谱与气象卫星光谱的定量关系 , 进而把地面实测产量与气象卫星光谱数据
相对应 , 建立相关模型 。
求绿度采用两种模型 , 即
CH
Z CH
Z 一CH I
gl 一面玩’ 9 2一cH Z + CH I
建立草地实测光谱 ( g , 、 9 2 )与地上产草量 (W )相关模型 , 即
W
, = 一 124 . 8 7 6十 144 . 16 5 9 1 ( n = 24 , R = 0 . 9 8 58 ) ( 1)
W Z = 29
.
0 7 8 9 X 2
.
7 1834
·
5 7‘g : (n = 38
, R = 0
.
9 6 90 ) ( 2)
再建立地面实测光谱 ( g , 、 9 2 )为同步的 N O A A 气象卫星光谱 (G , 、G Z )的相关模型 , 即
G , = 3
.
0 58 9 , 一 2 . 19 3 ( n = 31 , R = 0 . 9 317 ) ( 3 )
G Z = 1
.
310 9 2 = 0
.
644 ( n = 18 , R = 0
.
9 8 18 ) (4 )
进而得到 G 与 W 之 间的相关模型 , 即
W
I = 8
.
0 4+ 4
.
7 15 G l ( g / 从2 ) ( n = 24 , R = 0 . 9 651 ) ( 5 )
第 1期 史培军等 : 大面积草地遥感估产技术研究 · n ·
W
Z
= 2 9
.
0 7 8 9 又 2 . 7 1 8 3‘· ‘, 4 G 2 (g / m Z ) (n = 3 , R = 0 . 9 5 6 1 ) (6 )
利用 1 9 90 年 8 月 13 日N OA A 气象卫星资料 , 用 (5 ) 、 (6) 式计算 (取中值 )结果分别为 :
3 7 6
.
3 2 2 亿公斤和 3 8 9 . 6 1 7 亿公斤 。
遥感估产模型也有其缺点 , 一是易受天气状况的干扰 , 二是在植被极为稀疏的情况下 ,
绿度值实际上是地表物质的光谱反映 , 已很难代表牧草生长状况 。所以为建立估产运行系统
尚需地学估产模型予以辅助 。
3
.
2 草地佑产的地学模型
由于草地生产力主要受区域水热条件 、土壤及利用水平的控制 , 因此 , 可把地上草地产
量 (W )看做这些因子的函数 , 即
W 一f(T . 尸 . L . H ) (1 )
(1) 式中 T 为气温 、尸 为降水 、 L 为土壤状况 、H 为人类利用水平 。 对天然草地而言 , 在
同样气候条件下 , 短期内 L 变化甚小 , H 可忽略不计 ,这样 (l) 式可写做 :
W 一 f(T . P ) (2 )
在试验区内 , T 、尸 受纬度 (中) 、经度 (幻与海拔高度 (h) 的控制 。 在建立模型时 , 依据试验
区气候因子与牧草生长因子的定位观测 , 选择了反映牧草生长期的月平均气温 (TP )之和与
) 1 0 ℃积温 (Tj )以及降水量 (尸 )作为计算指标 : 在此基础上 , 以试验区 2 个气象台站的观
测资料 , 并在 1 : 50 万地形图上选择出包括 2 个气象台站在内的样区的 中、 又、 h 值 , 建立了
如下模型 , 即
P = f
l
(久、 中、 h ) = 一 2 9 2 6 . 0 2 十2 0 . 5 8又一 1 1 . 0 8中一 0 . 2 1 5 h (n = 3 8 , R = 0 . 9 4 3 7 ) (3 )
Tj = f
:
(几、中、h ) = 2 2 0 7 7 . 3 2 一 94 . 2 6又一 1 6 0 . 0 9中一 1 . 8 3 2 h (n = 3 8 , R = 0 . 9 0 2 6 ) (4 )
TP = f
3以冲 、h ) = 3 4 6 . 8 0 一 1 . 4 3 8又一 0 . o 2 3 h (n = 3 8 , R = 0 . 8 4 4 2 ) (5 )
依据模型可用内插法计算整个草场任意点的 尸 、 Tj 、TP 值 。 从 1 : 50 万地形图上标出
59 个野外样区的 又、 中与 h 值 , 计算得出 尸 、Tj 、TP 值 ,进而可以得到下列方程 , 即 :
W
3
= f
4
(P )一 2 2 3 . 9 + 2 . 4 6 P (6 )
W
;
= f
s
(PTj )= 一 5 4 4 . 5 + 2 . 3 5 5 P + 0 . 1 4 6 7 ’ (7 )
W
S
= f
6
(P TP )=
4 4 3
.
3 + 0
.
7 3 8P 一 1 2 . o 1TP (8 )
据 W ~ 尸 、W ~ 尸 . Tj . TP 的关系式 , 取中值计算 , 由此得到如下结果 , 即 4 3 7 . 2 48 亿公
斤 , 3 3 9 . 7 5 4 亿公斤 。
3
.
3 草地生产力的遥感—地学模型 草地生产力估算的遥感 、地学模型 , 有其各自的优点 , 但均存在明显缺点 。 地学模型作为一种草地生产力平均状况的反映 , 对微域性的因素影
响生产力表征不足 , 如河湖岸边的草地生产力较高 , 而这一点正是遥感光学模型的长处 。 同
样 , 遥感模型的使用易受到天气状况影响 , 且由于探测器对前期降水 、土壤水分影响不易探
测 , 故精度会有所降低 。而这些缺点正好可以通过为地学模型复合进行克服 , 由此可见 , 草地
生产力的遥感—地学综合模型将是业务化系统的基础模型 , 其概念模式可表达为 :
W
。
= f(W
2
.
W
S
) = a
1
W
Z
+ a
Z
W
S
考虑到两种估产模型 的精度不 一 , 故以相关 系数作为计算权重的依据 , 结果为
草 地 学 报 1 9 9 4 年
a l= 0
.
5 2
, a Z = 0
.
4 8
, 则有
w
。
= (2 9
.
o 7 sg x 2
.
7 1 8 3
‘· ‘7 ‘G Z ) 只 0 . 5 2 + (4 4 3 . 3 + 0 . 7 ssp 一 1 2 . o lTP ) 又 0
.
4 5
W
。
= 1 8 6
.
2 2 8 + 0
.
3 1 oP 一 5 . o 4 4TP + 1 5
.
1 2 1 x (2
.
7 1 8 3 )
‘· ‘, ‘G Z
(1 4 )
据 (1 4 )式 , 仍用 1 9 9 0 年 8 月 13 日的 N O A A 气象卫星资料 , 地学模型取平均资料 , 则
W
6 的中值为 3 6 5 . 6 8 亿公斤 。
4 草地估产模型的相对精度检验
试验区曾经先后利用地面常规调查 (1 9 8 2 一 1 98 9) 和利用资源卫星遥感技术 (1 9 8 6 一
1 9 8 7) 进行草地生产力估算 , 其估算精度都能满足当地进行畜牧业生产的决策需要 。 但是由
于估产期持续时间长短不一 , 故也不能作为绝对准确的数据 。此外 , 本区水热条件变化很大 ,
无论季节间还是年际间变化都很大 。故在此只能对几种方法进行相对比较 , 以求验正本文所
提的估产结果的相对精度 。 此外 , 为了考虑年际变化因素 , 分别取低限 、中值 、高限三个数据
进行对比 。 其中高限为丰年鲜草产量 ,本区按中值的 1 . 25 倍计算 ;低限为欠年鲜草产量 , 本
区按中值的 0 . 75 倍计算 。从表 1 可以看出 , 本文中提出的综合估产模型相对精度较高 , 且能
够满足实际需要 。
表 1 几种方法估算的锡盟草地生产力(地上 )结果对比
T a b le 1 T h e eo r n p a r iso n o f C a le u la te r e s u lts fr o m d iffe r e n t m o d e ls in X ilin g u o le s te p p e
估算方法 低限 L o w e s t
(亿公斤 )
中值 M ed iu m
(亿公斤)
高限 H ig he s t
(亿公斤 )
(1 )本文中的综合模型 (W 6 ) (1 9 9 0 )
(2 )本文中的遥感模型 (W Z) (1 9 9 0 )
(3 ) 内蒙古草场遥感 (资源卫星应用 )估算 (19 8 6 一 1 9 8 7)
(4 )内蒙古草勒院调查 (2 9 8 2一1 9 8 9 )
以 (3 )为相对标准 , (l) 的相对精度
以 (3 )为相对标准 , (2 )的相对精度
以 (4 )为相对标准 , (l) 的相对精度
以 (4 )为相对标准 , (2) 的相对精度
2 74
.
2 6
29 2
.
2 1
2 7 7
.
4 1
2 8 1
.
7 2
3 6 5
.
6 8
3 8 9 6 1 7
3 6 9
.
8 8
3 7 5
.
6 2
一 9 8 . 8 6
94
.
6 6
一 9 7 3 5
9 6
.
2 7
4 5 7
.
1 0
4 8 7 0 2
4 6 2
.
3 5
4 6 9 5 3
注 : 本表中的产量均为地上生物量(鲜重 )
N o te
:
A ll the yie ld s a r e e a le u la te d a s fr e s h bio m a s s a b o v e g r o u n d
5 草地生产力的时空分异
依据本文中的方法与模型 , 图 2 绘出了 1 9 90 年 8 月 13 日试验区地上生物量分布等级
图 ,从中可以看出草地生产力呈明显的带状分异 , 即 自东北一西南延伸 , 东南~ 向西北更替 ,
符合实地调查的规律 。 这再次证明 , 本文中的估算技术是可行的 、合理的。
从时间上来看 , 利用 1 9 9 0 年 8 月 13 日与 1 9 9 1 年 8 月 18 日的地上生物量等级进行对
比 , 可以看出试验区大部分地区 1 9 9 1 年比 1 9 90 年的牧草长势要好 。 依绿度等级看 , 东部比
1 9 9 0 年高 3 ~ 4 等级 (即相当 1 0 公斤 /亩左右 ) ;东南部比 1 9 9 0 年高 2 ~ 3 个等级 (即相当
5 0 公斤 /亩左右 ) ; 西南部比 1 9 90 年高 1 个等级 (即相当 25 公斤 /亩左右 ) ;仅西北 部低于
1 9 9 0 年 1一 2 个等级 (即相当 25 ~ 50 公斤/亩 ) 。进一步计算表明 , 1 9 9 1 年试验区牧草地上生
物量 比 1 9 9 0 年高出 5 3 . 3 2 亿吨 , 即相对增加 1 4 . 5 8 % 。
造成 1 9 9 1 年牧草产量 比 1 9 9 0 年高的原因主要是降水量的相对增加 。 根据观测资料 ,
1 9 9 1 年 3 ~ 5 月降水量比 1 9 9 0 年同期高出 5一 1 0 m m , 仅西北部比同期少 5 m m 左右 ; 6一
第 1 期 史培军等 : 大面积草地遥感估产技术研究 。 1 3 。
7 月试验 区大部分地区 比 1 9 9 0 年
同期高 20 ~ 35 m m , 唯西北部比同
期少 1 0 一 3 0 m m 。
5 结论
5
.
1 应用 N O A A 一A V H R R 数据
建立的遥感估算草地生产力的模型
辅以地学估产模型是进行大面积草
地快速估产的有效技术 , 通过综合
模型所计算的草地生产力的精度达
95 %左右 , 完全能够满足宏观指导
畜牧业生产的要求 。
5
.
2 根据本文中的有关估产模型 ,
进行草地生产力的动态监测是可行
的 , 而且也是准确的 , 它不仅能够进
行季节变化和年际变化的观测 , 而
且能 够反映 草地生产 力的 空间分
图 2 锡林郭勒盟地上生物量分布图
(1 9 9 0
.
8
.
1 3 )(原系计算机箱出图 )
F ig
.
2 压 s tr ib u tio n o f g r a ss la n d p r o d u et iv ity
(1 9 9 0 / 8 / 1 3 ) in X ILin g
r o le s te p p e
异 。 这将为放牧草地之“波动畜牧业 ”的运行体系提供技术保障 。
5
.
3 对不同的地区 , 需要建立不 同的估产模型 , 从而弥补遥感估产与地学模型估产的区域
局限性 。
参 考 文 献
李 博 , 雍世鹏 , 崔海亭 , 1 9 91 , 内蒙古草场资源系列地图(1 : 1 50 0 0 0 0) , 科学出版社 , 北京
徐希孺 , 金丽芳 , 赁常恭 , 周嗣松 , 张猛 , 1 985 , 利用 N O A A 一CC T 估算内蒙古草场产草量的原理和方法 ,
地理学报 , 4 0 (4 ) , 科学出版社 , 北京
A R E SE A R C H O N T H E PR O D U C T IO N E ST IM A T IO N B Y
R E M O T E SE N SIN G F O R L A R G E A R E A G R A SSL A N D
S h i Pe iiu n LI Bo
(Be iji
n g N o r m a lU n iv e r sity ) (G R I
,
C hin e se A e a d e m y o f A g rieu ltu r a l Sc i
e n e e s )
L i Z ho n g h o u H u T a o
(U n iv e r s ity o f In n e r M o n g
o lia ) (T h e M
e te o lo g ie a l B u r a u o f In n e r M
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A b st re t
:
T his p a p e r m a d e a d is e u s s io n o f t he te e h n iq u e s a n d e x a m p le s o f th e g r a ss la n d p r o d u e tio n e s
-
tim a t io n w ith N O AA
一
A V H R R d a ta a n d th e eo n e e r n e d m o d e ls fo r la r g e a r e a
, a n a ly s e d T h e g r a s s la n d s p e
-
e ia l m o d e ls o f t he p r o d u e tiv it y in X ilin g u o le L e a g u e o f In n e r M
o n g o lia
,