王志偉，趙 林，馮琦勝，龐強強，馬亦彤，秦 彧，岳廣陽，趙擁華，史健宗，吳通華，任正煒

（1．中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 青藏高原冰凍圈觀測研究站，甘肅 蘭州730000；2．中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 冰凍圈科學(xué)國家重點實驗室，甘肅 蘭州730000；3．蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州730020；4．內(nèi)蒙古民族大學(xué)，內(nèi)蒙古 通遼028000）

凍土是指0℃以下的各種巖石和土壤，如果這種巖土物質(zhì)保持在0℃以下至少連續(xù)兩年以上就稱為多年凍土，凍結(jié)狀態(tài)保持半月至數(shù)月稱為季節(jié)凍土。多年凍土覆蓋了全球陸地表面的很大面積，約占北半球陸地表面的24%［1－3］。凍土分布廣泛且具有獨特的水熱特性，是地球陸地表面過程中一個非常重要的因子。

中國的多年凍土區(qū)面積約為2．15×106km2，青藏高原是我國最主要的多年凍土分布區(qū)，占全國多年凍土面積的70%左右，同時也是全球中、低緯度地區(qū)海拔最高、面積最大的凍土區(qū)［4］。青藏高原凍土分布的特征以及變化等各種數(shù)據(jù)，是準確衡量我國生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)資源［5］，可以為青藏高原乃至我國多年凍土區(qū)各種工程的規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境影響評估與保護等許多領(lǐng)域提供重要的數(shù)據(jù)支持［6－7］。但是全球變化導(dǎo)致青藏高原凍土分布發(fā)生顯著改變，傳統(tǒng)意義上單純的數(shù)據(jù)統(tǒng)計無法體現(xiàn)凍土分布的空間性。凍土制圖可以有效解決這一問題的不足，便于計算且直觀性強。青藏高原凍土圖的繪制工作始于20世紀60年代［8－9］，發(fā)展至90年代，李樹德和程國棟［10］依據(jù)各種資料和凍土區(qū)劃原則繪制出青藏高原凍土圖。同樣，不同因子與多年凍土的分布又有著一定的相關(guān)性［11］，如草原作為占有陸地總面積24%的巨大而復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，也是由氣候、土地、生物和生產(chǎn)勞動等多種因素的矛盾運動所構(gòu)成并推動其發(fā)展的。任繼周［12］依據(jù)草原綜合順序分類法劃分出中國區(qū)域內(nèi)的41個草原類。因此，研究凍土與草原的關(guān)系及分析凍土區(qū)劃與草原分類的一致性可以為今后的凍土研究提供一定的理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

青藏高原位于亞洲中部偏南部位，平均海拔4 500m，位于75°～104°E，25°～40°N［13］，包括西藏自治區(qū)和青海省的全部、四川省西部、新疆維吾爾自治區(qū)南部，以及甘肅、云南的一部分（圖1），具有獨特的植被地理和氣候帶［14－15］。青藏高原高寒草地約為1．28×108km2，涵養(yǎng)著我國五大水系：黃河、長江、瀾滄江、怒江和雅魯藏布江。對我國東部、西南部、北半球甚至全球的氣候都會產(chǎn)生顯著的影響［16］，還是“世界第三極”地區(qū)重要的碳庫［17］。

2 材料與方法

圖1 青藏高原圖Fig．1 Map of Qinghai－Tibet Plateau

2．1 凍土區(qū)劃重分類 依據(jù)青藏高原凍土圖［10］，將原始凍土圖的4種類型（多年凍土、季節(jié)凍土、冰川、湖泊）（圖2a）重新劃分為多年凍土區(qū)、季節(jié)凍土區(qū)和非凍土區(qū)（對應(yīng)原始圖像中的冰川和湖泊）（表1、圖2b）。因為本研究分析凍土與草原的一致性，所以將冰川和湖泊劃分為非凍土區(qū)。

圖2 凍土區(qū)劃圖Fig．2 Map of permafrost distribution

表1 新賦值凍土各區(qū)劃類型比例Table 1 Ratio of new evaluation about permafrost division

2．2 草原分類重分類 依據(jù)草原綜合順序分類法［12］，青藏高原包含30個草原類（圖3a、表2），依據(jù)熱量級可知，暖熱、亞熱和炎熱3種熱量級分別分布于北亞熱帶、南亞熱帶和熱帶地區(qū)。這些地區(qū)存在凍土和季節(jié)凍土的可能性較?。?8］，因此將這3個熱量級下的草原類賦值為熱帶草原，占總面積的1．41%，而綜合順序分類下檢索號為ⅠF36的高寒草甸類占總面積的57．51%。相比其他草原類，高寒草甸類屬于青藏高原地區(qū)的優(yōu)勢草原。除上述兩者外，其他的22個草原類占總面積的41．08%，將這些草原類共同劃分為亞優(yōu)勢草原（圖3b）。

圖3 草原分類圖（分類序號見表2）Fig．3 The map of steppe classification（Class－ID refers to table 2）

表2 青藏高原草原類［19］Table 2 Classification of the Tibetan Plateau steppe［19］

2．3 圖像疊加 首先，將步驟2．1重分類后的凍土區(qū)劃圖和步驟2．2重分類后的草原分類圖進行投影轉(zhuǎn)換，使其具有一致的投影系統(tǒng) WGS－1984。然后，利用柵格計算將兩幅圖像的數(shù)值進行加法運算，完成圖像疊加（圖4）。

圖4 凍土區(qū)劃與草原分類融合圖Fig．4 Merging image of permafrost distribution and steppe classification

3 結(jié)果與分析

根據(jù)凍土區(qū)劃與草原分類融合圖（圖4）對青藏高原凍土區(qū)劃與草原分類一致性進行分析。具有一致性關(guān)系的部分是：優(yōu)勢草原（高寒草甸類）和多年凍土區(qū)疊加到一起的，亞優(yōu)勢草原和季節(jié)凍土疊加到一起的，以及熱帶草原和非凍土區(qū)疊加到一起的部分。除上述部分之外，其他凍土區(qū)劃和草原類疊加到一起的是不具有一致性關(guān)系的部分。根據(jù)評價圖像分類精度的誤差矩陣分析方法［20］可得表3。針對誤差矩陣的基本統(tǒng)計估計量包括總體分類精度、用戶精度和制圖精度。

3．1 總體分類精度式中，Pc為總體分類精度，kk為對角線上精度一致的柵格數(shù)，P代表樣本總數(shù)。根據(jù)公式（1），計算總體一致性精度為65．95%。

3．2 用戶精度和制圖精度 用戶精度（Pui）和制圖精度（PAj）的公式分別為：

式中，Pii表示分類產(chǎn)生的類型圖中第i類的任意像元值，Pi＋表示相同位置實際地物的像元值；Pjj表示分類產(chǎn)生的類型圖中第j類的任意像元值，Pj＋表示相同位置實際地物的像元值。用戶精度（對于第i類）可以表示從分類結(jié)果（如分類產(chǎn)生的類型圖）中任取一個隨機樣本，其所具有的類型與地面實際類型相同的概率。制圖精度（對于第j類）可以表示相對于地面獲得的實際資料中的任意一個隨機樣本，分類圖上同一地點的分類結(jié)果與其相一致的條件概率。在此計算的只是兩幅區(qū)劃分類圖像的一致性，所以以一致性代表用戶精度，用非一致性代表用戶精度和制圖精度產(chǎn)生的漏分誤差和錯分誤差［20］，結(jié)果如表4所示。

表3 凍土區(qū)劃與草原分類誤差矩陣Table 3 Error matrix about permafrost distribution and steppe classification

表4 凍土區(qū)劃與草原分類一致性表Table 4 Consistency about permafrost distribution and steppe classification

一般來說，誤差矩陣得到的65．95%的總體一致性精度為具有空間相關(guān)性［21］，說明凍土區(qū)劃和草原分類也具有明顯空間相關(guān)性。例如，根據(jù)早期研究［22］，人口密度同農(nóng)牧交錯帶的一致性為64．13%時，可以將人口分布作為一個重要的因素應(yīng)用于農(nóng)牧交錯帶的擬合中。不過根據(jù)Kappa系數(shù)法公式：

式中，r是誤差矩陣中總列數(shù)（即總的類別數(shù)）；Xii是誤差矩陣中第i行第i列上柵格數(shù)量（即正確分類的數(shù)目）；Xi＋和X＋i分別是第i行和第i列的總柵格數(shù)量；N是總的用于一致性精度評估的柵格數(shù)量。將表3中的相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（4），得出結(jié)果為：

Khat＝34．78%。

Kappa系數(shù)遠小于誤差矩陣的總體精度，這是由于凍土區(qū)劃圖和草原分類圖重分類后的非凍土區(qū)和熱帶草原類在空間一致性上不相關(guān)所致。

4 討論與結(jié)論

研究地球表層系統(tǒng)的時空信息時，常用模型模擬和觀測這兩種基本手段。不過，近年來隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，也將大量遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用于反演地表變量、調(diào)整模型軌跡和彌補常規(guī)觀測在數(shù)量上的不足［23］。但是這些手段都存在著自身的缺陷，主要是因為：依據(jù)內(nèi)在物理過程和動力學(xué)機制的模型模擬雖然為凍土區(qū)劃和草原分類提供了空間上的連續(xù)演進，但是由于模型模擬的結(jié)果不能完全考慮到所有地表變量，而且所用于模擬的地表變量在空間上具有高度的異質(zhì)性，使得上述凍土區(qū)劃圖和草原分類圖重分類后的非凍土區(qū)和熱帶草原類的分類結(jié)果空間一致性比較差。然誤差矩陣結(jié)果較好，但是Kappa系數(shù)偏低。

直接觀測的優(yōu)勢在于能得到觀測時刻內(nèi)的空間“真值”，卻也因為變量的空間變異強烈和觀測條件限制，無法重建地表的完全連續(xù)特征。如凍土區(qū)劃圖中，湖泊和冰川下面是否也包括各種凍土。

遙感數(shù)據(jù)因無法觀測地表以下信息、與地表變量之間的關(guān)系是隱含的，以及定標、定點時候會引起誤差等原因，存在使用遙感數(shù)據(jù)擬合結(jié)果必然存在誤差的缺點。使用遙感數(shù)據(jù)對凍土區(qū)劃進行研究時，一定要有凍土區(qū)觀測點數(shù)據(jù)進行驗證來調(diào)整遙感數(shù)據(jù)反演。

因此，三者結(jié)合應(yīng)用十分重要。青藏高原多年凍土本底調(diào)查項目［7］將會為以后的凍土區(qū)劃和草原分類提供大量有效的直接觀測數(shù)據(jù)，然后結(jié)合多時相的遙感數(shù)據(jù)，利用優(yōu)化的路面過程模型對模型模擬的軌跡進行調(diào)整，將誤差減至最小，將它們有機地融合，將會為我們對凍土區(qū)劃和草原分類［24－26］的研究提供一種更好的方法。

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