歐陽志云，張 路，吳炳方，李曉松，徐衛(wèi)華，肖 燚，鄭 華

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085 2 中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所, 北京 100101

基于遙感技術(shù)的全國生態(tài)系統(tǒng)分類體系

歐陽志云1,*，張 路1，吳炳方2，李曉松2，徐衛(wèi)華1，肖 燚1，鄭 華1

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085 2 中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所, 北京 100101

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，以遙感數(shù)據(jù)作為生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測與評價(jià)的基礎(chǔ)已成為宏觀生態(tài)學(xué)研究的重要手段。遙感數(shù)據(jù)要求每一數(shù)據(jù)集都要有相應(yīng)的地物分類體系與之匹配，這也造成不同遙感數(shù)據(jù)及分類體系之間相互獨(dú)立。雖然體系間多有聯(lián)系和相似之處，但不同數(shù)據(jù)集的分類體系難以直接使用或替換，制約了多元數(shù)據(jù)在生態(tài)系統(tǒng)評價(jià)中的使用效果。為嘗試解決這一問題，提高多源遙感數(shù)據(jù)的使用效率，提出了一套基于中分辨率遙感數(shù)據(jù)的生態(tài)系統(tǒng)分類體系。這套體系共有9個一級類、21個二級類、46個三級類，該體系主要依據(jù)類別內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)特征的相似性，并考慮了氣候、地形等因素。最后以海南島、內(nèi)蒙古和甘肅3個省為例，探討了以遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成分析方法與應(yīng)用效果。研究表明，該分類體系有較好的生態(tài)學(xué)依據(jù)，可以支持更加深入的生態(tài)系統(tǒng)評估。但分類體系中還存在遙感數(shù)據(jù)與生態(tài)因子數(shù)據(jù)尺度不匹配、不能滿足小尺度研究中對三級類進(jìn)一步細(xì)分的要求以及當(dāng)前數(shù)據(jù)質(zhì)量和模擬技術(shù)不足以完全支持植被覆蓋率反演精度要求等問題。

遙感技術(shù)；分類體系；生態(tài)系統(tǒng)評價(jià)

遙感技術(shù)與遙感數(shù)據(jù)在區(qū)域生態(tài)評價(jià)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，已成為區(qū)域生態(tài)評價(jià)不可缺少的技術(shù)手段和數(shù)據(jù)來源。但如何應(yīng)用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)分類一直是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測與生態(tài)評價(jià)的基礎(chǔ)問題。不同的研究目的、研究區(qū)域與研究對象，通常建立不同的分類體系。這些各具特色的分類體系雖然有利于特定的研究目的，但制約了分類數(shù)據(jù)的共享與區(qū)域生態(tài)評價(jià)結(jié)果的可比性。以遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立的土地分類系統(tǒng)最早于1976年由美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)建立，該系統(tǒng)以美國資源衛(wèi)星Landsat1所獲取的遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將地物劃分為9個一級類、37個二級類以及可根據(jù)數(shù)據(jù)精度和研究目標(biāo)靈活擴(kuò)展的三級、四級類。但實(shí)際上能夠直接為當(dāng)時(shí)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)直接解譯的僅為一級類[1]。隨著遙感數(shù)據(jù)分辨率的提高，不同的國家和機(jī)構(gòu)提出了以不同遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的土地分類系統(tǒng)，如美國國家土地覆被數(shù)據(jù)(NLCD)以Landsat5遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的分類系統(tǒng)[2]，歐洲環(huán)境信息協(xié)作計(jì)劃(CORINE)以SPOT遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的分類系統(tǒng)[3]，國際地圈—生物圈計(jì)劃(IGBP)AVHRR遙感數(shù)據(jù)及其附屬產(chǎn)品的分類系統(tǒng)[4]等。為了推動遙感生態(tài)分類數(shù)據(jù)的共享，1998年國際糧農(nóng)組織(FAO)提出了一套基于二叉樹分類規(guī)則的分類系統(tǒng)，該系統(tǒng)靈活性強(qiáng)，能夠適應(yīng)不同區(qū)域和不同尺度的需要，也對此后的分類系統(tǒng)的建立有深遠(yuǎn)的影響[5]。為適應(yīng)我國土地覆蓋類型特征，多個機(jī)構(gòu)也提出了適用于我國的分類系統(tǒng)[6- 8]，但側(cè)重點(diǎn)多在于土地覆蓋類型與土地利用方式的劃分，土地覆被所表達(dá)的信息是地表物質(zhì)組成的綜合體，包括覆蓋物的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、排列等，這些特征是因物質(zhì)的存在而存在，土地覆被是階段性自然環(huán)境影響與人類活動共同作用產(chǎn)生的結(jié)果。自然環(huán)境屬性包括地形(高程、坡度、坡向等)、地貌、氣候等，它是土地覆被的背景，但對土地覆被變化和演化產(chǎn)生影響。而適用于生態(tài)系統(tǒng)評估的分類體系需要充分考慮自然環(huán)境參量的差異，這些參量不僅反映土地覆被現(xiàn)狀，而且對生態(tài)系統(tǒng)的碳、氮等物質(zhì)循環(huán)的機(jī)制、變化速率、潛力產(chǎn)生重要影響。從內(nèi)部與外部不同側(cè)面表達(dá)土地覆被的構(gòu)成和生態(tài)特征，有利于充分利用下墊面信息，并作為輸入?yún)?shù)開展進(jìn)一步的生態(tài)系統(tǒng)評估研究。但生態(tài)參量的獲得通常以長期生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，這就造成了當(dāng)前的土地覆蓋分類體系對生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)反應(yīng)不足，難以直接用于全國生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查與評價(jià)。因此，根據(jù)全國生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查與評價(jià)的需要、充分利用我國生態(tài)系統(tǒng)長期研究成果，本文借鑒國際上和我國相關(guān)研究成果，探討了建立基于中分辨率遙感數(shù)據(jù)的我國生態(tài)系統(tǒng)分類體系。并以甘肅、內(nèi)蒙古東部和海南三個我國典型地區(qū)為例，分析了該分類系統(tǒng)的應(yīng)用方法與問題，以期為全國生態(tài)系統(tǒng)評估提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)體系參考。

1 分類體系

根據(jù)遙感數(shù)據(jù)的光譜特征，結(jié)合植被覆蓋度與生態(tài)系統(tǒng)植物群落構(gòu)成特征，以全國遙感土地覆蓋分類系統(tǒng)為基礎(chǔ)[9]，將生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行3級分類，I級分為9類，II級分為21類，III級分為46類(表1)。

劃分過程中首先根據(jù)遙感信息提取植被覆蓋和非植被覆蓋區(qū)作為基礎(chǔ)信息。對于植被覆蓋區(qū)，根據(jù)植被生活型劃分為喬木、灌木和草本覆蓋，構(gòu)成森林、灌叢和草地三個一級生態(tài)系統(tǒng)。森林和灌叢中覆蓋度低于20%的生態(tài)系統(tǒng)與同類型種類在能量代謝、物質(zhì)循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)功能上都有很大差別，因此分別劃分為稀疏林和稀疏灌叢。喬木綠地和灌木綠地，喬木園地和灌木園地在空間分布、立地條件和人類干預(yù)方式上都與自然的森林和灌叢生態(tài)系統(tǒng)有較大區(qū)別，而與城鎮(zhèn)和農(nóng)田更為相似，因此分別劃分為城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)中的城市綠地和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的園地兩個類型。草地與森林和灌叢生態(tài)系統(tǒng)不同，森林和灌叢中的針葉、闊葉類型能夠包含地帶性信息，例如我國常綠闊葉林和落葉闊葉林有明顯地帶性和空間分布規(guī)律，并且能夠直接從遙感影像解譯。草地中可直接通過遙感信息解譯的包括草甸、草叢、草原和稀疏草地四個類型。根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)評估的需要，草地生態(tài)系統(tǒng)劃分中進(jìn)一步考慮了降水和地形等生態(tài)要素，如以青藏高原的地理邊界為基礎(chǔ)，提取青藏區(qū)內(nèi)及周邊海拔4000m以上的草甸為高寒草甸、稀疏草地(包括常見的墊狀植被)為高寒荒漠草原、草原為高寒草原，再根據(jù)以往的研究[10- 11]將青海湖周邊和雅魯藏布江上游等區(qū)域草原劃分為溫性典型草原。青藏高原以外草原劃分為溫性典型草原，草甸劃分為溫性草原草甸，稀疏草地劃分為溫性荒漠草原。草叢生態(tài)系統(tǒng)多由次生溫性或熱性多年生中生、旱中生草本植物組成，此類型以秦嶺-淮河這一北亞熱帶北界為界線，界線以北為溫性草叢，以南為熱性草叢。

表1 基于遙感數(shù)據(jù)的全國生態(tài)系統(tǒng)分類體系Table 1 Ecosystem Classification system and descriptions based on remote sensing data

說明：[1] 在干旱與半干旱區(qū)的沙漠與沙地、裸巖、裸土、鹽堿地歸類于荒漠生態(tài)系統(tǒng)。在濕潤區(qū)的沙漠與沙地、裸巖、裸土、鹽堿地歸類為裸地。C：覆蓋度郁閉度(%)；F：針闊比率(%)；H： 植被高度(m)；T：水一年覆蓋時(shí)間(月)；K：濕潤指數(shù)

非植被覆蓋區(qū)包括濕地、冰川/永久積雪、荒漠、裸地、城鎮(zhèn)。濕地分為沼澤和水體，沼澤按不同群落結(jié)構(gòu)分為喬木、灌叢、草本三類。水體按照空間形狀分為河流和湖泊。冰川/永久積雪為常年冰雪覆蓋區(qū)，極少有生命跡象出現(xiàn)，單獨(dú)劃分一類?；哪吐愕囟及懵兜纳迟|(zhì)地面、壤質(zhì)地面、硬質(zhì)表面、有微生物覆蓋表面和表面稀松、高反射率的鹽堿地，由于成因不同，干旱與半干旱區(qū)部分劃分為荒漠生態(tài)系統(tǒng)，濕潤與半濕潤區(qū)[12]劃分為裸地。

遙感影像分類過程采用面向?qū)ο蟮淖詣踊謪f(xié)同地面調(diào)查改進(jìn)分類結(jié)果的技術(shù)方案開展了全國核查任務(wù)。針對多作業(yè)區(qū)、多單位協(xié)作處理數(shù)據(jù)，對監(jiān)測結(jié)果采用統(tǒng)一的技術(shù)方案。技術(shù)流程分為分類系統(tǒng)建立、作業(yè)區(qū)劃、數(shù)據(jù)采集、影像預(yù)處理、派生參數(shù)提取、尺度分割、解譯標(biāo)志庫建立、層次分類和SVM分類、CVA和SAM變化檢測、抽樣驗(yàn)證的步驟。在解譯過程中分為國家層次與樣區(qū)層次，分類方法一致，采用統(tǒng)一的分類系統(tǒng)，類型具有繼承性、尺度轉(zhuǎn)換能力。影像預(yù)處理進(jìn)行作業(yè)分區(qū)，建立季節(jié)、空間一致的數(shù)據(jù)集，開展數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)與拼接、去云、霧等處理。通過野外分層采樣框架，建立數(shù)據(jù)解譯標(biāo)志庫，并將點(diǎn)樣本擴(kuò)展至面樣本，提高影像的識別能力。以此為基礎(chǔ)識別本分類系統(tǒng)中的各個類別。

(1)森林生態(tài)系統(tǒng)：是指喬木植物(高度>5m)覆蓋為主的土地，根據(jù)包括4個二級類型和6個三級類型。

(2)灌叢生態(tài)系統(tǒng)：是指灌木植物(高度<5m)覆蓋為主的土地，包括3個二級類型和4個三級類型。

(3)草地生態(tài)系統(tǒng)：是指草本植物覆蓋為主的土地，包括3個二級類型，8個三級類型。

(4)濕地生態(tài)系統(tǒng)：是指天然或人工形成的沼澤地等帶有靜止或流動水體的成片淺水區(qū)。包括3個二級類型，7個三級類型。

(5)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)：是指以農(nóng)作物植被覆蓋為主的土地，包括2個二級類型，4個三級類型。

(6)城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)：是指以人工表面為主的人類居住土地。包括3個二級類型，7個三級類型。

(7)荒漠生態(tài)系統(tǒng)：指分布于干旱與半干旱區(qū)、植被蓋度低于4%的土地。包括1個二級類型，4個三級類型。

(8)冰川/積雪：地面覆蓋為冰川與積雪的土地。包括1個二級類型，1個三級類型。

(9)裸地：是指植被覆蓋度低于4%的土地。包括1個二級類型，5個三級類型。

2 典型區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成與格局

海南島、內(nèi)蒙古、甘肅三省涉及我國不同的自然地理區(qū)域，且生態(tài)系統(tǒng)特征具有明顯差異，基本覆蓋了我國所有三級生態(tài)系統(tǒng)類型(表2)。

表2 典型區(qū)一級生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成Table 2 Ecosystem configurations of the Level I class in Hainan Island, Inner Mongolia, and Gansu Province

三個典型區(qū)內(nèi)一級生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成反映出了區(qū)域間生態(tài)系統(tǒng)分布的基本差異。海南島水熱充沛，熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)占據(jù)主導(dǎo)，主要分布于中部山區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)則成為島內(nèi)第二大生態(tài)系統(tǒng)類型。內(nèi)蒙古東部地處我國東部季風(fēng)區(qū)和西北干旱區(qū)的交界地帶，生態(tài)系統(tǒng)類型相應(yīng)表現(xiàn)為大興安嶺森林區(qū)和內(nèi)蒙古草原區(qū)的交替，因此草地生態(tài)系統(tǒng)和森林生態(tài)系統(tǒng)成為該區(qū)主導(dǎo)類型。而內(nèi)蒙古西部位于我國干旱區(qū)，主要生態(tài)系統(tǒng)類型為溫性典型草原和荒漠生態(tài)系統(tǒng)。甘肅省自然條件最為復(fù)雜，地處青藏高原區(qū)、西北干旱區(qū)、東部季風(fēng)區(qū)三區(qū)交匯處，分布有各區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)類型，除農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)外，沙漠、草地、灌叢、森林在省內(nèi)不同區(qū)域都有集中分布(圖1)。

圖1 典型區(qū)一級生態(tài)系統(tǒng)分布Fig.1 Ecosystem maps of the Level I class in Hainan Island, Inner Mongolia, and Gansu Province

通過對三個典型區(qū)各二級、三級生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成的統(tǒng)計(jì)(表3)，可以從中發(fā)掘更多的生態(tài)系統(tǒng)特征信息。例如森林生態(tài)系統(tǒng)的分布體現(xiàn)出了明顯的地帶性特征，三區(qū)之內(nèi)只有緯度最高的內(nèi)蒙古東部有落葉針葉林生態(tài)系統(tǒng)分布，而內(nèi)蒙古東部和甘肅省均位于秦嶺-淮河這一常綠闊葉林的北界以北，因此無天然常綠森林生態(tài)系統(tǒng)分布，海南島完全相反。草地生態(tài)系統(tǒng)則更加綜合的考慮了氣候、地形等因素。海南島僅有熱性草叢分布，內(nèi)蒙古則含蓋了呼倫貝爾和錫林郭勒兩大草原區(qū)，因此該區(qū)域內(nèi)溫性典型草原占絕對優(yōu)勢。相比之下，甘肅省由于氣候和地形的復(fù)雜性，分布了所有八個草地生態(tài)系統(tǒng)類型。

3 討論

本文以遙感數(shù)據(jù)所識別的土地覆蓋類型為基礎(chǔ)，結(jié)合氣候、地形等生物地理參量以及類別內(nèi)部的生態(tài)系統(tǒng)特征，將土地類型重新拆分組合，形成一套新的生態(tài)系統(tǒng)分類體系。相比完全基于遙感分類數(shù)據(jù)的體系[13- 14]，本系統(tǒng)融入了更多的生態(tài)信息，這保證了本系統(tǒng)各生態(tài)系統(tǒng)類型都在不同級別上具有較大的自然相似性以及類別之間的獨(dú)立性，有利于利用現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)的研究成果開展區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)評估。

表3 典型區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成/km2Table 3 Ecosystem configurations of the Level II and Level III class in Hainan Island, Inner Mongolia, and Gansu Province

從三個典型區(qū)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成的分析可以發(fā)現(xiàn)，對遙感數(shù)據(jù)直接解譯的最低類別進(jìn)一步根據(jù)自然環(huán)境變量再細(xì)分具有重要的意義。例如，在原始基于遙感數(shù)據(jù)的分類系統(tǒng)中，根據(jù)地物的光譜特征將所有森林、灌叢生態(tài)系統(tǒng)類別及喬木園地、喬木綠地、灌木綠地均劃為“林地”一類。但這些類別的管理方式、群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)過程都有很大差異，因此將園地歸入農(nóng)田一類、將綠地歸入城鎮(zhèn)一類，這也更符合生態(tài)系統(tǒng)類別內(nèi)部特征一致的要求。

本分類系統(tǒng)中仍然存在一些問題。首先，本次土地覆蓋分類數(shù)據(jù)集最高空間分辨率為30m像元，而進(jìn)一步劃分類別所使用的自然環(huán)境參量數(shù)據(jù)，如干燥度、氣候帶數(shù)據(jù)尺度更大，使用這些數(shù)據(jù)集的疊加校正會造成尺度不匹配問題。在小流域或縣域等小尺度分析中可能造成將同一斑塊生態(tài)系統(tǒng)劃分為不同類型生態(tài)系統(tǒng)，這需要通過在研究尺度上更新生態(tài)因子數(shù)據(jù)解決。其次，本分類系統(tǒng)以遙感分類數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，因此難以在全國尺度對三級類別做進(jìn)一步細(xì)分，因此也并未像國際糧農(nóng)組織的分類系統(tǒng)一樣提出更具彈性的四級分類系統(tǒng)，這一點(diǎn)將在小尺度依據(jù)不同區(qū)域生態(tài)環(huán)境特征展開進(jìn)一步的探討以滿足更豐富的生態(tài)系統(tǒng)分析和評價(jià)需求。最后需要指出的是本分類系統(tǒng)中各植被類型的定義主要參考了國際糧農(nóng)組織(FAO)提供的定義，例如將稀疏植被定義為植被覆蓋度大于4%，小于20%，裸地為小于4%。而實(shí)際上當(dāng)前的植被覆蓋度反演誤差通常都大于4%，對于這種技術(shù)局限，除提高遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量外，目前只能依靠實(shí)地觀測數(shù)據(jù)予以校正。

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An ecosystem classification system based on remote sensor information in China

OUYANG Zhiyun1,*, ZHANG Lu1, WU Bingfang2, LI Xiaosong2, XU Weihua1, XIAO Yi1, ZHENG Hua1

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2TheInstituteofRemoteSensingandDigitalEarth(RADI),ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China

Remote sensing technology is increasingly used in mapping and monitoring ecosystems as well as providing input datasets for analysis of ecosystem functions or dynamics. As a source of information on ecosystem classification and evaluation, remote sensor data is particularly important at the scale of the landscape, where has few field data. However, each type of remote sensing image often developed an independent classification system to satisfy the needs of the majority of users, guidelines of criteria for certain utility. Although there are many similarities exist in different systems, it is hardly be comparable or interchangeable in general cases. There is, in fact, no logical reason to expect that one detailed ecosystem inventory should be adequate for multi-sources remote sensing data. But an ecosystem categorization system that takes whole consideration of remote sensing information, ecological factors and type or degree of human intervention is able to improve the efficiency of ecosystem analysis using different satellite imagery. Aim at this objective, this paper compiled a ecosystem classification system in China based on medium-resolution remote sensor data. The system includes 9 types, including forest, shrubland, grassland, wetland, cropland, urban land, desert, glacier/firn, bare land, in the first level categories, 21 subordinate types in the second level categories and 46 types in the third level categories. On the base of 38 third level categories from ChinaCover2010 project, we reclassified this categories in accordance with characteristics of ecosystem types and subdivided the third level categories into 46 by add up to many supplemental information such as climate factors and site condition of vegetations. To interpret the usage and the effectiveness of the system, ecosystem configurations in three regions, Hainan island, Inner Mongolia and Gansu province, have been calculated. Results shown ability to depict zonal features of ecosystem and to use in further ecosyste m analysis. It still indicate that the discrepancy of spatial resolution occurs between ecological factor data and remote sensor data and more detailed levels have not been established which we would take deeper researches in certain areas.

remote sensing; ecosystem evaluation; ecosystem classification

全國生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量，服務(wù)功能，生態(tài)問題，脅迫十年變化調(diào)查與綜合評估(STSN- 04- 00)；全國生態(tài)環(huán)境長期跟蹤遙感調(diào)查(KFJ-EW-ZY- 004)

2014- 07- 28;

2014- 11- 02

10.5846/stxb201407281527

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zyouyang@rcees.ac.cn

歐陽志云，張路，吳炳方，李曉松，徐衛(wèi)華，肖燚，鄭華.基于遙感技術(shù)的全國生態(tài)系統(tǒng)分類體系.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(2):219- 226.

Ouyang Z Y, Zhang L, Wu B F, Li X S, Xu W H, Xiao Y, Zheng H.An ecosystem classification system based on remote sensor information in China.Acta Ecologica Sinica,2015,35(2):219- 226.