汪傳建 江紅紅 魯為華 張 雅 孫世澤 李 冬

(1.石河子大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 石河子 832000； 2.兵團(tuán)空間信息工程技術(shù)研究中心， 石河子 832000； 3.石河子大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院， 石河子 832003)

0 引言

草地是重要的生態(tài)屏障，也是畜牧業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。我國(guó)現(xiàn)有天然草地總面積約4億hm2，其中90%的草地出現(xiàn)不同程度的退化[1]。新疆是中國(guó)的五大天然牧場(chǎng)之一，草地資源豐富，然而80%以上的天然草地出現(xiàn)了不同程度的退化[2]，而長(zhǎng)期過(guò)度放牧是導(dǎo)致草地退化的主要原因之一[3]。因此，及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取畜群對(duì)草地的利用情況，對(duì)有效管理草地畜牧業(yè)和保護(hù)草地具有重要意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)草地利用情況進(jìn)行大量研究。DENGLER[4]、KAWAMURA等[5]利用全球定位系統(tǒng)(Global positioning system，GPS)設(shè)備以一定時(shí)間間隔記錄牧群的放牧軌跡，通過(guò)網(wǎng)格法計(jì)算每個(gè)單元格內(nèi)的畜群數(shù)，以此得到放牧強(qiáng)度分布；汪傳建等[6]通過(guò)GPS設(shè)備記錄牧群的軌跡信息，然后采用緩沖區(qū)和網(wǎng)格分析法獲得放牧分布情況，結(jié)合模擬采食法，利用網(wǎng)格疊加獲得采食量分布；謝芮等[7]、王夢(mèng)佳等[8]和LI等[9]通過(guò)遙感影像數(shù)據(jù)計(jì)算放牧強(qiáng)度；地上生物量與草地利用狀況密切相關(guān)[10]，基于遙感數(shù)據(jù)估算草地生物量[11-15]可大范圍定量監(jiān)測(cè)草地產(chǎn)量；XIE 等[16]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和多元線性回歸兩種模型來(lái)評(píng)估內(nèi)蒙古草地地上生物量；王新云等[17]利用雷達(dá)數(shù)據(jù)和HJ1B數(shù)據(jù)，并結(jié)合野外實(shí)測(cè)生物量，估算荒漠草原地上生物量；ZHANG等[18]將高時(shí)間分辨率的MODIS與中空間分辨率的Landsat數(shù)據(jù)融合，提出了一種高時(shí)空分辨率的合成歸一化植被指數(shù)(Normalized difference vegetation index，NDVI)時(shí)間序列，進(jìn)而估算地上生物量；FRANKE等[19]利用遙感技術(shù)評(píng)估草地利用強(qiáng)度;朱桂林等[20]研究放牧條件下草地植物的單枝重和分蘗情況，建立了草地合理利用的判別模型。以上研究在一定程度上反映了草地的利用情況，而對(duì)草地的有效利用面積及草地利用的空間分布情況相關(guān)研究甚少。

本文在采集GPS牧群軌跡數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出一種基于放牧?xí)r空軌跡的天然草地利用評(píng)估模型，通過(guò)GPS實(shí)時(shí)獲取牧群軌跡，利用地理信息系統(tǒng)(Geographic information system，GIS)中的網(wǎng)格分析法計(jì)算畜群的采食強(qiáng)度，并依據(jù)模糊數(shù)學(xué)建立簡(jiǎn)單隸屬函數(shù)模型，利用最大隸屬度原則確定不同采食強(qiáng)度下草地利用情況。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)八師一五一團(tuán)紫泥泉牧場(chǎng)，其地理位置85°46′15.06″E，44°00′13.23″N，如圖1所示。該地區(qū)為低山丘陵區(qū)，平均海拔高度1 000 m，屬半干旱型氣候，降水量240～380 mm。草地植被類(lèi)型單一，群落類(lèi)型為博洛塔絹蒿(Seriphidiumborotalense)、針茅(Stipacapillata)及苔草(Carexliparocarpos)等，其中絹蒿為優(yōu)勢(shì)種，構(gòu)成了溫性荒漠化草地(土質(zhì)荒漠亞類(lèi))。草層高度10～30 cm。畜群放牧?xí)r間從每年的4月到10月共7個(gè)月，每天放牧2次。放牧綿羊?yàn)樾陆?xì)毛羊共170只，放牧草地面積為864 hm2。研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http:∥www.gscloud.cn/)。

圖1 研究區(qū)位置 Fig.1 Location of study area

1.2 數(shù)據(jù)的獲取與處理

在研究過(guò)程中，采用GPS項(xiàng)圈(GT03C型，深圳谷米)作為定位跟蹤設(shè)備，定位誤差小于10 m，機(jī)身尺寸為91.5 mm×57.0 mm×37.5 mm(長(zhǎng)×寬×高)，整機(jī)質(zhì)量為202 g，記錄時(shí)間間隔為3 min的工作模式下，可正常工作120 h。每次隨機(jī)選擇10只具有代表性的綿羊佩戴GPS項(xiàng)圈進(jìn)行軌跡追蹤。在綜合考慮GPS軌跡數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)軌跡的擬合度以及GPS設(shè)備續(xù)航時(shí)間兩大因素的情況下，將定位時(shí)間間隔設(shè)置為3 min。

軌跡數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2015年7—10月、2016年4—9月、2017年4月至今。采集的軌跡數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)上傳至服務(wù)器，上傳的數(shù)據(jù)主要包括羊佩戴的設(shè)備ID、位置信息及發(fā)報(bào)時(shí)間等。

牧草采樣時(shí)間為2015年7—10月、2016年4—9月、2017年4月至今，每月采樣2次，每次采集20～30個(gè)樣方。根據(jù)研究區(qū)群落類(lèi)型的不同劃分典型區(qū)域，研究區(qū)的典型區(qū)有2類(lèi)，每個(gè)典型區(qū)設(shè)置5～15個(gè)1 m×1 m樣方，用手持GPS定位儀記錄樣方所在經(jīng)緯度，將樣方內(nèi)的植被齊地面剪下并對(duì)每個(gè)樣方進(jìn)行編號(hào)，分別測(cè)量各樣方的生物量鮮質(zhì)量，并將其置于干燥箱中干燥至恒定質(zhì)量，稱(chēng)取每個(gè)樣方的生物量干質(zhì)量。

軌跡數(shù)據(jù)采用ArcGIS軟件進(jìn)行處理，處理步驟如下：①?gòu)臄?shù)據(jù)庫(kù)讀取軌跡數(shù)據(jù)，利用創(chuàng)建XY事件圖層工具使軌跡點(diǎn)進(jìn)行顯示。②通過(guò)擦除點(diǎn)工具將位于羊圈內(nèi)無(wú)用軌跡點(diǎn)進(jìn)行擦除。③分別對(duì)研究區(qū)及軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行投影。④利用創(chuàng)建漁網(wǎng)工具對(duì)投影后的研究區(qū)進(jìn)行處理。⑤將軌跡數(shù)據(jù)與網(wǎng)格化處理之后的研究區(qū)進(jìn)行空間連接。⑥通過(guò)添加字段工具添加采食強(qiáng)度屬性。⑦利用計(jì)算字段工具，計(jì)算每個(gè)單元格的采食強(qiáng)度。

2 草地利用評(píng)估模型

利用畜群的軌跡數(shù)據(jù)計(jì)算其在不同區(qū)域時(shí)的采食強(qiáng)度，建立隸屬度函數(shù)并利用最大隸屬度原則，對(duì)評(píng)估對(duì)象做出合理的評(píng)價(jià)，即畜群在不同區(qū)域?qū)Σ莸氐睦们闆r。

2.1 評(píng)估模型的建立

針對(duì)如何評(píng)估草地的利用情況這一問(wèn)題，本文選用利用強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)判等級(jí)分為3級(jí)，確定模糊評(píng)語(yǔ)集為V={好，中，差}，評(píng)語(yǔ)分別表示草地利用情況的程度。禁牧或極輕度放牧造成資源浪費(fèi)，而極度放牧又會(huì)引起草地退化[8]，因此將采食強(qiáng)度超重以及禁牧或極輕度放牧情況下的草地利用等級(jí)歸為差；適度放牧可促進(jìn)牧草生長(zhǎng)[21],說(shuō)明此種情況下草地利用較好；其余情況則為草地利用中等。

到目前為止對(duì)于草地的利用情況劃分并沒(méi)有給出一定的標(biāo)準(zhǔn)，而且不同地區(qū)不同類(lèi)型的草地利用情況無(wú)法找出精確的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，若是嚴(yán)格按照分類(lèi)區(qū)間進(jìn)行劃分，會(huì)造成區(qū)間之間界限過(guò)于生硬，因此本文采用模糊數(shù)學(xué)對(duì)草地利用情況進(jìn)行評(píng)估。模糊識(shí)別借助模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)換為定量評(píng)價(jià)，能對(duì)蘊(yùn)藏的模糊性信息做出比較科學(xué)、合理、貼近實(shí)際的量化評(píng)價(jià)。

在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)某一因素的評(píng)價(jià)往往難以以數(shù)學(xué)形式進(jìn)行表達(dá)。模糊數(shù)學(xué)中通常采用專(zhuān)家打分法確定隸屬函數(shù)。本文主要依據(jù)模糊數(shù)學(xué)中的降半梯形、升半梯形及中間對(duì)稱(chēng)型建立簡(jiǎn)單隸屬函數(shù)模型，使之與實(shí)際情況盡可能相符。以采食強(qiáng)度作為論域，給出“差”、“中”、“好” 3個(gè)模糊集的隸屬函數(shù)，簡(jiǎn)化模型如下：

將草地利用情況較差的分為兩種不同的隸屬函數(shù)(一種是畜群對(duì)草地利用較輕，一種為對(duì)草地利用較重)。

(1)降半梯形分布，其隸屬函數(shù)為

(1)

(2)升半梯形分布，其隸屬函數(shù)為

(2)

草地利用適中以及利用較好的情況均采用中間對(duì)稱(chēng)型分布，其隸屬函數(shù)為

(3)

(4)

(5)

式中bi——不同采食強(qiáng)度的邊界,i=1,2,…,5

x——采食強(qiáng)度，g/m2

圖2 隸屬函數(shù) Fig.2 Membership function

其隸屬函數(shù)如圖2所示。其中(0,b1)為基本沒(méi)有采食，(b1,b2)為輕度采食，(b2,b3)為中度采食，(b3,b4)為重度采食，(b4,b5)為超重采食。根據(jù)模糊識(shí)別中的最大隸屬度原則，通過(guò)

max(μ11(x),μ12(x),μ21(x),μ22(x),μ3(x))

可得在不同采食強(qiáng)度下草地的利用情況。

根據(jù)NY/T 635—2015天然草地合理載畜量的計(jì)算，研究區(qū)2015年及2016年草地合理載畜量分別為0.427、0.524羊單位/hm2，由此可得研究區(qū)整個(gè)畜群在2015年和2016年的合理采食強(qiáng)度分別為15、18 g/m2。

2.2 采食強(qiáng)度的計(jì)算

草地的利用與畜群采食情況緊密相關(guān)。為了評(píng)估研究區(qū)的草地利用情況，需對(duì)畜群的放牧情況進(jìn)行監(jiān)控。在假設(shè)畜群日采食量無(wú)明顯差異的情況下，根據(jù)畜群的軌跡數(shù)據(jù)集，從研究區(qū)的不同區(qū)域提取采食強(qiáng)度，則日采食強(qiáng)度為

(6)

式中I——日采食強(qiáng)度，g/m2

F——畜群的日采食總量，g

Ci——某天第i個(gè)單元格內(nèi)的GPS軌跡點(diǎn)數(shù)

∑Ci——某天研究區(qū)總的GPS軌跡點(diǎn)數(shù)

S——單元格面積，m2

圖3 2015年7月和2016年7月研究區(qū)草地利用情況分布 Fig.3 Distribution maps of grassland utilization in study area in July 2015 and July 2016

根據(jù)需求選取單元格面積，本文單元格面積在選取時(shí)以畜群總頭數(shù)為依據(jù)，鑒于一頭羊體長(zhǎng)約1 m，假設(shè)一頭羊占地1 m2，畜群總頭數(shù)開(kāi)方并向上取整，可得單元格的邊長(zhǎng)，以本研究區(qū)為例，共170頭羊，則單元格邊長(zhǎng)為14 m。

考慮到在實(shí)際應(yīng)用中，放牧是階段性的，對(duì)草地的利用也是階段性的，為了評(píng)估一段時(shí)間內(nèi)畜群對(duì)草地的采食情況，其計(jì)算公式為

(7)

式中 ∑I——畜群N天的采食強(qiáng)度，g/m2

Ai——畜群采食N天第i個(gè)單元格內(nèi)的GPS軌跡點(diǎn)數(shù)

∑Ai——畜群采食N天研究區(qū)總的GPS軌跡點(diǎn)數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用ArcGIS軟件，利用上述建立的草地利用評(píng)估模型，對(duì)研究區(qū)2015—2017年的軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，獲得研究區(qū)的草地利用情況分布圖以及草地的有效利用面積。根據(jù)實(shí)際放牧情況與野外實(shí)測(cè)牧草生物量變化之間的關(guān)系，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 研究區(qū)草地利用情況分布

根據(jù)已有的采食強(qiáng)度，在ArcGIS中，對(duì)已處理過(guò)的軌跡數(shù)據(jù)集，利用隸屬函數(shù)識(shí)別不同區(qū)域草地的利用情況。為了使草地利用等級(jí)中部分成因更加直觀，將草地等級(jí)差，細(xì)分為未利用、差0(利用較輕)、差1(利用較重)。以2015年及2016年為例，結(jié)果如圖3和圖4所示。對(duì)圖3b、3d及圖4所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可得研究區(qū)草地在不同利用情況下的面積及所占比例，如表1所示。由表1可知，2015年及2016年草地未利用及極輕度利用占研究區(qū)總面積的80%以上，表明研究區(qū)未進(jìn)行采食的草地面積較大；2015年和2016年過(guò)度放牧面積分別占研究區(qū)總面積的1.50%和3.82%，2016年較2015年放牧過(guò)度呈上升趨勢(shì)。2015年7月與2016年7月分別僅有0.81%、1.19%的草地利用較好。由表1計(jì)算可得，在被利用的草地中，2015年7月76.53%的草地利用較差，僅有4.77%的草地利用較好；2016年7月48.84%的草地利用較差，11.92%的草地利用較好。

由圖3可知，7月牧群主要在研究區(qū)的東南方進(jìn)行采食，西北角為羊圈所在地，羊群從西北向東南采食過(guò)程中，從羊圈出發(fā)，經(jīng)河道，在中部時(shí)通過(guò)3條不同路徑進(jìn)行采食。從圖3軌跡數(shù)據(jù)可以看出，軌跡中存在一些異常點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際情況可以發(fā)現(xiàn)這些點(diǎn)的產(chǎn)生主要是由于羊離群采食或設(shè)備故障導(dǎo)致的。通過(guò)2015年7月與2016年7月的草地利用情況分布圖(圖3b和圖3d)對(duì)比，可以看出2016年7月草地過(guò)度放牧情況加劇。

圖4為2015年和2016年研究區(qū)草地利用分布情況，由圖4可以看出，羊圈(西北角)的東南方向的部分區(qū)域草地利用較差，在圖4b中西南方向同樣有一段草地利用較差，造成這些區(qū)域草地利用差的主要原因是該路段地勢(shì)平坦位于山谷中，是畜群出羊圈之后經(jīng)常活動(dòng)的區(qū)域。對(duì)比圖4a、4b可以發(fā)現(xiàn)，畜群的主要采食區(qū)域由東南向西南轉(zhuǎn)移。同時(shí)對(duì)比圖3a、3c可以發(fā)現(xiàn)，2015年7月和2016年7月的放牧軌跡整體情況具有一定共同性，結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況可知，出現(xiàn)這些情況與人為規(guī)劃有很大聯(lián)系。

圖4 2015年和2016年研究區(qū)草地利用情況分布 Fig.4 Grassland utilization distribution maps in study area in 2015 and 2016

時(shí)間未利用差0差1中好面積/(196m2)比例/%面積/(196m2)比例/%面積/(196m2)比例/%面積/(196m2)比例/%面積/(196m2)比例/%2015年7月3695283.12565612.72880.2014033.163580.812016年7月4000489.9819354.352400.5417473.935311.192015年2045146.001573835.406671.50597913.4516223.652016年3052468.66629414.1616973.8242239.5017193.87

3.2 模型驗(yàn)證

利用研究區(qū)采樣點(diǎn)的生物量變化驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確率。隨機(jī)選取研究區(qū)2015年6月末與7月初以及7月末與8月初的數(shù)據(jù)，并將同一區(qū)域中的剩余生物量做差，即得2015年7月采樣點(diǎn)的生物量變化，同理可以得到2016年7月采樣點(diǎn)生物量變化，分別將每月的采樣點(diǎn)生物量的變化量按照由高到底劃分為5個(gè)等級(jí)，并將這5個(gè)等級(jí)與3.1節(jié)中根據(jù)模型計(jì)算所得的2015年7月及2016年7月研究區(qū)草地利用分布情況進(jìn)行對(duì)比，可得與模型結(jié)果相對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)占總樣本數(shù)的86.67%，即為草地利用評(píng)估模型準(zhǔn)確率。

4 結(jié)論

(1)基于模糊數(shù)學(xué)中的模糊識(shí)別原理，根據(jù)畜群放牧軌跡，通過(guò)牧群采食強(qiáng)度，對(duì)草地利用情況進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，可及時(shí)準(zhǔn)確獲取大范圍草地利用的空間分布及有效利用面積。

(2)所提出的模型驗(yàn)證方法不同于文獻(xiàn)[6]中的采食量的驗(yàn)證方法，主要強(qiáng)調(diào)畜群采食中草地生物量的變化，而不是牧草的剩余量，使其與研究目的——草地利用情況更貼切，驗(yàn)證結(jié)果表明，評(píng)估模型準(zhǔn)確率達(dá)86.67%。

(3)利用本文方法計(jì)算不同區(qū)域畜群的采食情況，借助得到的不同區(qū)域的草地利用情況，對(duì)牧民的放牧行為進(jìn)行合理規(guī)劃，逐區(qū)采食，輪回利用，使過(guò)度利用的草地得以修整，合理均衡利用草地資源，進(jìn)而提高草地生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)草地的可持續(xù)利用。