崔 媛 郭輝軍 張 勇 鄭秋竹 趙鴻怡 岳海濤

（1. 西南林業(yè)大學(xué)國家高原濕地研究中心，云南 昆明 650233；2. 西南林業(yè)大學(xué)濕地學(xué)院，云南 昆明 650233）

高寒草甸是分布海拔最高的草地生態(tài)系統(tǒng)[1]，我國高寒草甸集中分布在青藏高原及周邊高山地區(qū)[2]。滇西北位于青藏高原最南端，該區(qū)域海拔3 200 m以上的山區(qū)有大量的高寒草甸分布[3]，這些高寒草甸不僅具有防風(fēng)固沙、保持水土、涵養(yǎng)水源等生態(tài)功能[4-5]，也是滇西北地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)具有內(nèi)在的脆弱性[6]，在氣候變化[7]、過度放牧[8]、旅游踩踏[9-10]等因素的影響下，滇西北的高寒草甸出現(xiàn)了逐步退化的趨勢(shì)[11]，如何快速識(shí)別、提取滇西北高寒草甸，即提出一種在區(qū)域尺度上定量評(píng)估高寒草甸分布的方法，對(duì)滇西北高寒草甸的動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)、合理利用具有重要意義。

遙感影像具有觀測(cè)范圍廣、觀測(cè)時(shí)間序列長(zhǎng)、觀測(cè)周期短等特點(diǎn)[12]，為在區(qū)域尺度上提取高寒草甸提供了新的手段，特別是光學(xué)遙感影像已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高寒草甸的監(jiān)測(cè)和保護(hù)管理。葛靜等[13]結(jié)合野外樣地?cái)?shù)據(jù)和MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，獲得黃河源東部地區(qū)高寒草甸的蓋度；李娜等[14]以Landsat 8影像為數(shù)據(jù)源，利用植被蓋度和增強(qiáng)性植被指數(shù)，通過地理加權(quán)回歸模型研究草地的監(jiān)測(cè)精度；陳喜梅等[15]以西藏境內(nèi)的草原為研究區(qū)，采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM(jìn)行多尺度分割，從光譜特征、紋理特征和形狀特征3個(gè)方面對(duì)草地進(jìn)行識(shí)別分類；張秀敏等[16]結(jié)合MODIS/EVI遙感影像數(shù)據(jù)及數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)，綜合分析各種高寒草甸植被類型的EVI時(shí)序曲線特征及其生長(zhǎng)環(huán)境的高程、坡度和坡向等地形特征，建立知識(shí)庫，采用決策樹分類算法對(duì)該區(qū)域的高寒草甸植被分類；張明等[17-19]利用遙感手段研究青藏高原生態(tài)脆弱區(qū)退化草地的空間分布和動(dòng)態(tài)變化，為保障影像的高質(zhì)量和同時(shí)相，均采用夏季遙感影像，云量在10%以下；孫銀良等[20-22]基于MODIS數(shù)據(jù)，利用CASA模型模擬估算了西藏高寒草甸凈初級(jí)生產(chǎn)力，并對(duì)西藏高寒草甸NPP變化及其對(duì)氣候和退牧還草工程的響應(yīng)情況進(jìn)行了研究?？偨Y(jié)前人的研究發(fā)現(xiàn)，無論是草地的提取方法研究，還是監(jiān)測(cè)分析應(yīng)用研究，均基于草地生長(zhǎng)旺盛期（6—8月）的遙感影像，但地處橫斷山區(qū)腹地的滇西北夏季濕潤(rùn)多雨，導(dǎo)致遙感影像云量大，難以用夏季遙感影像提取高寒草甸的分布，限制了已有草地提取方法的應(yīng)用，而冬季遙感影像云量較少，是研究該區(qū)域高寒草甸分布的潛在數(shù)據(jù)源。但冬季高寒草甸植被枯萎，其影像特征與裸地相似度高，容易導(dǎo)致錯(cuò)分。為使用冬季遙感影像提取滇西北高寒草甸的空間分布，本研究結(jié)合地面實(shí)測(cè)土地利用資料和Landsat TM冬季影像，建立提取滇西北高寒草甸空間分布的方法，以期為滇西北高寒草甸的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和保護(hù)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及處理

1.1.1 地面實(shí)測(cè)土地利用資料

地面實(shí)測(cè)土地利用資料為香格里拉市1995年土地利用現(xiàn)狀普查結(jié)果。運(yùn)用ArcMap 10.2數(shù)字化香格里拉市草地和裸地的分布。

1.1.2 DEM數(shù)據(jù)

研究區(qū)范圍內(nèi)的DEM數(shù)據(jù)（空間分辨率30 m）來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/）。利用DEM數(shù)據(jù)提取出香格里拉市的坡度、坡向和海拔。

1.1.3 Landsat TM影像

香格里拉市隸屬云南省迪慶藏族自治州，地處青藏高原南端、橫斷山區(qū)腹地，受西南季風(fēng)影響、干濕季分明[23]，夏秋多雨、遙感影像云量多。每年3—9月的遙感影像云量均高于60%，其中，夏季遙感影像的云量在80%以上；冬春少雨、遙感影像云量少，尤其是每年11月和12月的遙感影像云量幾乎都在10%以下（圖1）。

研究區(qū)域內(nèi)1995年Landsat TM影像從美國國家地質(zhì)調(diào)查局官網(wǎng)（USGS，https://www.usgs.gov/）下載，共3景影像（表1）。為消除遙感影像的輻射畸變和幾何畸變，在ENVI 5.3中對(duì)遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正和地形校正。橫斷山區(qū)地形起伏大，為消除地形陰影的影響，本研究選擇VECA模型進(jìn)行地形校正[24]。

圖 1 香格里拉市1992—2017年Landsat系列遙感影像逐月平均云量Fig. 1 Monthly average cloud coverage of Landsat remote sensing images (1992-2017) in Shangri-La

表 1 香格里拉市1995年冬季Landsat TM數(shù)據(jù)概況Table 1 The overview of Landsat TM winter images in Shangri-La in 1995

圖 2 數(shù)據(jù)處理分析流程Fig. 2 The process of data processing and analysis

1.2 高寒草甸提取方法

1.2.1 草甸和裸地潛在分布區(qū)提取

草地的空間分布具有一定的分異規(guī)律，即不同的草地類型處于特定的生態(tài)空間，其與地形因子密切相關(guān)[25]。地形因子一般包括坡度、坡向和海拔等因素，它們對(duì)草地的空間分布、生物環(huán)境和生態(tài)條件具有重要影響?？梢罁?jù)坡度、坡向和海拔等地形因子研究不同類型草地的生態(tài)序列分布規(guī)律[26]?；谝陨侠碚摚狙芯扛鶕?jù)香格里拉市的坡度、坡向及海拔識(shí)別高寒草甸和裸地的潛在分布區(qū)。

根據(jù)1995年土地利用普查資料，結(jié)合DEM數(shù)據(jù)提取的坡度、坡向和海拔，分別統(tǒng)計(jì)各累計(jì)頻率高寒草甸和裸地的坡度、坡向和海拔特征：1）統(tǒng)計(jì)高寒草甸和裸地在坡度、坡向和海拔上分布的頻率直方圖；2）在頻率直方圖上按頻率由高到低累加，提取高寒草甸和裸地分布頻率累計(jì)40%、50%、60%、63%、70%、80%和90%時(shí)所在的坡度、坡向和海拔分布范圍。根據(jù)高寒草甸和裸地的坡度、坡向和海拔的分布范圍，識(shí)別出高寒草甸和裸地在各頻率的潛在分布區(qū)，記作Ap（圖2）。

1.2.2 綠色植被提取

根據(jù)1995年地面普查資料，在草甸和裸地潛在分布區(qū)存在零星分布的常綠針葉林，因此通過計(jì)算NDVI提取研究區(qū)域內(nèi)的綠色植被，以精確草甸和裸地的潛在分布區(qū)。NDVI的計(jì)算方式為：

式中：ρNIR為近紅外波段地表反射率，ρR為紅波段地表反射率。

在大津算法確定閾值的基礎(chǔ)上[27]，結(jié)合1995年真實(shí)林地的分布，人機(jī)交互確定最終NDVI提取閾值為0.75時(shí)，提取得到針葉林分布區(qū)域，即：將NDVI值大于0.75的區(qū)域判定為針葉林的分布。

1.2.3 裸地提取

通過裸土植被指數(shù)（GRABS）提取研究區(qū)的裸地分布[28]。GRABS計(jì)算方式為：

式中：GI和BI分別是纓帽變換的綠度指數(shù)和土壤亮度指數(shù)。最終確定的裸土植被指數(shù)的提取閾值為0，即把GRABS小于0的區(qū)域判定為裸地。

1.2.4 高寒草甸提取

基于草甸和裸地的潛在分布區(qū)，依次對(duì)提取出的綠色植被和裸地進(jìn)行剔除，得到高寒草甸的分布范圍，即：

1.3 精度驗(yàn)證

1995年實(shí)測(cè)草地的分布有明顯的區(qū)域差異性和區(qū)域聚集性，參照分層抽樣理論[29]，將香格里拉市1995年實(shí)測(cè)高寒草甸根據(jù)山頂分界線劃分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ 3個(gè)區(qū)域。其中，區(qū)域Ⅰ實(shí)測(cè)面積為162.14 km2，占比14.97%，區(qū)域Ⅱ?qū)崪y(cè)草地面積為672.84 km2，占比62.11%，區(qū)域Ⅱ是香格里拉市高寒草甸的主要分布區(qū)域，區(qū)域Ⅲ實(shí)測(cè)草地面積為248.27 km2，占比22.92%。在3個(gè)區(qū)域中，分別將提取得到的高寒草甸與1995年實(shí)測(cè)高寒草甸相比，計(jì)算各區(qū)域高寒草甸提取的面積準(zhǔn)確度及空間分布的重合度。

2 結(jié)果與分析

2.1 香格里拉高寒草甸和裸地的地理分布特征

1995年香格里拉市實(shí)測(cè)高寒草甸共1 083.25 km2，分布在3個(gè)相對(duì)集中區(qū)域：區(qū)域Ⅰ，高寒草甸分布少，面積為162.14 km2；區(qū)域Ⅱ，實(shí)測(cè)草地面積分布最廣，面積為672.84 km2；區(qū)域Ⅲ，實(shí)測(cè)高寒草甸面積為248.27 km2（圖3）。

圖 3 1995年香格里拉市高寒草甸和裸地的實(shí)測(cè)和潛在分布區(qū)Fig. 3 The real and potential distribution of alpine meadow and bare ground in Shangri-La in 1995

隨著坡度、坡向和海拔的累計(jì)頻率逐漸增加（即從40%到90%），香格里拉市高寒草甸和裸地分布區(qū)的坡度范圍、坡向類型及海拔范圍均逐漸擴(kuò)大（表2）。將坡度、坡向和海拔組合起來提取高寒草甸和裸地的潛在分布區(qū)，結(jié)果表明，當(dāng)坡度、坡向和海拔的累計(jì)頻率均為40%時(shí)，高寒草甸和裸地的潛在分布區(qū)集中分布在香格里拉市東北區(qū)域，總面積為963.61 km2（圖3b）；當(dāng)累計(jì)分布頻率為50%時(shí)，其組合得到高寒草甸和裸地的潛在分布區(qū)集中在香格里拉市北部，面積為1 243.15 km2（圖3c）；當(dāng)累計(jì)分布頻率為60%和63%時(shí)，高寒草甸和裸地的潛在分布區(qū)分布在香格里拉市東北部，南部，面積分別為1 475.18 km2和1 742.89 km2（圖3d、3e）；當(dāng)累計(jì)分布頻率為70%時(shí)，高寒草甸和裸地的潛在分布區(qū)位于香格里拉市東部、北部和西南部，面積為3 249.07 km2（圖3f）；當(dāng)累積分布頻率為80%時(shí)，除香格里拉市中部及南部部分區(qū)域以外，高寒草甸和裸地的潛在分布區(qū)在整個(gè)區(qū)域均有分布，面積為4 898.06 km2（圖3g），當(dāng)累計(jì)分布頻率為90%時(shí)，草地和裸地的潛在分布區(qū)在香格里拉整個(gè)區(qū)域均有分布，面積為8 193.24 km2（圖3h）。

表 2 香格里拉市高寒草甸和裸地在各累計(jì)頻率下的地理分布特征Table 2 Geographical features of alpine meadows and bare ground under different cumulative frequencies in Shangri-La

2.2 高寒草甸和裸地潛在分布區(qū)綠色植被的分布情況

圖 4 基于NDVI指數(shù)和裸土指數(shù)提取的香格里拉市綠色植被和裸地的分布Fig. 4 Distribution of green vegetation and bare ground in Shangri-La based on NDVI index and bare ground index

基于Landsat TM冬季影像分別提取NDVI和GRABS，得到坡度、坡向和海拔的累計(jì)頻率均為90%時(shí)（該范圍包括且大于累計(jì)頻率為40%、50%、60%、63%、70%和80%的范圍），潛在分布區(qū)內(nèi)綠色植被面積為2 804.19 km2，主要分布在潛在分布區(qū)的北部以及西南部（圖4a）。裸地面積為81.85 km2，主要分布在潛在分布區(qū)的北部及東南部，與真實(shí)裸地的空間重合度為88.45%。（圖4b）。

2.3 基于Landsat TM冬季影像的香格里拉高寒草甸的提取與驗(yàn)證

將裸地和綠色植被從高寒草甸和裸地潛在分布區(qū)中剔除后得到高寒草甸的分布區(qū)。在坡度、坡向和海拔的累計(jì)頻率為40%時(shí)確定的潛在分布區(qū)內(nèi)，提取得到的高寒草甸主要分布在香格里拉東北部（圖5a），面積為588.37 km2，分別將區(qū)域Ⅰ、區(qū)域Ⅱ和區(qū)域Ⅲ中提取的高寒草甸面積與1995年對(duì)應(yīng)區(qū)域的實(shí)測(cè)草地面積進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果表明，區(qū)域Ⅲ的面積精度最高，達(dá)81.97%，區(qū)域Ⅱ的空間重合度最高為79.87%（圖6a、6b）。當(dāng)累計(jì)頻率為50%時(shí)，提取的高寒草甸主要分布在香格里拉市東北部、北部和西南部（圖5b），面積為762.21 km2，集中分布在區(qū)域Ⅱ中，其面積精度和空間重合度分別為56.09%和 84.69%。當(dāng)累計(jì)頻率為60%時(shí)，提取的高寒草甸分布在香格里拉北部以及西南部（圖5c），面積為900.18 km2，其中分布在區(qū)域Ⅱ中的面積為439.36 km2，其面積精度為65.30%，空間精度為88.4%。當(dāng)累計(jì)頻率為63%時(shí)，提取的高寒草甸分布在香格里拉北部和西南部（圖5d），面積為1 070.28 km2，與香格里拉市1995年實(shí)測(cè)高寒草甸面積基本持平（圖6c），其中分布在區(qū)域Ⅱ的高寒草甸有512 km2，其面積精度為76.10%，空間重合度為90.87%。當(dāng)累計(jì)頻率為70%時(shí)，提取的高寒草甸主要分布在香格里拉市北部、西南部和中部（圖5e），面積為1 990.17 km2，分布在區(qū)域Ⅱ的面積為887.72 km2，是1995年區(qū)域Ⅱ?qū)崪y(cè)草地面積的1倍多，空間驗(yàn)證精度達(dá)95.96%。隨著累計(jì)頻率進(jìn)一步的增加（即80%、90%時(shí)）提取的高寒草甸面積顯著增加（圖5f、5g），遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于1995年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（圖6c）。各頻率下提取得到的高寒草甸在區(qū)域Ⅱ的空間精度均高于區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅲ。

圖 5 基于Landsat TM冬季影像提取的香格里拉市高寒草甸寒草地高寒草甸空間分布Fig. 5 The spatial distribution of alpine meadow that extracted from Landsat TM winter images in Shangri-La

圖 6 基于Landsat TM冬季影像的香格里拉市高寒草甸提取精度Fig. 6 The extraction accuracy of alpine meadow that based on Landsat TM winter images in Shangri-La

3 結(jié)論與討論

如何在滇西北區(qū)域選取高質(zhì)量遙感影像提取高寒草甸的分布，對(duì)該區(qū)域高寒草甸的保護(hù)和合理利用具有重要意義。本研究選取滇西北香格里拉市為研究對(duì)象，基于1995年地面調(diào)查數(shù)據(jù)和研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)，首先分析草甸和裸地的坡度、坡向和海拔分布特征，識(shí)別草甸和裸地的潛在分布區(qū)，然后利用冬季Landsat影像計(jì)算裸土植被指數(shù)（GRABS）和歸一化植被指數(shù)（NDVI），從草甸和裸地的潛在分布區(qū)中剔除裸地和綠色植被，提取得到高寒草甸的分布。最后采用1995年地面普查數(shù)據(jù)，分區(qū)域進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。得到以下結(jié)論：

1）香格里拉區(qū)域的Landsat冬季影像是研究該區(qū)域高寒草甸的優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)源。對(duì)于高寒草甸植被類型分類、退化草甸的時(shí)空分布特征以及高寒草甸生物量估算等相關(guān)研究，之前學(xué)者均采用高寒草甸生長(zhǎng)季（夏季）的光學(xué)遙感影像。但滇西北夏季多雨，夏季遙感影像云量均高于80%。而相關(guān)研究表明合成孔徑雷達(dá)（SAR）微波影像具有主動(dòng)成像特點(diǎn)，受地形和云霧的影響小，在針對(duì)山區(qū)地物覆蓋的研究表明，SAR影像在提取林地、建筑時(shí)精度較高[30]，但適用范圍具有一定的局限性和時(shí)效性，而且針對(duì)于低矮植被以及草地是否具有可行性尚不明確[31]。因此本研究選取冬季Landsat TM影像提取滇西北高寒草甸的分布。

2）結(jié)合地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和裸土植被指數(shù)可以有效區(qū)分冬季高寒草甸和裸地。滇西北地區(qū)高寒草甸一般9月中旬開始進(jìn)入枯黃期，到10月中旬草地幾乎全部枯黃[32]，此時(shí)高寒草甸和裸地的影像光譜特征十分接近，容易導(dǎo)致錯(cuò)分。研究表明，枯黃的草地通常仍有部分地物覆蓋，其與裸地的地表溫度、含水量[33]等均有不同，基于這個(gè)差異可使用遙感影像反演草地和裸地，這在大尺度研究中廣泛應(yīng)用[34]，但在小尺度研究中需要精確的地表溫度和含水量數(shù)據(jù)才能進(jìn)行有效反演。另外，遙感影像上的裸地一般具有高亮度值等特征，而裸土信息的變化主要是由土壤亮度造成[35]，因此本研究采用裸土植被指數(shù)提取了香格里拉市裸土分布，高寒草甸和裸地潛在分布區(qū)內(nèi)（累計(jì)頻率為90%時(shí)）的裸地面積為81.85 km2，基于1995年實(shí)測(cè)裸地的面積對(duì)比，空間重合度為88.45%，因此該方法可以有效提取研究區(qū)內(nèi)的裸地。

3）本研究基于地理特征得到高寒草甸和裸地的潛在分布區(qū)，依據(jù)裸土指數(shù)和植被指數(shù)從該潛在分布區(qū)中剔除裸地和綠色植被，進(jìn)而得到高寒草甸的空間分布。經(jīng)驗(yàn)證，提取的高寒草甸的面積精度和空間精度都較高，特別是在高寒草甸集中分布區(qū)（區(qū)域Ⅱ）內(nèi)，提取的高寒草甸面積為512 km2，面積精度和空間重合度分別達(dá)到76.10%和90.87%，表明采用Landsat TM冬季影像能夠有效提取香格里拉市高寒草甸的分布，為今后研究滇西北高寒草甸時(shí)空分布格局探索了新的方法。

在高寒草甸零散分布的區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅲ，本研究提取結(jié)果的精度較低，導(dǎo)致它們與區(qū)域II提取精度存在差異的原因可能有：1）區(qū)域Ⅰ，區(qū)域Ⅱ和區(qū)域Ⅲ的坡度、坡向和海拔存在差異，但本研究采用了統(tǒng)一的坡度、坡向和海拔組合特征來提取高寒草甸的潛在分布區(qū)；2）在大范圍區(qū)域進(jìn)行外業(yè)調(diào)查，得到的地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可能也存在誤差。今后需考慮區(qū)域差異性，對(duì)不同區(qū)域采取不同的坡度、坡向和海拔組合特征提取高寒草甸的潛在分布區(qū)。另外，使用更高分辨率的遙感影像可能會(huì)提高該區(qū)域高寒草甸提取的精度。