基于高分影像的黄河源青海片区退化草地识别_张宇鹏.pdf

西 北 农 业 学 报 ，（）：基于高分影像的黄河源青海片区退化草地识别收稿日期：修回日期：基金项目：青 海 省 科 学 技 术 厅 项 目（）；“三 江 源 国 家 公 园”联 合 研 究 专 项（）；国 家 自 然 科 学 基 金（）；高等学校学科创新引智计划（）。第一作者：张宇鹏，男，博士研究生，研究方向为高原生态修复与环境模拟。通信作者：李希来，男，教授，博士生导师，研究方向为高原生态修复与环境模拟。：张宇鹏，吴笑天，李希来，张锋，董心普，王苑，张辉（青海大学 农牧学院，西宁 ；韶关学院 英东生物与农业学院，广东韶关 ；青海省自然资源综合调查监测院，西宁 ；青海省地理空间和自然资源大数据中心，西宁 ）摘要为明确黄河源青海片区草地退化状况，基于遥感信息技术对黄河源青海片区退化草地进行识别。结果表明：黄河源青海片区植被覆盖草地总面积 ，有温性荒漠类、沼泽类、高寒草甸类、低地草甸类、山地草甸类、温性草原类、温性草原化荒漠类、高寒草原类等个类型。提出黑土型、砾石型和岩石型“黑土滩”概念，并以植被覆盖度 作为退化草地识别标准，黄河源青海片区黑土型“黑土滩”退化高寒草地 ，占草地总面积的 ；砾石型、岩石型“黑土滩”面积分别为 和 ，分别占 和 ；沙化草地 ，占 ；重度沙化草地面积 ，占 。退化草地总体分类精度为 ，系数为 。关键词黄河源；退化草地；类型；识别草地是地球上最大的生态系统之一，是自然生态系 统 的 重 要 组 成 部 分，约 占 陆 地 表 面 的，储存全球约 的陆地碳储量。青藏高原是中国的重要牧区，高寒草地是高寒畜牧业的重要载体，但高寒草地生态系统的脆弱性也是不容忽视的生态问题，由于高寒草地生态系统脆弱性所导致的敏感性，也使其成为全球生态系统变化的“警报器”。黄河源青海片区海拔高，气候条件恶劣，日均、年均气温低，植被积温不足，生物量低，再加上人为因素影响，近年来草地退化日趋明显。“黑土滩”是高寒草地退化在黄河源乃至三江源区域特有的表现形式，其具体表现为草地覆盖度降低，发生秃斑化，进而导致水土流失。有关于“黑土滩”退化草地面积目前尚无明确而具体的结论，需要更详细和精准的调查工作。草地沙化也是黄河源草地退化的重要表现，黄河源青海片区沙化草地面积在 世纪 年代不断扩大，在 年代沙化草地由东南向西北逐步扩张，主要集中在都兰、共和、贵南、玛多等县域内，但目前沙化草地更为详细的面积与分布状况并不明确。草地退化的极端状况是形成完全裸露的地表，据统计，青海省地表裸露化草地目前占全省国土面积不少于 ，主要分布在柴达木、共和、青海湖个盆地以及长江、黄河源青海片区，而退化程度不同所产生的不同类型裸露地的面积及其分布也不明确。前人研究多是基于草地监测，从草地面积变化状况分析草地变化趋势，或者针对较小区域内草地退化后所引发的一系列变化展开研究，对较大区域内草地退化类型及分布研究较少。基于此，本研究结合遥感技术进行快速、全面监测退化高寒草地的分布状况，开展黄河源青海片区退化高寒草地类型的识别研究，以期探明黄河源青海片区退化高寒草地的数量与分布状况。材料与方法 研究区域概括研究区域为黄河源青海片区（图），涉及青海省东南部 个县域（表），黄河源青海片区以高山为界，不以县域行政界线，因此部分县域只包含部分区域，总面积合计 万 。区域内自然资源种类丰富，主要包括草地、湿地、林地、农田、荒漠等生态系统。区域内河流众多，湖泊密布，湿地类型主要有河流湿地、湖泊湿地、沼泽湿地。草地资源以高寒草甸、高寒草原为主，农业区占比较少。大部分区域海拔在 以上，气候寒冷干燥，多年平均温度 ，多年平均降水量 ，牧草生长期 。图研究区域区位图 表研究区面积统计表 序号 县域名称 面积 序号 县域名称 面积 称多县 达日县 贵德县 久治县 尖扎县 同仁县 共和县 兴海县 曲麻莱县 甘德县 同德县 贵南县 班玛县 玛多县 河南蒙古族自治县 泽库县 玛沁县 合计 退化草地类型释义黑土型“黑土滩”：原生植被覆盖度 的秃斑化高寒草甸、低地草甸、山地草甸。砾石型“黑土滩”：主要分布于高寒草甸、低地草甸、山地草甸区域内，水土流失严重，土壤比例较少，以小块状砾石为主，几乎无原生植被覆盖的“黑土滩”。岩石型“黑土滩”：主要分布于高寒草甸、低地草甸、山地草甸较大坡度区域内，水土流失严重，无土壤，块状砾石较多，可见岩石且几乎无原生植被覆盖的“黑土滩”。沙化草地：原生植被覆盖度 的秃斑化高寒草原、温性草原。重度沙化草地：主要分布于温性草原、温性荒漠草原区域内，水土流失严重，土壤比例较少，以沙粒为主，几乎无原生植被覆盖的沙化草地。数据来源多源高分辨率遥感影像由青海省自然资源综合调查监测院提供，其中优于 分辨率主影像为高分号卫星多源航空航天遥感影像数据，优于 分辨率副影像来源于高分号、资源号、天绘 号卫星影像数据。航片由中海达期张宇鹏等：基于高分影像的黄河源青海片区退化草地识别 型无人机拍摄，拍摄高度 ，地面分辨率优于。数据处理所使用的软件版本为 和 ，用 进行数据整理与制表。退化草地识别方法高分辨率遥感影像数据经几何校正、影像融合等预处理，形成影像底图，收集、整合基础地理信息数据及多行业专题数据，形成辅助判读知识库。在此基础上，通过实地踏勘、典型地类影像分析等方式建立不同类型退化草地的典型解译标志。根据典型解译标志和辅助专题数据库，采用计算机算法自动分类识别和人机交互目视解译相结合的方式，开展不同类型退化草地的内业判读和解译；对内业判读解译成果质量及内业判读难度较大的区域，通过实地踏勘、拍照取证等方式进行精度验证和补充判读修正，得到退化草地地表覆盖数据（图）。图退化草地识别流程图 识别精度验证方法基于 年购买的“珠海号”优于 高分辨率遥感影像，在研究区内随机选取和划分个观测样区，每个样区 ，通过目视解译获得草地退化图斑主要验证数据集；选取研究区内典型退化草地样区，通过无人机航摄获得研究区内优于 高分辨率航拍影像，并进行目视解译获得草地退化图斑辅助验证数据集。将本研究所使用的退化草地覆盖数据集与主要验证数据集和辅助验证数据集进行比对以验证数据质量（图）。结果与分析 黄河源青海片区草地类型识别黄河源青海片区草地有温性草原化荒漠类、温性荒漠类、沼泽类、高寒草甸类、低地草甸类、山地草甸类、高寒草原类、温性草原类等个类型。其中，高寒草甸类面积最大，为 ；其次为高寒草原类和温性草原类，面积分别为 和 ；温性荒漠类和山 地 草 甸 类 面 积 分 别 为 和 ；低地草甸类和温性草原化荒漠类面积分别为 和 ；沼泽类面积 。高寒草甸类在玛沁县、玛多县、达 日 县 分 布 面 积 最 大，分 别 为 、；高寒草原类在玛多县分布最多，为 ，其次为兴海县，为 ；温性草原类在共和县分布最多，面积为 ，其次为贵南县和兴海县，面积分别达到 和 ；温性荒漠类在贵南县最多，面积为 西北农业学报 卷；山地草甸类在河南蒙古族自治县分布最多，为 ；低地草甸类在曲麻莱县分布最多，为 ；温性草原化荒漠类在共和县分布最多，为 。沼泽类仅分布于曲麻莱县（图，表）。经统计，黄河源青海片区总面积 ，有植被覆盖草地面积合计 。图数据验证流程图 图黄河源青海片区草地类型图 黑土型“黑土滩”识别黄河源青海片区黑土型“黑土滩”退化草地斑块合计 个，面积 ，占黄河源青海片区总面积的 ，占黄河源青海片区草地总面积的 。黄河源青海片区所涉及的 个县域黑土型“黑土滩”均有分布，总体趋势是区域内西北和西南部明显较东北和东南部分布广（图）。其中玛多县分布最广，斑块 个，总面积 ，占黄河源青海片区黑土型“黑土滩”总面积的 ；其次是曲麻莱县，斑期张宇鹏等：基于高分影像的黄河源青海片区退化草地识别块 个，总面积 。称多县和达日县面积分别为 和 ，黑土型“黑土滩”分布范围也较广。河南蒙古族自治县、同仁县、久治县分布最少（表）。其分布与草地类型（高寒草甸、低地草甸、山地草甸）、高程密切相关，分布范围最低海拔 ，最高海 拔 ，平 均 海 拔（），主要分布在玛多县、曲麻莱县、称多县和达日县等高海拔区域。表黄河源青海片区草地分县统计表 县名 高寒草甸类 高寒草原类 温性草原类 温性荒漠类 山地草甸类 低地草甸类 温性草原化荒漠类 沼泽类 玛沁县 玛多县 达日县 甘德县 兴海县 久治县 曲麻莱县 称多县 泽库县 同德县 共和县 贵南县 贵德县 河南蒙古族自治县 尖扎县 同仁县 班玛县 合计 图黄河源青海片区黑土型“黑土滩”分布图 “”西北农业学报 卷表黄河源青海片区黑土型“黑土滩”分县统计表 “”县名 斑块数 面积 县名 斑块数 面积 玛多县 同德县 曲麻莱县 泽库县 称多县 班玛县 达日县 尖扎县 兴海县 贵南县 玛沁县 久治县 共和县 同仁县 贵德县 河南蒙古族自治县 甘德县 合计 砾石型“黑土滩”识别砾石型“黑土滩”在黄河源青海片区 个县域中均有分布，斑块 个，面积 ，占黄河源青海片区总面积的 ，占黄河源青海片区草地总面积的 ，在黄河源青海片区中部及东部区域分布较广（图）。在兴海县与玛沁县分布最多，斑块分别为 和 个，面积分别为 和 ，占黄河源青海片区砾石型“黑土滩”总面积的 和 。其次是甘德县，个斑块面积 ，占黄河源青海片区砾石型“黑土滩”总面积的 。玛多县斑块最多，达到 个，面积为 ，占黄河源青海片区砾石型“黑土滩”总面积的 。贵德县虽然斑块为 个，面积 。共和县、泽库县、曲麻莱县分布面积也达到 ，贵南县、达日县等个其他县域分布面积均少于 ，面积合计 ，合计占黄河源青海片区砾石型“黑土滩”总面积的 （表）。砾石型“黑土滩”分布范围最低海拔 ，最高海 拔 ，平 均 海 拔（），其分布高程较黑土型“黑土滩”相对低，可能与分布区域人畜活动频率增加导致退化加剧有关。图黄河源青海片区砾石型“黑土滩”分布图 “”期张宇鹏等：基于高分影像的黄河源青海片区退化草地识别表黄河源青海片区砾石型“黑土滩”分县统计表 “”县名 斑块数 面积 县名 斑块数 面积 兴海县 达日县 玛沁县 同德县 甘德县 久治县 玛多县 称多县 贵德县 尖扎县 共和县 河南蒙古族自治县 泽库县 同仁县 曲麻莱县 班玛县 贵南县 合计 岩石型“黑土滩”识别除班玛县、称多县和曲麻莱县之外的其他 个县域均有岩石型“黑土滩”的分布。斑块合计 个，面积 ，占黄河源青海片区总面积的 ，占黄河源青海片区草地总面积的 ，在区域内分布较为分散，中部和东南部区域的分布相对较为集中（图）。分布最多的是玛沁县和久治县，斑块分别为 和 个，面积分别为 和 ，占黄河源青海片区岩石型“黑土滩”总面积的 和 。其次是兴海县和达日县，面积分别为 和 ，占黄河源青海片区岩石型“黑土滩”总面积的 和 。甘德县分布面积为 ，其 他 县 域 分 布 面 积 均 小 于，其中泽库县斑块破碎化趋势明显，个斑块面积合计 （表）。岩石型“黑土滩”分布范围最低海拔 ，最高海拔 ，平均海拔（）。分布海拔较黑土型“黑土滩”和砾石型“黑土滩”都高，但与砾石型“黑土滩”分布范围重合度较高，可能与随着高程增加坡度增大，砾石型“黑土滩”水土流失加剧有关。图黄河源青海片区岩石型“黑土滩”分布图 “”西北农业学报 卷表黄河源青海片区岩石型“黑土滩”分县统计表 “”县名 斑块数 面积 县名 斑块数 面积 玛沁县 共和县 久治县 玛多县 兴海县 河南蒙古族自治县 达日县 同德县 甘德县 贵南县 贵德县 尖扎县 泽库县 同仁县 合计 沙化草地识别黄河源青海片区沙化草地斑块 个，面积合计 ，主要分布于黄河源青海片区东北部和西北部，涉及 个县域，占黄河源青海片区总面积的 ，占黄河源青海片区草地总面积的 （图）。玛多县沙化草地分布最广，面积达到 ，占黄河源青海片区沙化草地总面积的 ；其次是共和县，沙化草地面积达到 ，占黄河源青海片区沙化草地总面积的 ；贵南县和贵德县面积分别为 和 ，占黄河源青海片区沙化草地总面积的 和 ；兴海县和曲麻莱县县域内分布也较多，占黄河源青海片区沙化草地总面积的 和 。玛沁县、尖扎县、同德县、同仁县、泽库县虽然也有一定的分布，但所占比例相对较小（表）。其分布主