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1、应用 A r c l n f o 和E R D A S 确立甘南草地生产力估测模型 构建及其降水量空间分布模式 王兮之 戴若兰 徐雨清 兰州大学 于早农业生态国家重点实验室) 摘 要 利 用 遥 感 ( R e m o t e S e n n i n 砂、 地 理 信 息 系 统 ( G e o g m p h ic l n f o r m a t io n S y s t e m ) 以 甘 南藏族自 治州高寒草甸生态系统为研究对象，以归一化植被指数 N D V I 和降水数据库为例， 通过遥感气象卫星N O A A数据在A m l n f o 与E R D A S 图像软件中 进行处理，
2、提取了甘南全州的 N D V I 值， 并结合实际采样点的植物地上部分生物量鲜重实测数据， 进行统计回归分析 ( 线 性回归和指数回归) ，建立了生产力估侧棋型。在分析降水数据时， 采用了S P L I N E , I D W, T R E N D , K R I G I N G四 种插值法， 对四种插值方法的分析结果， 发现 S P L I N E 方法比较适合 甘南降水资料的插值模拟。 一、引言 初级生产力侧定是生态系统功能研究中的核心内容之一。2 0 多年前 ( 1 9 6 4 一 1 9 7 4 )所 进行的国际生物学计划 ( I B P )其主要研究内容之一就是估计地球上各种类型生态
3、系统的生 物生产力。在本文所涉及的草地畜牧业中， 牧草生产力是牧场承载力估算的依据， 也是判定 草场退化程度的主要指标之一，所以草地生态系统初级生产力的测定同样显得十分重要。甘 南藏族自 治州为摸清该州所属地域中的草场资源状况， 于 1 9 7 0 年代末开始在 “ 中国北草办” 的指导和资助下用传统调查方法进行草地普查。调查工作历时6 年 ( 1 9 7 9 一 1 9 8 4 ) ， 正式参 加人员为9 4 人。当调查完成时，植被状况与调查之初相比又发生了很大的变化。如果我们 采用现代的遥感技术和地理信息系统方法，则可以在既不接触也不破坏研究对象的情况下， 快速、 经济地获得便于计算机加工
4、分析的、 可定位定量研究的大量信息， 因而可省时省力地 进行估产， 并可在此基础上进行草地生产力变化的动态监测。在诸多的生态因子中， 水分和 温度条件是最主要的两个因子。因而，水、热条件空间分布模式的确定是利用遥感技术进行 植被类型辩识的重要前提。在本文中，为今后利用卫片进行甘南天然草地植被类型的划分， 我们探讨如何用G I S 方法确立甘南州范围内降水资源空间分布的模式。 二、遥感数据的处理 利用E R D A S 图像处理软件， 对该地区的N O A A气象卫片进行纠正、 定位、解译、判 读。具体处理过程如下: 预处理过程由卫星数据地面接受站完成，按照用户给定的起始点和 经 纬度， 获 取
5、C H “ C 价两 个 通道图 像数据。 格式转 换过程由E r d a s I m a g in e 8 . 4 共同 完成， 其目的 是转换成I m a g in e 可识别的卫星图像文件。坐标投影转换过程采用了甘肃省测绘局 1 9 9 1 年出版的1 6 0 0 0 0 0 地图，由 于在卫星图 像的1 , 2 通道上水面的反射率比 较高， 其亮 一1 9 4 一 度大，因此可以清晰地看出水面边界线特征。利用卫生图像上的青海湖、龙羊峡、刘家峡边 界， 定 位到投 影好的 地图 上， 便完 成卫星图 像的定 位。 在I m a g in e 中 按照以下计算公式得到 N D V I 值:
6、 N D V I =( C 从 一C H I ) / ( C H Z + C H 工 )( 1 ) 由于N D V I 是衡量绿色植被理盖状况的参数，所以其值越小，代表菠盖度小或没有植 被覆盖。将得到的N D V I 数据区间 按2 5 5 等分，以 最小值定为0 最大值定为2 5 5 的方法线性 拉伸该 N D V I 值。 三、基于 G I S 方法的降水量空间模式的确立 利用A r c I n f o 系统，在甘南自 治州及其周围地区的实测降水资源空间数据库中，选取了 6 1 个观测站 ( 多年平均降水资料) ， 在不同的空间尺度及地面分辨率上， 模拟甘南全州的降 水A空间分布及其变化。
7、 研究甘南州降水空间分布模式时，以图I 的5 6 个观测站的降雨数 据为基础， 我们试用两维最小曲率样条函数插值法 ( T D M C S I ) , 趋面法 ( T r e n d ) 、 反距离 加权法 I D W ) , 克里 金法 ( K 吨In g ) 进 行插值计算， 绘出 降水等值线图， 并以图2 的5 个 站点的实测值对插值模拟的结果予以 检验，选出最佳插值方法。 图 I 5 6 个插值站点分布 图2 S 个检测站点分布 四、甘南草地 N D V I 数据库建立 在A r c I n f o 软件的G R I D 模块中， 利用公式 ( 1 )计算得到了 反映研究区域内植被覆盖
8、情 况的N D V I 值， 形成了植被指数数据库 ( G N - N D V I ) ， 该数据库中N D V I 取值范围为0 - 2 5 5 。对于甘南全州内的任意一个地域单元 ( I . I k m x I . I k m ) ，我们都能在数据库中查到相 应的N D V I 值。由此，结合地面情况实际调查可确定地表植被的分布状况、土地利用现状、 草地生产力等空间分布模式。进一步地讲， 若能定期、有规律地获取 N O A A气象卫星遥感 资料，从而按生物生长规律提取 N D V I 值，则可实现对植被分布、初级生产力、草场利用 及退化状况进行动态监测。 草地植被指数是植物覆盖度的数量表达
9、，而草地群落中的植物种生活型较为一致 主要 是多年生草本植物) ，所以植被盖度可在一定程度上代表草地生产力。本文从遥感数据中提 取的N D V L 值与草地生产力将是一种正相关关系， 我们于 1 9 9 8 年7 月在甘南州的夏河县和 碌曲县一共选取了5 个样点，每个样点测定2 一 3 个样方。地面实测产量数据和提取实测点 一1 9 5 一 。 . 一一 一 一 - - 一 一 - 一 - - ， ， ， . . . ， . . . . . . . 的 N D V I 值如表 1 所示。 表 1 样号 N o . c o d e 地面实测产f数据和提取的N D V I 值 4 5 6 7 样地
10、 s a m p l e ND VI 1 5 9 . 4 YI E L D 1 0 6 ( g / 0 . 2 5 m 2 ) 合 作 he z u o 博拉梁 B o l a li a n g 19512 1 X河县碌曲县交界孕加毛 B o u n d a ry o f M a h e a n d L u q u G a j ia m a o 1 9 5 1 9 5 1 9 8 . 3 1 9 8 . 3 1 2 7 . 5 1 3 6 . 6 1 铭 . 8 1 5 2 . 5 1 0 1 1 孕 海 Ga h a i : _: 2 0 4 . 6 2 0 4 . 62 1 6 2 1 6
11、 1 8 2 . 2 2 0 6 . 22 0 5 2 7 4 . 2 以表中的产草量鲜重数据对 N D V I 值进行线性回归分析， 直线如图3 所示。回归方程如 下: Y 二 1 . 9 9 7 4 x 一 2 2 6 . 9 1 ( R 2 二 0 . 5 7 0 2 , P 0 . 0 1 ) 式中Y 为每个 样方 ( 0 . 2 5 . 2 ) 生物a鲜 重， x为样方所在地的归一化植被指数N D V I 值。若以 生物t鲜重数据对N D V I 值进行Y 二 a e n . 形式的曲 线回 归， 则有指数曲 线如图4 所示。 回归方程如下: Y = 1 4 . 5 1 0 .o 0
12、 “ “ ( R 2 二 0 . 6 4 7 , P 0 . 0 1 )式中Y为每个样方 ( 0 . 2 5 . 2 )生物I鲜重， x为样方所在地的归一化植 被指数N D V I 值。上述通过实测产草量 ( 鲜重)与归一化植被指数 N D V I 的统计回归分析 结果验证了植被指数与草地生产力之间的正相关关系。 Y =1 4 .5 1 衬 0 12 2 . R = 0 . 6 4 7 期250200150100知 Y=1 .9 9 7 4 x - 2 2 6 . 9 1 R - 0 . 5 7 0 2 0曰山工A NDVI 300250200150100知 0闷囚卜 1 5 0 t 7 o
13、1 9 0 2 1 0 2 3 0 图3 线形回归曲线图 1 5 0 图 4 1 7 0 1 9 0 2 1 0 2 3 0 指数回归曲线图 五、降水资源空间分布模拟所得结果分析 对甘南及其周围地区分布的5 6 个水文站和气象站的降水数据， 用四种插值法模拟全州 的降水分布情况， 模拟结果如图5 , 6 , 7 , 8 所示。 利用如图l 所示的提取的5 个站点数据进行检验。分别对5 个站点模拟值与实测值进行 比较，如表2 所示。 从表2中可以看出在S P L I N E 插值方法中5 2 0 2 0 , 5 2 0 3 8 , 5 6 0 8 6 号站点的模拟值与实测 值基本一致， 而5 2
14、 0 1 0 , 5 6 1 8 8 号站点由于其周围站点分布比 较少 ( 如图1 , 2 所示) ，因此 这二点的模拟结果与实测值有一定的差别。用T R E N D , I D W, K R I G I N G三种方法插值与 实测值相比较其差别均较大。 另外， 由模拟所得的降雨等值线图( 图5 , 6 , 7 , 8 ) 也可以 一1 9 6 一 图 5 K R I G ING擂值法图6 I D W插值法 图7 S P L I N E擂值法 图8 T R E N D插值法 衰 2 四种方法播值的结果及实浦位 GN- R- T- I DS PLI NE I DWKRI GI NG实侧值 904
15、0 35 8 .6 10 . 6312336848 646616838叙635 9铭28 145152 站点号 5 2 0 1 0 5 2 0 2 0 5 2 0 3 8 5 6 0 8 6 5 61 8 8 TRE ND 5 7 6 . 5 9 5 7 3 . 1 1 5 6 2 . 1 9 5 5 0 . 2 7 5 6 0 . 1 2 5 4 7. 7 6 5 8 0. 1 7 6 3 6 . 2 2 5 7 1 . 2 0 5 5 9. 4 6 5 0 5 9 4 5 8 0 . 4 3 6 1 6 . 3 8 5 8 5 . 9 4 5 9 7. 1 5 8 2 8 . 0 0 6
16、4 6 . 6 0 7 7 4 . 7 0 明显地看出， 对甘南降雨等值线模拟所采用的方法中，S P L I N E 插值方法较好。用S P L I N E 方法拟合， 并以5 0 m m或l o o m m为差值，可由图7 整理得全州降水等值线分布图 ( 如图9 所示 ) 。 六、小结 ( 1 )利用N O A A 气象卫星资料， 借助E R D A S 图像处理软件， 对遥感数据进行纠正、 解 译等处理， 形成了甘南全州草地N D V I 数据库 ( G N - N D V I ) ， 为建立研究区草地动态监测决 策系统和预测、 预报估产模型提供了 科学的依据。 一1 9 7 一 图9 甘南藏族自 治州降水等值图 ( 2 )在A r c I n f o 系统下建立了甘南州的相关生态因子数据库，说明了草地景观数据库的 方法与形成过程， 并在此基础上利用T D MC S I 等四种插值方法绘制了甘南地区降水等值线 图。通过建立的栅格D E M数据库为进一步的土壤类型、温度、日
