草原监测的三个基本环节及空间信息特征

3S技术支持下的草原监测过程主要包括信息获取、信息管理（空间数据库建立与更新）、信息处理与分析3个环节。

一、信息获取

按照监测数据的使用方式可分为本底数据和动态数据，但二者之间也没有明显的界限，经处理、完善成熟的动态数据可以作为新的本底数据。

（一）本底数据获取

草原监测涉及的本底数据包括：行政区划、地貌、地形、草原、植被、土地利用、土壤、气候、水文等基础图件，地方志、地方行业报告、调查报告等涉及草原资源与自然条件的资料；土地利用现状等社会经济资料；人工草原、改良草原、保护区和其他草原建设方面的规划、实施和统计资料；自然地理、气象等行业监测、调查数据，以及不同尺度下的草原基础空间信息。本底图件一般来自各行业渠道，是各部门多年工作的成果积累，因而具有数据尺度大、更新周期长的特点，主要用于草原资源与生态状态及动态的宏观把握。对于工作基础好、监测周期短的地区，可利用监测工作中的积累，动态地更新本底图件，如在利用中高分辨率卫星数据进行监测时，可更新土地利用、草原类型等图件。各类统计资料一般以年度为单位，一般来自统计部门或行业主管部门；而自然地理、气象等数据是对不同立地条件、草原类型、草原状况、气象条件等的特征和关系描述，主要来自于科技文献资料和科研成果。不同尺度下的草原基础空间信息包括植物、群落以及草原类型的基本特征。

本底数据除可用资料收集的手段获得外，还可利用专门的监测过程获取。这种获取信息的方式适用于获取本专业的本底数据。本底数据经整理、录入、数字化或标准化后纳入空间数据库管理。

（二）动态信息获取

草原监测的动态信息是分析草原时空变化的核心，主要来自2个渠道：地面监测数据和遥感数据。针对不同的监测目标，动态信息的获取在内容、时间和空间尺度上有明显的不同。地面监测数据是一些具有准确空间位置的属性数据，描述地面点、线或面上的实体信息，其中最多的是地面点的信息。点的大小决定于监测的目标和取样的代表性，如一个点可以代表1m2或更多，乃至几十平方千米，也可以代表一个植物群落，或一定利用条件下的一种草原类型，甚至是多种草原类型混合的一片草场。因而地面测定点的信息一般仅在一个方面或几个方面具有同质性，但在其代表的面积内不具备完全的同质性。反过来说，地面测定点的代表性与其代表面积内的空间异质性大小呈负相关。地面点的具体信息可以包括草原的植物组成、结构、土壤特性、利用特征等。地面线或面上的实体信息，主要是通过一系列的点组合而成，少部分可采用具有代表性的点的属性代替或采用统计信息，如某县的草原产草量，可以用典型地点的测定代表，也可以通过分层次的统计方式获取。不同时期的地面监测数据在空间位置上可能是重复的，也可能是变化的。同一地方不同时期的地面监测数据本身可反映草原的动态，而在空间、时间上都不重叠的地面监测数据需要结合遥感数据或专题图件，利用模型方法或空间分析，将每一时期采集的数据都扩展到整个监测区域上，通过分析区域状况变化而获得草原资源的动态。

地面监测只能提供现实的信息，无法对历史的情况进行补充；而遥感途径则不存在这样的问题，我们可以一次获取同一地方不同时期的多次的（多时相）信息，而且数据是基于统一的标准和设备采集的，非常适于动态分析。针对不同的监测内容和尺度，需要选择适宜的遥感信息源。一般首先考虑空间分辨率，之后以此考虑时间分辨率、波谱分辨率和辐射分辨率，前两个因素与监测的时空尺度相关，后两个因素影响监测信息获取的可行性和数据处理的精度。遥感数据获取的另一个需要考虑的方面是时相的匹配和云的影响。一般来说，应尽可能获取与地面监测同期的遥感信息，但由于受云覆盖的影响，很难获取与地面数据在时相上完全匹配的图像。解决这一问题，一方面需要选择合适的地面监测时间，另一方面需要减少云的影响。如果在邻近的时期内有合适的无云图像，而且地面的情况在这段时间内变化不大，则可以用它来代替与地面监测同期的图像；如果一段时间内的图像总是有云覆盖的区域，则可以通过多期次的图像复合、拼接，得到无云的图像。特别是NOAA、MODIS图像，由于一条轨道覆盖的范围达到2000km以上，难免在一定的区域有云的覆盖，可以把不同时间图像中无云的区域挖取出来，拼接成无云的图像；也可把不同时间的图像复合，选择每一点（像元）受云影响最小的图像灰度值，重新构成的图像即为云覆盖最少的图像。

一般，遥感方式获取的图像需要通过预处理输入到空间数据库，图像预处理完成校正图像的辐射水平、空间位置以及挖取监测区域等任务。

（三）属性数据标准化与图件数字化

各类文字资料、统计数据、地面监测的描述与测定数据需要经过整理、统一编码与计量单位、数据表结构的规范化等过程，录入数据库中。统一计量单位能够保证各项数据正确地查询、运算和交换；而采用编码管理一些文字属性，如地名、植物名称等，能够大幅度地降低数据库的冗余，提高查询和运算的速度。

对于前期收集的草原专题图等纸质图件，必须经过数字化处理，形成数字图，存贮使用。数字化的过程是将平面图中的几何形状及其属性转换成数字方式下的矢量要素，并在这些要素上标注属性。如将河流数字化为一个线要素，并在线要素的属性中标注河的名称、流量、宽度、深度等；或将一块草场数字化为一个多边形要素，在其属性中标注草场的类型、等级、主要植物等特征。通常采用2种方法进行数字化，一是利用数字化仪，直接数字化到计算机存贮；二是利用扫描仪，结合地理信息系统软件或CorelDraw等计算机辅助制图软件，扫描后勾绘成矢量图或清绘后扫描成矢量数字图。图件数字化除了要选择合适的方法外，还需要为图件建立准确的空间位置信息，包括坐标系、投影等。

1.采用数字化仪数字化

数字化仪工作的原理是将简单的图形元素，如点、线、多边形（曲线）等，统统归结为点要素，即点有坐标（x，y）；线可以看成由无数点组成，线的位置就可以表示为一系列坐标对（x1，y1），（x2，y2），……，（xn，yn）；多边形可以认为是由很多的点坐标闭合形成的。通常在保证线段曲度（精度）的情况下，尽量减少点坐标的输入，以减少数据量。

2.扫描仪的图件数字化

扫描仪数字化包括2种方式：一是先将图件扫描为栅格（点阵）图，再利用图形图像软件（包括地理信息系统、计算机辅助制图等软件）以手工跟踪或半自动跟踪的方式，勾绘矢量要素，并标注属性，形成矢量数字图。二是清绘后扫描数字化。一些纸质图件图面复杂，需要数字化的部分在图件占很少部分，重新手工清绘感兴趣的部分比在计算机上辨别更为容易。清绘过程中可将不同专业的信息分开，如将水系、交通、草原类型清绘在不同的图上。清绘的图扫描后可使用自动矢量化软件（如CorelDrawTrace、R2V等）直接转化为数字的矢量要素，然后建立其空间坐标、投影系统，标注属性。

数据库中的属性数据与数字图件建立联结后，形成监测区域内一整套自然、社会经济、畜牧业生产等的数字图和关联属性，即空间数据库。

二、信息管理

信息管理是草原监测的日常环节，完成对空间数据库的管理，输入动态监测信息更新数据库，管理不同空间尺度、不同时期的遥感图像等任务。这一环节以地理信息系统技术应用为主，还涉及数据库、统计分析和计算机网络等方面的技术。(www.xing528.com)

（一）空间数据库

空间数据库，或称地理数据库，是从图集或图包的概念上逐步形成的，它将以数据表表达的属性数据（其中可能包含坐标信息）和以图形图像方式表示的空间形状统一起来，结合为一个整体，是对多源数据的高度集成。我们常用的一些统计表、调查表很多是一个空间实体的特性，如人口、农业生产的比例就是一个县或省等行政区域的属性，地上生物量、土壤类型等是一个样方或一块草原的属性。另外一些数据所描述的实体与空间位置没有直接的关系，如植物的性状、一种土壤的营养成分等，但可以通过多次的关联建立与空间实体的关系，例如可以建立草原类型或群落与所包含的植物的关系，然后在建立植物的空间分布范围，这样植物的性状就与空间实体（草原类型或群落）建立了联系。

空间数据库中最基本的组成部分为各种要素，包括点、线、多边形、区域等矢量要素，它们一般由多个同类要素组成要素集的方式保存在空间数据库中；栅格方式保存的图像要素；常规数据库方式的数据表要素；描述地形的等高线、三角网、数字地形模型等要素；描述空间实体之间的连通关系等的网络要素（如水系、交通网络等）。另外还有一些图件的修饰、图例等辅助的组分。地面监测数据可以采用点要素集的方式输入空间数据库，而样地描述与测定数据、样方描述与测定数据可以采用数据表的方式输入，然后建立点要素集与样地、样方数据表之间的关联，连接为每个点的属性。

实际上，不同领域用于资源管理、监测的空间数据库一般包含很多相同的或大部分相同的本底资料，因而空间数据库可用于政府管理、专业信息管理与监测以及与空间相关的业务过程（如交通、消防）等，是地理信息系统应用的最新方向。

（二）数据操作

空间数据库需要地理信息、图形图像、数据库等方面的支持，一般建立在公用的地理信息系统软件平台上，目前常用的有ARCGIS、MAPINFO、GEOMEDIA等，其中ARCGIS应用尤其广泛。对空间数据库的数据操作包括输入、编辑、存储、检索查询、汇总、统计、图表输出等，实现空间数据管理的常规业务功能。数据输入不仅可以将各类要素集、数据表等添加到空间数据库中，而且可以将监测过程中获取的动态信息补充或添加到空间数据库中，通过输入、编辑功能实现空间数据库的更新与维护——正是空间数据库的动态变化包含着草原资源的时空动态信息。检索查询操作可用于了解监测区域的综合信息、设计地面监测方案、初步掌握监测区域草原资源的概况等，可分为一般的数据表检索与查询和空间查询。空间查询可以实现一些复杂的功能，如查询距居民点小于50km的草原面积，或查询在草原中包含的农田飞地等。汇总、统计操作既可以应用于数据表，又可应用于各类空间要素集，如对一种草原类型的所有地面监测样方进行汇总，统计平均的地上生物量等；统计一定空间范围内居民点的数量，水系的数量、总长度；统计一定行政区域面积小于指定阈值的零星草原数量、面积等。一般地理信息系统软件除支持报表外，另一个重要的输出功能就是地图的输出。地图的输出包括增加图例、坐标网格或经纬网、指北标记、比例尺标记、设定打印（绘图）比例尺、多个要素集复合制图等，如在草原类型图上叠加水系、交通、等高线等要素。另外，还支持散点图、折线图等统计图输出。

（三）信息交换与服务

对于大区域、多项内容的草原监测工作，一般需要多层次的组织、实施。能否及时将各级的信息分发或上报，进行数据的汇总、处理和分析，直接影响监测的及时性和实施的效率。从目前的技术条件来看，不同层次的工作者主要的信息交换渠道是计算机网络。由于3S技术支持下草原监测信息主要以数字方式进行存储、交换，与传统的纸质资料交换相比，采用计算机网络的渠道有利于提高效率。可以通过计算机网络分发统一的电子表格、数据采集规范等，也可以通过网络将采集到的信息上传到信息处理机构，一些关于监测工作进展的情况、注意事项、实践中发现的问题也便于采用网络平台交流或发布。目前，地理信息系统软件大多提供了广域网的支持，即WEBGIS，可以在广域网上进行空间数据操作，对各类要素集编辑、查询、统计等，实现广域网环境下的数字矢量图、栅格图的操作。当然，信息交换与服务方面还需要考虑数据安全的问题。

三、信息处理与分析

和信息管理环节一样，信息处理与分析属于草原监测的室内工作环节，但不同的是，监测信息处理与分析一般具有阶段性。以遥感和地理信息系统技术应用为主，在构建模型时需要很多统计分析方法，特别是地统计学和遥感图像数字处理中的统计方法。信息处理与分析的结果同样可以保存到空间数据库中，作为新的本底资料或更新的监测信息，供以后的监测或信息查询、输出使用。信息处理与分析环节具体包括以下几方面的工作。

（一）图像处理

遥感图像经预处理后，需要进行增强、变换、运算、分类等提取和判读专题信息。通过图像增强，可以突出感兴趣的草原或环境信息，如利用边缘增强可以突出道路信息。图像变换用来改变遥感图像各波段的信息分布，如主成分分析可以将多个波段的信息压缩到较少的几个分量中，突出监测区域内的主要地物。图像运算分为图像内各波段间的运算和图像之间的运算2大类，前者用于提取一些专题分量，如植被指数；后者用来对比不同时期图像的变化或在多期的图像中提取需要的信息，如利用多时相的图像消除云的覆盖。图像分类一般分为监督分类和非监督分类，后者需要提供分类样本，常用非监督分类的方法将监测区域分成较多的小类，然后根据地面监测数据将小类归并为不同的草原类型或其他地类。另外，可以通过目视解译的方法根据图像特征和专业知识勾绘地物斑块，并判定地物斑块的属性。遥感图像处理的方法很多，特别是数字处理方法发展很快，一般需要多种方法结合进行处理，提取需要的专题信息，而且必须根据所获取图像的特性选择合适的处理方法。

（二）数据复合

本底资料中的专题图件（如行政区划、土地利用、土壤等）和遥感图像、地面监测数据在配准空间位置后，可以很好地叠置（复合）在一起。数据复合后，对于空间上具体的一个点，具有多个方面的属性：各专题图件的属性，如所属行政区、地形、土地利用类型、土壤类型、气候特征、气象条件等；遥感图像的属性，即不同时期遥感图像的各波段的值；如果该点包含在地面监测的取样点中，则还具有地面监测数据的属性，可能有该点的植被构成、产量、高度、盖度以及环境特征描述等；还有与上述图件相关联的自然、社会经济、畜牧业生产等属性。数据复合一方面可以对各种来源的数据进行相互验证，更重要的是通过多个领域数据的复合，能够了解监测区域内每一点的草原概况和自然、社会经济、畜牧业生产状况。数据复合虽然仅仅是一种数据表达方式，但是对监测信息分析具有重要的作用，特别是用于观察不同环境条件下图像的特征，总结不同类型地面监测样点的共性与差异。

（三）模型构建与运算

模型方法是最重要的多源数据分析方法，特别是抽样数据应用于总样本的分析下。实际上，抽样过程总是假设总样本的分布存在一定的规律，这些规律可能受样本的一些属性控制，而抽样测定的过程就是获取这些属性的过程。对草原监测来说，这些属性包括草原及其植物的属性和环境的属性，而假设存在的规律可以通过一定的数学模型来表达，这些模型反映了草原分布及其状态与环境因子之间的联系。可以通过抽样数据构建草原各项特性与生态因子之间的关系模型，之后利用这一模型和已知的生态因子分布模拟出区域的草原特性分布，也就是把抽样点的特性模拟到空间面（总样本）上。例如，通过抽样获取某一草原类型分布的土壤基质、土壤类型、海拔高度、坡度、遥感图像波谱特征，建立该草原类型与这些因素之间的关系模型，然后在未抽样区域用模型去运算，判断是否属于该草原类型。

可以看出，模型构建是基于数据复合的。当然，模型中还可以包含一些专业知识，即专业领域的一些确定性的规律，如某一草原类型不会分布于高山或海拔大于1500m的地区。而一些常用的分析方法如植被指数、缨帽变换等也是前人研究的模型。

（四）空间分析

空间分析是地理信息系统非常重要的功能，用来分析空间实体之间的关系，如在草原监测中分析退化草原与居民点分布的关系，或者丘间草原类型与沙丘状况的关系等。空间实体（几何上一般表达为点、线、多边形等）之间存在拓扑关系，如相邻、重叠、包含、在一定的距离内等，这些关系可用来表达空间实体之间的联系。