青藏高原凍土區劃與草原分類一致性分析

王志偉，趙 林，馮琦勝，龐強強，馬亦彤，秦 彧，岳廣陽，趙擁華，史健宗，吳通華，任正煒

（1．中國科學院寒區旱區環境與工程研究所 青藏高原冰凍圈觀測研究站，甘肅 蘭州730000；2．中國科學院寒區旱區環境與工程研究所 冰凍圈科學國家重點實驗室，甘肅 蘭州730000；3．蘭州大學草地農業科技學院，甘肅 蘭州730020；4．內蒙古民族大學，內蒙古 通遼028000）

凍土是指0℃以下的各種巖石和土壤，如果這種巖土物質保持在0℃以下至少連續兩年以上就稱為多年凍土，凍結狀態保持半月至數月稱為季節凍土。多年凍土覆蓋了全球陸地表面的很大面積，約占北半球陸地表面的24%［1－3］。凍土分布廣泛且具有獨特的水熱特性，是地球陸地表面過程中一個非常重要的因子。

中國的多年凍土區面積約為2．15×106km2，青藏高原是我國最主要的多年凍土分布區，占全國多年凍土面積的70%左右，同時也是全球中、低緯度地區海拔最高、面積最大的凍土區［4］。青藏高原凍土分布的特征以及變化等各種數據，是準確衡量我國生態環境的基礎性數據資源［5］，可以為青藏高原乃至我國多年凍土區各種工程的規劃、生態環境影響評估與保護等許多領域提供重要的數據支持［6－7］。但是全球變化導致青藏高原凍土分布發生顯著改變，傳統意義上單純的數據統計無法體現凍土分布的空間性。凍土制圖可以有效解決這一問題的不足，便于計算且直觀性強。青藏高原凍土圖的繪制工作始于20世紀60年代［8－9］，發展至90年代，李樹德和程國棟［10］依據各種資料和凍土區劃原則繪制出青藏高原凍土圖。同樣，不同因子與多年凍土的分布又有著一定的相關性［11］，如草原作為占有陸地總面積24%的巨大而復雜的生態系統，也是由氣候、土地、生物和生產勞動等多種因素的矛盾運動所構成并推動其發展的。任繼周［12］依據草原綜合順序分類法劃分出中國區域內的41個草原類。因此，研究凍土與草原的關系及分析凍土區劃與草原分類的一致性可以為今后的凍土研究提供一定的理論指導。

1 研究區概況

青藏高原位于亞洲中部偏南部位，平均海拔4 500m，位于75°～104°E，25°～40°N［13］，包括西藏自治區和青海省的全部、四川省西部、新疆維吾爾自治區南部，以及甘肅、云南的一部分（圖1），具有獨特的植被地理和氣候帶［14－15］。青藏高原高寒草地約為1．28×108km2，涵養著我國五大水系：黃河、長江、瀾滄江、怒江和雅魯藏布江。對我國東部、西南部、北半球甚至全球的氣候都會產生顯著的影響［16］，還是“世界第三極”地區重要的碳庫［17］。

2 材料與方法

圖1 青藏高原圖Fig．1 Map of Qinghai－Tibet Plateau

2．1 凍土區劃重分類 依據青藏高原凍土圖［10］，將原始凍土圖的4種類型（多年凍土、季節凍土、冰川、湖泊）（圖2a）重新劃分為多年凍土區、季節凍土區和非凍土區（對應原始圖像中的冰川和湖泊）（表1、圖2b）。因為本研究分析凍土與草原的一致性，所以將冰川和湖泊劃分為非凍土區。

圖2 凍土區劃圖Fig．2 Map of permafrost distribution

表1 新賦值凍土各區劃類型比例Table 1 Ratio of new evaluation about permafrost division

2．2 草原分類重分類 依據草原綜合順序分類法［12］，青藏高原包含30個草原類（圖3a、表2），依據熱量級可知，暖熱、亞熱和炎熱3種熱量級分別分布于北亞熱帶、南亞熱帶和熱帶地區。這些地區存在凍土和季節凍土的可能性較?。?8］，因此將這3個熱量級下的草原類賦值為熱帶草原，占總面積的1．41%，而綜合順序分類下檢索號為ⅠF36的高寒草甸類占總面積的57．51%。相比其他草原類，高寒草甸類屬于青藏高原地區的優勢草原。除上述兩者外，其他的22個草原類占總面積的41．08%，將這些草原類共同劃分為亞優勢草原（圖3b）。

圖3 草原分類圖（分類序號見表2）Fig．3 The map of steppe classification（Class－ID refers to table 2）

表2 青藏高原草原類［19］Table 2 Classification of the Tibetan Plateau steppe［19］

2．3 圖像疊加 首先，將步驟2．1重分類后的凍土區劃圖和步驟2．2重分類后的草原分類圖進行投影轉換，使其具有一致的投影系統 WGS－1984。然后，利用柵格計算將兩幅圖像的數值進行加法運算，完成圖像疊加（圖4）。

圖4 凍土區劃與草原分類融合圖Fig．4 Merging image of permafrost distribution and steppe classification

3 結果與分析

根據凍土區劃與草原分類融合圖（圖4）對青藏高原凍土區劃與草原分類一致性進行分析。具有一致性關系的部分是：優勢草原（高寒草甸類）和多年凍土區疊加到一起的，亞優勢草原和季節凍土疊加到一起的，以及熱帶草原和非凍土區疊加到一起的部分。除上述部分之外，其他凍土區劃和草原類疊加到一起的是不具有一致性關系的部分。根據評價圖像分類精度的誤差矩陣分析方法［20］可得表3。針對誤差矩陣的基本統計估計量包括總體分類精度、用戶精度和制圖精度。

3．1 總體分類精度式中，Pc為總體分類精度，kk為對角線上精度一致的柵格數，P代表樣本總數。根據公式（1），計算總體一致性精度為65．95%。

3．2 用戶精度和制圖精度 用戶精度（Pui）和制圖精度（PAj）的公式分別為：

式中，Pii表示分類產生的類型圖中第i類的任意像元值，Pi＋表示相同位置實際地物的像元值；Pjj表示分類產生的類型圖中第j類的任意像元值，Pj＋表示相同位置實際地物的像元值。用戶精度（對于第i類）可以表示從分類結果（如分類產生的類型圖）中任取一個隨機樣本，其所具有的類型與地面實際類型相同的概率。制圖精度（對于第j類）可以表示相對于地面獲得的實際資料中的任意一個隨機樣本，分類圖上同一地點的分類結果與其相一致的條件概率。在此計算的只是兩幅區劃分類圖像的一致性，所以以一致性代表用戶精度，用非一致性代表用戶精度和制圖精度產生的漏分誤差和錯分誤差［20］，結果如表4所示。

表3 凍土區劃與草原分類誤差矩陣Table 3 Error matrix about permafrost distribution and steppe classification

表4 凍土區劃與草原分類一致性表Table 4 Consistency about permafrost distribution and steppe classification

一般來說，誤差矩陣得到的65．95%的總體一致性精度為具有空間相關性［21］，說明凍土區劃和草原分類也具有明顯空間相關性。例如，根據早期研究［22］，人口密度同農牧交錯帶的一致性為64．13%時，可以將人口分布作為一個重要的因素應用于農牧交錯帶的擬合中。不過根據Kappa系數法公式：

式中，r是誤差矩陣中總列數（即總的類別數）；Xii是誤差矩陣中第i行第i列上柵格數量（即正確分類的數目）；Xi＋和X＋i分別是第i行和第i列的總柵格數量；N是總的用于一致性精度評估的柵格數量。將表3中的相關數據代入公式（4），得出結果為：

Khat＝34．78%。

Kappa系數遠小于誤差矩陣的總體精度，這是由于凍土區劃圖和草原分類圖重分類后的非凍土區和熱帶草原類在空間一致性上不相關所致。

4 討論與結論

研究地球表層系統的時空信息時，常用模型模擬和觀測這兩種基本手段。不過，近年來隨著遙感技術的快速發展，也將大量遙感數據應用于反演地表變量、調整模型軌跡和彌補常規觀測在數量上的不足［23］。但是這些手段都存在著自身的缺陷，主要是因為：依據內在物理過程和動力學機制的模型模擬雖然為凍土區劃和草原分類提供了空間上的連續演進，但是由于模型模擬的結果不能完全考慮到所有地表變量，而且所用于模擬的地表變量在空間上具有高度的異質性，使得上述凍土區劃圖和草原分類圖重分類后的非凍土區和熱帶草原類的分類結果空間一致性比較差。然誤差矩陣結果較好，但是Kappa系數偏低。

直接觀測的優勢在于能得到觀測時刻內的空間“真值”，卻也因為變量的空間變異強烈和觀測條件限制，無法重建地表的完全連續特征。如凍土區劃圖中，湖泊和冰川下面是否也包括各種凍土。

遙感數據因無法觀測地表以下信息、與地表變量之間的關系是隱含的，以及定標、定點時候會引起誤差等原因，存在使用遙感數據擬合結果必然存在誤差的缺點。使用遙感數據對凍土區劃進行研究時，一定要有凍土區觀測點數據進行驗證來調整遙感數據反演。

因此，三者結合應用十分重要。青藏高原多年凍土本底調查項目［7］將會為以后的凍土區劃和草原分類提供大量有效的直接觀測數據，然后結合多時相的遙感數據，利用優化的路面過程模型對模型模擬的軌跡進行調整，將誤差減至最小，將它們有機地融合，將會為我們對凍土區劃和草原分類［24－26］的研究提供一種更好的方法。

［1］ Zhang T，Barry R G，Knowles K，et al．Statistics and characteristics of permafrost and ground ice distribution in the Northern Hemisphere［J］．Polar Geography，1999，23（2）：147－169．

［2］ 曹梅盛，李新，陳賢章，等．冰凍圈遙感［M］．北京：科學出版社，2006：235－266．

［3］ 常曉麗，金會軍，孫海濱，等．積雪底部溫度（BTS）方法在凍土分布調查和模型研究中的應用：研究進展［J］．冰川凍土，2010，32（4）：803－809．

［4］ 周幼吾，郭東信，邱國慶，等．中國凍土［M］．北京：科學出版社，2000：1－2，157－170．

［5］ 王紹令，趙秀鋒，郭東信，等．青藏高原凍土對氣候變化的響應［J］．冰川凍土，1996，18（增刊）：18－26．

［6］ 昌敦虎，寧淼，古麗鮮·安尼瓦爾，等．多年凍土地區工程建設生態環境影響研究評述［J］．地理科學進展，2005，24（4）：65－74．

［7］ 史健宗，南卓銅，石偉，等．青藏高原多年凍土底調查信息系統［J］．遙感技術與應用，2010，25（5）：725－732．

［8］ 中國科學院地理研究所冰川凍土研究室．青藏公路沿線多年凍土考察［M］．北京：科學出版社，1965：10－20．

［9］ 南卓銅，李述訓，劉永智．基于年平均地溫的青藏高原凍土分布制圖及應用［J］．冰川凍土，2002，24（5）：142－148．

［10］ 李樹德，程國棟．青藏高原凍土分布圖［K］．蘭州：甘肅文化出版社，1996．

［11］ 呂久俊，李秀珍，胡遠滿，等．利用熱量、水分和地形條件確定多年凍土的分布［J］．遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2008，27（6）：941－943．

［12］ 任繼周．分類、聚類與草原類型［J］．草地學報，2008，16（1）：4－10．

［13］ 蔣福珍，方劍，劉根友．用重力方法研究青藏高原地體劃分［J］．地球物理學報，1994，37（Ⅱ）：131－138．

［14］ 羅天祥，李文華，羅輯，等．青藏高原主要植被類型生物生產量的比較研究［J］．生態學報，1999，19（6）：23－31．

［15］ 張鐿鋰，李炳元，鄭度．論青藏高原范圍與面積［J］．地理研究，2002，21（1）：1－8．

［16］ 武高林，杜國禎．青藏高原退化高寒草地生態系統恢復和可持續發展探討［J］．自然雜志，2007，29（3）：159－164．

［17］ 裴志永，周才平，歐陽華，等．青藏高原高寒草原區域碳估測［J］．地理研究，2010，29（11）：102－110．

［18］ 中國科學院寒區旱區環境工程研究所．由世界看我國的凍土［EB／OL］．（2010－10－27）［2011－04－30］．http：／／www．careeri．cas．cn／kxcb／kxsj／zgdt／201010／t20101027＿2995454．html．

［19］ 任繼周，梁天剛，林慧龍，等．草地對全球氣候變化的響應及其碳匯潛勢研究［J］．草業學報，2011，20（2）：1－22．

［20］ 趙英時．遙感應用分析原理與方法［M］．北京：科學出版社，2003：205－208．

［21］ 鄭明國，蔡國強，秦明周，等．一種遙感影像分類精度檢驗的新方法［J］．遙感學報，2006，10（1）：39－48．

［22］ 周小平，王志偉，張學通，等．人口分布空間插值及其在農牧交錯帶中的應用［J］．草業科學，2010，27（6）：143－152．

［23］ 李新，黃春林，車濤，等．中國陸面數據同化系統研究的進展 和 前 瞻 ［J］．自然 科 學 進 展，2007，17（2）：163－173．

［24］ 鄒德富，馮琦勝，王鶯，等．基于GIS的甘南地區草原綜合順 序 分 類研 究 ［J］．草 業 科 學，2011，28（1）：27－32．

［25］ 李紅梅，馬玉壽．改進的綜合順序分類法在青海草地分類中的應用［J］．草業學報，2009，18（2）：76－82．

［26］ 魏淑珍，王菲鳳，張江山．基于SOFM網絡法的天然草地分類［J］．草業學報，2011，20（1）：175－182．