第一章 草原资源概述.doc

第一章 草原资源概述第一节 草原的基本特性草原是一种自然资源，是自然界中存在的、非人类创造的自然体，它蕴藏着能满足人类生活和生产需要的能量与物质。1972年联合国环境规划署(UNDP)定义，“所谓自然资源是指在一定时间条件下，能够产生经济价值以提高人类当前和未来福利的自然环境因素的总称”。因此草原资源可以定义为具有数量、质量、空间结构特征，有一定面积分布，有生产能力和多种功能，主要用作畜牧业生产资料的一种自然资源。草原资源数量是指草原面积的大小、草原产草量和载畜量的高低。草原资源质量指草原牧草品质的优劣，草原适用方式、适用季节、适养家畜的范围，草原自然灾害的状况。草原资源的空间分布是指各种类型草原在由纬度、经度和海拔高度组成的三维空间中的分布格局及组成结构。草原的生态功能主要是指防风，固沙、净化空气，涵养水源，防止水土流失，保护生态环境等多种作用。草原还养育着野生动物，可供人们旅游观赏，是人类重要的游憩地。在发达国家，草原资源的畜牧业商业价值的重要性在下降，其他如观赏、旅游、生态等商业用途或非商业性的财政回报上升。因此本书中的草原资源评价内容，也不仅仅限于草原的生产力价值，而是综合评定草原的多方面价值和功能。天然草原也是自然界中存在的非人类创造的自然体，它蕴藏着能满足人类生活和畜牧业及其他行业生产需要的能量和物资，是一种自然资源。但草原资源的内涵，随着生产的发展，应该扩展为一切天然、人工、副产品饲草料资源的总体。 草原资源的自然属性 1.草原资源数量的巨大性草原资源数量的巨大性即指草原的面积大；草原分布最广，类型繁多；草原的植物量很大，全世界的植物生物量为(117X10la)一(L 27X10TM)ta，其中35一74为森林植物量，3664为草原植物量，多年的研究表明两者的质量近乎相等。 2草原资源质量的差异性第15页地球上不同的气候带形成许多地域性的草原。例如在世界范围内，热带草原以稀树草原为主，亚热带草原以荒漠为主，温带草原以草原和草甸为主，寒带草原以冻原为主，高寒带草原以高寒草甸为主。草原的自然差异要求人们因地制宜地合理利用不同类型的草原资源，确定草原利用的合理结构与方式，以获取草原利用的最佳效益。 3草原资源位置的空间有序性由于地球表面生态环境空间位置的有序固定性和时间变化的周期性，使草原资源及其类型在地球表面的分布也是有序固定的，这在一定程度上决定了草原资源的区位差异及使用上的经济价值差异。 4草原资源发展的阶段性和动态性作为活的、不断发展变化的草原资源，在一定的时间范围内，必然处于一定的发展阶段。当草原资源的能量和物质输入与产品输出大体相同时，草原资源处于平衡的稳定阶段；当草原的利用不足，能量与物质的输人大于输出时，草原资源就处于正向发展的聚集与富化状态；当能量与物质的输入小于输出时，草原资源就处于逆向发展的消耗与贫化状态；当草原资源贫化到丧失自我恢复能力时，就会发生质变，使草原资源彻底破坏，不复存在。二，草原资源的经济特性首先，草原大多位于干旱、寒冷地区，生态系统比较脆弱，容易受外力影响而发生不同程度的草原退化。草原资源是容易退化的农业自然资源。由于草原资源在自然条件优越的时候，如气温与降水适宜的条件下，可以自然恢复更新。草原也可以接受人为的能量与物质投入，如施肥、灌溉、改善植物群落结构等措施，因而可以使草原资源不断的恢复。草原资源的自然与人为可更新性是草原资源的首要经济特征。其次，草原资源的利用具有适宜性与限制性。草原资源的适宜性是指一定地段的草原对特定用途及其持续利用的适宜程度。草原资源利用适宜程度的差异，取决于利用该地段所获效益与所需投资之间实际或预测的相互关系，可以采用产出投入的数量分析方法来估算。草原资源利用的价值还必须考虑草原的生态效益和社会效益的衡量与货币化。再次，草原资源还具有资产性和增值性的特点。在农业自然资源中，草原资源与空气、光照、热量、降水等不可占据的资源不同，它可以被个人、法人或国家垄断，因而它可以和其他资产一样，成为个人、法人或国家的固定资产，从而有租赁和出售的价值。由于草原资源的面积巨大，对它的占有可影响国计民生，所以草原资源的所有制形式，也就成为决定社会制度的基础之一。三，水原资源的形成历史草原是地球演变过程中一定历史时期的产物。我国的草原是在漫长的地质历第二章 草原分类及草原类型 草原、荒漠灌丛草原、热带稀树草原、森林草原和冻原是世界上的基本草原类型。每一类草原都是由特定的植物群落构成的卞物区，由于气候、土壤和人为活动的差异，这些草原类各具特色。因此人类在利用管理草原资源时要根据草原类型的特点和基本状况，因地制宜，不能违背自然规律，但是人类对草原的利用、培育及产业化都极大的改变了所有草原类型的天然状态。因此首先要认识不同草原的差异，即对草原进行分类和区划，从而合理规范人类活动，使草原资源更适合人类的利用。 第一节 我国草原分类及类型 草原分类是人类为了更加深入的认识草原的发生、发展、演替规律，更好的指导人类的草原经营活动和草原资源管理工作。它不仅是人类认识和研究草原资源自然特性和经济特性的重要技术手段，也是人类科学开发、充分利用、有效保护和建设草原的理论依据。草原分类包括草原分类单位及其指标的确定和同一分类单位中不同草原类型的划分。 由于草原分类的对象是客观存在的实体，而且草原分类的目的是为人类利用草原服务的，因此草原分类由于分类角度和目的的差异是不同的，但是草原分类的系统和标准确是人类根据各自的认识和需要主观拟订的。因此，草原分类依据分类目的的不同有不同的分类方法是必然的。 一、草原分类的原则及标准 草原分类要为草原经营服务，因此需要遵循定的原则。贾慎修教授在1982年提出草原分类的原则应符合以下基本要求：一是首先确定草原植被发展的过程和阶段，应该研究草原与气候、土壤、地形等生境因素的规律性联系；二是表现草原每一发展阶段所具有的基本矛盾和主要特征；三是反映草原的生产特性和经济价值在草原形成过程中的变化；四是社会生产活动，农业技术措施对于创造草原经济价值的作用。 草原分类的标准应当总体也考虑草原的重要特征和特性，使每一分类单位能表现出相应类型的自然特征和经济特征。草原分类是由高级、中级到低级的分类第39页单位组成的分类系统。类是草原分类的高级单位，是成因一致的宏观分类级，类之间的草原自然与经济特性具有质的差别。组是中级分类单位，是在草原类的范围内，生态经济特性基本一致，利用上往往可以作为独立单元的经营分类级。组之间在生境与经济价值上具有明显差异。型是低级分类单位，是在草原组的范围内，生境更趋一致，植物种类组成，草原质量与产量更为接近的生产力分类级。型之间在草原属性上主要是量的差异，是草原分类的基本单位。 我国现行的草原分类系统按照上述分类原则，分类(亚类)、组、型三级。各分类级的划分标准如下。 第一级 类具有相同水热气候带特征和植被特征，具有独特地带性的草原，或具有广域性分布的隐域性特征的草原，各类之间的自然特征和经济利用特性有质的差异。全国草原共划分为18个类，如草甸草原类、高寒草原类、荒漠草原类等。 亚类不作为分类级，它是类的补充，是在类的范围内，大地形、土壤基质或高级植被类型差异明显的草原。草原具有相同的形成过程及植被优势生活型的特点，亦反映不同的地理特性，各亚类之间亦有质的不同。如石质的(戈壁的)、黏土质的、沙质的和盐土质的荒漠亚类。 第二级 组在草原类和亚类范围内，组成建群层片的优势种或共优种植物所属经济类群相同的草原。组是草原分类的中级分类单位。组是型的联合，各组之间具有量的差异。如温性灌草丛有白羊草、黄背茅等型组成中禾草组。 第三级 型一具有相同层片结构以及各层片或主要层片的优势植物种相似，群落组成和生境条件相近似，反映出具有致性的饲用意义和经济价值。型是草原分类的低级单位，也是绘制大比例尺、中比例尺草原类型图的主要依据和基本上图单位。如羊草型，羊草、贝加尔针茅型，羊草、糙隐子草、寸草苔型等。 二，我国的主要草原类 按照全国草原资源普查采用的中国草原类型分类系统，全国草原共划分为18类。 1温性草甸草原类 温性草甸草原类是在温带半湿润、半干旱的气候条件下形成的。因此主要分布在半湿润、半干旱地区。分布区域的地理位置、海拔高度、地形条件及水热因子组合的不同，表现出不同的区域分布特征。在东北的松嫩草原上，草甸草原集中分布于中部和南部的漫岗地、缓坡地和低平地上，海拔在140200m之间。在大兴安岭西麓，由于受山地气候的影响，相对比较湿润，在广阔的丘陵区海拔600800m处，发育着面积较大的平原丘陵草甸草原。山地草甸草原主要分布于大兴安岭南段，海拔多在10001600m。草甸草原区年降水量350550mm，第三章 草原的动态变化 草原的变化从根本上是草原生态系统中物质循环和能量流动的变化，这些变化在不同的时空尺度上体现出不同的特点。在大的时间尺度卜，草原的变化就是草原形成的历史；在大的空间尺度上，草原的变化则是草原的平地带性和垂直分布。对草原大尺度变化的研究和分析有助于掌握全球气候、环境的动态。而面向生产实践的监测更多地针对相对小一些的尺度，如草原群落的变化或景观上的变化，研究这些外部表现的变化能反映出与生产实践更直接的关系。 第一节 草原生态系统的特点 草原生态系统是指草原生物群落与相应的动物区系以及非生物环境因素通过相互作用共同构成的生态系统。草原生态系统最基本的特点是各成分之间的相互关联性。生态系统中一个组分的变化将会影响其他成分。传统上，通常使用单一因子的研究法来研究草原生态系统中各组分的关系，例如研究放牧对植物个体的影响，施肥对草原植被的影响等。但是放牧过程同样也会影响草原生态系统中的其他组分，因此，研究和模拟草原生态系统中的其他多种可能的关系和过程是非常必要的。由于人类生产活动的介入与各项管理措施的应用，也使草原生态系统变得异常复杂。如人类为了在草原上获得最大的生产力，常常会采用适宜的放牧方法与合理放牧强度，并且在条件允许的情况下，经常会给草原施肥、灌溉、补播或者建立高效的人工草原生态系统。 一，草原生态系统的组成 草原生态系统中的非生物因素主要是指土壤和气候因素，通常这些因素是不能被人为控制的。土壤不仅起着固着植物的作用，也是植物水分和养分的储蓄库。土壤同时也是土壤动物和微生物的栖息地。土壤管理的方法通常包括施肥和机械处理，机械处理的作用是直接增加土壤的渗透性、贮水能力等。气候因素直接影响生物因素，并能够通过影响植物而间接影响消费者和分解者群体。 草原生态系统中的初级生产者主要是指草本植物，也包括一些灌木、半灌木。并不是所有的草原植物都是可以被草食动物利用的，因此将可以被草食动物利用的植物称为饲用植物。草原上的饲用植物和可食灌木的产量是随季节而变化第53页的，春季牧草刚返青时，草原产草量较低，在生长季节的中期，植物迅速生长，牧草的产量达到顶峰，然后生长速度又开始减缓，直到牧草在非生长季节停止生长。 草原生态系统中的消费者不仅要考虑草食家畜和狞猎动物，还要考虑小型的有害动物，如蝗虫和啮齿动物等，它们也是草原生态系统中的主要消费者。草食动物可以看成是生态系统的调节者，因为其可以直接影响草原植被和肉食动物的食物来源。 草原生态系统中的分解者的作用非常重要，但又是常常容易被人们忽视的。它们的基本功能是防止有机物质的积累。没有分解者，草原生态系统因为没有完整的营养循环，使其功能不能正常进行，各种元素最终停留在不能分解的有机物上。执行分解者功能的微生物包括细菌、真菌、放线菌、藻类、地衣等拥有能够分解有机物质的酶系统。草原生态系统中还有一些主要的微小的消费者如蚂蚁、白蚁和线虫等有分解动植物残体的功能。国际生物学计划的研究结果认为线虫是最重要的分解者。 二、人类因素 人类因素是影响所有生态系统的一个主要因素。人类通常被认为是控制者，因为人类是惟一够按照自己的利益重新安排生态系统中各个成分的动物。人类活动能影响所有地带的生态系统，对自然过程既有正面影响，也有负面影响。过去，国际上对生态系统的干预主要是朝着增加木材、肉、矿产和纤维等产品量的方向上发展，很少考虑其他动物如野生有蹄类、兔类、啮齿类、爬行类、鸟类、昆虫和其他无脊椎动物。近来，管理者认识到所有生活在金字塔中的有机生物都是相互关联、相互交织的，因此任何影响一种动物的管理措施都会不可避免的影响其他动物。显而易见，草原生态系统不可能用来生产人类需要的所有产品。由于人口的急剧增加，未来人类对陆地生态系统的产山的需求将会增加，这意味着人类对生态系统的管理会比以前更集约化。不同的生态系统对同一管理措施的响应是不同的，但是生态系统的基本管理适应于所有生态系统。 三、草原生态系统的功能 生态系统的功能主要体现在两个方面：能量流动和物质循环。生态系统中的能量流动符合热力学第一定律，即能量既不会创造也不会消失，只能从一种形态到另一种形态。 1能量流动 图3l是草原生态系统中能量流动的简单模型。草原上的禾草、灌木、双子叶植物接受太阳光能通过光合作用将光能转化成化学能贮藏在绿色植物组织中，当草食动物摄食植物组织，通过消化过程使草食动物获得了贮藏在植物组织中的能量，同样肉食动物通过捕食草食动物而获得了它们所需要的能量。然而在食物第四章 遥感技市原理 卫星遥感与其他遥感方式相比在草原领域具有不可替代的优势：首先，草原的面积广阔，要求遥感信息覆盖范围广，这一点只有卫星遥感能够实现；其次，对大区域的草原生产力和生态状况的监测需要固定周期、稳定运行的信息源，这一点卫星遥感也有不可替代的优势；最后，草原地区人口稀少，地面交通、服务等设施落后，对于航空遥感或其他地面及近地面遥感平台的作用造成诸多不便，只有卫星遥感需要的地面支持和服务很少，非常适用。目前，卫星遥感的清晰度也大大提高，与航空遥感几乎没有差别。因为卫星遥感在草原领域遥感应用的主体地位，本书以后部分的阐述以卫星遥感技术及其数据分析为主。 第一节 遥感系统原理 一，遥感的概念 当察看计算机显示器的屏幕时，人正处于自发的遥感过程巾。图41是人的视觉过程。屏幕是一个辐射的来源，它发射一些能量(光量)，这些辐射经一段距离传播(在一定程度上这就是“遥”)，到达传感器(眼睛)并被接收。每个眼睛发送信号到处理器(大脑)，这个信号记录了眼睛接收光后判读的信息和数据。人几乎完全依靠几个感觉器官感觉各种信号去认知外部世界，这些信号可以是发射的或反射的，主动的或被动的，利用波或脉冲从物体传输过来。这样，人可以听到载有声波的空气的喧扰，体验热(来自直接触或能量辐射)的感觉，通过味觉或嗅觉对来自食物的化学信号做出反应，这些都是对某些物质特性的认知，如触摸粗糙程度认知形状，通过看到(接收)外部物体传来的可见光认知其颜色、相对位置和材料等。以上的感知过程都是不接触物体而通过“遥感”获取信息。 然而，在实践中般不认为身体的感觉属于技术术语上遥感传感器的范畴第73页尽管其原理和过程与技术上的遥感很相似。包含其地球物理学参数的正式、全面的遥感定义通常表达如下。 遥感是不接触目标的情况下利用传感器(sens。r)采集目标信息的技术，是采用照相机、辐射计、扫描仪、激光、无线电接收装置、雷达、声呐、热传感设备、地震仪、磁力计、重力计、闪烁计数器及其他设备，通过测定力场、电磁辐射或声能等手段获取、记录环境的相关信息，并进行信息处理、分析和应用。作为遥感的主要结果，图像(imsse)类似于照片，收集目标表面的面状信息。当然，其结果数据也可表达为图(map)、曲线(sraph)。如在气象遥感中结果既包含图像，也包含图。 1遥感目标或对象 在自然科学领域，遥感技术的主要应用方向是对地球表面物体的研究，很多文献中采用“地物”一词定义被遥感的目标，它包括一些现象和物体。地物并没有大小、形状、颜色等的规定，而是根据不同的应用领域对其进行定义或划分。如一座山峰可以是一个物体，而一块石头也可以是一个物体；一片草场是一个物体，其中的每一棵植株甚至植株上的每一片叶子都可以是一个遥感的目标；从更大的尺度或更大的空间范围上讲，一个流域、一个气候带甚至一个大陆也可称为一个地物。 另一方面，遥感过程往往并不是只获取一个物体的信息，而是多个物体或“地物”在空间上分布的信息。大多情况下，通过遥感手段获取信息首先需要传感器在预定的时空状态下“瞄准”目标，需要对遥感目标在空间上有初步的掌握，也即对目标的大小、形状，空间分布等有概括的了解。 2地物信息 地物的信息包含多个方面的内容。一是其自身的体现，如大小、形状以及辐射的电磁波和散发的气味等；二是对其他信息或信号的反射或反应，如日常生活中看到的颜色大多是物体对太阳光反射、吸收、透射的结果。通过遥感获取的信息有些是人类认识处理后的信息，如类别。把草原命名为不同的类型，获取遥感信息后，必须把一些类型命名的特性与遥感信息结合起来，才能辨别出对应的类型。如果在学术上类别判定的原则无法在遥感信息中体现，也不能通过数据分析的方法提取判读类型的指标，那么就很难采用这样的分类系统在遥感数据中辨别类型。 3传感器 人的眼、耳、鼻等都是感觉器官，是自然的传感器。它们能够感受或接收光、声、气味等，并经过处理转换成神经系统可以判别的信号。遥感过程中采用的传感器主要接收电磁波(包括光)、声波、力等信号，其中接收电磁波的传感器最多；而电磁波传感器中，接收可见光、红外信号的传感器应用最多、最广。第五章 主要卫星遥感信息源 目前，遥感技术已形成多星种、多传感器、多分辨率共同发展的局面。各种遥感卫星包括资源卫星、环境卫星、海洋卫星、气象卫星等，所获取的遥感信息具有厘米到千米级的多种尺度，如61cm、lm、3m，4m、5m、10m、20m、30m、60m、120m、150m、180m、250m、500m、1100m等多种分辨率，重访周期从ld到4050d不等，在获取资源环境空间和时间信息方面构成很好的互补关系。遥感技术在地球资源与环境研究和测量任务中扮演着越来越重要的角色，它所具有的高度的空间概括能力，有助于对区域的完整了解；而且各种空间分辨率遥感图像互补，成为获取地球资源信息的重要技术手段；不同卫星的适宜的重访周期有利于对地表资源环境的动态监测和过程分析；以多光谱观测为主并辅以较高分辨率的全色数据，极大的提升了对地物的识别和分类。卫星遥感技术的发展使资源环境研究得到了极大的促进，在研究资源环境时空特征方面取得了一系列的具有重要影响的成果。技术发展提高了成果质量，加强了研究深度，且促进了成果应用。一，遥感信息源的选择在利用遥感进行草原监测方面，遥感数据源的选择并不是单一的，而是就其实用、经济、需要的精度等而定。可以是种遥感数据源，也可是两种或者两种以上数据源的结合使用。在大面积调查草原生产力时，从经济角度考虑，MODIS数据足够满足调查需要，而在一些草原工程监测时，低分辨率的遥感图像很难满足工作需要，这时就需要高分辨串的遥感图像，像TMETM+遥感数据，甚至局部要选用SPOT图像数据。 1遥感数据类型选择根据研究内容或希望达到的目的有针对性的选择合适的信息源，主要是对卫星中龙或传感器选择。多数情况下，选择还需要考虑经济因素。在一般的资源环境研究中，目前采用光学系统为主的传感器采集的遥感信息较多，如Landsat的TM和ETM+、SPOT、NOAA的AVHRR、Terra的MODIS、CBERS的CCD等。为了避免天气的不利影响，有些研究工作，如灾害监测等，通常需要应用雷达卫星的数据，目前常用的数据主要有Envisat、RADARSAT等。第102页对于空间精度要求很高的研究工作，如数字城市建设、大比例尺资源环境调查、考古等专题遥感监测等，还需要在空间分辨率方面提出严格要求，通常选择米级或厘米级的遥感数据作为主要信息源，目前可以选择的米级数据包括SPOT5、IRS、IKONOS、QuiekBird等。 2遥感数据时相选择 不同研究对象要求不同时间获取遥感数据，具体包括以下两个方面。 (1)在资源环境现状研究中，针对内容需要更清晰、全面反映研究对象的遥感数据，土地利用和上地覆盖研究一般更多的要了解地表植被的信息，因而多选择植被生长旺期获取的遥感数据。为了了解植被的变化，以及在某些区域和植被类型间提高分类精度，还会要求相邻时相的遥感数据。大区域作业要求相邻景之间具有最接近的时相。 (2)资源环境动态变化的遥感监测与研究，年际变化通常需要不同年度、相近似的季相的遥感数据进行对比分析；年内变化则选择不同季节的时间序列的同种遥感信息。 目前，遥感分类方式多种多样，主要有按遥感平台、传感器的探测波段、工作方式和应用领域等几个方面分类。按平台主要分为地面遥感、航空遥感、卫星遥感等；按传感器的探测波段分为紫外遥感、可见光遥感、红外遥感、微波遥感、多光谱遥感等；按工作方式分为主动遥感和被动遥感。草原监测应用的遥感信息以卫星遥感为主，这里以空间分辨率由低到高的顺序，对常用于草原监测的卫星遥感信息源进行介绍。二、NOAA极轨气象卫星人们常说的NOAA卫星实际上是美国国家海洋和大气管理局(nationaloceamc and atmospheric administration，NOAA)发射的两类卫星的简称，其中一类是对地静止轨道上的对地静止运行环境卫星(geostationaryoperational envlronmental satellite，GOES)。另一类是太阳同步、近极轨道上的TIROS系列(television and infrared observation satellite)，非气象类专业常用的NOAA数据是后种(除非特指本文中提到的NOAA卫星指近极轨道卫星，简称为极轨卫星)。美国NOAA极轨气象卫星从1970年发射第一颗以来，目前已经发射了16颗之多。其系列采用双星系统，两颗卫星与太阳同步近极地圆形轨道，分别在同一地点、同一地方时间的上午和下午成像。两颗近极轨的NOAA卫星同时工作，可以在不超过6h的时间内覆盖地球任何地方一次。一颗在上午由北向南越过赤道，另颗在下午反向经过。两颗卫星的轨道平均高度分别为833km和870km，轨道倾角分别为987和989。 1998年后，原NOAA极轨气象卫星改名为极轨业务环境卫星(POES)，并第六章 地理信息系统概述 地理信息系统是一种采集、处理、传输、存储、管理、在询检索、分析、表达和应用地理信息的计算机系统，是分析、处理和挖掘海量地理数据的通用技术。与常规的信息相比，这里的地理信息更强调空间的位置和关系，实际上是用数据来准确地描述空间实体以及它们之间的关系。地理信息系统主要包括计算机硬件、软件、地理数据和用户等几个部分，其核心是地理数据，也称空间数据。地理信息系统技术广泛应用于农业、林业、国土资源、地矿、军事、交通、测绘、水利、广播电视、通讯、电力、公安、社区管理、教育、能源等几乎所有的行业，并正在走进人们日常的工作、学习和生活中。 在GIS工程里，空间数据的获取占有很重要的地位。实际上，整个地理信息系统都是围绕空间数据的采集、加工、存储、分析和表现来展开的。为了充分利用已有的数据，降低成本，实现信息资源的共享，在GIS工程实施过程中，经常需要利用不同来源的各种空间数据。由于GIS软件的多样性，每种软件都有自己特定的数据模型，造成数据存储格式和结构的不同。在数据的使用过程中，由于数据来源、结构和格式的不同需要采用一定的技术方法，才能将他们合并在一起使用，这就产生了数据复合的问题。数字制图是GIS的重要组成部分，也是GIS的主要表现和输出形式。图61中GIS复合了多种类型(多层)的空间要素(feature)，通过人群、建筑物、街道等要素的分布反映城市的总体分布考虑ArcGIS软件地理信息系统应用领域的广泛性、通用性，本章的术语和示例使用了ArcGIS的用法。 一、坐标系统及投影 空间数据的获取、管理、分析等过程的基础在于空间位置的准确性和惟一性，因而系统中所有数据均需有确定的空间位第116页置信息，例如经度和纬度坐标，或者地理网格坐标。也可以包含间接的空间参照系统(spatialreference)，例如地址、邮政编码、人口普查区名、森林位置识别、路名等。GIS的地理坐标系可有效帮助用户在地球表面任意空间定位。 1椭球体 一般来说，空间位置信息主要由两个几何模型确定，第一个几何模型定义了地球的形状。日常生活中使用最多的空间位置信息是经度、纬度和海拔高度，这三个参数能够确定地球三维空间中的任意一点。但是，这种确定位置的过程基于一种假设：地球是圆形的；很明显，如果不考虑地球的形状，在地球上很多地方采用经纬度和海拔高度描述空间位置会发生不小的偏差。这种偏差在日常生活中并没有造成很大的问题，但在进行实地的测绘和大范围的地面作业时，将造成很大的偏差。因而，需要给空间数据定义准确的地球形状，这种几何模型称为地球椭球体(spheroid)。在地球表面的不同地方，地球的形状(向外凸或向内凹)不同，需要定义不同的椭球体。例如，我国大部分陆地是山地和高原，特别是青藏高原对地球的局部形状影响很大， 般采用Krasovsky椭球体定义的参数。椭球体模型一般包括两个基本的参数，即长轴和短轴的半径。 椭球体模型进一步扩展为基准(datum)模型，普通的椭球体模型可称为椭球体基准，而另一种是基准面模型，它描述了椭球体基础上在不同方向上具有变化的地表曲面，几何上表达为具有水平、垂直方向上的变形的地球曲面的一定区域。在一般椭球体模型的2个基本参数基础上增加1个比例因子(一般为l或接近1)，以及水平2个方向和垂直方向的6个几何参数(控制基准曲面的位置和偏向)，可将椭球体模型转换为基准面模型。 2投影 投影(projection)是用来描述地球表面位置信息的第二个几何模型。地表曲面在测绘和制图中存在很多不便，也不符合人们日常的空间感。所以，一般通过几何模型将地球曲面按照数学关系映射为一个平面，这一过程称为投影。具体过程为将地球曲面的某些部分先投影到一个投影面上，然后将投影面展开为一个平面。投影面可以是圆锥面、圆柱面或一个空间平面，投影面为平面的情况(称为方位投影)一般多应用于赤道或两极。常用的投影面为圆锥面或圆柱面(椭圆柱面)，图62和图63分别是圆锥投影和圆柱投影的示意图，可以看出地球曲面与投影面之间的关系可以是相切或相割的。相切的情况下只需要地球曲面上的一条切线就可以确定投影面的位置，而相割时产生2条割线。如果切线或割线是1个或2个标准纬圈，则属于正轴投影类型；如果切线和割线与经线和纬线斜交，则为斜轴投影；一般的制图多用正轴投影。不同的投影具有不同的特点，正形性(等角性)、等积性、等距性、真向性等，没有一种投影同时具有这些特点，一般只具有其中的一种或两种。我国的测绘、制图中最常见的投影有如下第七章 GPS原理及应用 一、GPS简介 1GPS的产生 导航和定位对人类的许多活动都是至关重要的。确定人们在哪里、到哪里去，在哪里有所关心的人、物和事件，是一个最古老的、最需要解决的、关系到全球人类一切活动的最基本难题。然而解决这一难题是相当复杂的，许多年来各种各样的技术都曾经努力简化这个问题，例如众所周知的中国古代四大发明之一的“指南针”，虽然给全球的导航定位，特别是给世界航海业带来了巨大的进步，但也必须结合地面、海中的行程进行精密计算那样，每一种方案都有其许多不可避免的缺点。 1973年12月，美国国防部开始研制世界范围内的高精度的定位系统：NAVSTARGPS。它是英文“navigationsatellite timingand rangingglobal pOsitioningsystem的缩写词，其意为“卫星测时测距导航全球定位系统”，简GPS系统。19741993年，GPS计划经历了方案论证、系统论证、生产实验三个阶段，总投资超过200亿美元。论证阶段共发射了u颗称作BLOCKI的试验卫星，生产实验阶段发射BLOCKDR型第三代GPS卫星，GPS系统由此为基础改建而成。其结果即是现代影响世界的全球定位系统，从此永远的改变了全世界的定位和导航的历史。 2GPS的基本特性 全球定位系统是地理信息系统与卫星通讯技术相结合的高科技技术产物，它的出现以及在海湾战争中的精彩表演令世人瞩目。随着技术的发展，GPS技术越来越多的应用到了民用领域包括：陆地运输、民用航空、海洋贸易、地球科学、测绘、建筑、矿业、电力系统、通讯、农业和户外娱乐活动等。GPS逐渐成为人们日常生活的一部分，成为商业和公共基础设施的要素，以及时间和空间信息的重要来源，成为信息时代的国家基础设施之一。 该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性(陆地、海洋、航空和航天)、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。 GPS是由24颗卫星及它们的地面部分组成的、全球性的无线导航系统。它第129页采用了人造卫星作为动态已知参考点去计算地面上米级精度的点位。而事实上可以用GPS比较科学的方法来获得优于厘米级的测量精度。感觉上好像是将地面上每平方米都赋予卫星上每一个惟一的地址，只要对号入座就町以了。 二，GPS的组成和原理 GPS系统包括三大部分：空间部分一一GPS卫星群；地面控制部分地面监控系统；用户设备部分-GPS信号接收机。 1卫星及星座 (1)星座系统由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作(21十3)GPS星座，图71是卫星星座的示例。24颗卫星均匀分布在6个轨 道平面内，轨道倾角为55，各个轨道平面之相距60，即轨道的升交点赤经各相差60。每个轨道平面内务颗卫星之间的升交角距相差90，一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30。卫星高度为20200km，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行两周，即绕地球一周的时间为12恒星时。这样，对于地 面观测者来说，每天将提前4min见到同一颗GPS卫星。载波频率为1575GHz和1227GHz。 卫星通过天顶时，卫星的可见时间为5h，位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了计算测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。在观测过程中这4颗卫星的几何位置分布对定位精度有一定的影响，对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段称作“间隙段”，但这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的导航定位测量。GPS工作卫星的编号和试验卫星基本相同。 (2)GPS卫星GPS工作卫星的在轨质量是84368kg，其设计寿命为七年半。当卫星入轨后，星内机件靠太阳能电池和镉镍蓄电池供电。每个卫星有一个推力系统，以便使卫星轨道保持在适当位置。GPS卫星通过12根螺旋形天线组成的阵列天线发射张角大约为30的电磁波束，覆盖卫星的可见地面。卫星姿态调整采用三轴稳定方式，由四个斜装惯性轮和喷气控制装置构成三轴稳定系统，致使螺旋天线阵列所辐射的波速对准卫星的可见地面。 卫星信息包括三种信号分量：载波、测距码和数据码，其中载波采用两个频率发送：Fl1157542MHz，Fl212276MHz；测距码分为粗码CA码和精码，分别提供给民间用户和军方用户，都采用伪随机码；数据码的内容包括遥测第八章 草原监测技市与方法 草原类型、植被组成等特性在空间上具有连续过渡的特征，且因植物组成种类繁多形成很多复杂的组合，甚至很难分辨出明显的优势种，进行草原监测工作时必须选择适宜的尺度，结合地形、土壤、水分等环境因素，才能反映出草原在空间上的变化。另一方面，我国草原空间分布范围广，多处于经济落后地区，交通不便，自然资源和环境的监测与调查也相对落后，在监测信息获取上存在较多困难，特别是缺乏大比例尺监测的数据、资料，这就需要很强的监测信息获取能力和大范围空间数据的分析能力。 草原植被因其自有的特征，在时间上变化远不如森林、作物那样规律、稳定。受气候因素的影响很多干旱、半干旱地区的草原表现出剧烈年际变化，而每一年中不同季节的变化虽较年际变化显得稳定一些，但受干旱、鼠虫病等灾害影响仍然很重；草原利用方式和管理水平对其季节变化也有很大的影响。所以，掌握草原时间上的动态规律需要较长周期的持续监测。正是基于同样的原因，监测草原生产力季节、年际动态和评估载畜能力对于避免灾害损失、指导畜牧业生产有着重要的意义。 草原监测的目的是从空间和时间两个方向掌握草原的动态，因而监测的技术和方法都具有显著的时空特征。第一节 不同尺度下监测的内容、技术前已述及，尺度的大小是一个相对的概念，表现为时间和空间上片段的大小。掌握草原的现实分布状况总是在一定的时空片段上，需要协调的时间和空间尺度。对于相同的监测范围，空间尺度越小，所需的数据获取和分析的时间就越长，也就很难保证小的时间尺度；同样，较小的时间尺度上，很难及时地获取和分析大范围的监测信息；而且目前的遥感信息源和地面监测手段也很难在保证小的时间尺度(如几天)的同时，获得较小空间尺度(如1：10X10以上的比例尺)的信息。针对不同的监测目标，所需的时空尺度是不一样的，一般来说更小的尺度有助于得到更为准确的结果，但需要更多的经费投入和消耗更长的工作时间。根据我国草原监测的实践，将各项内容的目标和技术按时间尺度划分如下。第139页一，小时间尺度针对不同类型的监测目标，时间尺度的划分是有差异的。即使是自然资源中不同的领域，监测的时间尺度也有很大的差距；例如矿产资源在很大的时间尺度上变化，而植被资源主要是受地球公转周期的影响体现为周期性的变化。小的时间尺度对应于较短的监测周期。这里把周期小于1年的草原监测定义为小的时间尺度。当然，在较短的时间范围内很难反映草原资源与生态宏观的变化规律，仅能对草原的生长、利用动态以及实时性需求强的灾害等内容进行监测。 (一)实时或准实时监测管理部门总是希望能够像雷达发现飞机那样及时掌握草原的变化情况，但是同雷达只能实时地监控有限的范围一样，用于草原监测的卫星、航空信息源或地面监测者很难同时监测全部草原。如果监测目标是非常大的物体，如云团、飓风等，侧可用地球静止轨道上的卫星实时地监测。因而，实现实时或准实时的监测必须具备的条件是：监测目标个体很大，即空间尺度很大；或者是监测信息采集设备固定地采集同一地点的信息，即空间幅度很小，且一般配备专用的监测设备。一般来说，实时或准实时监测的比例尺在(1：10010t)一(1：400X104)之间。实时、准实时监测需要在很短的时间内完成，但一般没有明显的周期，往往根据实际事件的发生情况进行，草原领域的主要应用有以下两个方面。 1草原火情监测草原火点识别、火情监测是草原监测应用最成熟的方面，而且主要是采用遥感手段。利用周期较短的NOAA或MODIS卫星(周期小于Id)的热红外传感器可以有效地识别火点，通过准实时的连续监测，判断，分析火情。火点可以通过目视的方式在遥感图像上判别出来，也可将草原火点识别软件集成于卫星信息接收站的接收系统中，通过自动判别、识别火点后发出警示信息、技术人员确认、上报火点、分析火情火势、上报火情预测情况等步骤，以人机交互的方式完成火情监测。目前，我国草原火情监测系统主要采用这样的机制，在防火季节需要对每天的图像进行判别、处理。在技术上，火点识别主要依据热红外波段对温度敏感的特性。对于火点面积较小，或者热红外波段响应不明显的情况，还可通过结合其他波段提取烟雾信息来进行辅助判别。：分析火情的发生原因和发展趋势是火情监测中技术最为复杂的环节，一般需要依赖一些火行为模型。火行为模型描述火情的发展过程，涉及燃烧地点和可能的扩散方向上的可燃物(草原地上生物量和枯落物)植物构成、燃烧特性(燃点、燃烧时间)、数量、高度和含水量，地形，风向和风力等因素，这些因素在一定的条件下均可能成为决定因素。利用火行为模型可以判断一定时间内火灾扩散的方向和距离，对于指导灭火、避免火灾损失有着重要的意义。但研制火行为模型所需的试验条件较难配备，特别是较大的火势和风力条件难以达第九章 地面监测 一、地面监测概述 针对不同的监测目标，地面监测能够以抽样的方式获得地面一系列点上的草原的地形、土壤等环境特征，植物构成、高度、覆盖度、产量等生长状况，鼠虫病害的数量、密度和危害程度，草原保护与建设工程的进展和植被恢复情况等数据，为遥感手段获取的数据提供空间样本，也能在定程度上动态地或离散地反映草原资源的现实及变化情况。同时，通过地面监测还可以掌握放牧压力、草原管理、保护与建设等实践资料，作为本底资料的补充。 (一)地面监测的作用 地面监测数据主要有以下三个方面的用途。 1作为遥感监测的样本 通过定位信息将地面监测数据与遥感图像复合，了解监测区内不同草原类型在一定的群落学特征、生态条件、分布规律和利用方式下在遥感图像上所反映出的波谱特征，以地面监测样地、样方为样本，建立针对不同监测内容的监测模型，通过模型运算获取区域草原资源状况，对比分析草原资源的动态变化。 2典型分析和机理研究 在不结合遥感监测的情况下，地面监测数据本身可以反映典型草原类型、环境、利用方式、鼠虫害发生地、建设工程的现状和动态，以抽样方法获取不同监测内容的现实和动态状况，通过连续的周期监测总结一个地点草原群落演替、生产力波动、退化、沙化、盐渍化、鼠虫病害发生发展、植被恢复等的机理以及与环境因素的关系。 3验证遥感监测结果 利用遥感图像周期覆盖、可比性好的优势，加上监测模型的积累，经过多年监测后，一些监测内容对地面监测数据的依赖越来越少，有的监测过程甚至可以实现自动化，地面监测数据将更多地应用于对监测结果的验证和对监测模型的调整、改进。 (二)地面监测的周期 1年度监测 在以草原生产和生态状况为目标的监测中，主要是监测草原资源随气候、利第154页用、工程措施等发生的年际动态变化，监测时间应在每年的草原植被生物量高峰期进行。但是不同地区由于气候条件的差异，草原生长高峰出现的时期不一致，测定时间以一般草原群落中主要牧草进入盛花期时为宜，这一时期还有利于辨别、鉴定植物。北方草原一般在78月份；南方热带、亚热带地区、西北荒漠区干旱系列的草原，由于夏季高温、干旱，草原植物有短时期的休眠，草原产草量在一年中可能呈现双峰曲线，因此进行年度监测时，应选择两个高峰中最高的时期进行。对于草原灾害和建设情况的年度监测，需要根据实际的发生或实施情况，因地制宜地安排监测的时间。 2月度监测 月度监测主要是掌握一定利用方式下草原植物的生长状况，鼠虫病害发生、发展的过程，以及它们与气候、土壤等因素季节动态之间的关系。通过月度监测还可以反映草原资源随季节及利用方式变化(季节牧场、季节性休牧等)而发生的差异，以确定草原的第一性生产力、草原的适宜利用强度和草畜平衡。 月度监测从草原牧草返青开始，到当年植物生长结束，每月测定1次。一般北方草原在45月返青，每月中旬测定1次，直到在10月中旬左右草原植物生长停止；在冷季，可以每两个月监测1次。南方热带、亚热带草原植物生长没有明显的枯黄期，但是一年四季中植物生长仍有差异，因此一般在植物的旺盛生长时期，每月中旬监测1次，即从411月，11月以后，两月监测1次。 3短周期监测 对于鼠虫病害发生期和牧草生长的特定时期，需要逐日或以非常短的时间间隔(一般小于1周)，对重点地区或典型区域进行连续的观察和测定，以掌握植物、动物种群的数量动态和病害发生的程度等内容。这种监测频率高，很难在大范围内多个地点实施，获取的样本数量少，因而在样地或样点的选取上应充分考虑其区域代表性。 (三)地面监测的工作流程 地面监测主要包括以下五个环节。 1准备工作 包括准备地面监测所需的人员、材料、工具和资料等。 2选择路线和样地 参照路线及样地选择的方法及注意事项，在地形图或图像上初步确定调查路线，之后经对选定的监测路线及样地实地踏查及对比，确定监测路线、样地以及监测时的交通线路。 3访问调查 访问调杳是地面监测中的一项主要内容，主要是与有经验的干部和群众座谈，或者发放调查表进行访问。访问调查主要是了解生产利用特点，包括牧草的第十章 遥感图像处理 对于遥感、测绘或太空等领域之外的遥感应用者来说，其遥感应用的主要方面就是对遥感图像进行信息提取(information extraction)。前已述及，遥感图像是对地面的二维镜像，包含了传感器可检测的地面所有地物的反射或辐射信息。对于诸如草原一类的专业而言，大部分信息是不感兴趣的，这些信息的存在不仅对图像的分析没有益处，反而容易混淆目标地物及其边界。因而，信息提取 一般有两种途径：一是直接提取目标信息，这种情况往往应用于日标比较明显或易于区分的情况，如水体、沙丘、云或雪等；二是尽可能地消除其他信息的干扰，之后对目标地