基于3S技術的長白山自然保護區(qū)濕地分類及分布研究

盧 書 兵，朱 衛(wèi) 紅，李 洪 楠

基于3S技術的長白山自然保護區(qū)濕地分類及分布研究

盧 書 兵1，朱 衛(wèi) 紅2＊，李 洪 楠3

（1.北京師范大學資源學院，北京 100875;2.長白山生物資源與功能分子教育部重點實驗室，吉林 延吉 133002;3.曲阜市國土資源局，山東 曲阜 273002）

利用3S技術與實地調查相結合對長白山自然保護區(qū)的濕地系統(tǒng)進行了分類，從ALOS衛(wèi)星影像提取土地覆被信息，將其與研究區(qū)的地貌、地形、水系等環(huán)境因子進行空間疊加分析，把該地區(qū)的濕地劃分為2個系統(tǒng)、5個子系統(tǒng)和14個類型，并繪制出濕地分布圖，研究濕地分類及空間分布特征。研究表明：1）從水平分布上看，濕地受地貌和水文影響較為明顯。北坡坡度較小，易積水，沼澤濕地分布較多;南坡地勢起伏較大，河網(wǎng)稀疏且多季節(jié)性河流。2）從垂直分布上看，沼澤濕地在山體上垂直分布特點較明顯，沼澤以各種森林沼澤為主。河流濕地以長白山火山錐體為中心呈放射狀分布，隨海拔降低、坡度變緩而加寬。3）從景觀破碎度上看，長白山自然保護區(qū)濕地總體景觀破碎度較小，森林沼澤和高山苔原景觀破碎度較大，受人為干擾明顯。

濕地類型;分布特征;3S技術;長白山自然保護區(qū)

0 引言

濕地是人類重要的生存環(huán)境和自然界最富生物多樣性的生態(tài)景觀之一［1］。適當?shù)臐竦胤诸惙椒ㄊ菨竦刭Y源保護、利用和管理的基礎，也是濕地資源清查及評價工作中必須解決的基本問題［2］。在濕地分類研究方面，各個國家的劃分依據(jù)、指標與分類系統(tǒng)不盡相同，如Bellamy提出的歐洲泥炭地水文分類［3］，美國魚類和野生動物保護協(xié)會的濕地分類，20世紀80年代三江平原沼澤的綜合分類等［4］。近年來，3S技術的逐漸成熟給濕地調查研究帶來了廣闊前景，國內外許多地區(qū)采用遙感技術對濕地資源進行調查研究［5］。例如，Ahmed等利用 ETM/TM/ASTER影像識別、檢測北非沿海瀉湖特征及環(huán)境重大變化［6］;買凱樂等基于ALOS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對黃土丘陵典型流域景觀類型進行了分類識別［7］;鄧茂林等運用TM影像對若爾蓋高原濕地景觀格局動態(tài)變化進行定量研究，揭示了濕地變化特征、原因及驅動力［8］。

長白山自然保護區(qū)是我國同緯度上動植物資源最為豐富的區(qū)域，其濕地在維系東北地區(qū)生態(tài)平衡、保護生物多樣性等方面發(fā)揮著極其重要的作用。本研究采用3S技術和實地調查相結合的方法，對長白山自然保護區(qū)的濕地進行了監(jiān)測和分類，并分析了濕地空間分布特征，以期為長白山自然保護區(qū)濕地資源利用與可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

長白山自然保護區(qū)位于吉林省東南部，行政區(qū)域地跨延邊州的安圖縣、白山市的撫松縣和長白朝鮮族自治縣，總面積1 964.65 km2。長白山區(qū)屬于受季風影響的溫帶大陸性山地氣候，年均氣溫3～7°C，最低氣溫曾達－44°C;年降水量700～1 400 mm，降水量隨海拔高度升高逐步增加，6－9月份的降水量約占全年降水量的80%以上。由于氣溫低，降水量大，蒸發(fā)量小，使得長白山地區(qū)年均相對濕度在70%左右［9］。

采用的遙感數(shù)據(jù)為2008年10月1日ALOS衛(wèi)星影像，全波段空間分辨率達2.5 m，多波段空間分辨率為10 m，影像的成像質量和成像時的天氣狀況良好，能較好地反映地表信息。遙感數(shù)據(jù)處理主要是利用ENVI4.7對ALOS數(shù)據(jù)進行導入、幾何精校正、裁切等預處理，主要提供用于計算機自動分類的影像（波段4、3、2合成的影像）以及配準后的各種輔助判讀資料等。非遙感數(shù)據(jù)包括1∶1萬數(shù)字化地形圖、實地考察GPS數(shù)據(jù)、土壤圖、林班數(shù)據(jù)、DEM等數(shù)據(jù)。在ArcGIS9.3平臺下，利用Hydrology模塊對DEM柵格數(shù)據(jù)進行洼地區(qū)域提取并計算洼地深度。為了反映高程、坡度等地貌對濕地空間分布特征的影響，根據(jù)長白山植被垂直景觀帶將DEM柵格數(shù)據(jù)重新分類。利用Shtrahler分級方法對DEM數(shù)據(jù)進行河網(wǎng)分級，級別越高，匯流累積量越大，一般是主流，而級別較低的河流一般是支流［10］，并對分級后的河流做緩沖區(qū)處理。

2 濕地分類系統(tǒng)與濕地信息提取

2.1 濕地分類系統(tǒng)

按照《濕地公約》的分類系統(tǒng)和國內通用的濕地調查分類方法，結合研究區(qū)濕地立地特征，將濕地分為河流、湖泊、沼澤、高山濕地、人工濕地五大系統(tǒng);按照濕地的水文特征分別把河流型濕地、湖泊型濕地和沼澤型濕地分成永久性和季節(jié)性兩個子系統(tǒng);結合濕地的植被特征把濕地劃分為14個類型（表1）。

表1 長白山自然保護區(qū)濕地分類體系Table 1 The wetland classification system of Changbai Mountain Nature Reserve

2.2 土地覆被信息提取

本次土地覆被信息提取采用遙感技術結合野外實地調查的方法進行。由于長白山自然保護區(qū)地貌類型復雜多樣，為避免對地物誤分、混分，在解譯過程中需充分利用地形、地貌、水文等輔助數(shù)據(jù)，運用地學相關分析方法，綜合影像色調、亮度、飽和度、形狀、紋理和結構等特征并結合野外工作經(jīng)驗建立不同類型的解譯標志［11］。

在ENVI4.7平臺下，對ALOS衛(wèi)星影像進行幾何精校正、波段組合、圖像增強以及圖像融合等處理，形成遙感解譯基礎數(shù)據(jù);同時將研究區(qū)劃分為高山苔原、巖石裸地、岳樺林、高山草甸、針葉林、落葉松林、針闊混交林、闊葉林、水體9種土地覆被類型，根據(jù)已建立的土地利用分類系統(tǒng)和遙感判讀解譯標志，利用AOI工具選取訓練模板，對訓練模板的可能性矩陣和分類模板精度進行評價，并對遙感圖像進行監(jiān)督分類，最后結合人機交互式屏幕目視解譯繪制長白山自然保護區(qū)土地覆被圖［12］。

2.3 濕地信息提取

河流濕地、湖泊濕地、人工濕地可直接在土地覆被圖或地形圖上識別（圖1），而沼澤濕地多分布在林下，長白山自然保護區(qū)森林覆被率達85.4%，且森林郁閉度較高，無法通過影像解譯直接提取相關信息，可根據(jù)沼澤濕地立地特征建立決策樹，通過多源數(shù)據(jù)疊加分析確定其分布范圍（圖2），最后繪制出研究區(qū)濕地分布圖（圖3），對驗證樣本和分類結果進行一致性比較，總體精度85.5%，并統(tǒng)計得出各環(huán)境因子上濕地面積占長白山自然保護區(qū)濕地總面積的比例。長白山自然保護區(qū)濕地總面積830 km2，其中河流濕地29.65 km2、沼澤濕地694.72 km2、高山濕地（苔原濕地54.6 km2、草甸40.4 km2）95 km2、湖泊濕地9.8 km2、人工濕地0.003 km2。

圖1 河流濕地、湖泊濕地、人工濕地信息提取流程Fig.1 The information extraction flow of river wetland，lake wetland，constructed wetland

3 結果分析

濕地形成的決定性因素是地質地貌、氣候和水文條件，而植被、土壤和其他因素僅僅是影響因素。在大的地理尺度上，具備適宜的降水、溫度、蒸發(fā)組合，保證水分充足，地質地貌上保證有一定的匯水區(qū)和積水區(qū)且地表隔水，水文適宜，水流緩慢，水質適宜，才能保證地理尺度上濕地集中分布［13］。長白山是一個年輕的、典型的火山地貌區(qū)域，塑造了流水地貌、喀斯特地貌等多種地貌類型，長白山自然保護區(qū)內河谷、槽溝、峽谷廣布，地勢起伏懸殊、地形破碎，地貌和水文成為濕地的主要限制因素。

3.1 濕地分布與地形、地貌的關系

3.1.1 濕地分布與坡度的關系 濕地的形成與發(fā)育受地貌的影響。相對負地形往往是區(qū)域匯水中心和物質沉積區(qū)，多為濕地分布區(qū)。長白山自然保護區(qū)濕地多分布在坡度0°～8°的地區(qū)，這一帶地勢低緩，水分充足，土壤濕潤，在低洼平緩灘地產生滯水，不斷發(fā)生沼澤化過程，草本植物殘體難以完全分解，在土壤中形成厚度不均的潛育層或泥炭層。由于融凍作用常常形成半圓形的凍脹草丘，丘間洼地常年積水，沼澤濕地分布極廣。在海拔1 100～1 800 m的針葉林帶，坡度較大，排水良好，不易形成濕地;但由于氣候冷濕，蒸發(fā)量小，使得本區(qū)局部低洼地段分布有小面積濕地（如蘚類沼澤等），多分布在5°以下洼地區(qū)域，與我國濕地初步遙感制圖大致吻合［14］。

3.1.2 濕地分布與高程的關系 長白山以沼澤濕地、高山濕地垂直分布特征最為顯著。海拔720～1 100 m為落葉闊葉林和針闊混交林帶，地勢平坦，排水不暢，沼澤濕地分布廣且類型豐富，森林沼澤占總濕地面積17.8%，其他類沼澤面積占總濕地面積78.1%。本區(qū)落葉松森林沼澤分布較多，有富營養(yǎng)型長白落葉松－油樺－苔草群落、中營養(yǎng)型長白落葉松－油樺－篤斯越橘－蘚類群落和貧營養(yǎng)型長白落葉松－狹葉杜香－泥炭蘚群落;在平坦的溝谷、河灘、火口湖及堰塞湖中，尚有苔草群落、苔草－蘚類群落、油樺－苔草群落和柳葉繡線菊－苔草群落。群落地表平坦低洼，有季節(jié)性積水，地下水位較高（距地表20～40 cm），水分來源以地下水和地表徑流為主，汛期有河水補給土壤為沼澤土和泥炭沼澤土，泥炭層較薄。高山濕地是本區(qū)特有的濕地，僅分布在海拔1 500 m以上地帶。高山草甸濕地連片分布，面積最大的為17.7 km2，其次是張草帽頂草本沼澤，面積為5.12 km2，其它地方分布較少。王池花園、鳶尾花園等旅游景區(qū)也是典型的高山草甸濕地。依據(jù)《Ramsar公約》濕地分類系統(tǒng)，長白山苔原也歸屬于內陸濕地中的苔原、高山濕地類型，這里土壤有機質豐富，發(fā)育了以小灌木、苔蘚和地衣為主的冷濕型苔原植被。在海拔1 701～2 100 m，高山苔原濕地面積占總濕地面積的76.6%。

3.2 濕地分布與河流的關系

從水文上看，長白山自然保護區(qū)內河流眾多，主要有頭道江主要支流漫江、錦江、梯子河、松江河、槽子河和二道江主要支流頭道白河、二道白河、三道白河。沼澤濕地以河流為中心，沿河流兩側淺水區(qū)或低洼潮濕積水地段呈條帶狀分布。河流型濕地的分布隨著河流兩側地貌及灘地積水差異呈不規(guī)則擴展，在水流緩慢及河床為淤泥地段分布更為明顯。長白山山體受到強烈切割，在火山錐體上除了自天池向周圍呈放射狀流出眾多河流以外，還分布著密集的溝谷，逢汛期形成溪流，成為季節(jié)性河流，緩沖區(qū)狹窄（約2.5 m），與一級河流緩沖區(qū)接近。以南坡望天鵝主峰為中心放射性河流最為典型。一般情況下，河流上游比降大，水流湍急，排水條件良好，不易發(fā)育濕地;河流中下游比降小，坡度變緩，流域面積迅速擴大，河水易泛濫，易發(fā)生濕地化過程，濕地率較大。

3.3 濕地景觀格局特征

為了進一步分析濕地景觀結構數(shù)據(jù)，引入景觀斑塊破碎度指數(shù)FN［15］反映景觀空間結構的復雜性。計算公式為：

式中：FN1為研究區(qū)域的景觀破碎度指數(shù)，F(xiàn)N2為某一景觀類型的破碎度指數(shù)，NC為景觀總面積，Np為景觀中斑塊總數(shù)，MPS為景觀中各類斑塊的平均面積，Nf為某一景觀類型的斑塊數(shù)。依據(jù)上式，利用Fragstats軟件和ArcGIS9.3軟件計算得到濕地景觀類型面積、斑塊數(shù)和景觀破碎度指數(shù)（表2）。

表2 長白山自然保護區(qū)濕地類型及統(tǒng)計數(shù)據(jù)Table 2 The wetland classification and landscape characteristics statistics of Changbai Mountain Nature Reserve

FN1和FN2的值隸屬于［0，1］，其值愈接近1，景觀破碎化程度愈深。從表2可見，該區(qū)域景觀斑塊破碎化指數(shù)為0.034，表明其破碎化程度較低。森林沼澤濕地是長白山自然保護區(qū)主要濕地類型，F(xiàn)N2值為0.5334，明顯高于其它景觀類型;其他沼澤濕地FN2值較大，為0.2959，主要由于森林砍伐、毀林造田和其他人類活動的影響造成的;FN2值最小的為高山苔原濕地和高山草甸濕地，隨著長白山旅游人次增加，苔原也呈退化趨勢，體現(xiàn)出人類活動對濕地各景觀類型的干擾程度。

4 結論

本研究利用野外實地調查和3S技術相結合，建立長白山自然保護區(qū)濕地分類系統(tǒng)，探討長白山自然保護區(qū)主要濕地類型及其分布特點，基本上概括了長白山自然保護區(qū)的濕地類型。長白山自然保護區(qū)濕地類型極為豐富，自然濕地占絕對優(yōu)勢。沼澤濕地是本區(qū)主要濕地類型，占濕地總面積的83.7%，包括草本沼澤、灌叢沼澤、森林沼澤、蘚類沼澤、沼澤化草甸、地熱溫泉等濕地型，其中森林沼澤所占比重較大。長白山自然保護區(qū)濕地的形成，受諸多自然要素和人文要素相互作用、相互影響和制約，包括水文、土壤、植被、氣候、地質地貌、人類活動等方面，其中地貌和水文成為濕地分布的主要限制因素。

從地貌和水文上看，濕地主要分布在研究區(qū)的廣大低地、溝谷、山地緩坡處、湖泊附近和河灘、階地處。長白山最高峰海拔2 749 m，山地植被受地形影響強烈，植被具有明顯的垂直分布規(guī)律，沼澤濕地、高山濕地垂直分布特征最為顯著。

從景觀破碎度上看，長白山自然保護區(qū)總體景觀破碎度為0.034，受人為干擾程度較小。森林沼澤濕地和高山苔原濕地景觀破碎度較大，受人為干擾明顯。隨著近年來森林采伐和旅游資源的開發(fā)，高山苔原濕地受到一定程度破壞。當前，長白山自然保護區(qū)濕地面臨的生態(tài)環(huán)境問題日益突出，濕地的保護與恢復迫在眉睫。鑒于此，全面調查長白山自然保護區(qū)濕地資源，探討其空間分布特征，對制定科學的濕地利用和保護策略進而實現(xiàn)長白山自然保護區(qū)濕地資源的可持續(xù)利用具有重大意義。

長白山自然保護區(qū)管委會為資料搜集提供了幫助，此致謝忱！

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Study on Wetland Classification and Distribution in the Changbai Mountain Nature Reserve Based on 3S

LU Shu－bing1，ZHU Wei－h(huán)ong2，LI Hong－nan3
（1.CollegeofResourcesScienceandTechnology，BeijingNormalUniversity，Beijing100875;2.KeyLaboratoryofNaturalResourcesofChangbaiMountain＆FunctionalMolecules，MinistryofEducation，YanbianUniversity，Yanji133002;3.QufuMunicipalBureauofLandandResources，Qufu273002，China）

This study discussed the stand characteristics of the wetlands system in Changbai Mountain area by"3S"technology and field surveys.In this paper，the wetlands was divided into two systems：natural wetlands and artificial wetlands.Further the natural wetlands was divided into five subsystems based on the hydrological characteristics.Finally，14 types of wetlands was divided and their distributions were shown after the wetlands distribution in Changbai Mountain Nature Reserve was plotted.Forest wetlands can′t be obtained by traditional methods，and was gotten mainly through field surveys.According to satellite images，topographic maps，terrain and forest maps，natural conditions and the experience of experts from Changbai Mountain Nature Reserve Management Committee，this paper designed inspection route，selected the regional forest wetlands.With the help of GPS，the location and types of wetlands were determined.The results indicated that：1）The main distribution of wetlands was the vast low land，rivers，ravine regions.2）The distribution of forest swamp was wider，and often appeared in the low-lying mountainous areas，near lakes or on the coasts of rivers.3）Seen from landscape fragmentation，the overall was low in Changbai Mountain Nature Reserve，but showed higher landscape fragmentation in the forest swamp and alpine tundra because of human disturbance.

wetland classification;distribution characteristics;3S technology;Changbai Mountain Nature Reserve

P941.78

A

1672－0504（2012）06－0057－05

2012－03- 23;

2012－05－29

國家自然科學基金項目（40961011）;延邊大學211重點學科建設項目

盧書兵（1985－），男，博士研究生，研究方向為生態(tài)系統(tǒng)管理。＊通訊作者E－mail：whz＠ybu.edu.cn