新疆博斯騰流域濕地遙感監(jiān)測(cè)及時(shí)空變化過(guò)程

朱長(zhǎng)明，李均力，張 新，駱劍承，沈占鋒

1.江蘇師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，江蘇 徐州 221116

2.中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所，北京 100101

3.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊 830011

0 引言

濕地是地球表層獨(dú)特而重要的生態(tài)系統(tǒng)，與森林、海洋生態(tài)系統(tǒng)并列為全球三大生態(tài)系統(tǒng)，它們共同維系著地球表層生物多樣性和生態(tài)平衡［1］。由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長(zhǎng)造成了世界范圍內(nèi)濕地面積的銳減，嚴(yán)重威脅到了區(qū)域乃至全球經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展［2］。作為干旱區(qū)的一種特殊景觀類型，濕地是干旱區(qū)獨(dú)特而最具有生產(chǎn)力的生態(tài)系統(tǒng)之一，是流域水分循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，在蓄洪防旱、降解污染、調(diào)節(jié)氣候、補(bǔ)充地下水、控制土壤侵蝕等方面均起到重要作用，其產(chǎn)生和消失、擴(kuò)大和萎縮對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境將產(chǎn)生重要的影響，同時(shí)也直觀地反映了區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化。

由于濕地所在區(qū)域地理環(huán)境復(fù)雜、通達(dá)性較差、人工地面調(diào)查困難等原因，遙感科學(xué)技術(shù)一開(kāi)始就在濕地調(diào)查與制圖領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［3］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用遙感與GIS技術(shù)對(duì)濕地監(jiān)測(cè)展開(kāi)了大量的研究。Jensen等［4］基于多光譜掃描儀（multispectral scanner，MSS）影像采用混合迭代的分類方法對(duì)薩瓦納河流域進(jìn)行濕地制圖；Kinsford等［5］運(yùn)用衛(wèi)星影像研究了澳大利亞Mumimbidgee河的洪泛濕地在1975－1998年間的面積變化；Jessika等［6］融合 Radarsat Synthetic Radar和光學(xué)遙感影像動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)了加拿大艾伯塔東北部濕地的時(shí)空變化；王憲禮等［7］利用 RS/GIS手段對(duì)遼河三角洲1986、1994年2個(gè)時(shí)段的濕地景觀進(jìn)行了研究；張樹(shù)清等［8］應(yīng)用專題繪圖儀（thematic mapper，TM）影像對(duì)三江平原濕地進(jìn)行了遙感分類研究；汪愛(ài)華等［9］從景觀生態(tài)學(xué)角度，探討了三江平原沼澤濕地的動(dòng)態(tài)變化特征；劉紅玉等［10］對(duì)近20a來(lái)?yè)狭恿饔驖竦鼐坝^變化過(guò)程進(jìn)行了時(shí)空定量研究分析；丁圣彥等［11］研究了河南沿黃濕地近20a來(lái)的景觀格局演化；姜玲玲［12］對(duì)2000年和2006年大連濱海濕地景觀格局變化及其驅(qū)動(dòng)力因子進(jìn)行了研究；宮鵬［13］通過(guò)landsat數(shù)據(jù)完成了1999和2000基準(zhǔn)年我國(guó)濕地遙感制圖；宮兆寧［14］應(yīng)用遙感手段對(duì)北京濕地景觀格局演變特征與驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行分析研究。

縱觀我國(guó)現(xiàn)有的濕地景觀格局時(shí)空變化研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)主要集中在中東部經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)，而西部地區(qū)較少，尤其全球變化的敏感區(qū)和生態(tài)環(huán)境的脆弱區(qū)——干旱區(qū)研究更是偏少。在氣候變化因素和人類活動(dòng)的雙重作用影響下，近幾十年來(lái)亞洲干旱區(qū)水資源的空間分布與地表水循環(huán)的時(shí)空過(guò)程發(fā)生了重大的改變，引起了一系列的生態(tài)危機(jī)［15］。濕地生態(tài)系統(tǒng)退化已經(jīng)引起了政府決策部門和相關(guān)學(xué)者的重視，但是，從獲取的文獻(xiàn)資料看，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于此方面的研究較少。

鑒于此，筆者借助于衛(wèi)星遙感技術(shù)開(kāi)展近20a來(lái)博斯騰流域濕地信息詳細(xì)調(diào)查和過(guò)程監(jiān)測(cè)，研究了博斯騰流域濕地的時(shí)空變化規(guī)律，認(rèn)識(shí)和了解干旱區(qū)濕地變化的動(dòng)態(tài)特征和時(shí)空變化過(guò)程，以期為干旱區(qū)濕地資源的合理利用和濕地生態(tài)環(huán)境的保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)選擇

1.1 研究區(qū)概況

博斯騰湖流域位于天山南麓，東經(jīng)85.5°－87.5°，北緯41.5°－42.5°，既是開(kāi)都河的尾閭，又是孔雀河的河源，也被稱為“開(kāi)－孔”流域［16］，是新疆濕地分布的主要地區(qū)之一，并列入亞洲濕地詞典（圖1）。按照拉姆薩爾濕地公約中確定的濕地定義進(jìn)行編碼，博斯騰湖濕地編碼類型為13、14、15，具體類型為：湖泊濕地、河流濕地和沼澤濕地。該區(qū)氣候干旱少雨，夏季干燥炎熱，冬季寒冷，蒸發(fā)量大，屬中溫帶干旱荒漠氣候［17］。在水源補(bǔ)給上，一方面，主要受天山冰雪融水的補(bǔ)給，另一方面是區(qū)域生產(chǎn)生活用水重要的水源。由于其特殊的地理位置，區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化受到自然和人為因素的共同影響［18－20］。

1.2 數(shù)據(jù)源選擇

根據(jù)研究區(qū)的數(shù)據(jù)質(zhì)量、成像季相、云干擾以及水文特征等信息，選取覆蓋全區(qū)的3期季相一致的遙感影像作為干旱區(qū)濕地變化制圖的遙感數(shù)據(jù)源。研究區(qū)3期遙感影像分別為1990年的TM數(shù)據(jù)、2000年的增強(qiáng)型專題制圖儀（enhenced thematic mapper plus，ETM＋）數(shù)據(jù)和2010年的TM數(shù)據(jù)。在局部數(shù)據(jù)缺失以及云層干擾的情況下，局部區(qū)域采用了CBERS等其他衛(wèi)星影像替代。對(duì)遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括輻射校正和投影轉(zhuǎn)換。輻射校正根據(jù)頭文件中輻射定標(biāo)參數(shù)，恢復(fù)遙感影像的物理屬性；考慮到濕地面積變化統(tǒng)計(jì)，將3個(gè)時(shí)期的衛(wèi)星遙感影像統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到Albert等面積圓錐投影。

圖1 博斯騰流域地理位置Fig.1 Geographic location Bosten wetland

圖2 干旱區(qū)濕地遙感監(jiān)測(cè)與圖斑自動(dòng)更新Fig.2 Follow chart of wetland remote sensing detection and patch updates

2 干旱區(qū)濕地遙感制圖

在全面分析研究干旱區(qū)濕地的空間分布特征基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有的遙感信息“圖譜”耦合認(rèn)知理論框架，在面向?qū)ο蠹夹g(shù)的支持下，挖掘干旱區(qū)濕地的空間和光譜特征，實(shí)現(xiàn)了干旱區(qū)濕地遙感自適應(yīng)提取（類似監(jiān)督分類過(guò)程）。干旱區(qū)濕地遙感信息提取與圖斑更新技術(shù)流程見(jiàn)圖2。

圖3 博斯騰流域濕地信息及地表覆被圖Fig.3 Wetland and land cover classification

干旱區(qū)濕地遙感信息自動(dòng)提取整體流程包括遙感影像多尺度分割、分類樣本選擇、特征優(yōu)選、支持向量機(jī)（support vectot machine，SVM）分類器設(shè)計(jì)和人工后處理等步驟［21］。而對(duì)于第二期濕地遙感制圖，筆者在已有研究區(qū)一期濕地分布專題圖圖斑的控制下，將遙感空間信息挖掘概念引入到干旱區(qū)濕地遙感信息自動(dòng)提取過(guò)程中，通過(guò)已有的專題圖層控制遙感影像多尺度分割，在空間位置輔助下得到初步分類結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過(guò)專題的空間緩沖分析，形成信息提取的目標(biāo)靶區(qū)；挖掘目標(biāo)靶區(qū)的每一圖斑“譜”、“圖”特征，構(gòu)建專題信息提取判別規(guī)則集；通過(guò)隸屬度函數(shù)，構(gòu)建模糊分類模型，實(shí)現(xiàn)專題圖斑的精確識(shí)別和更新；最后，圖幅整飾、出圖，形成第二、三期干旱區(qū)濕地遙感信息提取專題圖。

3 濕地變化分析

3.1 流域濕地變化

3.1.1 博斯騰濕地變化過(guò)程

博斯騰流域濕地主要類型包括河流、湖泊和蘆葦沼澤，根據(jù)研究區(qū)3期遙感數(shù)據(jù)，采用圖譜耦合的干旱區(qū)濕地遙感信息提取技術(shù)，實(shí)現(xiàn)流域濕地遙感信息提取與分類。博斯騰流域的干旱區(qū)濕地遙感信息提取與地表覆被分類詳見(jiàn)圖3。從3期遙感影像分類圖可看出，近20a來(lái)流域地表景觀格局已經(jīng)發(fā)生了顯著改變。

表1 博斯騰流域濕地及地表覆被面積變化Table 1 Area of wetland and land cover change statistics km2

表1從景觀面積統(tǒng)計(jì)的角度，對(duì)流域范圍濕地變化進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)。從流域濕地面積統(tǒng)計(jì)表可以看出，不同類型濕地發(fā)生的變化過(guò)程和變化幅度不同。圖4通過(guò)繪制不同類型濕地的面積變化曲線，更為直觀地反映了流域1990－2010年流域濕地變化過(guò)程。從流域濕地面積變化曲線可以看出，在變化特征上：河流、湖泊濕地的面積變化曲線都呈倒“V”型（圖4a、b）波動(dòng)，且變化趨勢(shì)顯著相關(guān)，R2（R為相關(guān)系數(shù)）達(dá)到0.99，反映了近20a來(lái)流域河流和湖泊濕地面積變化呈現(xiàn)先增大再減小，河流濕地和湖泊濕地面積變化總體特征上完全一致；流域蘆葦濕地變化曲線是先急劇下降，然后下降趨勢(shì)變緩（圖4c），從1990年到2000年，面積減少了191.5 km2，而從2000年到2010年蘆葦沼澤面積減少約3 km2，這表明流域的蘆葦沼澤面積總體在持續(xù)減少，但是減小幅度相對(duì)緩和。

圖4 1990－2010年博斯騰流域不同類型濕地面積變化曲線Fig.4 Wetland area change curve of different wetland types in Bosten lake basin

3.1.2 濕地動(dòng)態(tài)變化分析

為了進(jìn)一步研究博斯騰流域濕地面積在近20a內(nèi)的變化過(guò)程，一方面需要了解濕地自身的變化強(qiáng)度，另一方面需要知道流域濕地變化的時(shí)間特征。為此，通過(guò)引入濕地動(dòng)態(tài)度（dynamic change，DC）模型［22］，計(jì)算流域范圍內(nèi)濕地20a的變化動(dòng)態(tài)度（表2）。

表2 博斯騰流域濕地變化動(dòng)態(tài)度Table 2 Dynamic change of wetland in Bosten basin

濕地動(dòng)態(tài)度從另一個(gè)角度表明了博斯騰流域的變化過(guò)程。從表2可以清楚地看出：1990－2000年流域河流濕地面積以年平均5.46%的速度增加，湖泊濕地面積以年平均1.29%的速度增加，蘆葦沼澤的面積以年平均2.84%的速度減少；2000－2010年流域河流濕地面積以年平均2.97%的速度減少，湖泊濕地面積以年平均0.93%的速度減少，蘆葦沼澤面積以年平均0.03%的速度減少；而從近20a整體動(dòng)態(tài)度上看，河流濕地和湖泊濕地面積在變化中有所增加，變化率分別為0.43%和0.12%，蘆葦沼澤的面積以年平均1.43%的速度減少。

由于流域主導(dǎo)濕地類型為湖泊和蘆葦沼澤，雖然流域湖泊和河流面積略有增加，但是蘆葦沼澤發(fā)生了更多的萎縮，所以總體上流域濕地面積表現(xiàn)為不斷減少。從博斯騰流域濕地的變化趨勢(shì)（圖5）可見(jiàn)：1990年博斯騰流域的濕地總面積為2 100.97 km2，2000年博斯騰流域的濕地總面積為1 903.52 km2，2010年博斯騰流域的濕地總面積為1 795.83 km2，1990－2010年濕地總面積減少了16.24%。因此，近20a來(lái)，流域的濕地總體變化趨勢(shì)是減小的，但是減小趨勢(shì)變緩。通過(guò)計(jì)算得知：1990－2000年流域濕地變化的動(dòng)態(tài)度為－0.94%；2000－2010年流域濕地變化的動(dòng)態(tài)度為－0.57%。

通過(guò)對(duì)變化曲線的線性擬合，得到濕地變化趨勢(shì)線，見(jiàn)圖5中的黑色線條。濕地面積變化曲線的擬合方程為：y＝－15.25x＋32 447，R2達(dá)到0.97。

3.2 區(qū)域生態(tài)環(huán)境關(guān)系分析

3.2.1 干旱區(qū)濕地變化與流域冰川消融關(guān)系

流域范圍內(nèi)的濕地和冰川的變化總體趨勢(shì)一致，冰川逐年消融，濕地呈現(xiàn)逐年遞減。博斯騰流域濕地和冰川面積變化耦合關(guān)系曲線見(jiàn)圖6。從圖6中看出，流域范圍內(nèi)濕地面積變化和冰川面積變化呈正相關(guān)。流域范圍內(nèi)濕地面積和冰川面積一樣，自1990年以來(lái)不斷萎縮。通過(guò)變化關(guān)系曲線擬合，流域范圍內(nèi)濕地面積變化和冰川面積的變化符合對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。濕地面積與冰川面積的函數(shù)關(guān)系為：y＝146.84lnx＋1 575.5，R2為0.99。

圖5 博斯騰流域濕地變化趨勢(shì)Fig.5 Change trend of wetland in Bosten basin

圖6 博斯騰流域濕地與冰川變化關(guān)系曲線Fig.6 Relationship of wetlands and glacier

3.2.2 干旱區(qū)濕地變化與流域降水關(guān)系

根據(jù)博斯騰流域范圍內(nèi)的氣象臺(tái)站數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)博斯騰湖流域有氣象記錄以來(lái)的降水變化，并繪制氣溫降水累積距平曲線（圖7）。從圖7上可以明顯地看出，流域范圍內(nèi)降水有增多的趨勢(shì)，降水距平在2000年左右出現(xiàn)最大的峰值。

圖7 博斯騰湖流域累積降水距平曲線Fig.7 Precipitation anomaly in Bosten basin

通過(guò)降水距平統(tǒng)計(jì)，博斯騰湖流域1983－1992年降水距平為－91.1mm，1993－2002年，降水距平為324.5mm，2003－2009年降水距平為26.6 mm。將降水變化距平曲線同濕地面積變化曲線（圖4）的相同時(shí)段對(duì)比分析可以看出，隨著降水量的增加，尤其是2000年流域降水最大年（豐年），流域河流和湖泊濕地有著明顯的增加，但是流域蘆葦沼澤面積變化對(duì)此不是十分敏感。流域的湖泊、河流濕地面積變化與流域降水呈正相關(guān)，而流域蘆葦沼澤濕地的變化與降水相關(guān)性不強(qiáng)。流域濕地總體變化與降水變化相關(guān)性不顯著。

3.2.3 干旱區(qū)濕地變化與人類活動(dòng)關(guān)系分析

城鎮(zhèn)用地和農(nóng)業(yè)用地反映一個(gè)地區(qū)的城市化程度和人類活動(dòng)對(duì)自然資源的開(kāi)發(fā)利用程度。人類活動(dòng)對(duì)土地利用土地變化的影響集中表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)用地和城鎮(zhèn)用地的增加。城市化程度在遙感影像上直接表現(xiàn)為城鎮(zhèn)用地的大小。為此，在分析人類活動(dòng)對(duì)干旱區(qū)濕地變化的影響關(guān)系時(shí)，選用了耕地面積和城鎮(zhèn)用地面積2項(xiàng)指標(biāo)，城鎮(zhèn)用地還計(jì)算了最大斑塊指數(shù)（largest patch index，LPI）。LPI指的是第i種景觀類型中最大斑塊的面積與景觀總面積的比值。通過(guò)計(jì)算城鎮(zhèn)用地的LPI，可以從另一個(gè)側(cè)面反映出區(qū)域城市化程度的強(qiáng)弱，其計(jì)算公式如下：

其中：ai為第a類i個(gè)斑塊面積；A為a類斑塊總面積。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，1990年城鎮(zhèn)LPI為0.65%，2000年為0.81%，2010年為1.13%，流域范圍內(nèi)LPI表現(xiàn)為不斷增加。而從表1可以看出：近20a，流域范圍內(nèi)濕地總面積減少了305.14km2，耕地總面積增加了920.90km2，城鎮(zhèn)面積增加了177.62 km2。其中有125.17km2的濕地直接轉(zhuǎn)換為耕地。通過(guò)面積變化相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)：濕地面積變化與耕地面積變化呈完全負(fù)相關(guān)，R2達(dá)到－0.99；流域濕地面積變化同流域城鎮(zhèn)面積變化呈顯著負(fù)相關(guān)，R2達(dá)到－0.97。從圖8流域濕地、城鎮(zhèn)和耕地面積變化關(guān)系曲線上，同樣可以看出耕地、城鎮(zhèn)面積的增加同濕地面積萎縮呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖8 博斯騰流域濕地與城鎮(zhèn)、耕地變化關(guān)系Fig.8 Change curves of wetland change and towns，cultivated land in Bosten basin

4 結(jié)論與討論

1）最近20a來(lái)，流域濕地變化過(guò)程呈現(xiàn)波動(dòng)性減少的特征，不同類型濕地變化過(guò)程的特點(diǎn)不同。湖泊濕地和河流濕地在1990－2000年呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，蘆葦沼澤濕地1990－2000年表現(xiàn)為減少趨勢(shì)；而2000－2010年流域范圍內(nèi)所有的濕地均表現(xiàn)為萎縮狀態(tài)。

2）近20a來(lái)，流域的濕地總體變化趨勢(shì)是減小的，但是減小趨勢(shì)變緩。1990－2000年流域濕地變化的動(dòng)態(tài)度為－0.94%；2000－2010年流域濕地變化的動(dòng)態(tài)度為－0.57%。雖然河流濕地和湖泊濕地1990－2000年表現(xiàn)有所增加，但是流域濕地的主導(dǎo)類型是湖泊濕地和沼澤濕地，增加的面積小于沼澤濕地減小的面積。

3）變化驅(qū)動(dòng)力方面：博斯騰湖流域的濕地變化長(zhǎng)期受到氣候變化的影響，如降水變化等；但是短期主要是受到人類活動(dòng)的干擾，人類活動(dòng)是博斯騰流域濕地破壞的直接驅(qū)動(dòng)力。人類活動(dòng)對(duì)濕地影響主要表現(xiàn)為將濕地開(kāi)墾為耕地，這與黃錢等［23］、L.W.Jing等［24］、趙銳鋒等［25］相關(guān)研究得到的結(jié)論一致。

4）流域范圍內(nèi)的濕地面積持續(xù)下降，應(yīng)引起管理者的重視。尤其是2000年以后，流域濕地面積呈現(xiàn)全面下降的趨勢(shì)，湖泊濕地面積減少最為明顯。這與王潤(rùn)等［26］研究得到的結(jié)論——博斯騰湖在經(jīng)歷了2002年的最高水位后湖泊水位持續(xù)下降完全吻合。所以，博斯騰湖在向下游應(yīng)急生態(tài)輸水的同時(shí)，需要注意上游合理水位控制和濕地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)，做到科學(xué)論證、合理開(kāi)發(fā)、開(kāi)源與節(jié)流并重。

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