遙感技術在陸地生態系統修復中的應用

胡 霞，楊春華

(重慶市環境科學研究院，重慶401147)

隨著科技進步和社會生產力的極大提高，人口劇增、資源過度消耗、環境污染、生態破壞等問題日益突出，生態環境問題成為世界各國普遍關注的一個大問題。面對緊迫的生態環境保護壓力，因地制宜地開展生態修復工程刻不容緩。通過生態監測獲得的準確信息是保證生態修復工程順利進行的基礎和關鍵。遙感技術具有獲取資料和數據的范圍大，獲取信息的速度快、周期短，獲取信息時受限制條件少，獲取信息的手段多、信息量大等特點。將這項技術與地面常規監測相結合，可以全面、定量地反映工程各項措施的數量和質量，反映工程實施期間的生態環境狀況，反映工程區生態環境的動態變化、生態修復的總體特征、優勢方面和存在問題，為生態修復工程的開展提供定量的參考。

1 遙感技術、陸地生態系統及生態修復定義

遙感技術。遙感 (Remote Sensing)，從廣義上說泛指從遠處探測、感知物體或事物的技術，即不直接接觸物體本身，從遠處通過儀器 (傳感器)探測和接收來自目標物體的信息 (如電場、磁場、電磁波、地震波等信息)，經過信息的傳輸及處理分析，識別物體的屬性及其分布特征的技術［1］。

陸地生態系統。生態系統 (ecosystem)就是在一定空間中共同棲居著的所有生物 (即生物群落)與其環境之間由于不斷地進行物質循環和能量流轉過程而形成的統一整體。陸地生態系統主要以大氣和土壤為介質，生態環境極為復雜，為人類提供了居住環境以及食物和衣著的主體部分。按其特點和植物群落的生長類型，又分為荒漠、凍原、草原、森林等生態系統。

生態修復。以受污染環境為出發點和立足點，生態修復是在生態學原理指導下，以生物修復為基礎，結合各種物理修復、化學修復以及工程技術措施，通過優化組合，使之達到最佳效果和最低耗費的一種綜合的污染環境修復方法［2］。

2 遙感在陸地生態系統修復中的應用研究

遙感在陸地生態系統修復工程中的應用一般集中在兩個方面。一方面是反映生態修復工程的狀態，包括生態修復所采取的措施、實施質量和進度。重點是對生態修復范圍內的五大工程進行監測:退耕還林 (草)措施類型及其數量、生長狀況等;封山禁牧面積及其范圍內的植被類型、生長狀況及生長量等;水土保持綜合治理各項措施的數量和質量;調整產業結構前后典型農戶、典型地塊各項經濟技術指標;生態移民區的植被。另一方面是反映生態修復工程的效果，包括生態效果、經濟效果、社會效果等三個方面，重點是監測反映生態修復各個階段生態效果的指標，如土壤侵蝕、植被、土地利用等方面情況。

2.1 國內外研究現狀

2.1.1 森林林地

遙感技術用于森林生態系統修復的監測方法可以歸納為兩大類型:一類是通過對不同時間的遙感數據進行分類后，比較不同時間各土地利用面積/類型的變化;另一類是通過計算功能反映森林植被變化的相關指數后進行判別。龐國錦、董曉峰等［3］選取4期Landsat MSS、TM/ETM數據，在GIS技術支持下對1978—2007年面狀林地的動態進行遙感監測，對中國“三北”防護林工程重點建設區河西走廊的防風固沙林工程建設成效進行了客觀評估。楊朝俊、胡庭興等［4］以天全河流域中、下游為研究區域，通過遙感技術監測退耕還林工程實施區的土地利用變化，分析土地利用的轉移規律和退耕還林地的來源，為監測退耕還林工程提供技術支持。X·Zhan［5］等利用MODIS空間分辨率為250m的紅光和近紅外波段對變化監測方法進行了研究，并對全球森林覆蓋變化進行了監測。胡勇、劉良云等［6］基于Landsat數據，利用基于植被指數的像元線性分解模型對植被覆蓋度進行反演，分析了北京山區植被覆蓋的時空動態，并通過提取植被退化和修復的區域，研究了海拔、坡度和土壤類型對生態修復的影響，為區域生態建設和生態修復提供決策支持。

2.1.2 草地

遙感信息以其客觀、實時、準確、覆蓋面積廣等優勢在草地的生態修復監測和評估中正得到越來越多的應用。一般情況下，植被覆蓋度與植被指數具有較強的正相關性:植被指數值越高，其植被覆蓋度就越大。同時，植被指數與地上生物量具有較強的正相關［7，8］，因此，目前草地退化遙感主要還是基于植被指數的變化檢測方法，通過建立植被指數和草原上生物量或植物蓋度的關系，對生物量或植物蓋度進行計算與分析，或從衛星遙感植被指數圖上定性地分析牧草的變化。劉同海、吳新宏等［9］選取了內蒙古鑲黃旗為研究區域，基于TM遙感數據，結合對應時期的地面調查數據，從植被蓋度、植物類組成、地上生物量等方面對退牧還草工程的實施效果進行了分析，對及時掌握退牧還草工程的植被恢復情況、為各級政府部門決策和草原生態建設、保護、利用與規劃提供了科學數據。郭鈮、韓天虎等［10］利用MODIS衛星遙感資料、地面草地調查資料等，以植被指數變化為基礎，對瑪曲2003年完成的退牧還草工程對草地資源的恢復效果進行定量、動態與客觀的監測和分析，為各級政府科學合理地制定退牧還草工程的規劃和宏觀管理措施提供參考。隨著遙感的發展，高光譜遙感數據具有光譜分辨率高、信息量大的特點，為草地退化監測提供了新的解決方案。王煥炯、范聞捷等［11］選擇分布在呼倫貝爾草原西部的草甸草原為對象進行草地退化的高光譜遙感監測的研究，研究結論為高光譜圖像應用于草地退化監測提供了有力依據。

2.1.3 工礦區

復墾、生態修復是解決礦山環境保護和綜合治理的最有效途徑，主要針對采礦引起的土地功能退化、生態結構缺損、功能失調等問題。應與采礦活動同步進行，根據礦山不同開采時期的技術特點和自然環境等因素，及時作出相應的復墾或生態修復方案，盡量避免或減少對環境的破壞，實現采礦與生態修復的一體化。［12］

植物恢復也是工礦區生態修復中最常用的一種方法。因此，植被變化的遙感監測對礦區生態環境狀況評價以及礦區生態修復效果評估具有重大意義。其方法主要還是基于植被指數的變化檢測方法。馬曉黎、王行風等［13］利用神東礦區不同時相的Landsat遙感影像經過預處理后計算其植被指數，進而計算植被蓋度并分析其變化，分析了礦區開采活動對環境的影響。李娜、楊鋒杰等［14］采用高光譜遙感數據計算植被指數，進而反演葉綠素含量和物種數量，對云南個舊錫礦尾礦的生態恢復效果進行 評 價。Catherine M．Champagne、Abdelgadir Abuelgasim等［15］利用多光譜遙感技術評估了薩德伯里內受采礦影響地區生態修復情況。

2.1.4 城鎮

遙感技術以其宏觀、實時、快速、動態、客觀的特點，為城鎮土地利用/覆蓋變化及其環境響應的動態監測研究提供了便捷的途徑。通過土地利用/覆蓋計算得到用于進行生態環境評價的5個指數(生物豐度指數、植被覆蓋指數、水網密度指數、土地退化指數和環境狀況指數)的值，進而得到生態環境狀況指數。生態環境狀況指數能更加全面地衡量城市生態環境質量。梅卓華、金焰等［16］以2000年和2007年TM遙感影像為數據源，利用GIS技術，獲得了南京市2個時期的土地利用動態變化以及生態環境狀況指數變化，對于南京市生態環境保護和建設有重要意義。孫德勇、李云梅等［17］以南京市區為研究區域，在對2000年TM和2004年的CBERS－2星進行影像特征分析的基礎上，提取不同年份的土地覆被信息，進而分析土地覆被和生態環境的動態變化，為城市生態環境質量評價和城市發展規劃提供客觀詳實的數據。W.Muttitanon 等［18］應用 1990、1993、1996、1999年的TM影像對泰國本東灣進行監督分類，結果表明:在養蝦場、紅樹林區、城鎮用地逐漸增長的同時，農田和未開墾土地在逐漸減少。

2.2 重慶市10年陸地生態系統遙感監測應用實例

以重慶市2000年、2005年及2010年三個時期的TM數據為依據，找出重慶市森林、灌叢、草地、濕地、農田、城鎮和裸地7大地類不同時期的變化規律，尋找重慶市生態環境10年的變化趨勢，揭示其生態環境問題，為重慶市的生態系統修復及環境保護決策和管理提供重要的數據支撐。

不同時期重慶市生態系統空間分布見圖1～圖3。

分析表明，重慶市2000年土地總面積為82389 km2，其生態系統結構以森林和農田為主。森林所占比重最大，達到了41.67%;其次是農田(34.03%)和灌叢 (7.50%);而濕地、城鎮和裸地3個地類所占土地總面積的比重較小，均不到1%。2005年生態系統結構仍以森林和農田為主。森林所占比重為41.99%，比2000年略有增加;其次是農田 (32.62%)，比2000年減少較多，再次為灌叢 (14.64%)，與2000年相比相差不大;而濕地、城鎮和裸地所占比重仍然都較小，只是與2000年相比，城鎮和濕地面積增加明顯，裸地有所減少。2010年生態系統結構仍以森林和農田為主，其次為灌叢，而濕地、城鎮和裸地較少。與2005年相比，土地面積增加幅度最大的為城鎮，增加了71.0%，其次為濕地，為19.6%，森林面積增幅依然較小，為1.1%，略高于前5年;裸地、農田、灌叢和草地的面積均有不同程度的減少，減少幅度最大的為裸地，為57.6%，其次為農田和灌叢，分別為5.1%和1.0%，而草地僅僅減少了0.3%。

結果表明:①重慶市的生態系統類型主要集中在森林、農田和灌叢三種類型。②近10年，重慶市森林和灌叢生態系統的面積變化不大，而農田、濕地、城鎮生態系統的面積變化較大。其中，農田生態系統的面積減少，濕地和城鎮生態系統的面積有所增加。遙感技術的運用為重慶市的陸地生態系統修復提供了重要的數據支撐。

2.3 存在問題及發展趨勢

(1)遙感技術局限性。在整個遙感技術的流程中，從投影、飛行到色差、掃描以及校正解譯都存在著一定的誤差，從而影響監測結果的準確性，導致生態修復決策產生偏差。為從遙感數據中精確提取研究區環境有關信息，必須采用遙感信息和地學資料相結合、定性分析與定量分析相結合、綜合分析與主導分析相結合、室內判讀與野外調查相結合的辦法，盡可能準確獲取環境等變化信息。

(2)定量化評價有待提升。生態修復遙感監測技術是一個比較新的研究領域，在植被覆蓋、土地利用/土地覆蓋分類、生態環境質量動態監測等方面已基本能提供一個定性的分析結果，而對其進行定量、客觀和系統的評價，還需進一步研究。

(3)計算機自動分類技術不能滿足研究需求。陸地生態修復研究區域內通常地物復雜，植物組成豐富、多樣性較高，群落結構類型多樣，變動頻繁，導致其研究的空間尺度較小，空間分辨率要求高，這就帶來了巨大的運算數據量。而在對遙感圖像進行解譯時，目前仍然以目視判讀獲取，盡管很多研究者進行了自動分類試驗并改進了方法和模型，小區域試驗分類精度也很高，但從縣級以上區域尺度來看，誤差卻很大，分類精度還不能滿足監測需要。隨著遙感空間分辨率、光譜分辨率和時間分辨率的不斷突破，影像增強處理技術的發展和智能化專家解譯系統的建立，可以在計算機中實現基礎信息自動高精度提取和更新，減少繁重的工作量。

(4)定量研究方法有待提高。目前的定量遙感方法僅僅是2S(GIS與RS)的結合，只有真正實現3S(RS、GIS與GPS)的有機結合，才能更有效地、定量地對研究區生態狀況進行動態監測以及更有效地進行生態修復效果評估。未來以3S作為主體構成的空間信息集成技術系統將形成具有多維信息獲取與實時處理特點的新的綜合技術領域。“3S”一體化集成正向著快速、精確、實用和深入的方向發展，進而能更有效地、定量地對研究區生態狀況進行動態監測以及生態修復效果評估。

3 結語

遙感技術作為一種重要的高科技手段，在陸地生態系統修復工作開展過程中具有其自身獨特的優勢，同時，該領域研究當前面臨著許多機遇和挑戰，諸多不足之處還有待完善。隨著衛星技術的進一步發展，我國的遙感應用領域也將進一步得到拓寬，遙感技術作為高新科技的先進性也將進一步得到體現，應用前景將更加廣闊，能為陸生生態系統修復的研究提供更加強大的技術保障。

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