三江源地區土地覆蓋遙感監測技術

王 寶

三江源地區土地覆蓋遙感監測技術

王 寶

有“江河源”和“亞洲水塔”之稱的三江源區位于青藏高原腹地，是長江、黃河和瀾滄江的源頭匯水區，被稱為生態和生命的凈土，是我國乃至世界經濟社會可持續發展的生態屏障，生態功能十分顯著。但近幾十年來，由于自然和人為因素的干擾，三江源區生態環境明顯惡化，正面臨一場深刻的生態危機。而土地覆蓋變化就是最突出的景觀標志。遙感具有多波段、寬覆蓋、可重復觀測等優點，在大面積區域，特別是交通不便、自然條件惡劣地區監測土地覆蓋變化，進而評估生態環境方面具有明顯的優勢。本文以主要討論了運用遙感影像進行三江源地區為例，對相關的技術路線進行了詳細論述，以期為較偏遠地區開展類似工作提供一定依據。

三江源地處青藏高原腹地的青海省南部，西南部與西藏自治區接壤，東部與四川省毗鄰，北部與青海省格爾木市、都蘭縣相連，海拔3450～6621m，包括玉樹藏族自治州和果洛藏族自治州，海南藏族自治州的興海縣和同德縣，黃南藏族自治州的澤庫縣和河南縣，格爾木市的唐古拉山鎮，總面積達36.3萬km2。三江源區域每年向中下游供水600億m3，是我國中下游地區和東南亞國家生態環境安全和區域經濟社會可持續發展的生態屏障，生態功能十分顯著，具有極重要的戰略地位。近幾十年來由于全球氣候變化和加之人類不合理地開發利用，如過渡放牧、亂采亂挖等人為因素，加速了三江源地區生態環境的惡化，導致大面積草場退化、土地沙化嚴重、水土流失加劇等一系列不良后果，生態系統處于惡性循環，生態危機十分嚴重。因而針對三江源區域生態環境的研究與保護，具有十分重要的歷史意義與現實意義，是刻不容緩的。由于三江源地區幅原遼闊，海拔高、交通極其不便、自然環境惡劣等自然條件的限制，對人們對這一地區生態環境的研究與保護造成了一定的困難。隨著空間信息技術的發展，利用遙感技術對三江源地區開展土地覆蓋監測進而評估其生態環境變化趨勢是行之有效的并將起到事半功倍的效果。本文對相關的技術路線進行了詳細論述，以期為較偏遠地區類似工作的開展提供一定支持。

遙感技術概述

遙感技術是20世紀60年代發展起來的對地觀測綜合性技術，是一種利用物體反射或輻射電磁波的固有特性，遠距離不直接接觸物體而識別、測量并分析目標物性質的技術，可在全球層面揭示地球表面各要素的空間分布特征與時空變化規律。利用不同的遙感平臺獲取的遙感影像圖，經過一系列的數據處理，可以直觀地反映出目標空間分布特征或自然現象的特性。20世紀90年代以來，遙感技術已深入環境和災害的監測與評估、資源勘探及動態監測、城鄉規劃、土地管理、農業生產條件研究及作物估產、森林和作物病蟲害研究以及軍事偵察等諸多領域，從區域到大范圍的陸地、海洋、大氣乃至全球范圍進行信息的采集和環境變化的監測。

利用遙感技術進行三江源區環境監測具備以下優點。

第一、覆蓋面廣。三江源地區面積廣闊，高寒缺氧，地勢地貌極其復雜多樣，絕大多數地方是無人區，交通極其不便，人無法到達。傳統測量手段耗時耗力耗財，具有相當大的局限性。而遙感可不直接接觸地物而獲取圖像，進而避免了人無法到達地區信息采集的死角，提高地面信息采集的完整性。

第二、連續性好。衛星可以對同一個地區短時間內實現重復觀測，重訪周期為十幾日、幾日、幾小時，甚至24小時連續觀測。這樣根據實際需要對同一地方的不間斷的監測，能及時地反映某一地區生態環境的動態變化過程。龍其是對草地退化日趨嚴重的三江源地區，運用動態觀測可更好地為決策者提供科學的依據，為改善生態環境做出極積的貢獻。

第三、圖像具有多波段性。遙感可以用多波段的電磁波，如可見光、近紅外、短波紅外、熱紅外、微波等，進而多方面獲取不同的豐富的信息。高光譜技術則可獲取幾百甚至上千個波段，精細提取地物信息。

第四、節約時間、成本。基于遙感覆蓋面積廣、可重復觀測及多波段等優點，相比傳統的測量等手段，可節省大量人力物力并且高效率地完成土地覆蓋提取工作。

遙感技術在三江源土地覆蓋監測中的應用

三江源地區地表覆蓋分類調整與擬定

根據三江源地區生態環境調查的需要，結合當地的地理要素特點，按照《土地覆蓋現狀調查規程》，將三江源地區的地表覆蓋類型劃分為耕地、林地、草地、黑土灘、冰川及永久積雪、水域及其它用地7個一級類型。其中的“黑土灘”型退化草地是青藏高原特有的一種景觀，是荒漠化的一種類型，是草原嚴重退化的結果。它主要是高寒草甸植被破壞后，引起沙化，直接導致了原生植被嵩草的逆向演替，使高寒草甸草地生草層禿斑化，呈現為次生雜毒草化或裸地，即形成“黑土灘”。針對三江源地區的特殊性而言，這種劃分方式更具有實用性和時代特征。

運用遙感影像監測土地覆蓋的技術路線

為利用遙感技術對三江源地區生態環境進行評估，一個主要的工作就要詳細獲取三江源地區的地表覆蓋狀況，包括黑土灘、冰川及永久積雪、草地、水域、濕地等重要資源的詳細分布狀況。為此需要基于多源遙感影像，并結合數字高程等基礎地理信息數據及其它專業資料信息，針對三江源地區地理要素的特點，采用多源信息輔助判讀、人機交互解譯、外業調查與核查、信息統計與分析等方法，開展三江源地區的環境信息調查與獲取，具體的技術路線如圖 1所示。

圖1 運用遙感影像檢測三江源地區生態環境技術路線圖

數據源的選取

穩定可靠的數據源是進行監測的重要保證。由于三江源區域面積大，從成本、數據精度等因素考慮，采用高分辨率的影像成本大，計算機運行的速度也慢，而低分辨率的影像則不能夠較詳盡反映地物細節信息，達不到精度要求。另外，三江源地區生態環境問題主要是針對草地退化、湖泊變化等的監測。而春季、冬季的三江源地區有很多地方被冰雪所覆蓋，須使用夏季或秋季的植物生長期的遙感影像。因此，根據監測區面積大小、生態環境特點及地形地貌特征，可選擇中等分辨率的4年Landsat系列衛星數據、Aster數據、環境災害衛星、中巴資源衛星數據等為宜，也可以考慮結合使用MODIS數據。具體參考預算情況決定。

解譯標志庫的建立

遙感圖像所對應的生態地理環境是一個錯綜復雜的大系統， 同一地區的遙感數據，同譜異物和同物異譜的現象時常發生。這要通過專業人員的分析或借助其它的資料來判斷，并且進行必要的實地考查，不能一概而論。針對不同地區的解譯需求，可依據影像特征，參照數字高程等其它輔助資料、基于GPS的外業調查數據、工作人員的先驗知識等信息等，對某一類或幾類地類要素建立較為詳細的地類標志庫，并進行匯總分析，形成解譯標志列表，以消除不同作業人員對遙感影像識別的差異，為準確的遙感分類奠定基礎。三江源地區基于TM數據的解譯標志庫，如表1所示。

遙感影像處理

影像處理的目的主要是通過對獲取影像進行幾何精糾正、圖像鑲嵌、裁剪、融合等的處理，使其滿足判讀和解譯的要求。

幾何精糾正

它的目的利用地面控制點和幾何糾正數學模型來矯正非系統因素產生的誤差，以產生一幅符合某種地圖投影或圖形表達要求的新圖像。包括兩個環節，一是像素坐標的變換，即將圖像坐標轉變為地圖或地面坐標；二是對坐標變換后的像素亮度值進行重采樣。平坦地區多采用多項式糾正法，高差較大地區則多采用物理模型正射糾正法，并進行同一時相的多光譜對全色影像的配準，以及后一時相對前一時相的影像配準。

鑲嵌與裁切

當感興趣的研究區域橫跨兩景甚至多景不同的圖像文件時，需要通過鑲嵌處理將不同的圖像文件合在一起形成一幅完整的包含感興趣區域的圖像。影像鑲嵌時要保證拼接后的圖像反差一致，色調相近，沒有明顯的接縫。若接邊處存在較大的差異，則應通過鑲嵌邊搜索、色彩平衡、直方圖匹配、邊界線平滑等處理來消除或減少差異，使其盡可能滿足項目的需求。鑲嵌后的大范圍地面圖像可依據項目范圍要求，進行裁切處理。

圖像增強與融合

為了改善圖像質量，提高圖像目視效果，突出圖像中邊緣信息或線狀地物等所需要的信息，可對遙感圖像進行增強與融合處理，形成色彩逼真的圖像，為進一步的圖像判讀做好預處理工作。

增強處理。在保證不損失有用信息的情況下，為了提高融合的質量，全色和多光譜數據需分別進行不同的增強處理。針對全色影像可進行適當的灰度線性拉伸、高通濾波、USM銳化等處理；針對多光譜影像可進行線性拉伸、亮度、色度、飽和度調整等處理。

影像融合。對增強后的全色與多光譜影像進行融合處理，生成既保持全色波段較高空間分辨率優勢又可具有多波段豐富光譜信息的新影像，以擴充遙感影像的信息量。融合方法可根據具體選擇影像特征選擇合適的方法。如TM 、SPOT影像選擇HIS變換法、PCA變換法等；QuickBrids、IKONOS影像選擇Pansharping、小Brovery融合法等。

融合后增強。對于融合后的數據要再次經過線性拉伸、USM銳化、彩色平衡、色度飽和度、明度、亮度對比度的調整等處理，從而使影像細節清晰，達到最佳的目視判讀效果。

影像內業判讀解譯

由于遙感圖像成像是一個錯綜復雜的系統，受天氣、地貌、溫度、觀測角度等的不同而不同。三江源地區是一個極其復雜多樣的地區，時常會發生同物異譜，同譜異物的現象，鑒于其不適合用自動分類，而應用人工分類的方法。可利用ENVI和ArcGIS等空間信息處理軟件按照劃分的地表覆蓋類型建立解譯要素層，通過目視解譯辨別影像與地物的對應關系，判別和歸類地物目標，并用輪廓線圈定，賦予屬性代碼，用符號、顏色表示不同屬性。

目視判讀順序一般為遵循從已知到未知，從易到難，從山區到平原；整體→局部（大類→二級分類）；宏觀特征→細部結構；先線狀地物→后圖形的順序。通過判讀解譯可形成GIS矢量數據及專題地圖數據結果。

外業調繪與核查

對于內業地類判讀不清或尚未解譯的地方，則通過外業調繪方式，結合GPS技術進行實地調研并拍照和做詳細記錄，不斷更新解譯標志庫，使之為內業解譯提供進一步依據；對那些同譜異物或同物異譜的地方盡可能實地調繪；對于已解譯的地方也應分層隨機抽樣進行實地核查，以保證解譯數據和實際相符。由于三江源地區地理位置特殊，地域廣闊，交通極其不變，絕大部分是無人區，確定一個合理的路線是十分必要的。基本原則是一方面使外業調查盡量不留空白，所選路線可見識各類代表性土地覆蓋又車程距離和路況最優；另一方面也應為外業采集人員提供足夠的后勤保障。據此所定的外業調研路線，見如圖2。

檢查修改與數據整合

三江源地區地域廣闊，中高分辨率的影像通常都需要劃分成若干個區域來解譯。各區解譯完的數據，通對自查、專職人員的檢查、外業復查等程序后，通常最后還需要進行三江源區域的拼接整合。數據拼接處理不僅要進行拼接處地物接邊、地物屬性接邊等處理，還會發現由于作業員理解、知識、習慣等的不同而造成的錯解漏解的現象。通過數據的拼接整合可使得數據更加合理、正確，才能滿足項目要求。

數據分析與成果制圖

整合后的解譯數據可以對地物類型、面積加以統計分析，也可制作出各種能直觀地反映三江源地區生態環境的圖件或圖形，為三江源地區土地覆蓋甚至生態環境變化趨勢的分析提供數據支撐，為使用者或決策者提供一個科學的依據。如，對連續不同年份動態的監測用柱狀圖形就能比較直觀地反映出不同年份的動態變化；對三江源地區植被類型覆蓋的范圍進行分析并制作圖件就能直觀地反映出該地區的環境狀況，如圖3。還可以用多種圖形、圖件相結合，更加直觀地反映出分析數據分析的結果，使決策者或使用者一目了然。當然，針對管理者或決策者的需要，還可以開發特定的系統以便更能直觀、形象地反映出該地區的地理地貌、風土人情、植被類型、草原退化和沙化的變化等情況，更好地為社會服務。

圖2 三江源地區黑土灘外業調查線路

圖3 青海省三江源區草地類型分布圖

結語

基于遙感技術對三江源地區土地覆蓋進行解譯、分類、實地驗證分析及制圖，可以科學、方便、直觀地掌握該地的土地覆蓋空間格局及演化趨勢，間接推斷生態環境的過去、現狀和未來發展趨勢。這些數據和圖件可為政府及相關部門的管理和決策提供科學的支持。但是由于遙感圖像成像的對象是一個錯綜復雜的系統，遙感成像和接收過程也較為復雜，三江源地區又是一個極其復雜多樣的廣闊地區，時常會發生同物異譜，同譜異物的現象。再者，由于地區廣闊，同一時期的影像有的被云或雪所覆蓋。這給影像解譯和動態監測帶來了一定的困難。影像圖像的判讀是一個綜合知識考驗的復雜過程，要求作業員有一個系統的判讀影像知識，解譯工作量相當大。同時，為了得到一個更為符合實際的數據，要求外業實地考查人員盡可能的實地調研更多空間的更多類型數據。隨著科學技術的發展及經驗知識的積累，有待一定程度上解決這一現象，為改善三江源地區乃至世界的生態環境做出貢獻。

王 寶

青海省基礎地理信息中心

王寶，男，漢（1974.8-）青海省基礎地理信息中心，工程師。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.009