基于遙感影像的自然保護(hù)區(qū)主要地物類型分布空間變化分析與研究

陳昉霖，宋康明

（廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州 510060）

0 引言

濕地是位于陸生生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)之間的過(guò)渡性地帶。濕地廣泛分布于世界各地，擁有眾多野生動(dòng)植物資源，是重要的生態(tài)系統(tǒng)，有強(qiáng)大的生態(tài)凈化作用，因而又有“地球之腎”的美名［1］。近年來(lái)，人們開(kāi)墾濕地為耕地，破壞濕地生態(tài)系統(tǒng)的平衡，嚴(yán)重制約環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展。為改善環(huán)境，防止?jié)竦丨h(huán)境的人為破壞行為，需對(duì)濕地的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［2］。

利用傳統(tǒng)實(shí)地調(diào)查的方式受人為因素制約嚴(yán)重。遙感影像具有不受地形特征制約、獲取信息及時(shí)且能在大尺度區(qū)域?qū)嵤┑葍?yōu)勢(shì)，因此利用遙感技術(shù)可作為監(jiān)測(cè)濕地變化的有效手段［3］。同時(shí)，對(duì)于區(qū)域的歷史變化情況的追溯，遙感影像可作為重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)手段。

1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

本文選取某自然保護(hù)區(qū)為研究區(qū)，其區(qū)域內(nèi)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)地塊為主要監(jiān)測(cè)對(duì)象。研究區(qū)由沼澤地和湖泊組成，濕地周圍是農(nóng)田和人工魚塘等，地域遼闊、生態(tài)原始、鳥(niǎo)類資源豐富。選取保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)3個(gè)地塊進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每個(gè)地塊的具體面積分別為：1 號(hào)地塊為115.61 hm2、2 號(hào)地塊為23.08 hm2、3 號(hào)地塊為36.89 hm2。其地理空間分布情況如圖1 所示。

圖1 保護(hù)區(qū)地塊分布圖

1.2 數(shù)據(jù)源

本文以2002 為時(shí)間基點(diǎn)，對(duì)保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)地塊內(nèi)的變化情況進(jìn)行追溯，明確人為開(kāi)墾的具體變化時(shí)間，可獲取到最早的影像為1997 年的航攝影像，選取1997 年航攝影像和2002 年的SPOT5 高空間分辨率遙感影像，具體數(shù)據(jù)情況如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)源情況統(tǒng)計(jì)表單位：m

1.2.1 航攝影像

1997 年航攝影像，為黑白航攝像片，空間分辨率為1 m。影像為黑白影像，沒(méi)有地物顏色信息，但是空間分辨率較高，地物紋理信息清晰，因此通過(guò)影像也可清晰對(duì)地物進(jìn)行判讀。

1.2.2 SPOT5影像

SPOT5 衛(wèi)星于2002 年5 月4 日發(fā)射，是法國(guó)SPOT 系列衛(wèi)星的第5 顆衛(wèi)星。影像為黑白2.5 m、彩色10 m 分辨率。SPOT 衛(wèi)星上載有2 臺(tái)高分辨率幾何成像裝置（HRG）、1 臺(tái)高分辨率立體成像裝置（HRS）、1 臺(tái)寬視域植被探測(cè)儀（VGT）等，空間分辨率最高可達(dá)2.5 m。本文對(duì)多光譜和全色波段進(jìn)行融合處理，獲取保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)2.5 m 的多光譜數(shù)據(jù)。

2 研究方法

根據(jù)2 期遙感衛(wèi)星影像，對(duì)1997 年黑白航攝影像采用人工目視解譯方式進(jìn)行地表類型提取，對(duì)2002 年SPOT5 影像采用自動(dòng)解譯分類方法。根據(jù)2 期影像的提取結(jié)果，判斷監(jiān)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)1997 年和2002 年的地表覆蓋類型變化情況，并統(tǒng)計(jì)各地表覆蓋類型面積、變化類型及面積。

2.1 SPOT5自動(dòng)解譯分類方法

對(duì)SPOT5 遙感影像采用非監(jiān)督方法進(jìn)行影像的地物分類。非監(jiān)督分類也稱聚類分析，是指人們事先對(duì)分類過(guò)程不施加任何的先驗(yàn)知識(shí)，而僅憑數(shù)據(jù)（遙感影像地物的光譜特征的分布規(guī)律），即運(yùn)用自然聚類的特性讓機(jī)器進(jìn)行自學(xué)習(xí)并進(jìn)行分類。它以集群為理論基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行集聚統(tǒng)計(jì)分析，是模式識(shí)別的一種方法［4-5］。非監(jiān)督分類在遙感影像領(lǐng)域的主要算法為ISODATA、K-means。

本文選取K-means 分類方法。K-means 算法是由MacQueen 于1967 年提出來(lái)的。該算法事先給定需要?jiǎng)澐值念悇e數(shù)N，然后從數(shù)據(jù)集中找出k個(gè)樣本作為聚類的核心（初始種子），把其余的樣本按照某種方法（例如歐式距離法）分到各個(gè)類別中，每調(diào)整一個(gè)樣本，就重新計(jì)算此樣本所屬類別的均值，并且以此均值作為此類的新代表點(diǎn)，重復(fù)上述過(guò)程直至每類中心不再發(fā)生變化［6］。該算法屬于無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)，無(wú)需準(zhǔn)備訓(xùn)練集，原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為容易，結(jié)果可解釋性較好，被廣泛應(yīng)用于遙感影像分類和分割研究及應(yīng)用中。

利用ENVI 軟件對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行小圖斑去除，采用Majority/Minority、類成團(tuán)（Clump）和類別篩選（Sieve）分析工具對(duì)影像分類結(jié)果中的小圖斑和噪聲等結(jié)果進(jìn)行消除。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜斯み吔缧逌y(cè)，保證地物面積的準(zhǔn)確性。

2.2 變化圖斑提取

基于2 期影像地表類型的分類結(jié)果，提取2 期同一位置地表類型不相同的圖斑。本文利用ArcMap 軟件，采用疊加分析工具，獲得1997 年至2002 年期間地表覆蓋類型的分布情況。

3 結(jié)果與分析

3.1 1997年監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)提取結(jié)果

利用人工目視解譯方法對(duì)保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)地塊內(nèi)進(jìn)行地表類型提取，提取結(jié)果如圖2 所示，每種地物的面積情況如表2 所示。由結(jié)果可知：各地塊內(nèi)地物類型分別為草地、水稻田、旱地和水渠，其中，每個(gè)地塊中草地占地面積最大；地塊1 和地塊2 均有人工修建水渠，占地面積分別為5.30 hm2和1.14 hm2；地塊1 和地塊3 都種植大面積水稻，種植面積為18.29 hm2和15.7 hm2；地塊3 種植部分旱地面積為1.34 hm2。

表2 1997 年各地塊內(nèi)地物類型及面積統(tǒng)計(jì)表單位：hm2

圖2 1997 年地塊內(nèi)地物分布圖

3.2 2002年監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)提取結(jié)果

根據(jù)自動(dòng)分類方法對(duì)2002 年影像進(jìn)行地物提取，其地物的空間分布情況如圖3 所示，詳細(xì)面積情況如表3 所示。由結(jié)果可知：2002 年各地塊內(nèi)地物類型分別為草地、水稻田和水渠，監(jiān)測(cè)地塊內(nèi)主要分布為草地；地塊1 和地塊2 保留部分人工水渠，面積分別為5.29 hm2和0.99 hm2；地塊3 中種植水稻，面積為1.84 hm2。

表3 2002 年各地塊內(nèi)地物類型及面積統(tǒng)計(jì)情況單位：hm2

圖3 2002 年地塊內(nèi)地物分布圖

圖4 1997—2002 年地表類型變化分布圖

3.3 1997年到2002年監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)地物變化情況

基于2 期影像的地表類型的提取結(jié)果，對(duì)比分析監(jiān)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)1997 年和2002 年的地物類型，得出地物變化類型的空間分布，如圖6 所示，并統(tǒng)計(jì)地物類型的變化面積和每種變化類型的占地面積，如表4 和表5 所示。由結(jié)果可知：1997 年到2002年，整體上草地面積增加，增加面積為33.65 hm2，旱地、水稻和水渠的面積在減少，減少面積分別為1.34 hm2、32.15 hm2和0.16 hm2。其中旱地、水稻和水渠都恢復(fù)為濕地，總體變化圖斑面積為33.65 hm2。由此可知，1997 年到2002 年期間，保護(hù)區(qū)內(nèi)耕地和人工修建水渠還原為濕地，保護(hù)區(qū)采取退耕還濕，在此期間內(nèi)，保護(hù)區(qū)的濕地為恢復(fù)狀態(tài)。

表4 1997—2002 年各地類面積變化情況單位：hm2

表5 1997—2002 年各地塊變化類型面積統(tǒng)計(jì)單位：hm2

4 結(jié)語(yǔ)

本文以高分辨率遙感影像為數(shù)據(jù)源，對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)地塊進(jìn)行變化提取，并對(duì)變化類型和變化面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：

1）對(duì)區(qū)域性地物類型變化進(jìn)行歷史追溯時(shí)，遙感影像可作為一種有效的技術(shù)手段，對(duì)歷史上的地物類型和變化情況完成進(jìn)行有效識(shí)別和分析。

2）1997 年航攝影像為黑白影像，基于影像紋理信息可對(duì)地物類型進(jìn)行識(shí)別。

3）在1997 年至2002 年期間，監(jiān)測(cè)地塊內(nèi)旱地、水稻和水渠面積有所減少，主要變化為草地，保護(hù)區(qū)的濕地為恢復(fù)狀態(tài)。