基于遥感技术的珠海市湿地动态变化分析与研究 .pdf

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.53M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 基于遥感技术的珠海市湿地动态变化分析与研究# 李东东1，乔玉良1,3，张青海2* （1. 太原理工大学测绘科学与技术系，太原 030024； 2. 中铁大桥局集团第一工程有限公司，郑州 450003； 3. 北京师范大学珠海分校，广东珠海 519085）摘要：采用 1995 年 TM、2002 年 TM、ETM+、SPOT 和 2009 年 CBERS 等多源卫星遥感数据，通过对单一的与多源遥感数据不同组合得出利用遥感数据提取湿地信息的方法。在不同环境下，利用不同的数据源对珠海市湿地动态变化进行了研究、对湿地的光谱数据和纹理信息进行综合分析；采用监督分类、非监督分类和人机交互解译结合及专家分类相结合的方法对图像进行解译，最终提取三个不同时期的湿地信息。基于分类结果得出湿地面积动态变化图；利用空间叠加分析方法，分别在时间和空间尺度上，对珠海地区的湿地资源进行动态变化和驱动力进行分析。为珠海市湿地生态环境可持续发展和管理提供了依据. 关键词：多源遥感数据；湿地信息提取；动态变化分析；驱动力分析 Zhuhai City’s Wetland Information Analysis and research Li Dongdong1, Qiao Yuliang1,3, Zhang Qinghai2 (1. Department of Surveying Science and Technology，TaiYuan University of Technology,TaiYuan 030024; 2. China Railway Major Bridge Group the First Engineering Co., Ltd, ZhengZhou 450003; 3. Beijing Normal university,GuangDong ZhuHai 519085) Abstract: The wetland information of Zhuhai City was studied using remote sensing technology. Using the three different data sources, the TM data of 1995 years, the ETM data of 2002 years and the CBERS data of 2009 years, spectral information on wetlands and texture data were analyzed to improve the accuracy of image classification to extract information on the wetlands. Using supervised classification, unsupervised classification and visual interpretation combined with classifier combination interpreted the image. The area change map was obtained using the Classification results, and the method of spatial overlay analysis was used to analyze the dynamic changes and driving forces respectively in time and space scales of the Zhuhai area of wetland resources. Keywords:multi-source remote sensing data; information extraction of wetland; dynamic analysis; driving force analysis 0 引言湿地是自然界物种最丰富的生态景观之一，也是人类赖以生存的重要生态环境，被形象地称为“地球之肾”、“生命的摇篮”、“鸟类的乐园”[1-3]。随着人类活动的日益加剧全球环境问题的日益突出，湿地研究显得越来越重要，已经成为环境科学、生态学、地理学等多种学科交汇研究的一个热门领域。湿地研究的关键在于准确、定量地获取和分析湿地信息。遥感数据遥感作为先进的对地观测技术，具有大面积同步观测、数据综合性、可比性、经济性、以及避免研究者对研究对象直接干扰，并允许重复观测等特点[4]。把遥感技术应用于湿地的研究具有较高的经济价值和实用价值。本文利用 1995 年 TM、2002 年 TM、ETM+、 SPOT 和 2009 年 CBERS 数据以及珠海市 1:25 万地形图，对珠海市湿地进行专题信息提取。并把提取出的三期专题图相叠加，得出珠海市湿地的变化情况，并进行驱动力因子分析。基金项目：北京师范大学珠海分校 2008-2009 学年度重点科研基金（ 200931001 ）作者简介：李东东（1983-），男，硕士研究生，遥感影像处理与信息提取：. E-mail: Lidongdong0394@163.com - 1 -

中国科技论文在线 1 研究区概况及数据源 1.1 研究区概况 http://www.paper.edu.cn 珠海市是珠江三角洲南端的一个重要城市，在广东省珠江口的西南部，位于北纬 21° 48′～22°27′、东经 113°03′～114°19′之间。东与香港隔海相望，南与澳门相连，西邻新会、台山市，北与中山市接壤，是中国五个经济特区之一。珠海的海岸线长 604 公里，该区域内湖泊岛屿星罗棋布。依据国际《湿地公约》对湿地划分的标准，珠海湿地总面积达 1495 平方公里，几乎相当于全市 1687 平方公里的陆地面积，可以称为湿地大市。珠海市湿地有三大特点：一是滩涂形成快，面积大，且每年以 200 公顷左右的速度递增，为珠江三角洲之冠；二是岛屿数量多，分布广，破坏少，是各种动物最佳的栖息地，特别是鸟类的“歇脚站”和“加油站”；三是城在湿地中，珠海的自然地理决定了珠海是“湿地之城”这一属性。本文借鉴已有研究成果，综合地域分异与组合特征及空间尺度效应，兼顾人类活动特点将珠海市的湿地分为浅海水域湿地、滩涂湿地和河流湿地[5-6]。 1.2 数据源研究区所使用的数据源包括：珠海市 1995 年 12 月 30 日 Landsat5 TM、2002 年 11 月 23 日 Landsat5TM、 2002 年 11 月 7 日 Landsat7 ETM+，2002 年 10 月 23 日 SPOT5、2009 年 1 月 10 日 CBERS-02B 的 CCD 与 HR 数据各一景，无条带噪声，含云量＜1%，图像质量优良，能较好的反映地表信息；珠海市 1:25 万地形图、珠珠海市行政区域规划图、珠海市 2006 年土地调查变更数据、珠海市土地利用规划大纲等。 2 湿地信息提取与分析 2.1 技术流程图 1 技术路线图 Fig.1 Technical flow chart - 2 -

中国科技论文在线 2.2 数据预处理 2.2.1 图像的裁剪与拼接 http://www.paper.edu.cn 由于珠海市 2002、2009 年的图像面积在同一景上，在 ARCGIS 软件下结合珠海市行政界线对影像惊醒裁剪获得出研究区域图像。对于 1995 年的图像香洲北部有一部分区域不在同一景上，我们利用 ERDAS 软件下的 MOSACI 功能进行图像的拼接。 2.2.2 波段组合对于 LANDSAT 卫星的 TM、ETM 数据图像的光波信息具有 3～4 维结构，其物理含义相当于亮度、绿度、热度和湿度。在 TM 的 7 个波段光谱图像中，一般第 5 个波段包含的地物信息最丰富。3 个可见光波段（即第 1、2、3 波段）之间，两个中红外波段（即第 4、7 波段）之间相关性很高，表明这些波段的信息中有相当大的重复性或者冗余性。第 4、6 波段较特殊，尤其是第 4 波段与其他波段的相关性得很低，表明这个波段信息有很大的独立性。计算各种组合的熵值的结果表明，由一个可见光波段、一个中红外波段及第 4 波段组合而成的彩色合成图像一般具有最丰富的地物信息，其中又常以 4，5，3 或 4，5，1 波段的组合为最佳。经过反复试验比较我们选择更能突出水体信息的 TM、ETM4、5、3 波段为最佳波段组合[7]。分别赋红、绿、蓝色合成的图像，色彩反差明显，层次丰富，而且各类地物的色彩显示规律与常规合成片相似，符合过去常规片的目视判读习惯。CBERS CCD 包含五个波段，由于传感器物理参数及各波段波普范围的不同，不同的波段对湿地信息的反馈也不一样，经过反复比较试验得出 4、3、2 波段组合较能反映湿地信息[8-9]。 2.2.3 几何校正利用 1:25 万地形图选取几组特征明显且均匀分布的控制点对 TM 影像进行几何精确纠正，误差范围控制在 0.5mm。然后以 TM 为基准，对 ETM、CBERS 数据进行几何校正，采用二次多项式拟合法对三期影像进行配准，利用临近点插值法进行重采样，误差控制在 0.5 个象元内[15]。常用的二元齐次多项式校正变换公式可表达为： + + ⎧ ⎨ ⎩ 式中：x,y 为某象元的原始坐标，X,Y 为校正后同名点的地面(或地图)坐标；a ，b 为多 XYaYXa 7 XYbYXb 2 7 a x = 0 y b = 0 Ya + 9 Yb 3 + 9 YaXa ( + 1 2 YbXb ( + 2 1 + + + （） + （） Xa 3 Xb 3 XYa 4 XYb 4 Xa ( 6 Xb ( 6 Ya 5 Yb 5 3 ...) )... + + 2 2 ) ) + + + + + + 2 2 3 3 2 2 2 8 8 项式系数(i=0，1，2，⋯ )[10]。选取不易随时间改变的标志性地物为控制点，依之为标准每幅图像选择了 20 个控制点，误差控制在一个象元内。 2.2.4 图像增强原始的遥感图像若未经过处理其所包含的湿地光谱信息，很难反应不同湿地类型之间的差异。利用自适应滤波方法除去图像中的噪声，从而达到图像辐射增强的目的。基于 TM、ETM 数据在不同时相，不同的地物所反射波段的光谱特征不同，分别采用缨帽变换、线性拉伸、指数拉伸和对数拉伸法，增强湿度(Wetness )、绿度(Greenness)、亮度(Brightness)特征[11]，从而达到增强图像的目的，便于区分沼泽、泥滩、沙地及裸地的信息。对于 CBERS 数据为了提高影响的空间分辨率，对影像采用了高斯拉伸处理，并且在此基础上进行 HIS 和 PCA 融合[12-14]。合成后的影象可作为计算机的分类的信息源之一。 - 3 -

中国科技论文在线 2.3 湿地专题信息提取 2.3.1 建立湿地专题信息解译标志 http://www.paper.edu.cn 根据湿地公约的定义，将湿地划分为自然湿地（湖泊湿地、河流湿地、沼泽湿地）和人工湿地（库塘、水稻田）[5]。综合地域分异与组合特征及空间尺度效应，兼顾人类活动的特点，将珠海市湿地分为河海、水库、坑塘、滩涂沼泽、水田和养殖水域六大类。根据遥感影像的颜色（灰度）、斑块形状、质地、结构及其周边环境的关系，建立珠海市湿地遥感解译标志。 2.3.2 多元数据变化信息提取（1）数据之间的相互融合变化后提取湿地信息，经过融合的图像包含了原始图像的高空间分辨率、高穿透性和高光谱分辨率等特性。首先是单一数据进行湿地信息提取，其次是数据组合来提取湿地信息。通过同一年代不同数据源的的数据之间的融合后提取信息，具体是用 2002 年 TM、ETM+与 SPOT 融合、ETM+单独与 SPOT 进行融合。（2）不同时相的数据融合。通过不同时相的数据融合可以找出特征变化的图斑，便于检查和信息变化的提取[15]。 2.3.3 归一化植被指数归一化植被指数（NDVI）是植被指数研究中最常用的一种，是植被生长状况及植被空间分布密度的最佳指示因子[16]。分析归一化植被指数为了更有效地区分研究区内的植被，来提取研究所需要的湿地专题信息。为了增强遥感影像的解译精度，分别对融合后的图像进行归一化植被指数分析，拉伸到 0~255 范围内，再分别与 TM 原始影像和 CBERS 融合影像组成新的影像作为底图进一步进行专题信息的提取。 2.3.4 图像解译由于研究区域湿地类型比较复杂采用多源信息复合采用与人机交互解译相结合的方法提高分类精度。在 ERDAS9.2 专业软件，采用分类监督分类与非监督分类相结合的分类方法，对研究区进行湿地信息提取。具体操作过程如下：首先采用非监督分类方法将珠海市湿地分为 20 类，然后再用 ERDAS9.2 中的非监督分类中的模板进行验证合并，接着再利用验证后的模板进行监督分类，最后再把分类后的成果图转化为 ArcGIS 下的矢量格式。 2.3.5 解译精度分析解译后的精度分析是遥感影像解译的一个重要环节，本次实验采用 GIS 与野外调查验证相结合的方式。经过验证本次实验的解译精度达到了 89.6%，斑块面积在 0.15-0.23hm2 亩之间的基本上都能正确区分，但是在 95 年的解译中平沙镇和横琴镇的部分地方由于地块比较破碎分类效果不佳。对于这种现象我们又对 95 年 TM543 遥感影像进行了缨帽变换，发现湿地边界分类效果较好其精度有所提高基本上满足了要求。解译后三期湿地分布图如下： - 4 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 2 湿地分布图 Fig.2 Wetland distribution 2.4 湿地面积时空变化及动态变化分析表 1 三期不同类型的湿地面积统计(单位：h ㎡) Tab.1 Three different types of wetlands area Statistics (Units: h ㎡) 年份湿地类型水库、湖泊河流、海洋养殖场、坑塘沼泽、泥滩水田总计 1995年（TM） 2002年（ETM） 2009年（CBERS） 2788.895 14099.284 16521.597 9342.748 2165.530 44918.056 3064.410 14398.169 18611.491 6024.279 3013.934 45112.284 1077.939 10852.299 17734.892 6684.495 1294.362 37643.987 2.4.1 湿地面积时空变化湿地面积的时空变化主要是指不同时期湿地面积在空间上分布的变化情况。解译后的湿地信息结果可以近似的反应珠海市湿地分布状况：水库、湖泊主要分布在凤凰山、将军山两大山系和一些丘陵地带；沼泽泥滩主要分布在河流沿岸，以及珠江入海口等处。利用 TM、 ETM、CBERS 数据提取的湿地面积如表 1 所示（2002 年的以 ETM 为代表）。从表中可以看出珠海市湿地面积在 1995~2009 年间的变化趋势是先增加再减少。1995 年湿地面积为 44918hm2，2002 年湿地面积为 45112hm2，比 1995 年增加了 0.43%，其中水库、湖泊面积比 1995 年增加了 9.87%；河流、海洋增加了 2.12%；养殖场、坑塘增加了 12.65%；沼泽、泥滩减少了 35.52%；水田面积增加了 39.18%。2009 年珠海市湿地面积是 37644hm2，比 1995 年减少了 16.19%，比 2002 年减少了 16.55%。其中水库、湖泊比 1995 年减少了 61.35%，比 2002 年减少了 64.83%；河流、海洋面积比 1995 年减少了 23.03%，比 2002 年减少了 24.62%；养殖场、坑塘面积比 1995 年增加了 7.34%，比 2002 年减少了 4.71%；沼泽、泥滩比 1995 年减少了 28.45%,比 2002 年增加了 10.96%；水田面积比 1995 年减少了 40.23%，比 2002 年减少了 57.05%。从以上结果我们可以看出水田、水库湖泊面积变化显著，河流海洋年平局变化量区域平稳。天然湿地明显减少，人工湿地呈增加趋势，在现有的湿地中人工湿地的比重增大。 - 5 -

中国科技论文在线 2.4.2 湿地动态分析 http://www.paper.edu.cn 为了更进一步地研究湿地动态变化，引入湿地动态度的概念。动态度不仅可以描述湿地相对于自身变化的程度，也能很好地显示出湿地变化的时间特征，是我们研究湿地的一种重要模型。其表达式为： LC=[(U b -U a )]×U 1− U 和 U 分别为研究初期和末期湿地的面积，LC 为 T 年内的湿地的动态度[17]。把上述表中的数据带入到公式中，通过计算 TM、ETM、CBERS 数据的动态度，结果表明水库湖泊、水田湿地减少的最快其次是天然沼泽湿地。通过对比发现水库湖泊面积变小开始向养殖 a ×T 1− ×100% 场和坑塘转变，一些地势低洼的水田也转变成了养殖场和坑塘，人工湿地增加最快的是金湾区的三灶镇、横琴镇。变化柱状图和三期动态变化图 4 珠海市湿地动态变化柱状图 Fig.4 Wetland Dynamic Change histogram of Zhuhai 图 4 珠海市湿地动态变化图 Fig.4 the Wetland Dynamic Change map of Zhuhai - 6 -

中国科技论文在线 3 湿地变化驱动力分析 http://www.paper.edu.cn 湿地的动态变化过程受到自然、人文等多个因素的影响和驱动，它反映了人与自然资源的相互关系。自然驱动力和人文驱动力是湿地动态变化的主要因素[11]。 3.1 自然驱动力珠海地处珠江入海口处，由于河流的冲击，大量的泥沙沉积形成了淤泥深厚泥滩。自然灾害也是影响珠海市湿地变化的一个因素。珠海位于北回归线以南，东面和南面都濒临海洋。在地理位置上处于低纬度的南亚季风区，年平均湿度为 80%，夏季多雨，年平均降水量 1700~2200mm，且容易受台风影响，这也是珠海市湿地多属滩涂和沼泽的一个重要因素。 3.2 人为驱动力 (1)人口增长的影响珠海市 2000 年人口密度为 758 人/平方公里，到了 2005 年变成 839 人/平方公里，2007 年珠海市人口密度为 862758 人/平方公里。人口的急剧增长，导致珠海市人地关系紧张，人地矛盾突出致使大规模的围湖造田或围湖养殖，这样使湿地的类型发生了较大变化，这虽然增加了湿地的多样性，但是大大减弱了湿地的自我调节和恢复能力，更容易受人类活动的干扰。 (2)围海、填海造地为了满足对土地的需求，珠海市近年来进行了大规模的围海、填海工程。这使得珠海市的结构进一步发生变化，特别是高栏港区的滩涂、沼泽变成了其他用地。围海、填海在促进城市发展的同时也破坏了湿地结构，同时也破坏了海岸线对海洋侵蚀的抵抗作用，破坏了生态平衡。故在围海、填海造地的同时也要注意湿地的保护和建设。 3.3 国家政策的影响 1998 年 5 月 21 日珠海市市政府出台的《珠海环境保护条例》中明文规定要保护珠海市湿地，加强湿地建设。2002 年出台《关于实施“生态家园”十年植树绿化工程的决定》。 2003 年又制定了《珠海市湿地红树林资源管理办法》，标志着珠海市湿地保护管理向法制化、规范化迈进，进入科学有序的管理。为了保护珠海市湿地，又编制了《珠海湿地保护总体规划》，把湿地保护纳入珠海市国民经济与社会发展总体规划。同时，利用珠海市拥有立法权的契机，立法保护湿地，实现湿地规范管理。 4 珠海市湿地管理存在问题及保护措施 4.1 湿地管理中存在的问题湿地的管理保护问题一直是制约我国湿地发展的瓶颈。在我国一直没有明确的法律法规，存在对湿地的保护认识不足湿地保护意识淡薄等诸多问题。珠海市在湿地管理保护存在问题具体总结如下：（1）尚未明确建立专门管理机构，缺乏长远而科学的湿地保护、管理与利用规划；（2）陆源污染和过渡渔猎对珠海湿地也构成严重威胁，造成湿地及野生动物资源环境日益恶化和丧失；（3）资金不足，政府投入存在较大缺口，使得湿地保护管理工作处于被动状态；（4）珠海湿地不仅类型多、面积广，涉及多个部门，而且地跨港、澳边境，与广东省 - 7 -

中国科技论文在线 4 个市县交界，管理状况复杂、难度大。 4.2 建议保护措施 http://www.paper.edu.cn （1）强化湿地保护宣传教育，加强公民湿地保护意识，使得湿地保护的理念深入人心；（2）严格保护自然湿地，科学修复退化湿地，以科技为支撑加强区域的综合管理；（3）健全湿地政策体系和保护管理体系，努力打造珠海市湿地名片。 5 结论本文运用 GIS 技术与遥感技术，分别利用 TM、ETM、CBERS 遥感图像进行珠海市湿地信息提取，统计了不同时期的湿地面积，绘制了不同时期的湿地分布图，并分析了珠海市湿地的现状和动态变化，进而总结珠海市湿地目前所面临的问题及影响湿地变化的驱动力，最后提出珠海市湿地保护存在的一些问题和具体的建议及保护措施。实验证明，动态遥感技术在湿地动态监测以及湿地专题信息的提取中起着重要的作用。 [参考文献] (References) [1] 陈宜瑜主编．中国湿地研究[M]．长春：吉林科学教育出版社，1995. [2] 国家林业局编．中国湿地保护行动计划[M]．北京：中国林业出版社．2000. [3] 郎惠卿，陆健健编．中国湿地研究进展[M]，上海：华东师范大学出版社．1998. [4] 党安荣．遥感图像处理方法[M]．北京：清华大学出版社，2003． [5] 陈克林．《拉姆萨尔条约》——《湿地公约》介绍[J]．生物多样性，1995，3(2)：119～121. [6] 陆健健．中国滨海湿地的分类[J]．环境导报，1996，1：4．5． [7] 许菡. 多元遥感影响融合最佳波段选择及质量评价 [J].测绘科学，2007，32（3）：72-74. [8] 于欢,张树清,孔博.CBERS 与 TM 遥感影像湿地覆被分类对比分析 [J].遥感信息,2010,””(3):75-81. [9] [张韬，吕洪娟，孙美霞，等．遥感多光谱数据在内蒙古西部地监测中最佳波段选取的应用研究一以乌梁素海域为例[J]．干旱区资源与环境，2007，21(4)：102～106. [10] 陈剑波,曾明宇,石军南.遥感和 GIS 技术在广东省湿地信息提取中的应用[J].中南肄业调查规 [11] 杜红艳,张洪岩,张正祥.GIS 支持下的湿地遥感信息高精度分类方法研究[J].遥感技术与应划,2010,2(1):24-27. 用,2004,8(4):244-248. [12] R Chopra,V K Verma,P K Sharma．Mapping，monitoring and conservation of Harike wetlandecosystem， Punjab，India,through remote sensing[J]．International Journal of Remote Sensing，2001，22(1)：89-98. [13] Bridget Schulte—Hostedde，D Waiters，C Powell，D Shrubsole．Wetland management：An analysis ofpast practice and recent policy changes in Ontario[J]．Journal of Environmental Management,In Press，Available online 20 March 2006，12(3)：1 8—29. [14] 沈松平，王军，游丽君等．若尔盖沼泽湿地遥感动态监测[J]．四川地质学报，2005，25(2)：1 19-121. [15] 李志中,杨清华,孙永军.利用动态遥感技术监测太原市土地变更情况[J].国土资源遥感,1999,9（3）:72-76. [16] 赵英时.遥感应用分析原理与方法[M].北京科学出版社，2003：372-393. [17] 姜琦刚,崔瀚文,李远华.东北三江平原湿地动态变化研究[J].吉林大学学报,2009,11(6):1127-1133. - 8 -

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