（环境工程专业论文）桂林会仙岩溶湿地生态环境遥感动态监测与景观评价研究.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 湿地具有调节气候、保持水源、净化水质、蓄洪防旱、维持生物多样性等独特功能。 桂林会仙湿地是我国低海拔岩溶湿地的典型代表，属于连续型灰岩含水岩组，主要以排泄 岩溶地下水为主，是桂林山水的重要组成部分。但随着经济发展，人类生产所带来的生态 破坏，目前已严重退化，面积仅为原湿地面积的2 0 ，抢救性保护迫在眉睫。为此，首先 要对湿地资源展开系统的湿地资源与生态调查，从而为制订会仙湿地保护措施和管理提供 依据。 本文用三个不同时相多源遥感数据对近年来会仙湿地资源与生态变化进行遥感动态 监测，得到以下成果： ( 1 ) 经过一系列的遥感图像处理，尝试多种分类方法，对比其精度，最后选用极大 似然法分类提取桂林会仙湿地研究区三个年份面积变化，1 9 9 1 年、1 9 9 8 年、2 0 0 0 年依次 为6 4 6 公顷、2 0 7 3 公顷、1 6 3 7 公顷。研究发现桂林会仙湿地面积变化趋势与桂林漓江水 量变化有关，并存在周期变化。 ( 2 ) 利用植被指数( n d v i ) 加决策树分类，以缨帽变换的绿度分量来控制决策树的 闽值，在g i s 软件支持下，提取三个不同年份会仙湿地植被覆盖度。植被覆盖度从1 9 9 1 年的6 4 下降到2 0 0 0 年的5 2 。这主要由于人类生产对湿地周边森林砍伐，导致水土流失 所造成的。 ( 3 ) 从景观学角度，取景观格局指标中的四个主要指标对桂林会仙湿地的景观格局 进行分析，得到会仙湿地研究区三个年份的多样性指数、优势度指数、均匀度指数、破碎 度指数。多样性指数由于1 9 9 8 年的洪水影响，其那年的多样性指数最低，从1 9 9 1 年和 2 0 0 0 年对比来看，说明研究区人类干扰活动造成景观多样性有所下降，造成湿地的破坏。 从优势度指数和均匀度指数来看，荒地( 低植被区) 在研究区景观中占优势类型。从破碎 度指数来看，1 9 9 1 年研究区景观的破碎度低于2 0 0 0 年。主要由于某些景观类型退化或消 失，或者是对原来景观类型的不断分割和分化，破碎化程度加大。 ( 4 ) 利用i r s - p 6 遥感数据解译桂阳高速公路对会仙湿地破坏情况，并提出破坏因子 影响评价模型，可为高速公路改选线路提供参考。 本研究不仅为会仙湿地保护措施的制定提供有力依据，而且可以为整个桂林地区岩溶 湿地遥感动态监测与评价提供参考依据。 关键词；会仙湿地，极大似然法分类，植被指数，最观格局，高速公路 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t w e t l a n dh a sal o to fs p e c i a lf u n c t i o n sl i k ea d j u s t i n gc l i m a t e ，h o l d i n gw a t e rr e s o u r c e ， p u r l f y i n gw a t e rq u a l i t y , s t o r i n gf l o o da n da v o i d i n gd r o u g h t ，m a i n t a i n i n gb i o l o g yv a r i e t y , e t e g u i l i nh u i x i a nw e t l a n di st h er e p r e s e n t a t i o no fl o w - a l f i m d ek a r s tw e t l a n di nc h i n a , b e l o n gt o s e r i e sl i m e s t o n ec o n t a i n i n gw a t e rf a b r i cm o s t l yb yd r a i n a g ek a r s tu n d e r g r o u n dw a t e r , i sa l l i m p o r t a n tc o m p o s ep a r to fg u i l i nl a n d s c a p e y e tw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m y , t h e w e t l a n di s b e i n gd e s t r o y e d a tp r e s e n t ，g u i l i nh u i x i a nw e t l a n d h a da l r e a d ys e v e r i t y d e g e n e r a t e d ，t h ea r e ah a so n l yf o r m e ra r e a2 0 t h es a l v a g ep r o t e c t i o ni sae x i g e n c y t h e r e f o r e ， a b o v ea l ln e e ds y s t e m a t i ci n v e s t i g a t et ow e t l a n d sr e s o u r c ea n dz o o l o g ya sp r o v i d i n gb a s i so f d e c i s i o nh u i x i a nw e t l a n dp r o t e c t i o nm e a s u r e i nt h i sp a p e r , t h ew e t l a n dr e s o u r c ea n dz o o l o g yi ng u i l i nh u i x i a nk a r s tw e t l a n dw a s d y n a m i cm o n i t o r e db yu s i n gm u l t i - s o u r c er e m o t es e n s i n g t h em a i nc o n t e n ti sa sf o l l o w s ： ( 1 ) u s i n gas e r i e so fr e m o t es e n s i n gi m a g em e t h o d t r y i n gt om a n yl c i i l do fc l a s s i f i c a t i o n m e t h o d ，c o m p a r i n gs u p e r v i s ec l a s s i f i c a t i o n s w i t hu n s u p e r v i s e dc l a s s i f i c a t i o n sa n do t h e r c l a s s i f i c a t i o n s ，t h er e s e a r c ho nt h ew e t l a n di n f o r m a t i o ne x t r a c t i o nw a sa n a l y z e d t h er e s u l t i n d i c a t e dt h a tt h em a x i m u ml i k e l i h o o dc l a s s i f i c a t i o nm e t h o di sb e t t e r t h e nu s i n gm a x i m u m l i k e l i h o o dc l a s s i f i c a t i o ne x t r a c ts t u d ya r e ac h a n g ei n f o r m a t i o ni nt h et h r e ed i f f e r e n ty e a r si s r e s p e c t i v e l y6 4 6h e c t a r e ( 1 9 9 1 ) ，2 0 7 3h e c t a r e ( 1 9 9 8 ) ，1 6 3 7h e c t a r e ( 2 0 0 0 ) f i n i n gt h a tt h e c h a n g ec u r r e n to fg u i l i nh u i x i a nw e t l a n da r e ai sr e l a t i v et og u i l i nl i - r i v e rw a t e rq u a n t i t a t i v e p e r i o d i c i t yc h a n g e ( 2 ) a e e n r d i n gt ot h eg r e e nw e i g h td e g r e eo ft a s s e lc a pt r a n s f o r m a t i o nc o n t r o lv e g e t a t i o n i n d e xa d d i n gd e c i s i o n m a k i n gt r e e c l a s s i f i c a t i o n , e x t r a c t i n gv e g e t a t i o nc o v e rd e g r e e so f h u i x i a nw e t l a n di nt h et h r e ed i f f e r e n ty e a r s t h ec o v e rd e g r e eo fv e g e t a t i o nw a sf e l lf r o m 6 4 ( 1 9 9 1 ) t o5 2 ( 2 0 0 0 ) i tm o s t l yr e f l e c t e dt h a tw a t e ra n ds o i lh a v ew a s h e da w a yb e c a u s e h u m a n b e i n g c u tt h ef o r e s ti n c r e a s i n g l y ( 3 ) f r o ml a n d s c a p es t u d yo f v i e w , a n a l y s i sl a n d s c a p ep a t t e r no f g u i l i nh u i x i a nw e t l a n dg e t f o u rl a n d s c a p ep a t t e mi n d i c e s b e c a u s eo f t h ef l o o di n f l u e n c e ( 1 9 9 8 ) ，t h el a n d s c a p ed i v e r s i t yo f t h a ty e a r si n d e xi st h el o w e s t c o m p a r i n g1 9 9 1t o2 0 0 0 ，w ec a ns e et h a tt h ew e t l a n dl a n d a c a p e d i v e r s i t yh a sd e c r e a s i n g , w h i c hs h o w e dt h a tp e o p l e si n t e r f e r e n c ea c t i v i t yc a u s e dt h i ss i t u a t i o n f r o mt h ep r e d o m i n a n c ei n d e xa n du n i f o r m i t yi n d e xa n a l y s i sr e s u l t ，b a d l a n d s ( g r a s s p l o t ) i s p r e d o m i n a t et y p ei ns t u d ya r e a a c c o r d i n gt of r a g m e n t a t i o ni n d e x ，t h en u m b e ro ft h ew h o l e w e t l a n dl a n d s c a p ef r a g m e n t a t i o ni n d e xi n c r e a s i n g w h i c hi l l u m i n a t e dt h a ts o m el a n d s c a p et y p e s d e g e n e r a t e do rv a n i s h e d ，o rt h ep r i m a r yl a n d s c a p et y p e sh a v eb e e np a r t i t i o n i n g 桂林工学院硕士学位论文 ( 4 ) u s i n gi r s p 6d a t a , t r a n s l a t i n gh u i x i a nw e t l a n d si n f l u e n c eg i v e nb yg u iy a n gt h r u w a y , t h e nm a k i n gb r e a k a g ea p p r a i s em o d e l i tc a nb et h er e f e r e n c ef o ri m p r o v e m e n ti nt h er o u t eo f t h r u w a y t h i ss t u d yc a nn o to n l yp r o v i d et h ed e c i s i o nb a s i sf o rt h ew e t l a n dp r o t e c t i o na n d a d m i n i s t r a t i o n ，b u ta l s oo f f e rr e f e r e n c ef o rr e m o t es e n s i n gd y n a m i cs u p e r v i s i n ga n da p p r a i s i n g t ot h ew h o l eg u i l i na r e ak a r s tw e t l a n d k e yw o r d s ：h u i x i a nw e t l a n d ，m a x i m u ml i k e l i h o o dc l a s s i f i c a t i o n , v e g e t a t i o ni n d e x ，l a n d s c a p e p a r c r n ，t h r u w a y 桂林工学院硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权说明 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是我个人在吴虹教授指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特i i ：i i 以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并致以了谢意。 学位论文作者( 签字) ：丛垒盘： 签字日期：五趔：矗：! 墨 版权使用授权说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求 提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目 录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以 赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵守此规 定) 学位论文作者( 签字) ：塑垒盈： 指导教师签字：主毳彳匿垒兰= 签字日期；2 塑孥! 笸：型 桂林工学院硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 湿地，在湿地公约中的定义：不问其天然或人工、常久或暂时之沼泽地、湿原、 泥炭地或水域地带，带有静止或流动、咸水或淡水、半咸水或咸水水体者，包括低潮时水 深不超过6 m 的水域。 湿地与森林、海洋并称为全球三大生态系统1 2 】。湿地不仅具有保持水源、净化水质、 蓄洪防旱、调节气候和保护海岸等巨大的生态功能，湿地也是生物多样性的富集地区，是 世界上最具活力的生态系统，保护了许多珍稀濒危野生动植物种。人们把湿地称为“地球 之肾”、天然水库和天然物种库。湿地所具有的景观和文化价值也为世界文明的延续和 发展做出了重要贡献。健康的湿地生态系统，是国家生态安全体系的重要组成部分和实现 经济与社会可持续发展的重要基础。 随着计算机和数据处理技术的发展，遥感技术取得巨大进展，成为在环境监测和研究 中重要的手段。遥感技术具有覆盖范围广、信息量大、获取信息快、更新周期短等特点， 为湿地环境状况提供有效的信息源。同时借助地理信息系统较强的空间信息处理和分析功 能“1 ，能及时准确高效地掌握和研究湿地资源的现状和动态，对湿地的合理开发、利用和 保护有着重要的意义。 1 2 选题背景和研究意义 1 2 1 选题背景 + 我国是世界上湿地类型齐全、数量丰富的国家之一，湿地面积居亚洲第一位、世界第 四位。我国十分重视湿地保护，尤其是进入2 l 世纪以来，湿地保护工作有了进一步加强。 2 0 0 0 年，国家1 7 个部门在总结多年来湿地保护管理经验的基础上，制定并发布了中国 湿地保护行动计划，进一步确定了全社会共同加强湿地保护的行动纲领。2 0 0 1 年，国家 启动了六大林业重点工程，将湿地保护作为主要内容之一，纳入国家重点工程建设。2 0 0 2 年，国家组织“中国可持续发展林业战略研究”，将湿地保护作为事关生态保护和生态安 全的一个重大战略问题组织研究。2 0 0 3 年，完成了首次全国湿地资源调查，同年，国务 院批准了由l o 个部门共同编制的全国湿地保护工程规划。在各级政府和有关部门的共 同努力下，湿地保护和恢复取得了显著成果0 1 。目前全国已有约1 6 0 0 万公顷，近4 0 的 天然湿地纳入3 5 3 处保护区的保护范围，一大批珍稀野生动植物和重要湿地生态系统在保 护区内得到了较好保护。我国黑龙江省扎龙等2 l 块总面积达3 0 3 万公顷湿地被列入了湿 桂林工学院硕士学位论文 地公约的国际重要湿地名录。我国湿地保护的成就受到国际社会的关注。但是，一些地 方仍在对湿地盲目围垦、改造，导致湿地数量减少、生态功能退化，有些重要湿地甚至丧 失了湿地功能，湿地保护的任务还相当艰巨。 传统上资源调查基本上通过野外实地调查法，这些工作费时、费力，且往往受人为因 素的影响“1 。对各地方土地管理局来讲，如何快速、准确地发现土地利用的变化并获取变 化的数据，进行动态监测与更新是一个不能回避的问题。遥感技术的发展为调查土地利用 资源提供了新的途径。遥感( r e , n o t es e n s i n g ，简称a s ) 的定义是：通过某种传感器装置，在 不与研究对象直接接触的情况下，获得其特征信息，并对这些信息进行提取、加工、表达 和应用的- - f 3 科学技术。遥感技术是指整个接收、记录、传输、处理和分析判读遥感信息( 物 体电磁波的能量信息】的全过程。对遥感信息的处理分析及解译过程属于遥感应用。遥感数 据具有高分辨率、多波段、多时相及覆盖面广等优点“1 ，利用遥感技术进行资源调查客观、 准确、经济而且高效，大大提高了工作效率和数据精度。 地理信息系统”( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 使用了空间数据和属性数 据，它可以作为处理遥感数据的辅助手段。同时遥感数据也可以更新空间和属性数据的内 容，增强g i s 的时效性叫。使用遥感技术、辅以g i s 技术对资源进行调查，具有明显的实用 价值。7 0 年代以来，遥感技术在资源调查、监测中发挥了重要的作用。国际上，利用遥感 技术和地理信息系统技术进行了大量卓有成效的资源环境调查工作，如土地利用、土地覆 盖、作物估产、植被监测、湿地资源调查等美国农业部、国家海洋大气管理局、宇航局和 商业部合作于 1 9 7 4 - - 1 9 7 7 年进行的大面积农作物估产计划( l a c i e ) ，要求对美国本土、加拿 大、前苏联及世界其他地区小麦种植面积、产量进行估算，其精度达到9 0 以上。1 9 8 0 1 9 8 6 年又开展了全球性的农业资源的空面遥感调查计划( a g r i s t a r s ) 。目前已建成了集成化的 运行系统。近年来还完成了美国l ：lo o 万比例尺和全球范围的土地覆盖数据集。我国也利用 遥感技术进行了森林资源、土地利用现状调查以及动态的连续、快速监测。1 9 8 8 年我国利 用陆地卫星和航空遥感资料，查明耕地面积为1 2 5 3 9 万平方公里，而不是1 0 4 7 1 万平方公里 的统计数字，查清了我国耕地实际拥有量，为正确指定我国的农业政策提供了科学的依据。 中国农业科学研究院草原研究所利用航天遥感技术建设了中国北方草场动态监测系统，用 以监测草地资源变化和草牧平衡状况，以及对火灾、雪灾、草场退化、沙化等草原灾害进 行实时评估，对草场实行现代化管理。目前，遥感技术己经成为资源调查、环境监测、区 域分析以及全球变化等领域不可缺少的研究手段，在国家经济建设中取 ；导了显著的社会效 益和经济效益。遥感在湿地的研究与保护方面也得到了广泛的应用。我国的三江平原湿地、 辽河三角洲湿地、南大港湿地、洪潮湿地等等都利用遥感技术进行了湿地资源的调查，为 湿地的研究与保护提供了重要的科学依据“”。 2 桂林工学院硕士学位论文 1 2 2 研究意义 素有“地球之肾”称誉的湿地，具有调节小气候、涵养水源调节径流、滞留沉积物和 营养物质、净化空气、净化水质、补充氧气、维持生物多样性、提供生物物质等重要生态 功能：同时，还具有休闲和旅游、科研和教育等社会功能。一个健康的湿地生态系统是国 家生态安全体系的重要组成部分，是社会经济可持续发展的重要基础“”。 广西桂林地区会仙湿地是典型的岩溶湿地，位于桂林市临桂县会仙镇、二塘乡和雁山 区东部一带，以其规模之宏大、生态区位之重要、功能价值之齐全，成为“桂林之肾”， 且在广西众多岩溶湿地中，有着举足轻重的龙头地位。该湿地位于全球最具典型意义的热 带峰林地貌的中心地带，是组成以“水”为核心的桂林山水三大自然景观( 漓江峰丛峡谷、 遇龙河峰林宽谷、会仙峰林平原湿地) 之一。据1 9 7 9 年进行1 1 地形图测绘时湿地面积 达1 2 0 0 0h a s ( 1 2 0k m 2 ) ：但其原始面积还不止于此，是全国为数不多的大型岩溶湿地之 一，在1 0 0 0m 以下的中低海拔岩溶区里，它是弥足珍贵的。据2 0 0 2 年全国重要湿地 名录，面积1 0 0 0 0 h a 2 以上的大型天然岩溶湿地都集中在云南省，计有滇池( 3 1 8 2 7 h a 2 ) 、 洱海( 2 4 9 2 0h a 2 ) 、扰仙湖( 2 1 1 9 0h a 2 ) ，这些都是海拔1 0 0 0 m 以上岩溶湿地。会仙岩溶 湿地海拔1 5 0 1 6 0 m ，是目前已知全国中低海拔岩溶湿地规模之最。总体上，该湿地以 其分布之广大，岩溶湿地之典型( 以排泄岩溶地下水为主) 、山水景观之秀美( 组成“桂 林山水”的中心地带孕育文化之深厚( 有唐朝开凿的“相思埭”通过) ，在全国乃至全球 热带亚热带中低海拔岩溶区是独一无二的。 会仙岩溶湿地在上世纪五十年代尚有2 0 余个百亩以上的湖塘，还有密集的小型湖塘、 断头河、泉群和大片沼泽湿地，是以排泄岩溶区地下水为主的典型岩溶湿地，且各种鸟类 和水生植物茂盛。但几十年阃的围垦破坏和近年桂( 林) 阳( 朔) 高速公路的修建，现存 湿地的面积仅有2 4 0 0h a ：( 为原湿地面积的2 0 ) ，鸟类近于灭绝，水生植物仅限于古桂 柳运河一带，湿地整体上遭受严重破坏，导致湿地大面积萎缩，干旱、洪涝灾害不断，生 物多样性锐减，湿地固有的功能已呈现极度衰退状态。 然而，会仙岩溶湿地的生态价值在桂林市、乃至广西岩溶区有者不可估量的重要影响。 首先，湿地是桂林山水“三位一体”( 峡谷、宽谷、平原) 不可分割的组成部分，湿地的 兴衰将直接影响到享誉世界的桂林山水的整体形象和科学研究价值；其二，湿地组成漓江 与洛清江的分水岭，对两流域有着全局性的生态影响；三是今后桂林城区要向临桂县扩展， 湿地将成为市区最大的天然水域( 距市区不到2 0k m ) ，其生态敏感度亦大为提高，一把 正负影响的双刃剑将严重考量桂林的城市质量；四是唐元寿元年( 公元6 9 2 年) 开凿的长 达1 5k m 的古桂柳运河( 又称“相思埭”) ，历史文化底蕴深厚，旅游开发潜力极大，但 其旅游价值与湿地的生态质量息息相关；而最为重要的是：作为广西岩溶湿地之冠，又位 于具有国际影响和广西旅游龙头的桂林市郊，该湿地作为“桂林之肾”，无疑有着特别重 要的生态价值，对其恢复、保护具有特殊的重要意义和全区性的示范效应，是建设“生态 桂林工学院硕士学位论文 广西”的重要内容“。 1 3 研究现状 1 3 1 多时相遥感数据对湿地区土地类型和面积的监测 多时相遥感图像反映了不同时期的湿地景观，从而可以进行湿地景观的动态监测。中 国已经进行了利用陆地卫星影像对三江平原、辽河三角洲、黄河三角洲、若尔盖高原等沼 泽湿地分别进行了分类及分布研究。1 9 9 6 年黄进良在对洞庭湖湿地进行分类的基础上， 应用遥感和g i s 获取了不同季节不同年份的湿地面积，并借助d e m 对各阶段湿地面积变 化与湿地的防洪功能内进行了分析与评价，取得了良好的效果。1 。 1 3 2 利用t m 数据对湿地植被信息的提取 2 0 0 4 年兰樟仁等基于优化理论对闽江口湿地进行信息提取，建立了湿地信息优选模 型。基于知识的遥感分类，通常采用阎值法、谱间关系法进行水陆分离。经过光谱曲线分 析和多次试验，对归一化植被指数( n d v i ) 取阀值0 5 3 5 对t m 图像进行密度分割，进 行水陆分离，消除了常规对t m 5 或t m 7 取阀值进行水陆分离中阴影所造成的影响”。利 用归一化植被指数( n d v i ) 分离陆域植被与非植被，取阀值0 ，n d v i 0 为植被，n d v i 0 为非植被。最后用优选模型进行满意度、精度评价。 1 3 3 利用t m 数据对水体污染物的监测 2 0 0 3 年马跃良“”等选择陆地卫星t m 数据作为珠江水体遥感信息源，对珠江广州河段 水体污染进行遥感监测，监测内容包括p h 值、t s s ( 总悬浮物) 、d o ( 溶解氧) 、c o d ( 高锰酸 盐指数) 、b o d ( 6 i ：化需氧量) 、n i - h - n ( 氨氮) 、n o - n ( 亚硝酸盐氮) 、n 0 3 - n ( 硝酸盐氮) 、挥 发酚、石油类等参数进行分析，根据遥感信息数据与水质监测参数进行模型分析，用来分析 和评价水质污染状况。结果表明t m 的可见光波段能良好地反映出珠江水质情况“”。 4 桂林工学院硕士学位论文 1 4 研究方案 区域现状分析ll 已有的数据资料 现有的分类标准 遥感数据选择 会仙湿地遥感分类系统卜_ 1 图像处理 运用g p s 定位卜叫样本区选择 运用地理信息系统 背景瓷料输入 1 5 研究所用数据介绍 遥感判读 监督分类 面积变化，植被指数， 生态景观综合分析 建立动态监测 资料数据库 图1 1 研究方案设计图 表1 1 研究所用数据列表 l a n d s a t 系列简述：早在六十年代初期，美国就酝酿利用空间技术勘察地球的资源。 随即制订了”地球资源勘察”计划。包括发射资源卫星和天空实验室飞船，以及飞机计划。 经过七年的论证和研制等准备工作，于1 9 7 2 年7 月成功地发射第一颗实验型”地球资源技 术卫星”( e r t s ) 。在这颗卫星上，安装有二种摄取地面图像的遥感仪器；三台返束光导 摄像管( r b v ) 和多光谱扫描仪( m s s ) 。它们工作在可见光和近红外光谱区域。r b v 有 三个波段，地面分辨率1 0 0 m 。m s s 包括四个波段：m s s l ( 0 5 加6 ) i tm ，m s s 2 ( 0 6 - 4 ) 7 ) “m ， m s s 3 ( 0 7 枷8 ) i im ，m s s 4 ( 0 8 1 1 1um 。分辨率7 9 m 。多光谱扫描仪( m s s ) 是一种利用 行扫描原理的高分辨率光学一机械扫描成像系统。在扫描仪的焦平面上，利用分光元件和 桂林工学院硕士学位论文 光电探测器相配合，在可见光和近红外光谱范围的四个狭窄波段摄取地面图像。光谱分辨 率a 九= 0 1 “m 。从总体说来，e r t s 1 的首次实验是成功的。虽然r b v 在太空运行很 短时间就因高压电源故障而停止，但是m s s 获取的图像却得到了意想不到的成功。e r t s 1 原订寿命一年，m s s 实际工作5 5 年。它摄取了3 3 万个地面景物，提供约1 5 0 万张图像。 这种包含( 1 8 5 x1 8 5 ) k m 2 地面的多光谱图像，初步分析便得到了在当时非常惊人的结果。 这种卫星的多光谱图像迅速在世界范围扩散。随即掀起了世界性的地球资源与环境空间遥 感应用的热潮。从对地观测技术发展的角度来审视应用技术的发展历史，六十年代的实验 活动是有成效的。通过气象和资源两类应用卫星的实践过程，建立了初步满足实用化要求 的信息获取技术。利用光电探测和光一机扫描成像原理的光电遥感仪器技术，被确定为实 用化卫星有效载荷技术，推动了对地观测技术及其应用的整体发展。事实证明，这是一条 正确的技术路线。地球资源技术卫星( e r ：r s ) 的成功，使空间遥感技术的影响和作用在 世界范围进一步扩大。更为重要，m s s ( 多光谱扫描仪) 的实践和m s s 图像在众多应用 领域取得实际效益，也迅速地得到了有关m s s 应用效果的评价。使得人们对于对地观测 应用技术发展规律的认识得到了升华。七十年代中期，美国将地球资源技术卫星( e r t s ) 计划更名为陆地卫星( l a n d s a t ) 计划，下一颗卫星称为l a n d s a t 一2 ( 1 9 7 5 年) 。明确规定： 陆地卫星计划的目标是，为陆地遥感提供实用化空间观测工具。下一步的发展重点是增加 观测波段和提高地面分辨率两个方面。1 9 7 8 年发射的l a n d s a t 一3 增加了m s s 一5 热红外 ( 1 0 4 1 2 6 ) um 波段。1 9 8 2 年发射的l a n d s a t 4 卫星。星上除装载m s s 外，增加一台 新的光一机扫描多光谱扫描仪，主题测绘仪( t m ) 。t m 设置七个光谱波段，比m s s 增 加两个短波红外波段，即t m 5 ( 1 5 5 1 7 5 ) u m ，t m 7 ( 2 0 8 2 3 8 ) u m 。地面分辨率 从7 9 m ( m s s ) 提高到3 0 m ( t m ) 。虽然m s s 图像在陆地应用方面是成功的，但事实上 证明，它对于海洋遥感应用有许多不相适应。人们从实践中体会到，不能仅仅利用一种遥 感仪完成所有地球资源遥感任务。关于海洋遥感应当另行专门设计卫星并发展其有效载荷 技术。至此，人们已经认识到并确定了有关地球体系三大领域( 大气、陆地、海洋) 相对 独立的对地观测技术的发展体系。这在对地观测技术发展是一个重大的转折1 。 i r s p 6 数据简介：i r s p 6 发射于2 0 0 3 年l o 月1 7 日，星上携带三个传感器：多光谱 传感器l i s s 4 和l i s s 3 ，以及高级广角传感器a w i f s 。l i s s 3 传感器具有四个光谱波段分 别位于可见光、近红外与短波红外区域，空问分辨率为2 3 米。波段频谱：波段2 ( 绿) 0 5 2 0 。5 9 m m ；波段3 ( 红) 0 6 2 ，0 6 8 m m ；波段4 ( 近红外) 0 7 7 0 8 6 m m l 波段5 ( 短波 红外) 1 5 5 1 7 0 m m ，重复周期2 4 天，景宽1 4 1 公里“”。 1 6 论文组织方式 本文以遥感图像为数掘源，进行遥感图像预处理、遥感图像分类、定量提取，借助 地理信息系统( g i s ) 技术，利用各种定量提取手段对桂林会仙岩溶湿地生态环境多年来 6 桂林工学院硕士学位论文 的变化进行动态监测，并对桂林会仙岩溶景观进行景观格局演化分析i i ，最后提出结论 和建议。 本文共分六章： 第一章，概括总结了近年来我国湿地保护方面作出的举措，我国湿地现状及桂林会 仙湿地现状，和遥感技术在湿地监测中的研究成果。提出了本论文的研究目的和意义，及 研究的主要内容和研究方案。 第二章，介绍了本研究所用到的遥感图像处理方法，包括：有利于提取湿地信息的 相关波段选择，图像的几何校正( 本文采用多项式校正) ，各种分类方法的原理作为本研 究的理论基础。 第三章，对桂林会仙湿地研究区五大类土地类型进行各种遥感分类方法的尝试，并 给出各种分类方法在研究中的精度评价，确定极大似然法为优选方法。再利用极大似然法 对三个不同年份的遥感图像进行土地类型定量提取，在地理信息系统( g i s ) 软件下进行 信息汇总。最后，对湿地变化趋势成因分析。 第四章，以植被信息作为生态变化的主要参数，利用归一化植被指数和决策树分类 对桂林会仙湿地研究区进行植被信息定量提取，并统计。可以宏观的看出桂林会仙湿地生 态变化趋势。同时进行了缨帽变换，其中的绿度分量也作为决策数分类参数设置的依据。 第五章，利用第三章的统计数据，从景观学角度采用四种景观格局指数对三个不同 年份的桂林会仙湿地研究区做了景观格局统计分析。 第六章，评价高速公路对会仙湿地的影响，利用i r s p 6 数据做影像融合，解译高速 公路对会仙湿地破坏情况，建立影响评价模型，可以为高速公路改选线路作为参考。 第七章，总结本研究的主要成果和不足之处以及在成果基础上提出对桂林会仙湿地 长期监测和保护的展望。 桂林工学院硕士学位论文 第2 章遥感数据处理方法 遥感图像包含着地物的光谱特征、空间特征、时间特征等，可以用来推断地物的电 磁波谱性质。这些信息并非直接地呈现在我们面前，而是通过图像上复杂形式的色调、结 构及它们的变化表现出来。为了达到识别不同地物的目的，遥感图像需要进行系列的处 理。遥感图像处理通常包括图像预处理、图像分类、制图等基本步骤。 2 1 图像预处理 遥感图像的预处理。”主要包括最佳波段组合以及图像的校正。最佳波段组合是对研 究区的影像各波段进行组合分析。以得到信息量最丰富、能够最有效区分各土地利用类别 的彩色图像。图像的校正包括辐射校正和几何校正。通常购买影像的卫星地面站会对遥感 图像进行辐射校正处理和必要的几何校正处理。 2 1 1 最佳波段组合 输入原始图像数据后，得到的仍然是单波段的灰度图像数据。人眼对黑白密度的分 辨能力有限，而对彩色图像的分辨能力则要高的多。为了充分利用色彩在遥感图像判读中 的优势，常常利用彩色合成的方法对多光谱图像进行处理，以得到彩色图像。彩色合成方 法选择三个波段的灰度图像分别作为彩色合成图像中的红色分量、绿色分量和蓝色分量。 应当选择能够有效区分各土地利用类别的最佳波段组合。最佳波段组合能够去除冗余信息 的波段，降低波段维数，提高图像处理的速度，是高精度有效提取土地利用各类别的关键。 经常采用的用于分析最佳波段组合的方法有：直方图分析法、波段相关系数分析法。”。 ( 1 ) 直方图分析 遥感图像上的灰度是模拟地物的辐射物理量的模型。通常，地物的反射率是介于。 与l 之闽的数值，它记录在影像上就是灰度。影像灰度与反射率是相关的，通常图像的灰 度级为0 2 5 5 ，反映该像素点的能量大小。灰度直方图是用来表达图像灰度级分布的概 率统计洲。它反映了不同灰度值的像素个数在图像中的比例。其灰度的高低取决于地物辐 射量的大小，若图像中的大部分像素集中在低灰度级区域，则图像呈现暗的特性，反之则 呈现亮的特性。直方图的标准差较小，则图像反差小：直方图的标准差较大，则图像反差 大。图像的灰度分布范围反映了图像信息量的丰富程度，同一地区的不同图像，灰度范围 越大，表明图像反映的信息越丰富。 ( 2 ) 相关系数分析法嘶3 两个波段之间的相关系数，计算公式为： 桂林工学院硕士学位论文 窆( r ；) ( 只一歹) 再丽 ( 2 - 1 ) 其中i = 1 ，2 n ，n 为遥感数据的像元个数。x i ，y i 分别为两个波段第i 个像 元的灰度值，x ，y 分别为两个波段的灰度均值。一般地，在进行特征选择时，相关度 较高的两个波段只选取其中之一就能代表两个波段的信息。 2 1 2 几何校正 遥感图像的几何变形是指图像上像元在图像坐标中的坐标与其在地图坐标系等参考 系统中的坐标之间的差异啪1 。引起遥感影像几何变形的因素是多方面的，特别是动态遥感 器获取的影像，使得几何变形有的是系统畸变，有的是随机畸变，但总的效果是使图像中 的几何图形与该物体在所选定的地图投影中的几何图形产生差异，使图像产生了几何形状 或位置的失真。图像的几何校正是指从具有几何变形的图像中消除变形的过程。它包括系 统校正和几何精校正。 系统校正是利用卫星下行的星历数据、卫星轨道和姿态数据、卫星传感器参数及预 处理系统中所规定的地球模型和地图投影参数，模拟成像时卫星的状态及其视域，并产生 与输出图像网格对应的重定位方程，即系统校正模型，以此为依据对影像数据进行处理的 过程”1 。在上述过程中，星历数据的偏差以及预处理系统对卫星轨道和姿态参数的细化过 程的人为假设，使得经系统校正的影像仍存在着少量的内部误差和较大的定位误差。系统 校正一般在用户使用之前就完成了。 几何精校正是在系统校正的基础上，利用地面控制点( g r o u n dc o n t r o lp o i n t ，简称 g c p ) 的大地测量参数，修正系统校正模型，进而形成精确模型，并对原始影像进行处理， 最终生成图像产品的过程。几何精校正的关键是地面控制点g c p 的引入。其主导思想是利 用地面控制点的大地测量参数和控制点在图像上的坐标及系统模型对该点坐标的预测值 之间的关系，建立有系统模型与大地测量坐标系之间的联系一几何精校正模型，以此为依 据对原始影像数据进行处理。在具体实现时，精校正模型的形成过程是地面控制点不断被 引入、系统模型不断被精细化的过程。在这个过程中，由于星历数据的偏差和卫星轨道及 姿态参数细化时的不确定性所造成的误差得以纠正，从而使几何精校正产品具有较高的几 何精度。 影像几何精校正可归纳为以下四个步骤。即： 第一步，根据遥感图像几何畸变的性质和可用于校正的数据确定精校正方法和校正 公式。 第二步，在原始畸变图像与参考图像或图形间寻找控制点对g c p ，利用g c p 数据求出 校正公式中的未知参数。 9 桂林工学院硕士学位论文 第三步，如果精度不够高，说明几何畸变未得到充分校正，需要分析原因并改进， 再重新进行精校正。直到精度满足要求。 第四步，根据校正公式，运用某种内插方法对原始图像重采样，得到消除几何畸变 的图像。 在精校正步骤中，有几点需要进行说明，即几何精校正方法、校正精度分析方法以 及重采样的方法： ( 1 ) 几何精校正 ， 几何精校正方法通常有多项式纠正法、共线方程纠正法、d e l a u n e y 三角形法等。下 面分别迸行介绍： 1 多项式纠正法 多项式纠正法是实践中经常使用的一种方法，因其原理比较直观，并且计算较为简 单，特别是对地面相对平坦的情况，具有足够好的纠正精度。这种方法的基本思想是回避 成像的空间几何过程，而直接对图像变形的本身进行数字模拟。它认为遥感图像的整体变 形可以看作是平移、缩放、旋转、仿射、偏扭、弯曲以及更高次的基本变形的综合作用结 果，因而纠正前后图像相应点之问的坐标关系中可用一个适当的多项式来表达。多项式纠 正法对各种类型传感器的纠正都是普遍适用的，但是高阶多项式容易造成图像产生不应有 的变形。在使用多项式纠正法时，需要确定多项式的次方数，通常整景图像选择3 次方。 次方数与所需要的最少控制点是相关的，最少控制点数计算公式为 ( t + 1 ) ( t + 2 ) 2 ，式中 t 为次方数，即1 次方最少需要3 个控制点，2 次方最少需要6 个控制点，3 次方最少需 要1 0 个控制点，以此类推。 以2 次多项式为例说明确定多项式系数即确定校正模型的过程。如果原始影像位置 以( x ，y ) 表示，x 为行号，y 为列号，校正影像位置用( x 。y ) 表示。校正公式可表示为； r b o ：篡：孑+ 4 - 筹麓b 4 x 冀yb 如s y i 2 【】，=+ 6 l 工+ 6 2 ) ，6 3 工2 + + 2 、。 其中a i b f ( i = o ，l ，2 ，3 ，4 ，5 ) 为二次多项式的系数，用最小二乘原理，可以求解出系数。如 果采用间接法进行重采样，则校正模式公式实际为： x 。，= d 。+ d l x 4 d 2 y + d ，3 x 2 2 + 以砂+ 以( 2 - 3 ) 【y 2 d o + d ，工+ d 2 y + d 3 x 2 + d 4 x y + d s y 2 2 共线方程纠正法 7 一 与多项式纠正法不同，这种方法建立在图像坐标与地面坐标严格变换关系的基础之 上，是对成像空间几何形态的直接描述。因而这种方法理论上比多项式纠正法严密。这种 方法在纠正过程中还引入了地面高程的信息，因此在地形起伏较大情况下，它比多项式法 更能显出纠正精度上的优越性，但也因此有需要相应地区的地面高程信息的局限。 3 d e l a u n e y 三角形法 0 桂林工学院硕士学位论文 目前，地理数据误差纠正中通常采用的是最小二乘法。在大多数情况下，由于最小二 乘法本身的局限性，使得由控制点建立起来的映射不可能将源控制点完全精确地纠正到目 标控制点的位置上，而在实际应用中有时又要求这种纠正必须完全精确。当源数据的变形 具有很强的局部性特征，一