遥感与地理信息系统技术在湿地研究中的应用.pdf

遥成信惠 衄用技了 I 亡 遥感与地理信息系统技术在湿地研究中的应用 盛辉 殷 守敬 中国石油大学 华东 地球资源与信息学院 东营 2 5 7 0 6 1 摘要 基于遥感和地理信息技术 对黄河三角洲河口湿地土地利用 覆盖现状和变化进行分析 利用多维信息图像对土地 利用状况进行分类 然后利用景观分析法对该地区土地利用 覆盖变化信息进行评定 并对 变化驱动力做 出推断 最后据此提 出合理利用和保护黄河三角洲湿地的建议 关键词 遥感 地理信息系统 湿地 土地利用 覆盖 变化监测 中围分类号 P 2 3 7 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 3 1 7 7 2 0 0 6 8 4 0 0 4 6 0 4 1 前言 湿地 在 湿地公约 中的定义是 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 湿地是重要的国土和 自然资源 如同森林 耕地 海洋一 样具有多种功能 它是地球上最具生产力的生态系统之一 是生物多样性的发源地 它不仅为人类生产 生活提供多种 资源 而且具有巨大的环境功能和效益 享有 地球之肾 的 美誉 作为自然界最富生物多样性的生态景观和人类最主 要的生存环境之一 与森林 海洋一起并列为全球三大生态 系 2 1 随着计算机和数据处理技术的发展 遥感和地理信息技 术取得了巨大进展 并逐渐成为研究地球表面变化研究的主 要手段 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了有效的信息源 地理信息系统有较强的空间信息处理和分析功能 具有空间 性和动态性 能快速 准确和综合地对复杂的地理系统进行 空间定位和动态分析 综合利用遥感和地理信息技术 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 因此遥感技术 R S 的发展以及地理信息系统 G I S 对遥感信息处理 分析 的强有力支持 使遥感技术成为宏观监测最重要的手段 2 技术方法 2 1 研究区概况 黄河三角洲湿地位于黄河入海IZ l 处 是国际重要湿地之 一 是亚洲东北内陆和环西太平洋鸟类迁徙的重要 中转站 及越冬 栖息和繁殖地 是中国暖温带最完整 最广阔 最年 轻的湿地生态系统 该地区于 1 9 9 2年经国务院批准为国家 级 自然保护区 由于受河流泥沙淤积作用 海水侵蚀作用 石油开发等 自然及人为因素综合作用的影响 该区海岸线蚀 进及地表覆盖状况变化较快 尤其 1 9 9 6 年黄河入海 口人工 改道后 对沙嘴的演进有重要影响 黄河三角洲自然保护区 是以保护黄河口新生湿地生态系统和珍稀濒危鸟类为主体 的湿地类型保护区 具有典型的河 口 和滨海湿地生态系统和 丰富的生物资源 2 2 实验过程 本文选取黄河三角洲河 口湿地为研究对象 以 1 9 9 2年 4 月 2日L a n d s a t T M和 2 0 0 3年 5月 2 7日的 L a n d s a t E TM 遥感影像为主要数据源 结合地面调查资料 对该地区土地 利用 覆盖变化展开研究 1 根据现有湿地分类系统和研究区调研资料建立研究 区分类系统 2 图像预处理 包括辐射校正 几何校正和直方 图匹 配等 3 图像分类 4 土地覆盖变化监测 首先对分类图像直接运算获取 变化类型和变化数量 然后将分类图像矢量化后经 G I S软件 处理 用景观分析法对土地利用 覆盖变化的格局特征和演 变规律分析 2 3 遥感圈像预处理 1 数据的校正处理 其中包括图像的辐射纠正 主要 消除大气辐射的影响 几何纠正 主要消除由于 各种原因 如地球曲率 地球 自转 遥感平台位置和运动状态等影响所 引起的图像的变形 2 图像的几何配准 由于该地区的地势比较平坦 我们 采用二次多项式进行拟合 选取了 1 8个同名点作为控制点 4个同名点作为检查点 匹配精度在 0 5个像元内 3 图像剪裁和直方图调整 在配准好的图像上选取研 究区裁剪 然后将两个时相的图像尽可能地调整成一致的直 收稿日 期 2 0 0 5 0 9 1 2 方图 使图像的亮度值趋于协调 以便于比较 作者简介 盛辉 1 9 7 2 男 山东定陶人 讲师 博士研究生 毕业于武汉大学摄影测量与遥感专业 现主要从事摄影测量与遥感 G I S 方面的 教学与研究工作 已发表论文 7 篇 E m n l l s h e n g h u i m a i l h d p u e d u c n 4 6 维普资讯 2 0 0 6 2 髓用技 遥感信惠 2 4 土地利用 覆盖分类 2 4 1 研究区分类系统的建立 结合现有的湿地分类系统l 2 根据遥感资料以及实地调 查资料 根据黄河三角洲的特点 综合考虑湿地的水文 生态 及植物优势群落等要素 坚持科学 实用的原则 将研究区进 行分类 2 4 2 遥感图像分类 遥感信息增强主要包括 反差增强 包括线性扩展 非线性扩展以及直方图调整 彩色增强 单波段图像的 伪彩色增强 多波段图像的彩色合成 利用 O I F值选择波段 或分量 基于图像统计特征的多维正交线性变换 K L 变换 主成分分析 K T变换 缨帽变换 由于研究区内盐碱地与耕地 耕地与草地 建筑物与耕 地等都存在一定程度的混合现象 使分类存在一定的困难 因此本次研究采用多维信息组合的方法来增强遥感信息 本试验在原影像的 6个波段基础上 加入了 K L变换的 3 个波段 K T变换的 3个波段 主要是亮度 湿度和绿度 以 及 N DV I 植被指数 等 1 3维信息 通过对试验区的调查研究 以及对赵寒冰等的研究结果t 3 的理解和应用 决定采用 K L 变换的前三个波段 K T变换的后两个波段 湿度和绿度 以 及植被指数组成 6 维信息 并对其进行合成 组合后的各种 地物的信息量明显要比原始影像下的信息量集中 比较容易 辨别地物 加入合成信息后的研究区影像分类结果图像 如 封 3图 1 图2所示 分类后对分类结果进行评定 取得了较好的结果 结果 见表 1 从表 1 可以看出 1 9 9 2 年图像分类的 K a p p a 系数为 8 9 0 7 2 0 0 3年图像分类的 K a p p a 系数为 8 8 4 9 2 5 土地利用 覆盖变化监测 2 5 1 土地利用 覆盖变化信息提取 对 1 9 9 2年和 2 0 0 3 年分类后图像运算 对于同类地物采 用同一个类别编号 1 9 9 2年图像乘以 1 0 与 2 0 0 3 年图像相 加 生成专题图 则十位代表 1 9 9 2年类别 个位代表 2 0 0 3 年 类别 整个编码代表从 1 9 9 2 年转化至 2 0 0 3 年 的类别 封 3 图 3和表 2 分别是 1 9 9 2至 2 0 0 3 年土地利用 覆盖类型变化 图和变化矩阵 由于采用的随机取样方法不当 导致了在未 知类别 k o n g d i 上的抽样数很少 也直接影响了分类精度 从表中还可以看出 耕地 g e n g d i 与草地 建筑物的区分 比较 难 也直接影响了它的分类精度 表 1 1 9 9 2 和2 0 0 3 年分娄精度评定 时间 类别 参考点 分类点 正确 生产者精度 用户精度 K a p p a 低矮 芦苇地 9 0 9 0 8 2 9 1 1 1 9 1 1 1 0 8 9 5 4 滩涂 1 2 6 1 1 9 1 1 4 9 0 4 8 9 5 8 O 0 9 4 6 8 海滩 5 9 5 3 5 0 8 4 7 5 9 4 3 4 0 9 3 7 2 水域 1 1 5 1 2 0 1 1 0 9 5 6 5 9 1 6 7 0 8 9 6 9 1 9 9 2 海湾 7 8 7 6 7 1 9 1 O 3 9 3 4 2 0 9 2 4 4 碱地 3 0 3 0 2 4 8 O O O 8 0 O O 0 7 8 9 5 荒地 5 6 6 4 5 1 9 1 O 7 7 9 6 9 0 7 7 6 沼泽 4 6 4 8 4 2 9 1 3 O 8 7 5 O 0 8 6 4 6 总数 6 0 0 6 0 0 5 4 4 8 9 0 7 低矮芦苇地 7 4 7 3 7 1 9 5 9 5 9 7 2 6 0 9 6 8 7 滩涂 1 3 4 1 3 7 1 2 7 9 4 7 8 9 2 7 0 0 9 0 6 海滩 3 0 3 0 2 4 8 0 0 o 8 0 0 0 0 7 8 9 5 水域 1 3 7 1 3 7 1 2 9 9 4 1 6 9 4 1 6 0 9 2 4 3 2 O 0 3 海湾 9 5 8 8 8 l 8 2 2 6 9 2 O 5 0 9 0 5 5 碱地 3 4 3 7 2 9 8 5 2 9 7 8 3 8 0 7 7 0 8 耕地 4 8 4 7 4 2 8 7 5 O 8 9 3 6 0 8 8 4 4 芦苇 田 4 8 5 1 3 9 8 1 2 5 7 6 4 7 0 7 4 4 2 总数 6 0 0 6 0 0 5 4 2 8 8 4 9 表2 1 9 9 2 2 0 0 3 年土地利用变化矩阵 单位 k m 2 1 9 9 2 2 0 o 低矮芦苇 滩涂 海滩 水域 海湾 盐渍地 荒地 沼泽 2 0 0 3 年总面积 低矮芦苇 4 4 4 5 1 3 6 5 O 6 6 O 8 8 0 0 4 3 2 9 2 8 4 2 1 7 6 1 1 0 9 O 0 滩涂 3 7 1 5 1 3 5 9 7 1 9 1 O 1 1 1 7 3 3 5 2 5 9 1 9 2 8 1 3 7 8 2 4 2 3 8 海滩 0 3 4 4 6 5 9 9 5 1 2 9 0 4 3 0 1 4 0 4 5 6 O 1 2 1 7 3 5 水域 3 8 3 3 1 6 7 1 3 7 9 1 8 0 3 4 8 2 2 O 6 2 1 9 5 2 9 1 2 4 3 3 2 海湾 O 4 0 1 4 1 8 4 3 1 5 3 8 1 0 1 2 8 O O 0 O 3 1 3 9 1 3 盐渍地 7 3 3 1 2 2 8 O 2 8 0 4 0 0 0 2 9 1 3 2 4 9 2 5 O 7 3 1 6 3 耕地 1 8 4 7 4 2 5 O 1 3 O 2 6 0 0 0 7 3 7 0 l 7 4 9 8 3 8 5 2 6 9 芦苇 田 3 3 O 6 2 4 8 O 3 5 1 7 8 1 1 8 1 8 8 1 5 1 4 5 2 1 6 1 0 7 1 9 9 2年总面积 1 4 4 6 3 2 0 8 9 2 6 2 7 0 2 1 1 4 9 1 1 4 5 2 1 3 5 4 8 7 6 6 5 3 1 1 4 7 维普资讯 遥感信息 皿用技 2 0 0 6 2 2 5 2 土地利用 覆盖变化信息分析 将分类图像转化为矢量图后 在 A r c V i e w 内处理 提取 出 1 9 9 2年和 2 0 0 3 年土地利用信息 各类斑块数见表 3所 示 区域中土地利用 覆盖类型分配均匀程度 值越大 覆盖 类型分配越均匀 优势度指数 反映区域 内某些类型支配区 域分布上越分散 斑块形状指数 斑块周长与等面积的圆周 长之比 它代表斑块形状与圆形相差的程度 该指数的最小 值为 1 其值越接近 1 斑块形状与圆形越相近 和破碎度指 数 景观被分割的破碎程度 一定程度上反映了人对景观的 干扰程度 主要景观指数有 多样性指数 反映变化类型的多少和 域土地利用 覆盖的程度 分离度指数 指某一景观类型中 各类型所占比例的变化 均匀度指数 描述 根据提取的资 不同元素个体分布的分离程度 分离度越大 表明景观在地 料 在 E x c e l 内处理计算各景观指数 如表 4所示 衰 3 1 9 9 2 和 2 0 0 3 年土地利用信息 个数 平均面积 单位 格网数 总面积 单位 格网数 类别 1 9 9 2 2 O O 3 1 9 9 2 2 o 03 1 9 9 2 2 O O3 低 矮芦苇 8 6 2 9 2 7 2 8 2 0 6 3 5 3 4 9 1 9 1 3 1 7 8 0 6 2 1 3 4 1 9 4 滩涂 5 6 9 8 1 9 3 6 4 5 1 4 1 3 1 5 4 1 3 6 2 5 7 2 1 5 2 9 8 4 0 8 海滩 1 8 6 5 5 2 6 4 1 3 8 8 7 4 0 6 1 4 1 7 7 1 9 0 2 1 3 6 3 水域 2 2 8 8 2 7 4 1 1 1 3 8 0 1 1 0 9 2 8 8 2 6 0 3 7 7 2 9 9 5 5 9 海湾 2 3 0 4 1 5 0 5 6 1 1 9 4 9 1 1 3 8 1 3 1 4 0 9 9 3 1 7 1 2 8 8 盐渍地 1 1 9 6 2 3 2 0 1 3 9 3 7 3 1 6 7 8 7 1 1 6 6 6 9 3 8 9 4 6 荒地 耕地 3 4 1 1 3 3 8 7 3 1 6 4 1 9 1 5 2 1 1 0 7 9 2 4 6 4 8 6 8 沼泽 芦苇 田 8 1 4 5 7 3 8 8 0 2 7 8 7 1 0 1 8 8 5 6 5 3 8 7 7 5 1 9 1 衰 4 土地利用 覆盖变化的景观指数 景观分离度 斑块形状指数 破碎度指数 土地利用类型 1 9 9 2 2 0 0 3 1 9 9 2 2 0 0 3 1 9 9 2 2 0 0 3 低矮芦苇 0 0 2 0 7 8 0 0 3 1 7 6 9 9 4 3 6 4 9 9 0 2 5 7 3 0 1 7 1 7 滩涂 0 0 1 1 9 7 0 0 0 9 5 8 6 9 4 7 3 5 1 6 0 1 6 9 9 0 1 2 1 8 海滩 0 0 7 2 7 9 0 4 9 9 9 4 3 2 3 4 2 4 2 4 0 0 5 5 6 0 0 3 3 1 水域 O O 1 1 7 5 0 0 0 9 5 2 2 4 0 1 2 7 5 9 0 0 6 8 2 0 1 7 2 5 海湾 0 0 2 9 4 9 0 0 2 2 0 2 2 1 0 3 1 5 7 1 0 0 6 8 7 0 0 9 4 7 盐渍地 0 7 2 5 3 5 0 2 0 3 1 0 3 7 4 3 5 0 7 8 0 0 3 5 6 0 1 4 6 0 荒地 耕地 0 0 4 4 0 3 0 0 9 4 4 9 7 1 2 5 7 4 3 6 0 1 0 1 7 0 2 1 3 2 沼泽 芦 苇田 0 0 9 3 3 6 0 0 7 5 7 1 9 6 5 5 3 4 8 2 0 2 4 2 8 0 0 4 6 4 平均数 0 1 2 6 1 9 0 1 1 8 2 6 5 6 4 4 4 0 9 6 0 1 2 5 0 0 1 2 4 9 多样性指数 l 均匀度指数 优势度 指数 破碎度 指数 1 9 9 2 1 8 8 1 4 1 0 9 0 4 8 0 1 9 8 0 0 0 3 0 3 8 2 0 0 3 1 7 9 6 8 l I 8 6 4 1 0 2 8 2 7 0 0 1 4 3 9 3 结果分析 从土地利用 覆盖转化矩阵可以看到 土地利用 覆盖类 型主要发生了以下变化 首先是滩涂面积大幅度增加 其主 要来源有原来的海滩 浅海域 荒地和低矮芦苇地等 其中黄 河改道导致了大片浅海域转变为滩涂和浅海域的向外推进 然后是海滩演变为滩涂 这是由于盐生植被生长蔓延对海滩 改良的结果 其次是沼泽地转变为低矮芦苇地和滩涂 再一 个特点就是盐渍地面积也有较大增长 主要由原来的低矮芦 苇地和海滩转化而来 这应当是黄河改道后水淹所造成的 再其次是有较大面积的芦苇地和荒地被开发变为耕地 并且 有一部分低矮芦苇地被人工开发为芦苇田 低矮芦苇地向芦 苇田的转变部分原因是 由于像片拍摄时间不同 1 9 9 2年 4 月2日和 2 0 0 3 年 5月2 7日 芦苇长势不同使得分类有所混 淆 从景观指数分析结果看来 2 0 0 3年景观分离度和破碎度 均小于 1 9 9 2年 滩涂和芦苇地破碎度也体现了同样的趋势 48 这说明人们加强了对湿地 自然生态的保护 而盐碱地和耕 地 荒地的景观破碎度则是 2 0 0 3年大于 1 9 9 9年 说明在某 些地区受人为因素的干扰加强了 人们加强了对难利用地的 开发程度 从总体趋势看 人们对湿地资源的开发和利用趋 于合理 3 1 变化驱动力分析 驱动力是指导致土地利用 土地覆被变化的各种动力因 素 其范围涉及 自然系统和社会经济系统的许多方面 其 中 自然因素是限制因子 人为因素才是变化的主导因子 1 自然因素 堤坝构筑 近年来 人们加强了黄河尾间的治理 构筑 海岸堤坝拦截海水 隔断了陆 海生态交汇 影响了湿地功能 的正常发挥 黄河改道 黄河改道在新河道周围形成大量湿地 同时 也使某些湿地失去了淡水的补充 湿地生态系统严重退化 生物多样性丧失 湿地价值降低 黄河来水量变化 黄河三角洲成因于黄河来水中泥沙 的淤积 研究表明 黄河三角洲的淤进与蚀退与黄河来沙量 维普资讯 2 0 0 6 2 皿用技麻 遥感信息 具有正相关关系 而近年来黄河水量的减少和泥沙来源的 减少 使海岸湿地容易被侵蚀 2 人为因素 随着社会的发展和人们各类需求的增长 人类加强了对 黄河三角洲的开发 人为因素的参与 破坏了湿地内原有的 生态 系统 3 2 关于黄河三角洲湿地保护和开发的建议 结合以上分析 我们对于黄河三角洲的湿地开发提出以 下建议 以保证对湿地的合理开发和利用 为黄河三角洲的 可持续发展战略服务 应当加强对湿地科学的研究 掌握湿地的生态规律 从 而合理开发保护湿地资源 黄河断流直接影响到湿地生态系 统淡水水源的补给和河流自净能力的降低 导致河口原生湿 地生态系统的退化 防止黄河断流是保护湿地生态系统的 重要措施之一 建立湿地数据库 包括湿地基础数据库 动 植物资源及分布 和 自然资源与环境数据库 通过对湿地各 类信息的综合分析 可以得出其时空变化情况 为湿地的管 理提供科学根据 加强湿地动态监测 对湿地地区的动态监 测可以及时发现和反映湿地的变化状况及其变化区域 从而 可以及时采取相应措施做出回应 4 l 4 总结与展望 当前综合利用遥感和地理信息技术研究湿地已经成为遥 感和地理信息技术应用的特点领域之一 也是湿地研究的主 要手段 在本文中 主要论述了以下几个方面的内容 利用多 维信息图像对土地利用状况进行分类 取得了较好的精度 采 用多时相遥感资料获取土地利用变化图像 具有直观的可视 效果和统计数据 结合 G I S 软件 采用景观分析法对土地利用 信息进行评价 并据此推断出土地利用变化的驱动力 但是遥感和地理信息技术的应用还存在一些问题 在土 地利用 覆盖分类过程中如何实现遥感和地理信息技术的有 效集成 地理信息系统向虚拟现实发展的趋势 土地利用动 态监测中地理信息系统的动态模拟功能有待开发 要实现对 土地利用变化自动化 实时监测 需要进一步研究图像 自动 配准 特征 自动提取 目标自动解译 影像自动融合等关键性 问题 5 l 参考文献 1 赵寒冰 李加林 多维信息在改善沿海地区图像分类精度中的应用方法 J 海洋地质与第四纪地质 2 0 0 2 2 4 2 1 2 5 1 2 9 2 刘振乾 吕宪国 刘红玉 黄河三角洲和辽河三角洲湿地资源的比较研究 J 资源科学 2 0 0 0 2 2 3 6 0 6 5 3 柳丽 宫辉力 赵文吉 基于遥感与 G I S的土地利用 覆盖变化信息分析研究 以甘肃省石羊河流域为例 J 国土资源科技管理 2 0 0 4 5 6 0 6 4 4 丁东 李日 辉 黄河口地区湿地的研究和保护 J 海岸工程 2 0 0 1 2 0 3 3 3 3 8 5 李德仁 利用遥感影像进行变化检测 J 武汉大学学报 信息科学版 2 0 0 3 2 8 5 7 1 2 6 h t t p www i n f o b a s e g o v c a s d g d s d S p a g e s d y g k h t m 7 杨虎 郭华东 王长林 T M S A R数据融合在黄河口沙咀动态监测中的应用研究 J 土地学与国土研究 2 0 0 1 1 7 4 1 5 1 9 8 江涛 等 城市扩展动态变化的遥感研究 J 遥感信息 1 9 9 9 4 5 0 5 3 9 盛辉 廖明生 张路 基于典型相关分析的变化检测中变化阈值的确定 J 遥感学报 2 0 0 4 8 5 4 5 1 4 5 7 1 0 汪爱华 张树清 何艳芬 R S 和 G I S支持下的三江平原沼泽湿地动态变化研究 J 地理科学 2 0 0 2 2 2 5 6 3 6 6 4 0 1 1 孙广友 中国湿地科学的进展与展望 J 地球科学进展 2 0 0 0 1 5 6 6 6 6 6 7 2 Th e Ap pl i c a t i o n o f RS a nd GI S i n t h e Re s e a r c h o f W e t l a nd S H E NG H u i Y I N S h o u j i n g C o l l e g e o fG e o r e s o u r c e s a n d I n f o r m a t i o n C h i n a Un i v e r s i t y o fP e t r o l e u m E a s t Ch i n a D o n g y i n g S h a n