东洞庭湖湿地遥感动态监测研究

󰀁󰀁文章编号:1001󰀁1498(2008)增刊󰀁0041󰀁05

东洞庭湖湿地遥感动态监测研究

朱晓荣,张怀清,周金星

1,3

1*

2

(1.中国林业科学研究院资源信息研究所,北京󰀁100091;2.中国林业科学研究院林业研究所,北京󰀁100091;3.北京林业大学,北京󰀁100091)

摘󰀁要:应用陆地卫星TM资料和遥感图像处理Erdas8.7软件,以监督分类、人机交互等方法提取东洞庭湖湿地各种类土地类型的面积及分布信息。采用图像复合分类监测、分类结果叠加监测和信息复合人机交互目视提取等方法研究了东洞庭湖1987󰀁2004年湖区各种覆被类型的面积及其空间分布的动态变化。结果显示,1987󰀁2004年东洞庭湖湿地在人工和自然状态下的植被演替和泥沙沉积的影响下湖面不断萎缩,引起区域性不同程度的湿地退化。关键词:遥感;动态监测;湿地;面积变化中图分类号:Q148󰀁S771.8

文献标识码:A

SatelliteRemoteSensingMonitoringTechniquesonEastDongtinghuWetland

ZHUXiao󰀁rong,ZHANGHuai󰀁qing,ZHOUJin󰀁xing

1

2

3

(1.ReasearchInstituteofForestResourceInformationTechniques,CAF,Beijing󰀁100091,China;

2.ResaserchInstituteofForestry,CAF,Beijing󰀁100091,China;3.BeijingForestryUniversity,Beijing󰀁100083,China)

Abstract:UsingTMdataandimageprocesssoftwareErdas8.7,theEastDongtinghuwetland󰀁sareaanddistributioninformationwereobtainedbymethodsofSpectralAngleMapperandman󰀁machineinteractiveinterpretation.The

dynamicchangesofEastDongtinghuwetlandareaanditsspatialdistributionbetween1987and2004werestudiedbythemethodsofimagesintegration,interactivevisua1interpretationandclassificationresultsoverlay.Theresultsshowedthatundertheeffectsofvegetationsuccessionandsedimentdeposition,theareaofEastDongtinghuwetlandshrankcontinuously,whichcausedtheregionaldegradationofwetlandtovaryingdegrees.Keywords:wetland;remotesensing;dynamicchangemonitoring󰀁󰀁东洞庭湖湿地主体东洞庭湖湖区是洞庭湖的主

2

体湖盆,最大湖水面积1328km,约占洞庭湖区的一半,是一个调蓄过水型湖泊,汇集湖南湘、资、沅、澧四水,对长江水量有巨大调剂作用。本区湿地的特点,水域面积变幅很大,在夏季丰水期,浅水水域面积124km,深水水域530km,而在冬季欠水期,浅水水域面积达460km,深水水域194km

2

2[2]

2

2

[1]

容积变小,调洪能力降低,洪涝灾害加重等严重的生

态和社会问题。因此动态监测东洞庭湖湿地的面积变化,了解其发展趋势和演替,有助于更加合理地保护和开发利用洞庭湖湿地。

1󰀁数据准备及处理

东洞庭湖湿地内部通行条件差,很难深人到湿地中心去实地调查,因而借助于遥感手段提取湿地

[3]

信息十分必要。同时由于本区湿地是属于河湖补

。

同时由于泥沙淤积,大量人为活动的影响,湖泊面积逐年减少,湖床不断淤积抬高。相应地导致了湿地

收稿日期:2007󰀁12󰀁15

基金项目:国家󰀁十一五󰀁科技支撑重点项目课题󰀁湿地资源监测与评估技术研究󰀁(2006BAD23B03);北京林业大学研究生自选课题基金(06JJ021)

作者简介:朱晓荣(1982󰀁),男,江苏苏州人,主要从事湿地监测技术研究.

*通讯作者:张怀清(1973󰀁),男,湖南宁乡人,副研究员,硕士生导师,主要从事林业可视化模拟技术研究.

42

林󰀁业󰀁科󰀁学󰀁研󰀁究第21卷

[4]

给性湿地。陆地地表过湿或者积水,水生植物和沼生植物依水深梯度呈圈带状连片分布,湿地夏相为单一明水地貌,在遥感影像上比较难识别,故而利用的都是冬季影像。本研究利用1987年12月31日、1996年12月7日和2004年12月13日的123-40幅TM影像数据进行洞庭潮湿地类型的目视解译和东洞庭潮湿地计算机分类。采用的遥感图像处理软件为ERDAS系统。

分别对各时相遥感资料对应其相应的地形图进行几何精纠正,统一坐标体系。叠加东洞庭湖区矢量图层制作得各时相遥感数字图像。根据各波段统计特征及假彩色合成效果选择了TM432波段进行假彩色合成,并进行线性拉伸、滤波等增强处理,获

得最佳目视效果的各时相遥感图像。

2󰀁湿地信息提取

地理信息系统具有强大的数据输人、存贮、编辑、运算、查询、输出、更新及应用分析功能。本研究

将遥感数据(包括图像及分类结果)和人工判读的图件输人地理信息系统,利用地理信息系统对遥感图像分类结果加以改进来提高精度,提取面积

[5]

。

采用的地理信息系统软件为美国环境系统研究所开发的ARC/INFO系统。

首先通过野外样区调查与当地资料相对照来确定各湿地类型的解译标志(表1),对卫星像片进行目视解译。

表1󰀁东洞庭湖湿地解译标志(冬季)

湿地类型水体泥沙滩地草滩地芦苇地

林地(柳堤,杨树林)裸地

解译标志

深浅不一的蓝色,蓝黑色,黑色,形状各异,大小不一,边界清晰。

浅灰色,蓝灰色,沿水体呈条带状,或者环湖水体,或江心片状,大小不一,边界清晰。深浅不一的红色,形状大小各异,边界有些模糊。

呈棕色,或黄绿色,在12月影像上已收割的芦苇呈白色,灰色,有明显人为规则痕迹。沿大堤长条状分布,图像上呈红色,深红色,个别区域边界模糊。主要是清理后种植杨树的区域,呈青灰色,有明显人为痕迹,边界明显。

󰀁󰀁然后利用表1的解译标志,结合地面调查资料,对1987,1996,2004年的三期遥感图像进行分类。如图1得到东洞庭湖区冬季湿地类型图,从图上可以看到,在湖区分布大范围的白色芦苇区约227.37km,同时淡绿色的草滩地和灰色的泥滩地也有大量分布,绿色的林地(主要是杨树林)分布也比较大。相对的由于冬季低水位的影响,水面面积

2

小。基本可以确定东洞庭湖2004年的永久性湖泊湿地面积仅为160.35km。其永久性湖面仅占整个湖区面积的12.4%,湖区的淤积是非常严重的。

然后利用ARC/INFO系统的ADS模块将目视解译结果图件进行数字化,再经过坐标转换,图幅拼接、编辑、改错,建立拓扑结构等步骤,统计出各类湿地的面积(表2)。

2

表2󰀁东洞庭湖湿地类型面积

湿地类型草滩地

裸地林地泥滩地芦苇水面

1987年

面积/km235.675.55365.90264.35192.07177.91

21996年

百分比/%18.980.4529.4721.2915.4714.33

面积/km

362.700.02214.06142.77293.13228.77

22004年

百分比/%29.220.0017.2411.5023.6118.43

面积/189.20.381.84.340.224.

km

983819872974

2百分比%15.301.6430.716.8427.4118.10

3󰀁湿地变化动态监测

对于动态监测洞庭湖地区,由于其尺度和光谱信息的要求,在实际操作中,主要是应用分类结果叠加的传统监测方法。

叠加分析是空间分析的常用方法,在统一地理坐标系的控制下,通过前后两个时相或多个时相东洞庭湖土地遥感监测图的叠加可以十分明显地反映各种湿地类型的增减状况了。

为便于区别,首先将不同时相的同种湿地类型赋予不同的颜色,可用3种方法进行叠加显示:一是利用图像叠加功能,将各时相湿地类型分布栅格图叠合,分析变化情况。该方法实际是像元间的复合,可较好地反映其增(减)变化,但未变化的共同部分因像元间的覆盖需通过图像动态连接显示;二是做前后湿地类型分布栅格图的差值、比值或相加处理,增刊朱晓荣等:东洞庭湖湿地遥感动态监测研究

43

图1󰀁东洞庭湖湿地土地利用图(2004年)

可很好地检索出图像变化的部分,以不同的颜色显示各种类型的增加、减少以及未变化的范围;三是将各时相湿地类型分布图由栅格转为矢量格式,然后利用地理信息系统(GIS)软件进行湿地类型分布矢量图的叠加分析,从而检测出其分布的变化情况3.1󰀁湿地面积变化分析

[6]

面积不断扩大,而湖泊水面不断缩小。

表3󰀁东洞庭湖湿地各类型面积变化󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁km2

湿地类型草滩地裸地

林地(柳堤,杨树林)

泥沙滩地芦苇地水体

1987󰀁1996年+127.03-5.53-151.84-121.58+101.06-50.86

1996󰀁2004年-172.72+20.36+167.13-57.90+47.16-4.03

。

从表1、3中东洞庭湖各种湿地类型面积变化数据可以看出,各类湿地面积年季变化比较大,同时因为水位年季变化差异会引起水面范围及面积不同,因此将泥滩地和水面作为一个整体分析,减少水位变化对湖区面积变化的影响。

1987年泥滩地和水面总面积为442.26km,

22

1996年时为401.07km,到2004年为309.61km,17年间共减少132.65km,年均减少7.8km。总体来说东洞庭湖区湿地类型面积变化表现为洲滩地2

2

2

3.2󰀁空间变化分析

以多种方法研究了3个时相的东洞庭湖湿地的变化,对其湿地的分布动态进行了分析。由于整个东洞庭湖湿地面积较大,水文与泥沙冲淤情况各异,通过对遥感图和实地考察发现,其基本可以分为2个大区:西北区主要包括东洞庭湖自然保护区附近44

林󰀁业󰀁科󰀁学󰀁研󰀁究第21卷

湖区,本区流速较慢,属于典型的湖泊湿地;东南区主要为南洞庭到城陵矶的吞吐水道区,流速较快,属

于河湖补给性湿地。对2个区的湿地类型进行监测得到表4。

km2

2004年

西北区

265.930.02154.8477.59135.53156.51

东南区

63.966.38124.1437.91161.1257.52

西北区

126.0214.00257.0546.96179.17167.22

表4󰀁东洞庭湖区湿地分区变化

湿地类型草滩

裸地林地泥滩地芦苇水面

1987年

东南区88.001.95113.9890.33111.7245.05

西北区147.673.60251.92174.0280.35132.86

东南区

96.770.0059.2265.18157.6072.26

1996年

󰀁󰀁1987年东南区的泥滩地和水面的总面积为135.85km,到2004年为95.43km,而西北区1987

22

年为306.88km,到2004年为214.18km,可见湖面的萎缩在整个洞庭湖区发生,但是研究表4发现,在西北区也就是东洞庭自然保护区所在湖泊湿地区,湖面萎缩较快,其湖面面积年减少0.7%,而东南区为0.5%。西北湖泊湿地区相对缩小速率较大。

2

2

内湖,不再与长江相连。从面积算,整个注兹河河口在1987年到2004年就侵占了湖区大约20km的面

积。相当于2004年东洞庭湖东区水面与泥滩地总面的1/5。

4.2󰀁湿地演替

所谓湿地演替是指同一地段上一种湿地类型被另一种不同的湿地类型更替。洞庭湖湿地类型主要有水体湿地、泥沙滩地、湖草滩地、芦苇滩地、鸡婆柳滩地、防护林滩地等等。随着泥沙不断淤积。浅水湖泊的地势逐渐增高,在水位较稳定、水体较清地段逐渐开始生长水生生物,发育成为水生生物基底湿地(指生长水生生物的水体湿地),也有一些地段泥沙淤积较快,不能生长水生生物。发育成为泥沙滩地。随着泥沙继续淤积,地势进一步增高,草本植物开始侵入,水生生物基底湿地和泥沙滩地逐渐为湖草所占据,演变为湖草滩地。泥沙继续淤积加上湖草残体的堆积。地势继续增高。枯水季节的地下水位降低,芦苇(Phragmitesspp.)、蒌蒿(Aremisiaselengensisspp.)、鸡婆柳(Salix.sp.)等侵入湖草群中,并迅速蔓延。随着洲滩进一步抬高,洪水泛滥减弱,地下水位降低,荻草(Triarrhenaspp.)侵入芦苇和鸡婆柳之中。最终,荻完全占据整个滩地。芦苇滩地和鸡婆柳滩地为荻滩地所取代。因人们通常把荻也叫做󰀁芦苇󰀁,所以荻滩地也被认为是󰀁芦苇滩地󰀁。如果洲滩继续抬高。且为一些中生的本本植物生长创造了环境条件,旱柳(SalixmatsudanaKoidz.)、杨树(Populusspp.)等木本植物则会相继侵入荻群内而取代之,并最终演变为森

[9]

林湿地。

以上就是湖区一般的演替过程,但是根据遥感影像数据和外业调查发现,认为种植芦苇和杨树打破了这种顺向演替过程,现在湖区的一个典型现象是在泥滩地或草滩地上,开沟排水,然后种植杨树,这种过程,打破了原有的生态学规律,使湖区湿地直接退化成森林湿地。配合泥沙的沉积,大大加剧了2

4󰀁湿地变化结果分析

4.1󰀁泥沙淤积

由于湖区比降平缓,汛期洪水从各方汇流入湖,形成纵横交错的水网,四口、四口汛期携带大量的泥沙入户,由于城陵矶受高水位淤塞的影响,排泄能力下降,大量泥沙沉积在湖区,湖底太高。根据湖南省水利水电厅󰀁洞庭湖水文气象统计分析󰀁(1989年)中的数据,1951年到1988年的38年间,洞庭湖总泥沙沉积544741󰀁10,t年平均14335󰀁10t。根据1952年和1988年的湖底地形图分析,认为洞庭湖平均每年淤高3.7cm。而芦苇分布区平均每年淤高约5cm,局部地段达7cm以上。泥沙淤积使得地势增高,促进了芦苇等湿地植被的生长;芦苇等植被的发展又为泥沙淤积加快创造了条件,它们互为条件又互为因果,形成恶性循环。

如对东洞庭湖西北区的注兹河河口研究发现,泥沙越来越集中堆积在河口2侧的水下天然堤,使得三角洲逐渐成为尖嘴型,伴随泥沙堆积,在河口及河道两边湿地发育和演替明显,发育外围的泥滩地,草滩地迅速向湖心推进,同时在芦苇的边缘又种植了杨树等各种人为活动过程也加剧了这种作用。在TM影像上可以看到其距离君山最近仅为1.9km,按照1996󰀁2004年(0.075km󰀁a)的东推速度计算,只需25a,其河口三角洲将与君山相连,到时候现在的东洞庭湖自然保护区的核心区,将成为一个-1[8]

4

4[7]

增刊朱晓荣等:东洞庭湖湿地遥感动态监测研究

45

湖面的萎缩。如东洞庭湖的西北区,由于其主要为南洞庭湖来水的吞吐水道,没有大量的空间发育成三角洲,但是由于人为的活动,湖区面积仍在缩小,这主要原因就是人为活动(种植杨树等)压缩了湖洲的泥滩地面积,2004年比1987年滩地面积减少了

2

52.42km,减少一半还多,加速了整个西北区从半湖泊湿地到河流湿地的演替。加速了整个湖面的衰减。

其湿地变化演替的时空特点,为湿地的管理及决策提供了科学依据。有利于湿地的进一步开发和保护,保持自然和社会经济的可持续发展。参考文献:

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5󰀁结语

以卫星遥感技术进行湿地的动态监测不但能较好地反映其面积增减变化,从全局上把握区域的变

化,而且直观地显示了其空间分布的动态变化,反映其空间的发展规律。具有其他监测方法不可比拟的优点。本研究使用的面积分布监测方法,可根据需要在相应情况下应用,分类结果叠加具有一定的普遍意义,但效率不高,还需配合专家分类;人机交互提取方法可以借助于实况信息的支持,充分利用专家经验、人工智能,从而使提取结果具有较好的精度保障,但工作任务较重;分类结果差值方法则基于初始图像的准确提取,其监测结果可直观显示其各种变化情况,对前期工作要求较高。

通过对东洞庭湖面积、分布的动态监测。了解