基于遙感影像的湖泊濕地識別研究

高永攀，陳書文

（1. 河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098；2.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

濕地是介于水生生態系統和陸地生態系統之間的一種重要而又特殊的生態系統[1,2]。但由于人類活動影響，使得濕地面臨嚴峻的形勢[3-6]。濕地系統普遍存在“同質異譜”和”同譜異質”現象，像元的混合光譜特性制約提取精度[7]。如何利用遙感影像的優勢，快速且準確地進行濕地信息的識別，是濕地遙感監測研究的關鍵問題之一。論文針對研究區土地覆蓋變化情況，以濕地為研究對象，利用研究區Landsat 7 TM數據，結合相關的統計資料和數據，采用了以決策樹為主的混合分類方法獲取濕地空間分布信息。

1 研究區概況

洪澤湖是我國5大淡水湖之一，位于淮河下游[8]。洪澤湖及其周邊生境多樣，濕地與生長、棲息的生物種群構成了具有極高生產力的獨特的生態系統。它有各種豐富多彩的植物資源和魚類、軟體動物等構成的有利于水禽棲息的食物鏈，具有豐富的生態多樣性和物種多樣性[9,10]。但近些年來，隨著社會經濟的發展，大量的湖泊濕地被用作圍網養殖，破壞了濕地植被，湖面面積縮小。

試驗選用1973年的Landsat MSS（MSS4-MSS7）和2006年的Landsat TM。研究區其他相關數據為該區1︰10萬的地形圖及相關文獻、統計圖表等資料。

2 研究方法

本試驗區土地覆蓋類型分為水體、養殖塘、耕地、植被和其他5類。本文選用歸一化植被指數和最優調節土壤植被指數兩種指數進行試驗。

2.1 特征波段的選擇

2.1.1 歸一化植被指數（NDVI）

由于歸一化植被指數法NDVI[11,12]能充分考慮到植被在不同波段區間的光譜特性，在植被研究以及植物物候研究中得到廣泛應用。NDVI表達式如下：

NDVI對土壤背景的變化較為敏感，是植被類型、覆蓋類型和生長狀況等的綜合反映，其大小取決于植被覆蓋度和葉面積指數等要素。而且NDVI對植被覆蓋度的監測幅度較寬，有較好的時相和空間適應性，應用較為廣泛。

2.1.2 最優調節土壤植被指數（OSAVI）

最優調節土壤植被指數[13,14]可以很好地消除土壤背景對植被指數的干擾。Rondeaux等基于SAIL模型模擬了該指數在不同土壤類型及不同水分和粗糙度條件下的表征，確定了用來減少土壤影響的優化值為0.16。KOSAVI表達式如下：

其中，ρ為反射率；L為土壤調節系數，其值介于0～1之間?！?”和“1”分別表示植被覆蓋率極高和極低的兩種極端情況。本文設定L為0.16，可以較好地減弱土壤的背景差異，消除土壤噪聲對植被的影響。

2.2 遙感分類

通過分析特征波段得到歸一化植被指數、最優土壤調節指數，將變換的分量進行合并處理，合并后的文件為波段組合后的數據文件。通過人機交互選擇這些特征波段的最佳閾值進行洪澤湖濕地分類。根據上述方法獲得該變化圖，提取出湖泊濕地的變化信息。并對由知識規則得到的濕地分類結果進行分析、聚類和過濾處理，對其中錯分現象進行人工修正，可提高分類精度。

3 結果分析

NDVI對土壤背景的變化較為敏感，易受土壤背景影響。而最優土壤調節指數是在土壤調節植被指數（SAVI）基礎上提出來的，可以很好地消除土壤背景對植被指數的干擾。本研究的分類結果如圖1所示。結果圖中濕地植被較少，零星分布在水田、林地和城鎮用地之間。

研究區濕地的變化主要表現在水體和濕地植被轉變為養殖場、稻田、建筑物等，使得植被退化較嚴重。利用ENVI軟件對圖中各地物類型面積進行統計，如表1?？梢钥闯?，湖泊大片湖濱地區在2006年已經被圍網用于養殖。大面積的天然濕地轉化成了養殖場等人工濕地，濕地的開墾和圍網養殖等使得濕地植物大量減少。而且養殖等農業生產還導致湖泊的污染與富營養化，嚴重破壞了當地的生態資源。

圖1 洪澤湖覆蓋分類結果圖

表1 洪澤湖各類型地物面積變化/km2

利用決策樹模型進行信息提取的關鍵是特征波段的選取。本文根據影像的光譜特征，將NDVI、OSAVI指數作為特征波段，使類別間的差距進一步增大。NDVI指數可以很好地將植被信息和非植被信息區分開來，OSAVI指數能較好地去除土壤背景噪聲的影響。然后采用決策樹法進行分類，有效地提高了研究中的分類精度。由于研究中受資料限制以及其他人為因素影響，分類結果存在一定的不合理性。筆者將在以后的研究中，選擇優化信息提取算法來提高提高精度，使判別準則和分類結構更符合實際。

[1]呂憲國.濕地科學研究進展及研究方向[J].中國科學院院刊,2002(3):170-172

[2]胡巍巍.淮河流域中游濕地景觀動態變化研究[J].地理空間信息,2013,11(4):122-124

[3]雷昆,張明祥.中國的濕地資源及其保護建議[J].濕地科學,2005,3(2):81-86

[4]張維平.生物多樣性與可持續發展的關系[J].環境科學,1998(4):92-96

[5]楊士建.洪澤湖濕地資源保護與可持續利用研究[J].重慶環境科學,2003(2):55-57

[6]葉正偉,朱國傳,陳良.洪澤湖濕地生態脆弱性的理論與實踐[J].資源開發與市場,2005,21(5): 416-420

[7]張芳.基于遙感技術的干旱區濕地信息提取方法研究[D].烏魯木齊：新疆大學,2008

[8]李波,濮培民,韓愛民.洪澤湖水質的因子分析[J].中國環境科學,2003,23(1):69-73

[9]丁長春,王松.洪澤湖濕地的可持續發展[J]. 淮陰工學院學報, 2002, 11(5):34-35

[10]李書恒,郭偉.京杭大運河的功能與蘇北運河段的發展利用[J].第四紀研究, 2007,27(5):862-867

[11]Rouse J W, Haas R H, Schell J A, et al. Monitoring Vegetation Systems in the Great Plains with ERTS[J]. NASA Special Publication, 1974, 351: 309

[12]萬雪.基于NDVI城鎮土地利用變化檢測探討[J].地理空間信息,2009,7(4):111-113

[13]Rondeaux G,Steven M,Baret F.Optimizationofsoil Adjusted Vegetationindices[J].Remote Sensing of Environment, 1996,55(2): 95-107

[14]夏雙,阮仁宗,顏梅春.基于植被指數模型的淡水湖泊濕地景觀信息提取[J].地理空間信息,2012,10(6):32-35