洪湖濕地土地利用/土地覆蓋變化遙感監測

尤慧 鄧艷君 高華東 李鑫川

摘要：洪湖濕地屬于典型的內陸亞熱帶濕地類型，在蓄洪調洪、漁業、灌溉、航運等方面起著重要的作用，在長江中下游的湖泊濕地中具有典型的代表性。近年來，隨著自然生活環境的變遷和人類活動的影響，洪湖濕地土地利用/土地覆蓋變化發生了顯著的變化。利用2005、2010年的Landsat7 ETM+以及2015、2018年的Landsat8 OLI數據，采用支持向量機（SAM）監督分類的方法，將洪湖濕地分為湖泊、河渠坑塘、農田、植被、居民點、其他6種類型，提取了2005—2018年的洪湖濕地土地覆蓋空間變化數據，并對其進行動態變化分析。結果表明，洪湖濕地土地利用類型在2005—2018年發生了顯著的變化，其中2005—2015年的10年間，湖泊、植被、農田的面積出現了減小，河渠坑塘、居民點面積大幅增大;2015—2018年間，洪湖濕地的湖泊、植被面積表現為增大，河渠坑塘出現了減小。在2005—2015年間，洪湖濕地結構類型的變化主要受圍湖造塘以及建設活動的影響;2015—2018年間，洪湖濕地的結構類型的變化主要是為了恢復洪湖的生態環境，自2016年開始，洪湖開展了拆除圍網、修復湖濱帶植被等活動。總體而言，洪湖濕地受人為干擾影響明顯。

關鍵詞：遙感影像;土地利用/土地覆蓋變化;洪湖濕地;動態監測

中圖分類號： P237;S127文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2021）02-0162-05

收稿日期：2020-05-18

基金項目：國家自然科學基金（編號：41801075）;中國科學院流域地理學重點實驗室開放基金（編號：WSGS2017009）;荊州市氣象局科技課題（編號：JZ201803）。

作者簡介：尤慧（1987—），女，江蘇宿遷人，碩士，工程師，研究方向為農業遙感。E-mail：youhuinuist@hotmail.com。

濕地被稱為地球之腎，與海洋和森林并列為全球三大生態系統[1]，它在維護區域生態平衡、調節氣候、含蓄水源、保護動植物多樣性等方面起著至關重要的作用[2]。但近年來，在經濟的快速發展和人口大幅增長的雙重壓力下，濕地環境受到嚴重的威脅[3]，濕地生態系統的結構和功能發生了顯著變化，出現水質惡化、面積縮小、生態功能下降等特征[4]。保護和恢復濕地環境資源，已成為全球廣泛關注的課題[5-9]。

洪湖是湖北最大、中國第七大淡水湖[10]，是一個以調蓄為主，兼具降解環境污染、調節氣候、灌溉、航運、漁業、城鎮建設等多功能的湖泊[11]。洪湖濕地自然保護區是我國最大的省級內陸湖泊濕地保護區，被列入《中國濕地保護行動計劃》[12]。近年來，由于圍湖造田、過渡捕撈等導致濕地面積不斷縮小、水質顯著下降，洪湖的生態服務功能受到了嚴重的削弱[13]。

遙感技術以其覆蓋范圍廣、信息量大、高時效、低成本等特點，在湖泊濕地動態監測領域具有不可替代的優勢[14]。本研究基于4期陸地衛星（Landsat）影像數據，采用支持向量機（SAM）監督分類的方法對洪湖近13年的濕地信息進行提取，并對其空間分布信息和洪湖濕地結構變化特征進行了分析。

1研究區概況及數據源

1.1研究區概況

洪湖濕地自然保護區位于湖北省東南部，是江漢平原和洞庭湖平原的過渡地帶（圖1）。其地理位置介于113°12′～113°26′E、29°40′～29°58′N之間，地跨洪湖和監利2個縣級行政區，總面積為 41 412.069 hm2[1]。洪湖市東西最長為94 km，南北最寬為62 km，洪湖市水資源豐富，地表水資源占湖北省水資源總儲量1.9%[15]。洪湖屬于亞熱帶濕潤季風氣候，境內四季分明，雨熱同期，水量充沛。

1.2數據來源

本研究的影像數據主要來源于中國科學院對地觀測數據共享平臺，選取了4期無云成像較好的Landsat影像數據作為洪湖濕地信息提取的主要數據，影像成像時間分別為2005年11月6日、2010年10月3日、2015年11月26日、2018年9月15日，其中2005、2010年的Landsat數據為 ETM+ 數據，2015、2018年的Landsat數據為OLI影像，影像分辨率均為30 m。4期影像數據都集中在洪湖下半年的平水期，能夠較全面、客觀地反映洪湖濕地的變化。樣本點數據主要來源于2014年洪湖濕地實地調查數據及參照高分辨率影像Google Earth上的數據。

2研究方法

2.1遙感數據預處理

基于ENVI5.3軟件，分別對ETM+、OLI數據進行輻射定標和Flaash大氣校正，大氣校正模型選用中緯度夏季，氣溶膠模型選用鄉村，氣溶膠反演方法為2-band（K-T），然后以OLI為基準，對ETM+影像進行幾何精校正，總誤差控制在0.5個像元內，最后選擇包含濕地保護區在內的、以濕地保護區周邊明顯溝渠、河段而圍城的感興趣區進行掩膜裁切。裁切范圍分別為東面到內荊河，西面到羅山總干渠，南面到長江，北面到紅排河。為方便對影像進行目視解譯和樣本選取，研究對裁切后的影像進行圖像光譜增強。濕地遙感影像處理分析的研究指出，4、5、3 3個波段的組合最能體現濕地的土地利用情況[1]，因此本研究ETM+影像選用4、5、3等3個波段進行組合，OLI影像選用5、6、4波段進行組合，分別賦予紅、綠、藍。

2.2圖像分類

研究采用支持向量機（SAM）分類的方法對ETM+和OIL數據進行濕地信息的提取。基于野外調查實測數據，影像形狀紋理差異以及參照高分辨率影像Google Earth上的數據，結合參照表1的洪湖濕地遙感解譯標志首先在ENVI5.3軟件上選取樣本點，每類樣本點的選取數量不少于500個，然后選擇支持向量機（SAM）監督分類方法， 參照表1解譯表1洪湖濕地遙感解譯標志

類型特征影像色彩特征形態結構分布湖泊深藍、墨藍不規則片狀質地均勻湖泊河渠坑塘墨藍色、藍色規則現狀延伸邊緣清晰多處分布植被橙黃不規則片狀質地均勻湖泊、水面多處分布居民點淺藍不規則條塊狀質地不均勻河流邊緣集中分布農田淺藍、粉色規則塊狀分布質地均勻平底多處分布其他淺黃或接近白色不規則片狀質地不均勻湖濱地帶

標志將研究區分為6類：湖泊（未被土埂圍起來的開闊水體）、河渠坑塘（封閉水體，以土埂相間，呈規則的塊狀水體）、農田（主要包括水稻田）、居民點（人類居住的建設用地）、植被（水面以上的植被包括水生挺水植物、浮葉植物和濕生植被等，如菰群落和蓮群落等）、其他（主要為灘涂和未利用地等）[16]，通過對Ladsat影像數據的解譯，最后得到2005、2010、2015、2018年洪湖濕地土地利用分類結果（圖2）。整個解譯過程嚴格按照國家有關濕地調查技術規程進行，解譯精度都在85%以上，κ系數大于0.8，解譯結果較好。

3濕地結構變化及動態分析

3.1濕地土地利用空間變化

從圖2洪湖濕地土地覆蓋分類結果中可以看出， 湖泊面積從2005—2018年期間顯著變小，河渠坑塘在2005—2015年10年間大幅度增多，但在2015—2018年間其面積出現了減少。農田面積在2005年最多，其后的年份呈逐漸減少的趨勢。居民點在2005—2018年間大幅增加，增加的位置主要在湖泊的東北、東南方向。其他（包括灘涂和未利用地）也隨著時間的推進整體呈現減少的趨勢，尤其是在湖泊的西南方向，灘涂及未利用地面積顯著減少。

3.2濕地土地利用面積變化及結構分析

將濕地分類結果影像導入到ArcGIS 9.3中，統計各個類別地物的像元數，并采用公式（各類別地物像元數×30×30×10-6/km2）計算洪湖濕地各個類別地物的面積，并計算各個類別地物所占濕地總面積的百分比（各類別像元數/洪湖濕地總像元數×100%），計算結果見表2。利用Excel生成每個地物類別不同時期面積變化（圖3）。

由表2、圖3可知，2005—2018年洪湖濕地土地利用結構發生了很大的變化，具體表現為洪湖湖泊面積呈先減小后增大的趨勢，其中2015年洪湖湖泊面積較2005年減小19.89 km2，2018年湖泊面積比2015年擴大了17.95 km2。農田面積也呈現顯著減小的趨勢，在2005—2018年的13年間，農田面積減小了88.07 km2。居民點的變化幅度較大，呈不斷增加的趨勢，居民點面積從2005年的32.03 km2增加到2018年71.61 km2，共增加了39.58 km2。河渠坑塘在2005—2015年之間呈顯著增加的趨勢，2015年較2005年增加了157.37 km2，但在2018年河塘坑渠的面積較2015年減少85.01 km2。植被面積與河渠坑塘表現出了相反的變化，隨著河渠坑塘的增大而減小，其他地物類型（灘涂和未利用地）在2018年較2005年減少3.32 km2。

由表2可知，2005—2015年的10年間，湖泊、植被、農田的面積所占比例減少，而河渠坑塘、居民點面積比例增加，其他（灘涂、未利用地）面積比例也在減少。湖泊、植被、農田面積比例減少，河渠坑塘面積比例的大幅增加，是因為當地居民對湖泊進行了圍湖開塘，將其用來魚塘養殖，植被因此也受到了人為干擾的影響，大片菰群落和蓮群落等植被分布區被開墾為坑塘[15-16]，為了擴大淡水養殖的面積，大部分農田也被轉化為河渠坑塘，到2015年，河渠坑塘面積所占的比例較2005年增加21百分點，農田所占比例由原來的29%減少到2015年的17%。洪湖原有的湖濱帶幾乎全部被人為利用，主要利用方式不僅是魚塘養殖，還有村落建設，因此出現居民點明顯增加、未利用土地類型大幅度減少的趨勢，其他地物類型所占比例也由2005年的3%減少到2015年的1%，居民點由4%增加到8%。2015—2018年間，湖泊、植被的比例增加，河渠坑塘比例減少，居民點比例增加，農田基本持平，其他（灘涂、未利用地）面積所占比例出現增加。這是由于十八大以來，湖北緊扣長江經濟帶“共抓大保護，不搞大開發”發展戰略，自2016年開始，洪湖開展了新一輪的“生態保衛戰”，將湖泊的圍網養殖區域進行大規模拆除，逐漸恢復菰群落和蓮群落等自然植被分布區，因此湖泊主要增加的部分來自于周圍的河渠坑塘圍網拆除的區域，湖泊在3年內增加了3百分點，河渠坑塘減少了12百分點。由于洪湖濕地建設用地的增加，居民點由2015年的8%增加到2018年的10%。在洪湖濕地土地利用類型變化中，變化幅度較大的多與人類活動密切相關，可以看出洪湖濕地的土地利用/土地覆蓋變化受人類活動的影響比較大。

4結論

本研究基于2005、2010、2015年和2018年4個時相的Landsat影像數據，采用支持向量機（SAM）監督分類的方法，將洪湖濕地分為湖泊、河渠坑塘、農田、植被、居民點和其他這6類地物，得到4個時期洪湖濕地類型分類結果。

2005—2018年間，洪湖濕地土地利用類型發生了顯著的變化，其中2005—2015年的10年間，湖泊、植被、農田的面積減小，而河渠坑塘、居民點面積大幅擴大。2015—2018年間，湖泊、植被面積擴大，河渠坑塘減小，居民點比例持續增加。

2005—2015年的10年間，洪湖濕地出現湖泊、植被、農田面積減小，河渠坑塘面積大幅增大，主要是因為人為圍湖開塘，植被區域被開墾為坑塘，大部分農田也被轉化為河渠坑塘，由于湖濱周圍村落的建設，居民點出現明顯的增加，未利用土地類型大幅度減少。在2015—2018年間，洪湖濕地湖泊、植被面積增加，河渠坑塘出現了減少是由于2016年開始，洪湖開展了“生態保衛戰”，洪湖湖泊周圍的河渠坑塘圍網養殖區域被大規模拆除，自然植被也逐漸進行了恢復，居民點增多是由于湖濱村落建設用地增加。在洪湖濕地土地利用類型變化中， 變化幅度較大的多與人類活動密切相關，可以看出洪湖濕地的土地利用/土地覆蓋變化受人類活動的影響比較大。

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