基于衛星遙感的國家級自然保護區人類活動監測

單秀旭

(1.中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047；2.河南方達空間信息技術有限公司，河南 鄭州 450047)

自然保護區是指對有代表性的自然生態系統、珍稀瀕危野生動植物物種的天然集中分布區、有特殊意義的自然遺跡等保護對象所在的陸地、陸地水體或者海域，依法劃出一定面積予以特殊保護和管理的區域[1]。按主要保護對象的不同，我國自然保護區一般分為生態系統、野生生物、內陸濕地、自然遺跡等。按事權劃分原則，我國自然保護區分為4 級：國家級、省（自治區、直轄市）級、市（自治州）級、縣（自治縣、旗、縣級市）級。自然保護區內部按照主導功能性差異分為核心區、緩沖區和實驗區。

目前，對自然保護區的研究已取得大量研究成果，國產高分辨率衛星為開展自然保護區人類活動監測提供了快捷的數據源。羅儀寧等[2]、孔梅等[3]、欒卓然[4]分別對太安省級自然保護區、山東省省級自然保護區、河北省自然保護區人類活動進行了遙感監測。楊海菊等[5]探討了自然保護區天地一體化監管模式的可行性。劉曉曼等[6]對河南董寨國家級自然保護區進行了示范研究，結果表明該保護區人類活動較為明顯。2016 年國家級自然保護區人類活動遙感監測報告指出，河南黃河濕地保護區內建有多處工礦企業和采石（砂）場，部分位于核心區和緩沖區[7]。黃河濕地保護區三門峽段有多家企業無序開采，保護區多處山體殘缺不全，大量廢渣沿河道周邊山坡隨意堆放，破壞或侵占保護區面積3300 多畝，造成嚴重生態破壞[8]。

國家級自然保護區是推進生態文明、構建國家生態安全屏障、建設美麗中國的重要載體。針對河南省國家級自然保護區內日益增加的壓力，圍繞自然保護區監管需求，改變傳統的現場人工抽查方式，用現代科技為其賦能，選用2020 年高分衛星影像作為數據源，對河南省國家級自然保護區人類活動進行遙感監測，為生態環境保護工作提供及時、準確的信息和依據。

1 研究區概況

河南省地勢西高東低，由平原和盆地、山地、丘陵、水面構成 ；地跨海河、黃河、淮河、長江四大水系；跨2 個氣候帶，以伏牛山主脊和淮河干流為界，以南屬北亞熱帶，以北屬暖溫帶，屬北亞熱帶向暖溫帶過渡的大陸性季風氣候，同時還具有自東向西由平原向丘陵山地氣候過渡的特征，動植物種類豐富多樣。河南省境內自然保護區始建于20世紀80年代，截至目前，已形成布局基本合理、類型較齊全、功能漸趨完善的自然保護區體系。

本文以河南省境內的13 個國家級自然保護區為研究對象。結合收集到的河南省自然保護區相關資料，按類型可分為森林生態系統、內陸濕地、野生生物、古生物遺跡四大類[9-10]，數量分別為7 處、3 處、2 處、1 處，具體分類如表1 所示。

表1 自然保護區類型分類表

2 數據源及工作方法

采用2020 年高分一號、高分二號衛星數據，分辨率分別為2 米和1 米，要求單景影像平均云量小于10% ，重點監測區域盡量沒有云覆蓋，影像盡量避免拉伸、斷線等。

獲取影像后，首先開展衛星遙感影像預處理工作，包括控制點選取、正射校正、影像融合、影像鑲嵌、影像裁剪等，制作保護區的高分衛星影像底圖。采用人機交互目視解譯方法，通過人類活動在遙感影像中表現出的地物特征，以專家知識為基礎，進行綜合分析，判斷人類活動所屬類型。按照圖斑類型單一的原則勾繪人類活動圖斑，勾繪邊界按照人類活動點在遙感影像中表現的最大邊界范圍進行勾繪。根據《自然保護區人類活動遙感監測技術指南（試行）》[11]的監測與評價指標對人類活動進行分析評價。利用統計學和GIS 空間分析方法，分析保護區人類活動分布狀況及規律，統計分析保護區人類活動總體狀況、不同功能區人類活動狀況、不同類型人類活動的空間分布，以及自然保護區人類活動影響程度與空間分布規律等。根據自然保護區人類活動監測結果，計算各自然保護區人類活動的影響指數NRHI，再根據其分級結果對自然保護區人類活動影響進行評價。技術流程如圖1 所示。

圖1 人類活動遙感監測技術流程

評價模型為 ：NRHI= （a1b1x1+a2b2x2+……+aibixi）／x。其中xi為人類活動類型的面積，x 為自然保護區總面積。ai和bi為權重，其中ai根據每一類人類活動斑塊所在的功能區確定，核心區、緩沖區、實驗區的人類活動影響權重設定為0.6、0.3 和0.1。bi根據不同人類活動類型對自然保護區的影響程度確定。根據對自然保護區的影響程度不同，設定人類活動類型的權重為：工礦用地0.21、采石場0.19、能源設施0.19、旅游用地0.17、交通設施0.11、其他人工設施0.07、養殖場0.02、農業用地0.02 和居民點0.02。人類活動影響程度分為劇烈、明顯、較明顯、一般和輕微。

3 監測實例

以河南丹江濕地國家級自然保護區為例研究人類活動遙感監測情況。丹江濕地國家級自然保護區位于河南省西南部淅川縣境內，地處鄂、豫、陜三省交界處，北鄰西峽縣，東接內鄉縣和鄧州市，南靠湖北省丹江口市和老河口市，西與陜西省商南縣和湖北鄖縣相鄰，為典型完整的次生內陸河口濕地生態系統。主要保護對象為：南水北調中線工程的水源地及其水源涵養林；以黑鸛、白鶴等為代表的珍稀水禽及其棲息地；珍稀動植物資源以及豐富的生物多樣性。

圖2 丹江濕地國家級自然保護區人類活動分布圖

基于高分衛星數據，采用人機交互目視解譯方法，提取丹江濕地國家級自然保護區的人類活動信息，如圖2 所示。利用GIS 空間分析方法統計了人類活動斑塊的面積及占比，如表2 所示。監測結果表明，保護區內道路總長1000 余公里，人類活動面積約占保護區面積11.00%。從類型看，保護區人類活動以農業用地為主，占保護區面積的8.87%，居民點、養殖場、工礦用地等其他類型占比相對較低。從功能區看，實驗區人類活動最為明顯，其次為緩沖區、核心區，人類活動面積占比分別為57.05%、24.83%、18.12%。依據自然保護區人類活動的影響指數評價模型算出NRHI 為0.00085。

表2 丹江濕地國家級自然保護區人類活動信息統計

4 研究區分析

按照丹江濕地國家級自然保護區的研究方法，對所有自然保護區進行研究，可以得到自然保護區人類活動總體情況、不同類型自然保護區分布特點，并最終形成自然保護區人類活動影響評價結果。

4.1 自然保護區人類活動總體情況

自然保護區均存在不同程度的人類活動，人類活動總面積約占保護區總面積的21%。共提取采石場、工礦用地、能源設施、交通設施、旅游設施、養殖場、居民點、農業用地、道路和其他人工設施10 種人類活動類型，農業用地、居民點、養殖場總體分布較多，采石場、工礦用地、能源設施等人類活動相對較少。從功能區看，實驗區人類活動最為明顯，其次為緩沖區、核心區。各自然保護區人類活動分布情況差別較大，人類活動面積占比超40%的保護區有3 處，人類活動面積占比介于10%～15%的保護區有2 處，人類活動面積占比介于1%～5%的保護區有3 處，人類活動面積占比低于1%的保護區有5 處。

4.2 不同類型自然保護區分布特點

森林生態類型、內陸濕地類型、地質遺跡類型和野生動物類型保護區人類活動面積分別占該類保護區總面積1.18%、45.41%、42.35%、6.99%，內陸濕地類型保護區人類活動面積占比最大，森林生態類型最小。

不同類型的自然保護區，其人類活動類型分布差異較大（如圖3 所示）。森林生態類型、地質遺跡類型、野生動物類型保護區人類活動以農業用地和居民點為主，而內陸濕地保護區人類活動以農業用地和養殖場居多。

圖3 不同保護區人類活動類型分布

4.3 自然保護區人類活動影響評價結果

根據人類活動影響評價模型得出13 個保護區的NRHI 介于0 ～0.007。根據NRHI 可以將人類活動影響程度劃分為5 個等級 ：劇烈（NRHI ＞0.007）、明顯（0.001 ＜NRHI ≤0.007）、 較明顯（0.0003＜NRHI ≤0.001）、一般（0.0001 ＜NRHI ≤0.0003）和輕微（NRHI ≤0.0001）。人類活動影響程度為輕微的保護區有5 處；人類活動影響程度為一般的保護區有3 處；董寨國家級自然保護區和丹江濕地國家級自然保護區NRHI 介于0.0005 ～0.001，人類活動影響程度為較明顯；河南南陽恐龍蛋化石群國家級自然保護區、河南黃河濕地國家級自然保護區和豫北黃河故道濕地鳥類國家級自然保護區NRHI 介于0.002～0.007，人類活動影響程度為明顯，如圖4所示。

圖4 自然保護區人類活動影響空間分布

從類型看，內陸濕地類型保護區NRHI 均值為0.004022，人類活動類型多樣，空間分布呈現明顯聚集性，不同人類活動類型嵌套分布，且空間關聯性較強，受人類干擾程度最大。其次為古生物遺跡類型保護區、野生生物類型保護區。森林生態系統類型保護區NRHI 均值為0.000108，人類活動類型、數量和面積均最少，受人類活動影響程度最小。經綜合分析發現，自然保護區人類活動影響程度跟人口密度及經濟發展狀況密切相關，總體上平原區人類活動大于山區，沿河沿湖開發基礎較好地區自然保護區人類活動影響較大。

5 結論

采用遙感監測技術可有效解決人員無法到達監管盲區的問題，快速全面掌握自然保護區人類活動的空間分布情況，為自然保護區生態環境監管提供技術支撐。遙感監測結果表明：河南省國家級自然保護區內均存在不同程度的人類活動，人類活動類型以農業用地、居民點、養殖場為主。各自然保護區人類活動分布情況差別較大，以影響輕微或較小的居多。