基于多源遙感數(shù)據(jù)的扎龍濕地景觀時(shí)空變化分析

伊 婕

（哈爾濱師范大學(xué),黑龍江 哈爾濱 150025）

1 引言

扎龍濕地是我國重要的濕地生態(tài)系統(tǒng)，近年來受氣候變化和人為影響，濕地景觀發(fā)生明顯的變化，濕地保護(hù)刻不容緩。隨著信息技術(shù)的普及和3S技術(shù)的快速發(fā)展，通常應(yīng)用遙感分類和景觀系數(shù)準(zhǔn)確分析人類活動(dòng)和自然因素對濕地環(huán)境的影響[1]。通過研究濕地的景觀時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，得出近幾年來氣候以及人類活動(dòng)對濕地的巨大影響，從而進(jìn)一步對濕地環(huán)境的保護(hù)、濕地旅游資源和自然資源的合理開發(fā)提出參考依據(jù)，有利于濕地可持續(xù)發(fā)展。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)

位于我國黑龍江省齊齊哈爾市的扎龍國家級自然保護(hù)區(qū)是中國首個(gè)國家級自然保護(hù)區(qū)，總面積21萬公頃[2]。扎龍濕地地勢平坦，湖澤密布，葦草叢生，擁有豐富的植被類型和生物群落。植被多以狗尾草、星星草和水生植物組成，生物多以魚類、兩棲類和鳥類為主[3]。從近四年氣候方面來看扎龍濕地平均年降水量為 1 418.425mm，平均濕度 61%，其中以2015年最多為1 593.9mm，雖然如此濕地目前仍處于干旱缺水的不利氣候條件。

2.2 數(shù)據(jù)獲取與處理

2.2.1 遙感影像來源

基礎(chǔ)影像為Landsat 8影像，選取2014～2017年6、7、8月份云量小于10%、條帶號為120、中心緯度47°N、中心經(jīng)度123.8°E的影像。另外還包括扎龍濕地保護(hù)區(qū)矢量邊界、地形圖、功能區(qū)劃圖，以及通過2014～2017年氣象數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。

2.2.2 濕地地物分類及分類標(biāo)準(zhǔn)

通過研究分析，對扎龍濕地景觀分為6類：即農(nóng)田、明水面、無水濕地、含水濕地、草原、鹽堿地。其中，農(nóng)田為保精度已經(jīng)在預(yù)處理中用ArcMap切除，仍需要的分類為五類[4]。

2.2.3 數(shù)據(jù)的預(yù)處理

利用ENVI4.5軟件對tif影像進(jìn)行幾何校正和掩膜提取。利用ArcMap10.1通過目視解譯切出農(nóng)田（解譯比例大致為1:20 000）。此步驟是為了避免在分類時(shí)農(nóng)田與草原、濕地等地物顏色亮度容易混淆的問題，也為了保證農(nóng)田的精確邊界及面積。根據(jù)以上分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行監(jiān)督分類，然后對同一年份的影像再次進(jìn)行非監(jiān)督分類和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類以及SVM分類，選出最優(yōu)的分類結(jié)果，得到各年份土地覆蓋類型的基本空間位置分布。其中，監(jiān)督分類精度采用最大似然法，非監(jiān)督分類采用迭代自組織法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用FasterR-CNN模型[5]進(jìn)行計(jì)算，SVM支持向量機(jī)采用SVM 最優(yōu)分類函數(shù)：

式中，ai*為Lagrange乘子，yi為類別標(biāo)簽，K（xi，x）為核函數(shù)類型，b*為分類閾值[6]。

2.2.4 分析方法

本文利用單一土地利用動(dòng)態(tài)度來分析土地覆蓋變化。單一土地利用動(dòng)態(tài)度是研究區(qū)一定時(shí)間內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況，公式為：

式中Ua為研究期初期的某一種土地利用類型的數(shù)量；Ub為研究期末期的與Ua同一種土地利用類型的數(shù)量；T為研究時(shí)段的長度（本文中以年為單位，此時(shí)K值表示研究區(qū)某種土地利用類型的年變化率）[7]。

3 結(jié)果與分析

3.1 影像分類精度評價(jià)

訓(xùn)練要區(qū)選擇地物時(shí)pixels的值大于500，利用“計(jì)算機(jī)ROI分離性”進(jìn)行監(jiān)測，通過檢驗(yàn)則可以完成訓(xùn)練要區(qū)的選擇。迭代自組織時(shí)，最大迭代數(shù)選擇30、值域限制為2.00、最少象元1 000個(gè)。鑒于非監(jiān)督和監(jiān)督分類可再次進(jìn)行矩陣檢驗(yàn)，使Overall Accuracy>80% 或者75%。四類檢驗(yàn)的Kappa系數(shù)檢驗(yàn)均應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)，其中，2014年87.49%，2015年80.53%，2016年87.07%，2017年81.07%，全部符合標(biāo)準(zhǔn)。最后發(fā)現(xiàn)FasterR-CNN模型算法并不適用復(fù)雜的濕地景觀分類，非監(jiān)督的分類效果也不明確，支持向量機(jī)和監(jiān)督分類的效果針對本研究區(qū)來說更好，其中以細(xì)化的最大似然為優(yōu)。

3.2 分類結(jié)果分析

通過計(jì)算訓(xùn)練要區(qū)的面積以及農(nóng)田的面積得到扎龍濕地近四年來土地覆蓋類型面積變化表（單位為km2），如下表1所示。監(jiān)督分類的結(jié)果圖，如下圖1所示。

表1 扎龍濕地近四年來土地覆蓋類型面積變化表（km2）

圖1 2014～2017年監(jiān)督分類結(jié)果影像圖

3.2.1 土地覆蓋類型的數(shù)量變化

結(jié)合2014～2017年扎龍濕地降水量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：明水及農(nóng)田數(shù)量變化不大；含水濕地對于土壤濕度和環(huán)境要求較高，幾乎是逐年下降，2015年降水明顯多于常年的年份也沒有緩解。草原面積曲折多變，由于草原形成條件簡單所以是土地覆蓋變化的主要變化類型，各景觀類型均可和草原相互轉(zhuǎn)化。鹽堿地面積的大幅度上升表明其他土地覆蓋類型很多轉(zhuǎn)化為鹽堿地，濕地鹽堿化日漸嚴(yán)重。

3.2.2 土地覆蓋類型的空間結(jié)構(gòu)上變化

對比四年的監(jiān)督分類結(jié)果圖可以發(fā)現(xiàn)，2014年含水濕地主要集中于濕地南方，無水濕地分布于濕地北方，而2015～2017年含水濕地分布于核心區(qū)扎龍，無水濕地分布于含水濕地四周。四年來明水和草原位置幾乎固定，鹽堿地的覆蓋范圍不斷擴(kuò)大，尤其是在人為活動(dòng)區(qū)附近鹽堿地空間面積大幅上升，由此證明人為因素對鹽堿地覆蓋面積的影響最大。濕地鹽堿化依舊呈現(xiàn)蔓延迅速地趨勢，應(yīng)避免鹽堿化趨勢進(jìn)一步惡化?？偟膩碚f這三年土地覆蓋類型主要依靠降水和湖泊沼澤的含水濕度進(jìn)行空間分布變化。

3.2.3 土地覆蓋類型的單一動(dòng)態(tài)度

2014～2017年各土地覆蓋類型動(dòng)態(tài)度變化趨勢大致如表2所示。結(jié)果得到，農(nóng)田、草原沒有明顯的變化。明水面積由于濕地受干旱缺水和開墾農(nóng)田抬高田埂的影響而有所下降。濕地主要受氣候影響，單一土地利用動(dòng)態(tài)度K值達(dá)到了6%～7%。研究區(qū)鹽堿地的單一土地利用動(dòng)態(tài)度K為53.407%?？梢钥闯雒魉⒑疂竦?、無水濕地、草原、農(nóng)田這幾類土地覆蓋類型變化都在可觀的范圍之內(nèi)。研究區(qū)土地利用類型的年變化率最大且土地覆蓋面積變化最為明顯的是鹽堿地，高達(dá)到53.407%，不得不說濕地景觀鹽堿化形式十分嚴(yán)峻，濕地保護(hù)刻不容緩，大家需要重視起來，盡量保證濕地鹽堿化不再惡化，保證濕地的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)語

表2 2014年～2017年土地覆蓋單一動(dòng)態(tài)度變化趨勢

研究結(jié)果表明，扎龍濕地降水充沛的年份濕地面積增加，反之則草地的覆蓋面積增加；而受人文因素影響，這四年間鹽堿地面積直線攀升，通過其分布特征及人文經(jīng)濟(jì)環(huán)境分析得出，大面積的鹽堿地與人們開墾農(nóng)田、抬高田埂、改變河道以及大量使用農(nóng)藥化肥息息相關(guān)。

通過調(diào)查與分析，在2014年～2017年間，扎龍濕地雖然土地覆蓋類型轉(zhuǎn)化多變，雖然受到多變的氣候影響，但是受人為影響更加嚴(yán)重，尤其是人為建設(shè)城鎮(zhèn)或景區(qū)、開墾農(nóng)田抬高田埂、改變河道、大量使用農(nóng)藥化肥等生活生產(chǎn)行為使土地鹽堿化愈發(fā)嚴(yán)重。研究結(jié)論證明濕地保護(hù)刻不容緩，尤其應(yīng)該重視濕地的鹽堿化問題。