濕地邊界劃定方法研究

關(guān)鍵詞：多源數(shù)據(jù)；濕地類型；濕地邊界劃定；解譯標志；湖南

0引言

濕地是重要的自然生態(tài)系統(tǒng)，在涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)、調(diào)節(jié)氣候和保護生物多樣性等方面發(fā)揮著重要作用，濕地保護是生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容，黨的十八大以來，習(xí)近平總書記多次在考察中強調(diào)濕地的重要性。濕地定義及邊界確定對濕地的科學(xué)研究和有效管理至關(guān)重要，《中華人民共和國濕地保護法》也將明確濕地定義和保護范圍作為重要內(nèi)容。濕地邊界是濕地與非濕地之間、不同濕地類型之間的地表界線，濕地水文、植被和土壤作為濕地最為明顯的三大特征，是確定濕地邊界的關(guān)鍵指標。目前，基于濕地水文、植被和土壤三大特征確定濕地邊界的基本理論，得到了濕地科學(xué)研究范圍內(nèi)的普遍認可。例如，付波霖以洪河自然保護區(qū)為研究區(qū)，通過濕地水文特征指標構(gòu)建了沼澤濕地水文邊界界定模型；O'Neil等將歸一化植被指數(shù)作為濕地語義分割的重要指標，采用深度學(xué)習(xí)算法識別濕地；Nondlazi等通過研究南非姆普馬朗加湖區(qū)濕地及其沿岸梯度的土壤因子變化，探測了內(nèi)陸濕地與陸地的邊界。

由于濕地一般處于地勢低洼地帶，與其他用地類型相比具有較為明顯的高程差異，對高程變化也較為敏感，因此將高程因子參與濕地信息的提取可以有效提高濕地邊界劃定的準確度。當(dāng)前，遙感技術(shù)己廣泛應(yīng)用于濕地水面和植被范圍的提取，如監(jiān)督分類、決策樹分類等。鑒于此，本文利用高分辨率遙感影像、1：2000數(shù)字線劃圖（DLG）和1：2000數(shù)字高程模型（DEM）等高程數(shù)據(jù)，結(jié)合第三次國土調(diào)查（以下簡稱“國土三調(diào)”）和第二次濕地專項調(diào)查（以下簡稱“濕地二調(diào)”）數(shù)據(jù)，以水文、植被、土壤和高程等特征作為濕地邊界劃定因子，探究濕地邊界劃定技術(shù)方法，以期提高濕地劃定工作效率和邊界定位精度，為濕地保護利用和自然資源管理提供科學(xué)支撐。

1濕地定義與類型

按照《國土空間調(diào)查、規(guī)劃、用途管制用地用海分類指南》，濕地是指陸地和水域的交匯處，水位接近或處于地表面，或有淺層積水，且處于自然狀態(tài)的土地，分為森林沼澤、灌叢沼澤、沼澤草地、其它沼澤地、沿海灘涂、內(nèi)陸灘涂和紅樹林地7種類型。按照《濕地公約》定義，濕地類型還包括河流水面、湖泊水面、水庫水面、坑塘水面（不含養(yǎng)殖水面）、溝渠、干渠、鹽田和淺海水域。為在實施統(tǒng)一管理自然資源、科學(xué)劃分國土空間用地用海類型的同時，繼續(xù)積極履行《濕地公約》義務(wù)，參考《中華人民共和國濕地保護法》相關(guān)內(nèi)容，將濕地定義為具有顯著生態(tài)功能的自然或人工的，滿足常年或季節(jié)性積水或漬水、生長有濕地植物、土壤為水成土三個條件之一的水域、地帶，包括低潮時水深不超過6m的海域。本文以內(nèi)陸濕地為研究對象，包含水域濕地、灘涂濕地和沼澤濕地3種濕地類型。

（1）水域濕地：指天然或人工，常年或季節(jié)性蓄有靜止或流動的淡水、半咸水或咸水的水域，包括河流、湖泊、庫塘、溝渠、鹽田等。

（2）灘涂濕地：指河流、湖泊常水位至洪水位間的灘地，時令河、湖洪水位以下的灘地，水庫正常蓄水位與洪水位間的灘地，包括海島的內(nèi)陸灘地，不包括己利用的灘地。

（3）沼澤濕地：指地表經(jīng)常過濕或有薄層積水，生長沼生或部分沼生和部分濕生、水生或鹽生植物的土地，包括森林沼澤、灌叢沼澤、草本沼澤等。

2濕地邊界劃定方法

收集遙感影像、1：2000 DLG和1：2000DEM基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、“國土三調(diào)”、“濕地二調(diào)”等數(shù)據(jù)，采用室內(nèi)建標和野外建標相結(jié)合的方法，建立遙感解譯樣本庫；利用己收集的數(shù)據(jù)資料，結(jié)合遙感技術(shù)手段，獲取水文、植被、土壤和高程等濕地邊界劃定因子；基于解譯標志和劃定因子，按照總體到局部、由粗到細的原則，依次劃定濕地與非濕地邊界、不同類型濕地邊界。濕地邊界劃定技術(shù)路線如圖1所示。

2.1濕地邊界劃定因子提取方法

濕地邊界劃定因子包括水文、土壤、植被和高程因子，針對不同劃定因子，采取不同的方法進行提取。

（1）水文因子。常年或規(guī)律性積水或漬水是界定濕地的必要條件，通過豐、枯水期至少2期的高分辨率遙感影像，結(jié)合實地驗證，科學(xué)提取積水線或漬水線等水文因子。

（2）植被因子。基于衛(wèi)星遙感影像，參考植被群落圖、流域圖、土地利用現(xiàn)狀圖等成果，采用遙感影像智能解譯手段，提取植被覆蓋類型、覆蓋范圍、覆蓋度和郁閉度等植被因子。

（3）土壤因子。在濕地土壤的形成過程中，水成過程或濕成過程是占主導(dǎo)地位的成土過程。基于土壤普查和地表基質(zhì)專項調(diào)查成果，結(jié)合遙感影像判讀和實地調(diào)查補充，獲取水成土的分布范圍。

（4）高程因子。基于DLG和DEM等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用內(nèi)插法批量提取洪水位線、常水位線、正常蓄水位線和高潮位線等高程因子，對難以確定的高程因子，基于航空攝影成果，采用立體測量手段補充采集。

2.2濕地與非濕地邊界劃定方法

對于具有水位、水深等水文記錄的濕地，以洪水位線作為濕地與非濕地的界線；對于沒有水位、水深等水文記錄的濕地，以積水線或漬水線作為濕地界線；用積水線或漬水線不能準確判定濕地邊界時，以濕地植物的分布范圍作為濕地邊界；用水文因子和植物因子不能判定濕地和非濕地界線時，以水成土分布范圍作為濕地界線。

2.3不同類型濕地邊界劃定方法

（1）水域濕地邊界劃定。根據(jù)提取的湖泊積水區(qū)常水位線、水庫正常蓄水位線或河流常水位線，劃定水域濕地與灘涂濕地的邊界。根據(jù)提取的植被覆蓋類型、覆蓋范圍、覆蓋度和郁閉度等植被因子，劃定水域濕地與沼澤濕地的邊界，其中以喬木森林植物為優(yōu)勢群落、郁閉度小于0.1的水面邊緣為水域濕地與森林沼澤濕地的邊界；以灌叢植物為優(yōu)勢群落，植被蓋度（不含沉水植物和浮水植物）小于40%的水面邊緣為水域濕地與灌叢沼澤濕地的邊界。

（2）灘涂濕地邊界劃定。河流、湖泊的常水位和洪水位線，水庫、坑塘正常蓄水位與洪水位線為灘涂濕地的下界和上界。平水年的枯水期，沒有積水或漬水的區(qū)域邊緣為灘涂濕地與沼澤濕地的邊界。

（3）沼澤濕地邊界劃定。平水年的枯水期，地表仍然積水或漬水的區(qū)域邊緣為沼澤濕地的邊界。基于收集的水文要素資料，結(jié)合室內(nèi)和野外解譯標志判定平水年枯水期遙感影像的積水或漬水等水文狀況，對于內(nèi)業(yè)無法確定的，通過外業(yè)調(diào)查核實確定。濕地邊界劃定示意圖如圖2所示。

3濕地邊界劃定驗證與分析

3.1研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

湖南東洞庭湖位于長江中下游荊江江段南側(cè)，地處湖南省東北部岳陽市境內(nèi)，總面積1.9x105hm2，是我國首批加入“1992年國際重要濕地公約”的六個國際重要濕地之一。東洞庭湖獨特的生態(tài)環(huán)境孕育了豐富的自然資源，是我國濕地水禽的重要越冬地、繁殖地和停歇地。

數(shù)據(jù)來源主要包括以下幾個方面：從湖南省自然資源主管部門收集的東洞庭湖區(qū)域優(yōu)于1米分辨率衛(wèi)星遙感影像、1：2000航測數(shù)據(jù)成果（含1：2000DLG）、1：2000DEM、“國土三調(diào)”等數(shù)據(jù)；從湖南東洞庭湖國家級自然保護區(qū)管理局收集的植物群落分布圖、水成土分布圖、水文要素等資料；從林業(yè)部門收集的“濕地二調(diào)”數(shù)據(jù)；從水利部門收集的第一次全國水利普查數(shù)據(jù)；從農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門收集的第二次全國土壤普查數(shù)據(jù)。對收集的資料進行掃描矢量化、坐標轉(zhuǎn)換、格式轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)處理。

3.2解譯樣本庫

采用室內(nèi)建標和野外建標相結(jié)合的方法，通過獲取濕地的遙感影像特征和實地特征，建立東洞庭湖各類型濕地影像和地面實況的對應(yīng)關(guān)系，形成解譯樣本庫。內(nèi)業(yè)建標以“濕地二調(diào)”和“國土三調(diào)”的濕地圖斑為指引，結(jié)合水文、植被、土壤、高程等濕地邊界劃定因子，建立各類型濕地的遙感解譯標志，記錄各類型濕地的影像特征，含色彩、紋理、地理位置等。外業(yè)建標選取有代表性的濕地地塊進行實地踏勘，拍攝實地照片，記錄地塊的植被類型、地表狀況等實地特征，不同類型濕地解譯標志見表1。

3.3濕地邊界劃定結(jié)果與分析

3.3.1劃定結(jié)果

基于東洞庭湖濕地的解譯樣本庫和濕地邊界劃定因子，按照濕地邊界劃定規(guī)則和方法，在GIS軟件支持下快速判讀濕地邊界，劃定結(jié)果顯示，東洞庭湖濕地面積1489km2，內(nèi)業(yè)判讀用時15工日，共劃定濕地圖斑5557個，其中水域濕地5227個，灘涂濕地195個，沼澤濕地135個。同時，采取傳統(tǒng)基于多期影像和已有歷史調(diào)查成果人機交互判讀的方式，對東洞庭湖區(qū)域濕地邊界進行了逐圖斑判讀，用時32工日，共劃定濕地圖斑4821個，其中水域濕地4548個，灘涂濕地172個，沼澤濕地101個。對比分析兩種濕地邊界劃定結(jié)果表明，前者基于航空航天遙感影像、DLG和DEM等多源數(shù)據(jù)獲取水文、植被、土壤、高程等濕地邊界劃定因子，極大提高了濕地邊界劃定的工作效率，對比兩者與“國土三調(diào)”數(shù)據(jù)成果表明，前者濕地邊界劃定的準確度更高。

3.3.2劃定精度評價分析

從水域濕地、沼澤濕地和灘涂濕地三種類型中各隨機抽取了5個濕地圖斑，通過開展?jié)竦剡吔鐚嵉睾瞬椋@取參考濕地邊界。以參考濕地邊界為標準，采用濕地圖斑的面積差百分比、最大偏移距離、平均偏移距離和偏移距離均方差四個指標對提取的濕地邊界進行精度評價，其面積差百分比為待評價濕地與參考濕地的面積差占參考濕地面積的百分比，相對偏移的最大距離、平均距離和均方差分別代表了待評價濕地邊界相對于參考濕地邊界的最大偏移量、平均偏移量和偏移距離中誤差。水域濕地、灘涂濕地和沼澤濕地的邊界劃定精度評價結(jié)果見表2。

根據(jù)濕地邊界劃定精度評價結(jié)果，水域濕地、灘涂濕地和沼澤濕地的劃定面積均比參考濕地面積大，最大偏移距離、平均偏移距離和偏移距離均方差指標較低，與參考濕地邊界偏差較小，三種濕地類型中灘涂濕地邊界劃定的精度最高，其次為水域濕地，沼澤濕地最低。總體而言，此方法劃定的濕地邊界成果精度較高，主要是因為：一是在傳統(tǒng)的水文、植被、土壤“濕地三要素”基礎(chǔ)上，充分考慮了濕地對高程變化的敏感性，加入高程因子參與了濕地邊界劃定；二是結(jié)合高分辨率的衛(wèi)星遙感影像、1：2000DLG和1：2000DEM等多源數(shù)據(jù)獲取濕地邊界劃定因子，構(gòu)建了不同類型濕地的解譯標志，為濕地邊界劃定工作提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

4結(jié)束語

本文提出了一種基于衛(wèi)星遙感、DLG和DEM等多源數(shù)據(jù)開展?jié)竦剡吔鐒澏ǖ募夹g(shù)方法。首先，在充分考慮《濕地公約》和自然資源統(tǒng)一管理對濕地保護利用的基礎(chǔ)上，明確了濕地定義，內(nèi)陸濕地可劃分為水域濕地、灘涂濕地和沼澤濕地3種濕地類型。其次，在傳統(tǒng)“濕地三要素”的基礎(chǔ)上，引入高程作為濕地邊界劃定因子，探討了基于衛(wèi)星遙感、1：2000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、“國土三調(diào)”、“濕地二調(diào)”等多源數(shù)據(jù)，并結(jié)合遙感技術(shù)手段實現(xiàn)大尺度下快速準確提取濕地邊界的技術(shù)方法。最后，選取湖南東洞庭湖國際重要濕地進行驗證，劃定結(jié)果表明，采用多源數(shù)據(jù)獲取水文、植被、土壤、高程等濕地邊界劃定因子，提高了濕地邊界劃定的工作效率和成果精度。該方法己成功應(yīng)用于“國家重要濕地調(diào)查研究與示范——湖南東洞庭湖濕地和湖南南洞庭湖濕地”項目生產(chǎn)實際中，為完善濕地資源調(diào)查技術(shù)路線提供借攀。