中国湿地遥感研究现状与趋势评述

赵 惠,张海英,李娜娜,杨桂芳

(1.中国地质大学地球科学与资源学院,北京 100083;2.中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室,北京 100101; 3.中国矿业大学,北京 100083）

中国湿地遥感研究现状与趋势评述

赵 惠1,2,张海英2,李娜娜3,杨桂芳1＊

(1.中国地质大学地球科学与资源学院,北京 100083;2.中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室,北京 100101; 3.中国矿业大学,北京 100083）

利用网络文献数据库,对1995年以来以CNKI为主的数据库检索的相关文献进行综述,从遥感在湿地分类和制图、湿地监测、湿地生态及技术和方法等方面的应用归纳出目前湿地遥感研究存在如下问题:地理时空分布不均,以中小尺度为主;区域特殊性研究较多,缺少区域共性研究;研究方法可操作性差;学科综合少;湿地信息系统不健全。基于以上问题,湿地遥感研究趋向以下方向:大尺度监测和制图;结合湿地特征,实现区域模块化;建立湿地信息系统平台,加大湿地开放型遥感应用;遵循湿地系统性,加强湿地综合和对比研究;重视学科综合和合作;重视技术交互,实现湿地遥感应用发展。

中国湿地;遥感研究;现状及趋势;网络文献数据库

湿地自然生态系统与森林、海洋并列为世界三大生态系统[1],是自然界最富生物多样性的生态景观之一。中国湿地类型多样,拥有包括《湿地公约》的全部湿地类型,湿地的研究日益得到重视。由于湿地的通达性差等原因,遥感技术在湿地研究中得到了广泛的应用。本研究基于中国期刊网(CN KI）提供的中国期刊全文数据库、中国博硕士论文数据库、中国重要会议论文数据库以及外文全文数据库(如Elsevier Science Direct）资料(以1995-2009年公开发表的为准）,分别以“中国湿地遥感”、“湿地遥感”以及“Wetland China Remote Sensing”等为检索内容,利用关键词在数据库中进行搜索和统计分析。本文通过总结和分析中国湿地遥感研究的现状和问题,讨论湿地遥感研究的发展趋势,以期为湿地科学的研究提供参考。

1 湿地遥感研究的时空特征

对1995-2009年湿地遥感研究的相关文献分别从研究区域、研究时间、研究机构进行归类,分析湿地遥感的研究现状,揭示湿地遥感研究的特征。

1.1 湿地遥感研究的地理分布

湿地遥感调查和研究对象的地理分布可以分为点类型和面类型两种:点类型研究是指以某个湖泊、河口或沼泽等典型湿地为研究对象,面类型研究是指以某个区域(省市区或流域三角洲）为研究对象。依据1995-2009年的相关研究文献,从地理分布看,东部研究密集,集中分布于东北和东部沿海省市地带,西部研究稀疏、分散;从研究类型看,点类型研究居多,面类型研究较少,点类型的研究大多集中在湿地保护区、城市湿地公园,面类型的研究多分布于东北和滨海一线的省市和三角洲地区;从研究尺度看,中小尺度典型地域研究集中。

1.2 湿地遥感研究的时间分布

依据中文全文数据库(http://www.cnki.net/, 2009）和外文全文数据库(http://www.sciencedirect.com/,2009）发表的文章分析湿地遥感研究的时间序列(图1）。总体看,中国湿地遥感研究的发展如下:从文献数量看,国内外对中国湿地的研究呈逐年上升趋势,文献数量也逐年增加;从文献重要度上分析,1995-2002年发表的文章以核心期刊为主, 2002年至今随着关注度的提高,非核心期刊文献也增多;从研究趋势看,高水平文章逐渐增多,这与社会的发展需求和遥感技术的发展相关。

1.3 湿地遥感研究的机构分布

1995-2009年全国性、各省区以及地方性的研究都有所开展。对参与研究的机构分析表明(表1）:湿地遥感研究机构地理分布不均,集中分布于东部(占2/3）,中西部缺乏(占1/3）,包括国家林业局和30个科研机构。从研究机构合作和参与看,湿地遥感研究主要是科研院所依托国家和地方林业局等部门,并且科研机构主要侧重农林专业和遥感技术专业(如农林院校占2/3）;从研究成果和重要度看,研究总量多,研究影响度和深度不够,研究文献中核心期刊和非核心期刊所占的比例相差大,以基础性研究为主,有影响的较少。

图1 中国湿地遥感研究时间分布Fig.1 Time distribution of RS-based research of wetland in China

表1 CNKI检索的湿地遥感研究机构Table 1 Institutions for RS-based research of wetland searched from CNKI

2 湿地遥感的研究内容

对1995-2009年湿地遥感研究相关文献按研究内容归类后发现:1）遥感在湿地研究中的应用逐渐增多,研究要素由湿地监测向湿地生态扩展,由单一要素向整体景观扩展,由理论探讨逐渐发展到实践应用;2）研究范围由中小尺度趋向大尺度,由宏观概念向中观概念和微观概念扩展;3）研究过程由静态监测向动态模拟转变,经历了应用描述、模型构建、动态模拟、预警预测的发展历程;4）研究深度不断加大,由单纯的技术研究转向两者综合的研究;5）研究目的也由简单的特征描述转向对湿地系统的揭示;6）研究技术方法由人工操作向系统自动化转变; 7）研究应用由简单的湿地系统模拟向复杂的湿地管理应用转变。本研究从中国湿地分类和制图、湿地监测、湿地生态及相关湿地遥感数据、方法和技术研究等方面归纳湿地遥感的应用。

2.1 湿地遥感分类和制图

目前湿地遥感研究多采用室内判读和野外验证相结合的方法,对湿地信息的提取主要是自动提取和人工判读相结合[2]。所用的主要数据类型有TM[3]、ETM+[4]、MSS[5]、MODIS[6,7]、SPOT[8]、Radarsat-2极化雷达数据[9]、CBERS-02[10]、ALOS[11]。赵广明等[12]在卫星遥感在湿地研究应用中介绍了湿地遥感影像数据源的特征和应用趋势。

湿地分类方法主要有人工神经网络[13]、BP神经网络[14]、知识挖掘[15]、决策树模型[16-18]、优化理论[19]、logistic模型[20]以及面向对象[21]、遥感信息分区分层提取[22]、多波段多平台遥感复合分类[23-25]、多时相遥感信息复合分类[26]。湿地制图主要侧重利用湿地数据库编制不同比例尺、不同专题的湿地图件。不同的遥感制图与湿地分类系统层次相关,分类精度与遥感影像有关[27]。湿地制图研究主要有海岸带湿地资源遥感专题制图[28]、全国湿地制图[29]、湿地植被制图[30]、行政区湿地制图(如海南湿地遥感制图[31]）。

2.2 湿地遥感动态监测

湿地遥感监测主要侧重于基于遥感技术的湿地分类与识别以及信息获取。从监测对象看,主要有湿地资源[32-34]、湿地生态[35,36];从监测目的看,主要包括动态监测与分析[37-41]、湿地保护和利用研究[42,43]、湿地景观分析[44,45]、湿地监测网络体系建设研究[46-50]、监测技术与方法研究[51-56]、湿地三维显示模块研究[57];从监测方法和技术看,湿地监测的方法主要有逐像元比较法、不同时相图像的算术运算法、图像分类后比较法、图像与辅助数据比较法、基于知识的计算机视觉系统法[58],主要集中在影像预处理、多分辨率遥感影像数据源、湿地信息提取方法等方面[59],如光谱研究[60-65]。

2.3 湿地遥感生态

在确定湿地生态指标的基础上,利用遥感技术建立湿地生态因子定量关系模型,据此了解湿地的生态状况,预测湿地的生态演变。主要有湿地生态需水量研究[66]、生态环境研究[67-69]、生态系统健康评价[70,71]、生态资产定量研究[72,73]、湿地植被生物量[74]、生态工程数据库研究[75]、生态系统空间格局[76,77]。

3 讨论

3.1 湿地遥感研究现状

中国湿地遥感的研究和探索主要表现在以下方面:1）研究地理时空分布不均,大中尺度微观研究较少。研究范围多为中小尺度,大尺度全国性的湿地遥感研究尚少,并且研究区域多集中在中东部地区,西部的研究较少。研究区多是已确定的湿地自然保护区的常规调查和监测,大多数湿地区域尚未做研究,这主要是由于受到数据资料和技术手段的影响所致。2）单学科和区域个例研究较多,多学科综合和对比研究较少。其中湿地遥感分类研究具有区域特殊性,缺少共性,多适用于中小尺度宏观研究的需要,分类精度难以满足大尺度微观研究的要求,很难获得较好的定位和制图精度效果。与湿地在中国的分布范围相比,参与机构不多,学科融合研究存在偏颇。遥感技术研究偏重研发,忽视应用性;湿地系统研究没有发挥遥感的优势,导致湿地遥感研究虽然开展多年却仍处于浅层,长期以来没有重大突破。3）研究技术与方法理论性强,人工干预较多,缺少可操作性。湿地遥感研究中,除了静态分析外,有相当比重是图像信息的获取和预处理研究,还停留在数据库、空间叠加分析上,缺乏知识处理和推理能力。如湿地光谱特征的研究停留在单一湿地类型或某一区域湿地光谱特征的研究上;湿地遥感应用研究仍需要大量人工操作,与专家系统、神经网络、遗传算法等相结合的尚少,湿地的相关参数在遥感上的实现研究处于初级阶段。4）湿地信息系统动态监测较多,数字智能型遥感应用较少。在相关研究中,遥感主要用在湿地要素特征描述、系统评价、格局演变、模型构建等方面,虽然有较多的动态监测和预测研究,虚拟现实与三维可视化技术的湿地研究仍然屈指可数,且都是对此技术在湿地应用的可行性介绍;再者,忽视了湿地系统的开放性,即与湿地的多用户、多平台联合与交流。因此,中国没有一套完整齐全的湿地数据库,没有健全的湿地信息系统,阻碍了湿地科学研究的发展。

3.2 湿地遥感研究未来趋势

利用遥感技术对湿地进行定期普查和动态监测是湿地保护和管理的重要手段之一,也是及时获取科研基础数据的要求。随着湿地越来越受到关注,湿地遥感将成为研究热点。未来基于遥感技术的湿地研究动向为:1）加强基础研究和大尺度研究,建立统一的湿地遥感监测分类系统。结合前人研究成果,立足大尺度全国范围湿地系统,总结湿地共性和个性以及湿地遥感特征,完善和建立具有广适性、分级性和技术可操作性的湿地遥感分类系统,满足湿地研究和保护的需要。2）注重应用理论,加强湿地综合研究。在当前湿地遥感研究的基础上,将遥感研究与湿地研究和应用相连接,加强学科综合和机构合作,从而实现湿地综合研究,使科研成果在应用中得到检验和发展,促进湿地科学的应用和发展。如利用RS技术采集湿地的相关生态指标参数进行数据分析和生态制图等,可以提高数据的准确性和评价结果的真实性及可信度,这也使湿地遥感生态研究得到推广,研究越来越多。3）结合湿地特征,实现应用模型的区域化。湿地的形成与诸多要素有关,在当前对湿地要素研究的基础上,从遥感技术和湿地的结合研究出发,依据本学科的优势,探寻湿地单要素间的相互联系,选择和建立适合湿地的应用模型,构建反映湿地本质属性的要素信息系统定量模型,以适应湿地研究和发展的需要。4）实施平台联合,加大湿地开放型数字遥感应用研究。依托技术优势,建立具有数据浏览、查询、分析等功能的全国湿地信息平台,以方便不同格式的数据互访,建立湿地遥感网络和空间数据库,以减少数据采集成本和大量的重复性工作。5）重视技术交互,开展智能研究。可靠数据源的获取及处理将随着大尺度微观研究的开展不断深入。目前主要是多源多时相数据融合、综合分类器研究与应用、雷达技术的应用、3S技术的融合等方面,这些将是遥感研究的发展需求。探索遥感技术在湿地中的应用以促进湿地遥感的高水平发展,如何将先进的技术应用到中国湿地科学研究的发展中是目前探索的问题。

4 结语

目前由于湿地定义、分类、形成演化等方面的问题还没有定论,湿地遥感研究面临机遇和挑战,许多问题有待探讨:如湿地遥感的应用内容是否可以归类,湿地遥感研究应用方面存在问题的原因等宏观问题;又如滨海湿地的边界如何判读和提取,湿地生态指标要素的定量设置等具体问题。通过本文以求更多的学者进一步研究,使上述问题在今后的研究中得以解决。

本文在写作过程中,得到遥感科学国家重点实验室宫鹏主任的指导,中国科学院遥感应用研究所牛振国为本研究提供了资料和建议,此致谢忱!

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RS-Based Research of Chinese Wetland:Statusand Trend

ZHAO Hui1,2,ZHANG Hai-ying2,L INa-na3,YANG Gui-fang1
(1.School of Earth Sciences and Resources,China University of Geosciences,Beijing 100083;
2.Institute of Remote Sensing A pp lication,State Key Laboratory of Remote Sensing Science,CAS,Beijing 100101;
3.China University of M ining and Technology,Beijing 100083,China）

Due to the objective,highly effective,real-time and macroscopic traits,the remote sensing has been gradually app roved and largely p romoted in wetland research.Retrieving document w ith the platform of web database since 1995,the RS-based research of wetland is discussed mainly on several aspects:classification,mapping and monito ring of wetland,ecosystem,app lication of remote sensing technology and methods.Themain p roblem s include geographical space unevenly distributed w ith themeso-microscale p rimarily;the subject research and study is themain part fo r the regional study,and lack of integrated and comparative study;mo remechanical imitation fo r themethods,and lack of maneuverability;less intelligent application of RS.Related research p rospects should be to carry out such asmonito ring and mapping on large scale,characteristic methods innovating conbined w ith the traitof wetland,establishing combining p latfo rm,increasing the app lication of open RS,to givemore attention on wetland system,to expand integrated study on region;to emphasize the ability of discursion,and to increase the app lication of intelligent RS.The future po tential study is analyzed aiming to better understanding the current development of wetland science and serving fo r wetland remo te sensing research towards wetland sustainable management.

wetland in China;research of remo te sensing;current status and trend;netwo rk document database

TP79

A

1672-0504(2010）02-0062-05

2009-11-02;

2010-01-11

赵惠(1983-）,女,硕士研究生,研究方向为生态环境评价。＊通讯作者E-mail:yangguifang@cugb.edu.cn