自然保护区人类活动遥感监测效果分析——以广西为例

何柏华，张晓勉*，薛晓坡，付强，欧林林

（1.广西壮族自治区森林资源与生态环境监测中心，广西 南宁 530022；2.浙江省林业科学研究院，浙江 杭州 310023）

自然保护区在保护生物多样性，维护生态平衡，促进可持续发展，支持科学研究和公众教育等方面发挥着重要的作用[1-2]。与世界其他地区一样[3-4]，广西林业自然保护区分布在海拔较高、社会生产力相对较低的地区，这些地区虽然交通不发达、基础设施落后、信息闭塞、经济发展水平低，但自然保护区及其周围依然存在大量的社区[5]。社区居民农业生产方式粗放，主要以土地资源开发、森林资源获取等方式为主[6]，给自然保护区生态环境保护带来了很大影响，因此对人类活动进行长期、持续、稳定、及时的监测显得十分重要。结合广西林业自然保护区地理分布及气候条件，应用主动雷达遥感与被动光学遥感影像数据，建立遥感监测与地面监测相结合的自然保护区生态与资源监测体系，提高自然保护区监管能力。

1 研究区域概况

对广西48个林业自然保护区2017和2018年度人类活动进行遥感监测，其中国家级保护区19个，面积3 346 km2，占广西国土面积的1.41%；自治区级以上保护区29个，面积3 966 km2，占广西国土面积的1.67%。主要分布在广西3个弧形山系中，即桂北的大南山、天平山和九万山构成的北弧山系，桂中的架桥岭、大瑶山、都阳山和大明山构成的中弧山系，桂南的云开山、六万大山、十万大山、六韶山、大青山和公母山构成的南弧山系；以及桂西喀斯特岩溶山地和沿海的三角洲、岛屿地区。这些地方山高路远、交通条件相对落后，给传统地面调查带来了相当大的困难；且广西降雨量丰富、全年降水季节长，高山地区常年云雾笼罩，传统光学遥感影像辅助的遥感监测效果不理想。

2 研究方法

2.1 基础数据

2.1.1主动雷达遥感数据

欧洲空间局（ESA）哨兵一号（Sentinel-1）的Interferometric Wide Swath(IW)level-1模式的SLC（Single Look Complex） 和 GRD （Ground Range Detected）格式影像，空间分辨率为5~20 m。IW模式的影像因其分辨率适中、覆盖范围广阔、较高频率的重返周期得到了广泛应用[7]。

2.1.2被动光学遥感数据

包括高分一号到六号、资源三号、北京二号、高景等数据，空间分辨率0.8~2.5 m影像。

2.1.3矢量数据

包括48个林业自然保护区的范围界线、功能区界，并对范围界向外缓冲500 m的影响区界，坐标 系 均 为 ：GCS_China_Geodetic_Coordinate_System_2000。

2.2 技术路线

对前后两期雷达和光学遥感影像进行变化检测，获取监测区域范围内变化图斑，建立遥感判读疑似变化图斑数据库，应用《广西自然保护区人类活动遥感监测信息管理系统》（以下简称“信息管理系统”）发布遥感监测疑似变化图斑。各保护区通过网络下载变化图斑信息，开展实地核查，并将核查结果录入信息管理系统，建立变化图斑实地核查数据库，应用信息管理系统进行数据统计汇总分析、生成统计报表、编制监测报告。见图1。

图1技术路线

2.3 人类活动类型

根据《自然保护区人类活动遥感监测技术指南（试行）》，结合广西实际，自然保护区人类活动类型分为林业生产经营活动、农业生产活动和工程项目建设三大类。人类活动类型分类及土地种类分类指标和定义如表1所示。

2.4 遥感判读技术方法

2.4.1数据预处理

为了消除遥感影像的扭曲、畸变和噪声，在进行多时相SAR影像变化检测之前，应用GAMMA等软件对影像进行单一影像预处理、配准、辐射校正以及滤波等处理；对被动光学遥感影像数据进行波段组合、几何校正、分辨率融合、影像镶嵌等预处理。

2.4.2 计算机自动变化检测

针对广西多云雾覆盖的特点，结合自然保护区管理的需求，采用联合多时相SAR和光学影像，主、被动遥感联合的变化监测。主、被动协同遥感监测能够打破之前光学遥感监测的局限性，特别是在云雨覆盖较多的地区，可获得连续、可靠的变化监测结果，同时降低SAR遥感的虚检率，降低高分光学遥感的漏检率[8]。

表1自然保护区人类活动类型及土地种类分类

（1）基于高频次成像的SAR影像林地变化信息提取。利用SAR不受天气影响的优势，结合SAR数据的强度、纹理等信息，实现高频次的林地变化信息初步提取；利用SAR影像的升/降轨影像信息互补能力，重点解决由于山地地形造成的SAR影像的阴影以及叠掩区域无法进行专题信息提取的问题。

（2）基于高分辨率多光谱影像的林地变化边界信息提取。结合高频次SAR影像的变化识别结果，以林地先验知识（林地“一张图”、二类调查成果等）与高分辨率光学影像结构信息的结合为核心，优化林地变化识别结果，获取完整的林地变化类型表达和准确的边界描述。

2.4.3人机交互检查

将计算机自动变化检测出的变化图斑叠加到前后期高分率光学遥感影像上，根据高分率光学遥感影像的判读标志，如色调（颜色）、形状、位置、大小、阴影、布局、纹理及其他间接标志等，人工初步判定变化图斑土地利用类型和变化类型等信息。遍览高分率光学遥感影像，补绘计算机自动变化检测遗漏的变化图斑；删除计算机自动变化检测出的错误图斑。

2.4.4变化图斑检测

人类活动变化图斑最小判读面积0.1 hm2。宽度小于10 m，面积达到最小判读面积的线状变化图斑也需要检测出来。保护区范围内除农业用地变更作物耕作可以不检测出来外（例如上年度种甘蔗，本年度种玉米，不要求检测出来），其他各种变化类型均需检测出来；2018年保护区周边500 m影响区只检测工程建设变化图斑，包括采石（砂）场、工矿用地、水电站、旅游设施、道路的图斑等。

2.5 实地核查技术方法

2.5.1变化图斑信息下载

技术支撑单位将根据遥感影像变化检测得到的疑似变化图斑导入信息管理系统，各保护区登入信息管理系统后即可查看、下载本保护区的变化图斑信息。

2.5.2实地核查

实地核查主要是通过实地访问、验证核查和档案查询等方式，记录人类活动类型、现状地类（设施类型）、土地权属、发生时间、变化类型、设施名称、设施现状、采伐审批、林地审批和环评审批等相关文件、生态环境影响和破坏情况、违法查处情况等，并拍摄现场照片。

2.6 数据统计分析与核查报告编制

信息管理系统允许各级用户对本级数据进行统计分析，自动生成统计报表；各级用户根据统计结果编制核查报告。

3 监测效果分析

3.1 人类活动遥感监测总体情况

广西已完成48个林业自然保护区2017、2018两个年度人类活动遥感监测工作。2017年对核心区、缓冲区、实验区、影响区进行无差别遥感监测；2018年影响区只监测是否存在工程项目建设，不再监测林业和农业生产经营活动。

2017年共发现人类活动斑块5 935处，面积3637.16 hm2，占48个林业自然保护区及其影响区面积的0.36%。由于自然保护区加强管理及监测内容的调整，2018年发现的人类活动明显减少。2018年共发现人类活动斑块964处，总面积1 379.78 hm2，占48个林业自然保护区及其影响区面积的0.14%。详见表2。

从表2可知，两个年度的人类活动均以采伐、造林等林业生产经营活动为主；2017年发现林业生产经营活动斑块2 647处，面积3 288.00 hm2；2018年发现552处，面积849.70 hm2；所占人类活动总斑块、总面积比重均超过了50.00%。这与保护区所处地理位置及社区居民的生产方式相关。大多数自然保护区位于大型山系中，社区居民受教育程度低，生产方式粗放，主要以对林地开发、森林资源的收集为主。林业生产经营活动对自然保护区生态环境影响相对较低[9]，但大面积森林采伐活动对生态环境和社会的影响大。在两个年度的遥感监测中，均发现有单个斑块面积大于30.00 hm2采伐后新造林地，大面积采伐应成为今后自然保护区管护重点关注内容。同时，在两个监测年度内，个别自然保护区人类活动斑块数、面积虽然有所下降，但其绝对数量仍然较大。例如王子山，两个年度人类活动面积均超过400.00 hm2，人类活动依然频繁。加强对这些保护区的日常管护固然是重要的，同时也启示，某些保护资源富集度低、人类活动频繁的区域在未来重点自然保护区整合优化工作中，可适当调出。

表2 广西48个林业自然保护人类活动遥感监测总体情况统计

3.2 不同等级自然保护区人类活动情况

由图2和图3可知，国家级自然保护区2017、2018年分别发现人类活动斑块1 449处、247处，分别占年度内发现人类活动总斑块数的24.41%、25.62%；面积992.83 hm2、348.68 hm2，分别占年度内的人类活动总面积的27.30%、25.27%。自治区级自然保护区2017、2018年分别发现人类活动斑块4 486处、717处，分别占年度内发现人类活动总斑块数的75.58%、74.37%；面积2 644.33 hm2、1 031.10 hm2，分别占年度内的人类活动总面积的72.70%、74.73%。两个监测年度内，不同等级保护区，人类活动均有较大降幅。同时，监测的48个林业自然保护区中，19个国家级自然保护区，监测面积为45.21万hm2。29个自治区级自然保护区，监测面积为55.01万hm2，是国家级保护区监测面积的1.18倍；但自治区自然保护区人类活动斑块数、面积却是国家级2.66~3.10倍。其原因一方面是国家级自然保护区选址更为合理；另一方面国家级自然保护区均设立有专门的管理机构。而自治区级自然保护区仅部分有专门管理机构，部分由市、县林业局或者林场代管，极少部分由乡镇林业站管理，经费投入少，管护基础设施缺乏，管护力量薄弱，管护效能低[5]。

3.3 不同功能区人类活动情况

48个自然保护区有46个划分了功能区，仅恩城、五福宝顶未划，其保护区范围均按核心区进行管理。2017年核心区发现人类活动斑块723处，面积462.23 hm2，分别占2017年人类活动总斑块、总面积的12.18%、12.71%；缓冲区发现1 100处，面积593.60 hm2，分别占 18.53%、16.32%；实验区发现2 088处，面积1 127.16 hm2，分别占35.18%、30.99%；影响区发现2024处，面积1 454.17 hm2，分别占34.10%、39.98%。2018年核心区发现人类活动斑块144处，面积217.57 hm2，分别占2018年人类活动总斑块、总面积的14.94%、15.77%；缓冲区发现260处，面积470.99 hm2，分别占6.97%、34.14%；实验区发现420处，面积509.31 hm2，分别占43.57%、36.91%；影响区发现140处，面积181.91 hm2，分别占 14.52%、13.18%，详见图 4和图5。两个监测年度内，各功能区人类活动均有较大降幅，并且表现出核心区<缓冲区<实验区<影响区的趋势（2018年影响区只检测工程建设项目及养殖类农业生产经营活动，发现的人类活动较少，这一趋势略有偏差）。

图2不同等级保护区人类活动面积结构

图3不同等级保护区人类活动斑块数结构

图4不同功能区人类活动面积结构

图5不同功能区人类活动斑块数结构

4 结论与讨论

SAR影像具有全天时、全天候的强穿透能力，可以有效弥补多云、多雾天气对主动光学遥感数据在森林资源信息识别、提取中的不足[10-12]；同时，高分辨率光学影像结构信息可以优化SAR林地变化识别结果，获取完整的林地变化类型表达和准确的边界描述[13-14]，互补优缺。以此为数据源获取自然保护区人类活动变化图斑，以“信息管理系统”为管理平台，构建了监测与地面监测相结合的自然保护区生态与资源监测体系。

（1）2018年与2017年相比较，人类活动斑块减少了4 971处，面积减少了2 257.38 hm2。遥感监测时效高、覆盖广、成本低，可以明显提高自然保护区管护效率，应作为一项常态化措施应用于自然保护区管护中。

（2）自治区级自然保护区内人类活动较国家级的更为频繁，有必要加大对自治区级自然保护区资金投入，建立专门管理机构，提高管护效率。

（3）自然保护区人类活动频次从高到低基本顺序为影响区、实验区、缓冲区、核心区的趋势，与自然保护区分区管理制度整体相符；同时，应加强对核心区人类的活动的管控，避免对核心保护资源的破环。