基于遥感影像的自然保护区主要地物类型分布空间变化分析与研究

陈昉霖，宋康明

（广州市城市规划勘测设计研究院有限公司，广东广州 510060）

0 引言

湿地是位于陆生生态系统和水生生态系统之间的过渡性地带。湿地广泛分布于世界各地，拥有众多野生动植物资源，是重要的生态系统，有强大的生态净化作用，因而又有“地球之肾”的美名［1］。近年来，人们开垦湿地为耕地，破坏湿地生态系统的平衡，严重制约环境的可持续性发展。为改善环境，防止湿地环境的人为破坏行为，需对湿地的动态变化进行实时监测［2］。

利用传统实地调查的方式受人为因素制约严重。遥感影像具有不受地形特征制约、获取信息及时且能在大尺度区域实施等优势，因此利用遥感技术可作为监测湿地变化的有效手段［3］。同时，对于区域的历史变化情况的追溯，遥感影像可作为重要的基础数据和技术手段。

1 研究区和数据来源

1.1 研究区概况

本文选取某自然保护区为研究区，其区域内重点监测地块为主要监测对象。研究区由沼泽地和湖泊组成，湿地周围是农田和人工鱼塘等，地域辽阔、生态原始、鸟类资源丰富。选取保护区范围内3个地块进行监测，每个地块的具体面积分别为：1 号地块为115.61 hm2、2 号地块为23.08 hm2、3 号地块为36.89 hm2。其地理空间分布情况如图1 所示。

图1 保护区地块分布图

1.2 数据源

本文以2002 为时间基点，对保护区监测地块内的变化情况进行追溯，明确人为开垦的具体变化时间，可获取到最早的影像为1997 年的航摄影像，选取1997 年航摄影像和2002 年的SPOT5 高空间分辨率遥感影像，具体数据情况如表1 所示。

表1 数据源情况统计表单位：m

1.2.1 航摄影像

1997 年航摄影像，为黑白航摄像片，空间分辨率为1 m。影像为黑白影像，没有地物颜色信息，但是空间分辨率较高，地物纹理信息清晰，因此通过影像也可清晰对地物进行判读。

1.2.2 SPOT5影像

SPOT5 卫星于2002 年5 月4 日发射，是法国SPOT 系列卫星的第5 颗卫星。影像为黑白2.5 m、彩色10 m 分辨率。SPOT 卫星上载有2 台高分辨率几何成像装置（HRG）、1 台高分辨率立体成像装置（HRS）、1 台宽视域植被探测仪（VGT）等，空间分辨率最高可达2.5 m。本文对多光谱和全色波段进行融合处理，获取保护区范围内2.5 m 的多光谱数据。

2 研究方法

根据2 期遥感卫星影像，对1997 年黑白航摄影像采用人工目视解译方式进行地表类型提取，对2002 年SPOT5 影像采用自动解译分类方法。根据2 期影像的提取结果，判断监测区范围内1997 年和2002 年的地表覆盖类型变化情况，并统计各地表覆盖类型面积、变化类型及面积。

2.1 SPOT5自动解译分类方法

对SPOT5 遥感影像采用非监督方法进行影像的地物分类。非监督分类也称聚类分析，是指人们事先对分类过程不施加任何的先验知识，而仅凭数据（遥感影像地物的光谱特征的分布规律），即运用自然聚类的特性让机器进行自学习并进行分类。它以集群为理论基础，通过计算机对图像进行集聚统计分析，是模式识别的一种方法［4-5］。非监督分类在遥感影像领域的主要算法为ISODATA、K-means。

本文选取K-means 分类方法。K-means 算法是由MacQueen 于1967 年提出来的。该算法事先给定需要划分的类别数N，然后从数据集中找出k个样本作为聚类的核心（初始种子），把其余的样本按照某种方法（例如欧式距离法）分到各个类别中，每调整一个样本，就重新计算此样本所属类别的均值，并且以此均值作为此类的新代表点，重复上述过程直至每类中心不再发生变化［6］。该算法属于无监督学习，无需准备训练集，原理简单，实现起来较为容易，结果可解释性较好，被广泛应用于遥感影像分类和分割研究及应用中。

利用ENVI 软件对分类结果进行小图斑去除，采用Majority/Minority、类成团（Clump）和类别筛选（Sieve）分析工具对影像分类结果中的小图斑和噪声等结果进行消除。在此基础上进行适当的人工边界修测，保证地物面积的准确性。

2.2 变化图斑提取

基于2 期影像地表类型的分类结果，提取2 期同一位置地表类型不相同的图斑。本文利用ArcMap 软件，采用叠加分析工具，获得1997 年至2002 年期间地表覆盖类型的分布情况。

3 结果与分析

3.1 1997年监测区内提取结果

利用人工目视解译方法对保护区监测地块内进行地表类型提取，提取结果如图2 所示，每种地物的面积情况如表2 所示。由结果可知：各地块内地物类型分别为草地、水稻田、旱地和水渠，其中，每个地块中草地占地面积最大；地块1 和地块2 均有人工修建水渠，占地面积分别为5.30 hm2和1.14 hm2；地块1 和地块3 都种植大面积水稻，种植面积为18.29 hm2和15.7 hm2；地块3 种植部分旱地面积为1.34 hm2。

表2 1997 年各地块内地物类型及面积统计表单位：hm2

图2 1997 年地块内地物分布图

3.2 2002年监测区内提取结果

根据自动分类方法对2002 年影像进行地物提取，其地物的空间分布情况如图3 所示，详细面积情况如表3 所示。由结果可知：2002 年各地块内地物类型分别为草地、水稻田和水渠，监测地块内主要分布为草地；地块1 和地块2 保留部分人工水渠，面积分别为5.29 hm2和0.99 hm2；地块3 中种植水稻，面积为1.84 hm2。

表3 2002 年各地块内地物类型及面积统计情况单位：hm2

图3 2002 年地块内地物分布图

图4 1997—2002 年地表类型变化分布图

3.3 1997年到2002年监测区内地物变化情况

基于2 期影像的地表类型的提取结果，对比分析监测区范围内1997 年和2002 年的地物类型，得出地物变化类型的空间分布，如图6 所示，并统计地物类型的变化面积和每种变化类型的占地面积，如表4 和表5 所示。由结果可知：1997 年到2002年，整体上草地面积增加，增加面积为33.65 hm2，旱地、水稻和水渠的面积在减少，减少面积分别为1.34 hm2、32.15 hm2和0.16 hm2。其中旱地、水稻和水渠都恢复为湿地，总体变化图斑面积为33.65 hm2。由此可知，1997 年到2002 年期间，保护区内耕地和人工修建水渠还原为湿地，保护区采取退耕还湿，在此期间内，保护区的湿地为恢复状态。

表4 1997—2002 年各地类面积变化情况单位：hm2

表5 1997—2002 年各地块变化类型面积统计单位：hm2

4 结语

本文以高分辨率遥感影像为数据源，对保护区内重点监测地块进行变化提取，并对变化类型和变化面积进行统计，结果表明：

1）对区域性地物类型变化进行历史追溯时，遥感影像可作为一种有效的技术手段，对历史上的地物类型和变化情况完成进行有效识别和分析。

2）1997 年航摄影像为黑白影像，基于影像纹理信息可对地物类型进行识别。

3）在1997 年至2002 年期间，监测地块内旱地、水稻和水渠面积有所减少，主要变化为草地，保护区的湿地为恢复状态。