新疆博斯腾流域湿地遥感监测及时空变化过程

朱长明，李均力，张 新，骆剑承，沈占锋

1.江苏师范大学城市与环境学院，江苏 徐州 221116

2.中国科学院遥感应用研究所，北京 100101

3.中国科学院新疆生态与地理研究所，乌鲁木齐 830011

0 引言

湿地是地球表层独特而重要的生态系统，与森林、海洋生态系统并列为全球三大生态系统，它们共同维系着地球表层生物多样性和生态平衡［1］。由于经济发展和人口增长造成了世界范围内湿地面积的锐减，严重威胁到了区域乃至全球经济的可持续发展［2］。作为干旱区的一种特殊景观类型，湿地是干旱区独特而最具有生产力的生态系统之一，是流域水分循环的重要环节，在蓄洪防旱、降解污染、调节气候、补充地下水、控制土壤侵蚀等方面均起到重要作用，其产生和消失、扩大和萎缩对区域生态环境将产生重要的影响，同时也直观地反映了区域生态环境的变化。

由于湿地所在区域地理环境复杂、通达性较差、人工地面调查困难等原因，遥感科学技术一开始就在湿地调查与制图领域得到了广泛的应用［3］。国内外学者利用遥感与GIS技术对湿地监测展开了大量的研究。Jensen等［4］基于多光谱扫描仪（multispectral scanner，MSS）影像采用混合迭代的分类方法对萨瓦纳河流域进行湿地制图；Kinsford等［5］运用卫星影像研究了澳大利亚Mumimbidgee河的洪泛湿地在1975－1998年间的面积变化；Jessika等［6］融合 Radarsat Synthetic Radar和光学遥感影像动态监测了加拿大艾伯塔东北部湿地的时空变化；王宪礼等［7］利用 RS/GIS手段对辽河三角洲1986、1994年2个时段的湿地景观进行了研究；张树清等［8］应用专题绘图仪（thematic mapper，TM）影像对三江平原湿地进行了遥感分类研究；汪爱华等［9］从景观生态学角度，探讨了三江平原沼泽湿地的动态变化特征；刘红玉等［10］对近20a来挠力河流域湿地景观变化过程进行了时空定量研究分析；丁圣彦等［11］研究了河南沿黄湿地近20a来的景观格局演化；姜玲玲［12］对2000年和2006年大连滨海湿地景观格局变化及其驱动力因子进行了研究；宫鹏［13］通过landsat数据完成了1999和2000基准年我国湿地遥感制图；宫兆宁［14］应用遥感手段对北京湿地景观格局演变特征与驱动机制进行分析研究。

纵观我国现有的湿地景观格局时空变化研究发现，研究区主要集中在中东部经济较为发达的地区，而西部地区较少，尤其全球变化的敏感区和生态环境的脆弱区——干旱区研究更是偏少。在气候变化因素和人类活动的双重作用影响下，近几十年来亚洲干旱区水资源的空间分布与地表水循环的时空过程发生了重大的改变，引起了一系列的生态危机［15］。湿地生态系统退化已经引起了政府决策部门和相关学者的重视，但是，从获取的文献资料看，目前国内外关于此方面的研究较少。

鉴于此，笔者借助于卫星遥感技术开展近20a来博斯腾流域湿地信息详细调查和过程监测，研究了博斯腾流域湿地的时空变化规律，认识和了解干旱区湿地变化的动态特征和时空变化过程，以期为干旱区湿地资源的合理利用和湿地生态环境的保护提供科学依据。

1 研究区概况与数据选择

1.1 研究区概况

博斯腾湖流域位于天山南麓，东经85.5°－87.5°，北纬41.5°－42.5°，既是开都河的尾闾，又是孔雀河的河源，也被称为“开－孔”流域［16］，是新疆湿地分布的主要地区之一，并列入亚洲湿地词典（图1）。按照拉姆萨尔湿地公约中确定的湿地定义进行编码，博斯腾湖湿地编码类型为13、14、15，具体类型为：湖泊湿地、河流湿地和沼泽湿地。该区气候干旱少雨，夏季干燥炎热，冬季寒冷，蒸发量大，属中温带干旱荒漠气候［17］。在水源补给上，一方面，主要受天山冰雪融水的补给，另一方面是区域生产生活用水重要的水源。由于其特殊的地理位置，区域生态环境的变化受到自然和人为因素的共同影响［18－20］。

1.2 数据源选择

根据研究区的数据质量、成像季相、云干扰以及水文特征等信息，选取覆盖全区的3期季相一致的遥感影像作为干旱区湿地变化制图的遥感数据源。研究区3期遥感影像分别为1990年的TM数据、2000年的增强型专题制图仪（enhenced thematic mapper plus，ETM＋）数据和2010年的TM数据。在局部数据缺失以及云层干扰的情况下，局部区域采用了CBERS等其他卫星影像替代。对遥感数据预处理，包括辐射校正和投影转换。辐射校正根据头文件中辐射定标参数，恢复遥感影像的物理属性；考虑到湿地面积变化统计，将3个时期的卫星遥感影像统一转换到Albert等面积圆锥投影。

图1 博斯腾流域地理位置Fig.1 Geographic location Bosten wetland

图2 干旱区湿地遥感监测与图斑自动更新Fig.2 Follow chart of wetland remote sensing detection and patch updates

2 干旱区湿地遥感制图

在全面分析研究干旱区湿地的空间分布特征基础上，结合现有的遥感信息“图谱”耦合认知理论框架，在面向对象技术的支持下，挖掘干旱区湿地的空间和光谱特征，实现了干旱区湿地遥感自适应提取（类似监督分类过程）。干旱区湿地遥感信息提取与图斑更新技术流程见图2。

图3 博斯腾流域湿地信息及地表覆被图Fig.3 Wetland and land cover classification

干旱区湿地遥感信息自动提取整体流程包括遥感影像多尺度分割、分类样本选择、特征优选、支持向量机（support vectot machine，SVM）分类器设计和人工后处理等步骤［21］。而对于第二期湿地遥感制图，笔者在已有研究区一期湿地分布专题图图斑的控制下，将遥感空间信息挖掘概念引入到干旱区湿地遥感信息自动提取过程中，通过已有的专题图层控制遥感影像多尺度分割，在空间位置辅助下得到初步分类结果的基础上，通过专题的空间缓冲分析，形成信息提取的目标靶区；挖掘目标靶区的每一图斑“谱”、“图”特征，构建专题信息提取判别规则集；通过隶属度函数，构建模糊分类模型，实现专题图斑的精确识别和更新；最后，图幅整饰、出图，形成第二、三期干旱区湿地遥感信息提取专题图。

3 湿地变化分析

3.1 流域湿地变化

3.1.1 博斯腾湿地变化过程

博斯腾流域湿地主要类型包括河流、湖泊和芦苇沼泽，根据研究区3期遥感数据，采用图谱耦合的干旱区湿地遥感信息提取技术，实现流域湿地遥感信息提取与分类。博斯腾流域的干旱区湿地遥感信息提取与地表覆被分类详见图3。从3期遥感影像分类图可看出，近20a来流域地表景观格局已经发生了显著改变。

表1 博斯腾流域湿地及地表覆被面积变化Table 1 Area of wetland and land cover change statistics km2

表1从景观面积统计的角度，对流域范围湿地变化进行了定量评价。从流域湿地面积统计表可以看出，不同类型湿地发生的变化过程和变化幅度不同。图4通过绘制不同类型湿地的面积变化曲线，更为直观地反映了流域1990－2010年流域湿地变化过程。从流域湿地面积变化曲线可以看出，在变化特征上：河流、湖泊湿地的面积变化曲线都呈倒“V”型（图4a、b）波动，且变化趋势显著相关，R2（R为相关系数）达到0.99，反映了近20a来流域河流和湖泊湿地面积变化呈现先增大再减小，河流湿地和湖泊湿地面积变化总体特征上完全一致；流域芦苇湿地变化曲线是先急剧下降，然后下降趋势变缓（图4c），从1990年到2000年，面积减少了191.5 km2，而从2000年到2010年芦苇沼泽面积减少约3 km2，这表明流域的芦苇沼泽面积总体在持续减少，但是减小幅度相对缓和。

图4 1990－2010年博斯腾流域不同类型湿地面积变化曲线Fig.4 Wetland area change curve of different wetland types in Bosten lake basin

3.1.2 湿地动态变化分析

为了进一步研究博斯腾流域湿地面积在近20a内的变化过程，一方面需要了解湿地自身的变化强度，另一方面需要知道流域湿地变化的时间特征。为此，通过引入湿地动态度（dynamic change，DC）模型［22］，计算流域范围内湿地20a的变化动态度（表2）。

表2 博斯腾流域湿地变化动态度Table 2 Dynamic change of wetland in Bosten basin

湿地动态度从另一个角度表明了博斯腾流域的变化过程。从表2可以清楚地看出：1990－2000年流域河流湿地面积以年平均5.46%的速度增加，湖泊湿地面积以年平均1.29%的速度增加，芦苇沼泽的面积以年平均2.84%的速度减少；2000－2010年流域河流湿地面积以年平均2.97%的速度减少，湖泊湿地面积以年平均0.93%的速度减少，芦苇沼泽面积以年平均0.03%的速度减少；而从近20a整体动态度上看，河流湿地和湖泊湿地面积在变化中有所增加，变化率分别为0.43%和0.12%，芦苇沼泽的面积以年平均1.43%的速度减少。

由于流域主导湿地类型为湖泊和芦苇沼泽，虽然流域湖泊和河流面积略有增加，但是芦苇沼泽发生了更多的萎缩，所以总体上流域湿地面积表现为不断减少。从博斯腾流域湿地的变化趋势（图5）可见：1990年博斯腾流域的湿地总面积为2 100.97 km2，2000年博斯腾流域的湿地总面积为1 903.52 km2，2010年博斯腾流域的湿地总面积为1 795.83 km2，1990－2010年湿地总面积减少了16.24%。因此，近20a来，流域的湿地总体变化趋势是减小的，但是减小趋势变缓。通过计算得知：1990－2000年流域湿地变化的动态度为－0.94%；2000－2010年流域湿地变化的动态度为－0.57%。

通过对变化曲线的线性拟合，得到湿地变化趋势线，见图5中的黑色线条。湿地面积变化曲线的拟合方程为：y＝－15.25x＋32 447，R2达到0.97。

3.2 区域生态环境关系分析

3.2.1 干旱区湿地变化与流域冰川消融关系

流域范围内的湿地和冰川的变化总体趋势一致，冰川逐年消融，湿地呈现逐年递减。博斯腾流域湿地和冰川面积变化耦合关系曲线见图6。从图6中看出，流域范围内湿地面积变化和冰川面积变化呈正相关。流域范围内湿地面积和冰川面积一样，自1990年以来不断萎缩。通过变化关系曲线拟合，流域范围内湿地面积变化和冰川面积的变化符合对数函数关系。湿地面积与冰川面积的函数关系为：y＝146.84lnx＋1 575.5，R2为0.99。

图5 博斯腾流域湿地变化趋势Fig.5 Change trend of wetland in Bosten basin

图6 博斯腾流域湿地与冰川变化关系曲线Fig.6 Relationship of wetlands and glacier

3.2.2 干旱区湿地变化与流域降水关系

根据博斯腾流域范围内的气象台站数据，统计博斯腾湖流域有气象记录以来的降水变化，并绘制气温降水累积距平曲线（图7）。从图7上可以明显地看出，流域范围内降水有增多的趋势，降水距平在2000年左右出现最大的峰值。

图7 博斯腾湖流域累积降水距平曲线Fig.7 Precipitation anomaly in Bosten basin

通过降水距平统计，博斯腾湖流域1983－1992年降水距平为－91.1mm，1993－2002年，降水距平为324.5mm，2003－2009年降水距平为26.6 mm。将降水变化距平曲线同湿地面积变化曲线（图4）的相同时段对比分析可以看出，随着降水量的增加，尤其是2000年流域降水最大年（丰年），流域河流和湖泊湿地有着明显的增加，但是流域芦苇沼泽面积变化对此不是十分敏感。流域的湖泊、河流湿地面积变化与流域降水呈正相关，而流域芦苇沼泽湿地的变化与降水相关性不强。流域湿地总体变化与降水变化相关性不显著。

3.2.3 干旱区湿地变化与人类活动关系分析

城镇用地和农业用地反映一个地区的城市化程度和人类活动对自然资源的开发利用程度。人类活动对土地利用土地变化的影响集中表现为农业用地和城镇用地的增加。城市化程度在遥感影像上直接表现为城镇用地的大小。为此，在分析人类活动对干旱区湿地变化的影响关系时，选用了耕地面积和城镇用地面积2项指标，城镇用地还计算了最大斑块指数（largest patch index，LPI）。LPI指的是第i种景观类型中最大斑块的面积与景观总面积的比值。通过计算城镇用地的LPI，可以从另一个侧面反映出区域城市化程度的强弱，其计算公式如下：

其中：ai为第a类i个斑块面积；A为a类斑块总面积。

通过统计计算，1990年城镇LPI为0.65%，2000年为0.81%，2010年为1.13%，流域范围内LPI表现为不断增加。而从表1可以看出：近20a，流域范围内湿地总面积减少了305.14km2，耕地总面积增加了920.90km2，城镇面积增加了177.62 km2。其中有125.17km2的湿地直接转换为耕地。通过面积变化相关分析发现：湿地面积变化与耕地面积变化呈完全负相关，R2达到－0.99；流域湿地面积变化同流域城镇面积变化呈显著负相关，R2达到－0.97。从图8流域湿地、城镇和耕地面积变化关系曲线上，同样可以看出耕地、城镇面积的增加同湿地面积萎缩呈负相关关系。

图8 博斯腾流域湿地与城镇、耕地变化关系Fig.8 Change curves of wetland change and towns，cultivated land in Bosten basin

4 结论与讨论

1）最近20a来，流域湿地变化过程呈现波动性减少的特征，不同类型湿地变化过程的特点不同。湖泊湿地和河流湿地在1990－2000年呈现增加趋势，芦苇沼泽湿地1990－2000年表现为减少趋势；而2000－2010年流域范围内所有的湿地均表现为萎缩状态。

2）近20a来，流域的湿地总体变化趋势是减小的，但是减小趋势变缓。1990－2000年流域湿地变化的动态度为－0.94%；2000－2010年流域湿地变化的动态度为－0.57%。虽然河流湿地和湖泊湿地1990－2000年表现有所增加，但是流域湿地的主导类型是湖泊湿地和沼泽湿地，增加的面积小于沼泽湿地减小的面积。

3）变化驱动力方面：博斯腾湖流域的湿地变化长期受到气候变化的影响，如降水变化等；但是短期主要是受到人类活动的干扰，人类活动是博斯腾流域湿地破坏的直接驱动力。人类活动对湿地影响主要表现为将湿地开垦为耕地，这与黄钱等［23］、L.W.Jing等［24］、赵锐锋等［25］相关研究得到的结论一致。

4）流域范围内的湿地面积持续下降，应引起管理者的重视。尤其是2000年以后，流域湿地面积呈现全面下降的趋势，湖泊湿地面积减少最为明显。这与王润等［26］研究得到的结论——博斯腾湖在经历了2002年的最高水位后湖泊水位持续下降完全吻合。所以，博斯腾湖在向下游应急生态输水的同时，需要注意上游合理水位控制和湿地生态系统保护，做到科学论证、合理开发、开源与节流并重。

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