基于卫星遥感的国家级自然保护区人类活动监测

单秀旭

(1.中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州 450047；2.河南方达空间信息技术有限公司，河南 郑州 450047)

自然保护区是指对有代表性的自然生态系统、珍稀濒危野生动植物物种的天然集中分布区、有特殊意义的自然遗迹等保护对象所在的陆地、陆地水体或者海域，依法划出一定面积予以特殊保护和管理的区域[1]。按主要保护对象的不同，我国自然保护区一般分为生态系统、野生生物、内陆湿地、自然遗迹等。按事权划分原则，我国自然保护区分为4 级：国家级、省（自治区、直辖市）级、市（自治州）级、县（自治县、旗、县级市）级。自然保护区内部按照主导功能性差异分为核心区、缓冲区和实验区。

目前，对自然保护区的研究已取得大量研究成果，国产高分辨率卫星为开展自然保护区人类活动监测提供了快捷的数据源。罗仪宁等[2]、孔梅等[3]、栾卓然[4]分别对太安省级自然保护区、山东省省级自然保护区、河北省自然保护区人类活动进行了遥感监测。杨海菊等[5]探讨了自然保护区天地一体化监管模式的可行性。刘晓曼等[6]对河南董寨国家级自然保护区进行了示范研究，结果表明该保护区人类活动较为明显。2016 年国家级自然保护区人类活动遥感监测报告指出，河南黄河湿地保护区内建有多处工矿企业和采石（砂）场，部分位于核心区和缓冲区[7]。黄河湿地保护区三门峡段有多家企业无序开采，保护区多处山体残缺不全，大量废渣沿河道周边山坡随意堆放，破坏或侵占保护区面积3300 多亩，造成严重生态破坏[8]。

国家级自然保护区是推进生态文明、构建国家生态安全屏障、建设美丽中国的重要载体。针对河南省国家级自然保护区内日益增加的压力，围绕自然保护区监管需求，改变传统的现场人工抽查方式，用现代科技为其赋能，选用2020 年高分卫星影像作为数据源，对河南省国家级自然保护区人类活动进行遥感监测，为生态环境保护工作提供及时、准确的信息和依据。

1 研究区概况

河南省地势西高东低，由平原和盆地、山地、丘陵、水面构成 ；地跨海河、黄河、淮河、长江四大水系；跨2 个气候带，以伏牛山主脊和淮河干流为界，以南属北亚热带，以北属暖温带，属北亚热带向暖温带过渡的大陆性季风气候，同时还具有自东向西由平原向丘陵山地气候过渡的特征，动植物种类丰富多样。河南省境内自然保护区始建于20世纪80年代，截至目前，已形成布局基本合理、类型较齐全、功能渐趋完善的自然保护区体系。

本文以河南省境内的13 个国家级自然保护区为研究对象。结合收集到的河南省自然保护区相关资料，按类型可分为森林生态系统、内陆湿地、野生生物、古生物遗迹四大类[9-10]，数量分别为7 处、3 处、2 处、1 处，具体分类如表1 所示。

表1 自然保护区类型分类表

2 数据源及工作方法

采用2020 年高分一号、高分二号卫星数据，分辨率分别为2 米和1 米，要求单景影像平均云量小于10% ，重点监测区域尽量没有云覆盖，影像尽量避免拉伸、断线等。

获取影像后，首先开展卫星遥感影像预处理工作，包括控制点选取、正射校正、影像融合、影像镶嵌、影像裁剪等，制作保护区的高分卫星影像底图。采用人机交互目视解译方法，通过人类活动在遥感影像中表现出的地物特征，以专家知识为基础，进行综合分析，判断人类活动所属类型。按照图斑类型单一的原则勾绘人类活动图斑，勾绘边界按照人类活动点在遥感影像中表现的最大边界范围进行勾绘。根据《自然保护区人类活动遥感监测技术指南（试行）》[11]的监测与评价指标对人类活动进行分析评价。利用统计学和GIS 空间分析方法，分析保护区人类活动分布状况及规律，统计分析保护区人类活动总体状况、不同功能区人类活动状况、不同类型人类活动的空间分布，以及自然保护区人类活动影响程度与空间分布规律等。根据自然保护区人类活动监测结果，计算各自然保护区人类活动的影响指数NRHI，再根据其分级结果对自然保护区人类活动影响进行评价。技术流程如图1 所示。

图1 人类活动遥感监测技术流程

评价模型为 ：NRHI= （a1b1x1+a2b2x2+……+aibixi）／x。其中xi为人类活动类型的面积，x 为自然保护区总面积。ai和bi为权重，其中ai根据每一类人类活动斑块所在的功能区确定，核心区、缓冲区、实验区的人类活动影响权重设定为0.6、0.3 和0.1。bi根据不同人类活动类型对自然保护区的影响程度确定。根据对自然保护区的影响程度不同，设定人类活动类型的权重为：工矿用地0.21、采石场0.19、能源设施0.19、旅游用地0.17、交通设施0.11、其他人工设施0.07、养殖场0.02、农业用地0.02 和居民点0.02。人类活动影响程度分为剧烈、明显、较明显、一般和轻微。

3 监测实例

以河南丹江湿地国家级自然保护区为例研究人类活动遥感监测情况。丹江湿地国家级自然保护区位于河南省西南部淅川县境内，地处鄂、豫、陕三省交界处，北邻西峡县，东接内乡县和邓州市，南靠湖北省丹江口市和老河口市，西与陕西省商南县和湖北郧县相邻，为典型完整的次生内陆河口湿地生态系统。主要保护对象为：南水北调中线工程的水源地及其水源涵养林；以黑鹳、白鹤等为代表的珍稀水禽及其栖息地；珍稀动植物资源以及丰富的生物多样性。

图2 丹江湿地国家级自然保护区人类活动分布图

基于高分卫星数据，采用人机交互目视解译方法，提取丹江湿地国家级自然保护区的人类活动信息，如图2 所示。利用GIS 空间分析方法统计了人类活动斑块的面积及占比，如表2 所示。监测结果表明，保护区内道路总长1000 余公里，人类活动面积约占保护区面积11.00%。从类型看，保护区人类活动以农业用地为主，占保护区面积的8.87%，居民点、养殖场、工矿用地等其他类型占比相对较低。从功能区看，实验区人类活动最为明显，其次为缓冲区、核心区，人类活动面积占比分别为57.05%、24.83%、18.12%。依据自然保护区人类活动的影响指数评价模型算出NRHI 为0.00085。

表2 丹江湿地国家级自然保护区人类活动信息统计

4 研究区分析

按照丹江湿地国家级自然保护区的研究方法，对所有自然保护区进行研究，可以得到自然保护区人类活动总体情况、不同类型自然保护区分布特点，并最终形成自然保护区人类活动影响评价结果。

4.1 自然保护区人类活动总体情况

自然保护区均存在不同程度的人类活动，人类活动总面积约占保护区总面积的21%。共提取采石场、工矿用地、能源设施、交通设施、旅游设施、养殖场、居民点、农业用地、道路和其他人工设施10 种人类活动类型，农业用地、居民点、养殖场总体分布较多，采石场、工矿用地、能源设施等人类活动相对较少。从功能区看，实验区人类活动最为明显，其次为缓冲区、核心区。各自然保护区人类活动分布情况差别较大，人类活动面积占比超40%的保护区有3 处，人类活动面积占比介于10%～15%的保护区有2 处，人类活动面积占比介于1%～5%的保护区有3 处，人类活动面积占比低于1%的保护区有5 处。

4.2 不同类型自然保护区分布特点

森林生态类型、内陆湿地类型、地质遗迹类型和野生动物类型保护区人类活动面积分别占该类保护区总面积1.18%、45.41%、42.35%、6.99%，内陆湿地类型保护区人类活动面积占比最大，森林生态类型最小。

不同类型的自然保护区，其人类活动类型分布差异较大（如图3 所示）。森林生态类型、地质遗迹类型、野生动物类型保护区人类活动以农业用地和居民点为主，而内陆湿地保护区人类活动以农业用地和养殖场居多。

图3 不同保护区人类活动类型分布

4.3 自然保护区人类活动影响评价结果

根据人类活动影响评价模型得出13 个保护区的NRHI 介于0 ～0.007。根据NRHI 可以将人类活动影响程度划分为5 个等级 ：剧烈（NRHI ＞0.007）、明显（0.001 ＜NRHI ≤0.007）、 较明显（0.0003＜NRHI ≤0.001）、一般（0.0001 ＜NRHI ≤0.0003）和轻微（NRHI ≤0.0001）。人类活动影响程度为轻微的保护区有5 处；人类活动影响程度为一般的保护区有3 处；董寨国家级自然保护区和丹江湿地国家级自然保护区NRHI 介于0.0005 ～0.001，人类活动影响程度为较明显；河南南阳恐龙蛋化石群国家级自然保护区、河南黄河湿地国家级自然保护区和豫北黄河故道湿地鸟类国家级自然保护区NRHI 介于0.002～0.007，人类活动影响程度为明显，如图4所示。

图4 自然保护区人类活动影响空间分布

从类型看，内陆湿地类型保护区NRHI 均值为0.004022，人类活动类型多样，空间分布呈现明显聚集性，不同人类活动类型嵌套分布，且空间关联性较强，受人类干扰程度最大。其次为古生物遗迹类型保护区、野生生物类型保护区。森林生态系统类型保护区NRHI 均值为0.000108，人类活动类型、数量和面积均最少，受人类活动影响程度最小。经综合分析发现，自然保护区人类活动影响程度跟人口密度及经济发展状况密切相关，总体上平原区人类活动大于山区，沿河沿湖开发基础较好地区自然保护区人类活动影响较大。

5 结论

采用遥感监测技术可有效解决人员无法到达监管盲区的问题，快速全面掌握自然保护区人类活动的空间分布情况，为自然保护区生态环境监管提供技术支撑。遥感监测结果表明：河南省国家级自然保护区内均存在不同程度的人类活动，人类活动类型以农业用地、居民点、养殖场为主。各自然保护区人类活动分布情况差别较大，以影响轻微或较小的居多。