基于多源遥感数据的扎龙湿地景观时空变化分析

伊 婕

（哈尔滨师范大学,黑龙江 哈尔滨 150025）

1 引言

扎龙湿地是我国重要的湿地生态系统，近年来受气候变化和人为影响，湿地景观发生明显的变化，湿地保护刻不容缓。随着信息技术的普及和3S技术的快速发展，通常应用遥感分类和景观系数准确分析人类活动和自然因素对湿地环境的影响[1]。通过研究湿地的景观时空动态变化，得出近几年来气候以及人类活动对湿地的巨大影响，从而进一步对湿地环境的保护、湿地旅游资源和自然资源的合理开发提出参考依据，有利于湿地可持续发展。

2 数据与方法

2.1 研究区

位于我国黑龙江省齐齐哈尔市的扎龙国家级自然保护区是中国首个国家级自然保护区，总面积21万公顷[2]。扎龙湿地地势平坦，湖泽密布，苇草丛生，拥有丰富的植被类型和生物群落。植被多以狗尾草、星星草和水生植物组成，生物多以鱼类、两栖类和鸟类为主[3]。从近四年气候方面来看扎龙湿地平均年降水量为 1 418.425mm，平均湿度 61%，其中以2015年最多为1 593.9mm，虽然如此湿地目前仍处于干旱缺水的不利气候条件。

2.2 数据获取与处理

2.2.1 遥感影像来源

基础影像为Landsat 8影像，选取2014～2017年6、7、8月份云量小于10%、条带号为120、中心纬度47°N、中心经度123.8°E的影像。另外还包括扎龙湿地保护区矢量边界、地形图、功能区划图，以及通过2014～2017年气象数据和社会经济数据。

2.2.2 湿地地物分类及分类标准

通过研究分析，对扎龙湿地景观分为6类：即农田、明水面、无水湿地、含水湿地、草原、盐碱地。其中，农田为保精度已经在预处理中用ArcMap切除，仍需要的分类为五类[4]。

2.2.3 数据的预处理

利用ENVI4.5软件对tif影像进行几何校正和掩膜提取。利用ArcMap10.1通过目视解译切出农田（解译比例大致为1:20 000）。此步骤是为了避免在分类时农田与草原、湿地等地物颜色亮度容易混淆的问题，也为了保证农田的精确边界及面积。根据以上分类标准进行监督分类，然后对同一年份的影像再次进行非监督分类和神经网络分类以及SVM分类，选出最优的分类结果，得到各年份土地覆盖类型的基本空间位置分布。其中，监督分类精度采用最大似然法，非监督分类采用迭代自组织法，神经网络采用FasterR-CNN模型[5]进行计算，SVM支持向量机采用SVM 最优分类函数：

式中，ai*为Lagrange乘子，yi为类别标签，K（xi，x）为核函数类型，b*为分类阈值[6]。

2.2.4 分析方法

本文利用单一土地利用动态度来分析土地覆盖变化。单一土地利用动态度是研究区一定时间内某种土地利用类型的数量变化情况，公式为：

式中Ua为研究期初期的某一种土地利用类型的数量；Ub为研究期末期的与Ua同一种土地利用类型的数量；T为研究时段的长度（本文中以年为单位，此时K值表示研究区某种土地利用类型的年变化率）[7]。

3 结果与分析

3.1 影像分类精度评价

训练要区选择地物时pixels的值大于500，利用“计算机ROI分离性”进行监测，通过检验则可以完成训练要区的选择。迭代自组织时，最大迭代数选择30、值域限制为2.00、最少象元1 000个。鉴于非监督和监督分类可再次进行矩阵检验，使Overall Accuracy>80% 或者75%。四类检验的Kappa系数检验均应符合标准，其中，2014年87.49%，2015年80.53%，2016年87.07%，2017年81.07%，全部符合标准。最后发现FasterR-CNN模型算法并不适用复杂的湿地景观分类，非监督的分类效果也不明确，支持向量机和监督分类的效果针对本研究区来说更好，其中以细化的最大似然为优。

3.2 分类结果分析

通过计算训练要区的面积以及农田的面积得到扎龙湿地近四年来土地覆盖类型面积变化表（单位为km2），如下表1所示。监督分类的结果图，如下图1所示。

表1 扎龙湿地近四年来土地覆盖类型面积变化表（km2）

图1 2014～2017年监督分类结果影像图

3.2.1 土地覆盖类型的数量变化

结合2014～2017年扎龙湿地降水量统计数据：明水及农田数量变化不大；含水湿地对于土壤湿度和环境要求较高，几乎是逐年下降，2015年降水明显多于常年的年份也没有缓解。草原面积曲折多变，由于草原形成条件简单所以是土地覆盖变化的主要变化类型，各景观类型均可和草原相互转化。盐碱地面积的大幅度上升表明其他土地覆盖类型很多转化为盐碱地，湿地盐碱化日渐严重。

3.2.2 土地覆盖类型的空间结构上变化

对比四年的监督分类结果图可以发现，2014年含水湿地主要集中于湿地南方，无水湿地分布于湿地北方，而2015～2017年含水湿地分布于核心区扎龙，无水湿地分布于含水湿地四周。四年来明水和草原位置几乎固定，盐碱地的覆盖范围不断扩大，尤其是在人为活动区附近盐碱地空间面积大幅上升，由此证明人为因素对盐碱地覆盖面积的影响最大。湿地盐碱化依旧呈现蔓延迅速地趋势，应避免盐碱化趋势进一步恶化。总的来说这三年土地覆盖类型主要依靠降水和湖泊沼泽的含水湿度进行空间分布变化。

3.2.3 土地覆盖类型的单一动态度

2014～2017年各土地覆盖类型动态度变化趋势大致如表2所示。结果得到，农田、草原没有明显的变化。明水面积由于湿地受干旱缺水和开垦农田抬高田埂的影响而有所下降。湿地主要受气候影响，单一土地利用动态度K值达到了6%～7%。研究区盐碱地的单一土地利用动态度K为53.407%。可以看出明水、含水湿地、无水湿地、草原、农田这几类土地覆盖类型变化都在可观的范围之内。研究区土地利用类型的年变化率最大且土地覆盖面积变化最为明显的是盐碱地，高达到53.407%，不得不说湿地景观盐碱化形式十分严峻，湿地保护刻不容缓，大家需要重视起来，尽量保证湿地盐碱化不再恶化，保证湿地的可持续发展。

4 结语

表2 2014年～2017年土地覆盖单一动态度变化趋势

研究结果表明，扎龙湿地降水充沛的年份湿地面积增加，反之则草地的覆盖面积增加；而受人文因素影响，这四年间盐碱地面积直线攀升，通过其分布特征及人文经济环境分析得出，大面积的盐碱地与人们开垦农田、抬高田埂、改变河道以及大量使用农药化肥息息相关。

通过调查与分析，在2014年～2017年间，扎龙湿地虽然土地覆盖类型转化多变，虽然受到多变的气候影响，但是受人为影响更加严重，尤其是人为建设城镇或景区、开垦农田抬高田埂、改变河道、大量使用农药化肥等生活生产行为使土地盐碱化愈发严重。研究结论证明湿地保护刻不容缓，尤其应该重视湿地的盐碱化问题。