基于文献综述方法的卫星遥感湿地信息提取研究进展与展望

文｜陈璐 李旺平 李志红 郝君明 周兆叶 张秀霞 程小强 汪孝贤

1. 兰州理工大学土木工程学院

2. 兰州理工大学甘肃省应急测绘工程研究中心

一、前言

湿地（Wetland）是全球三大生态系统之一，也是自然界最富生物多样性的生态景观和人类最重要的生存环境，被誉为“自然之肾”“生物基因库”和“人类摇篮”。然而，随着气候变化和人类活动等因素影响，全球范围内的湿地都在退化。可见，湿地保护是一个国际问题，其中湿地调查和湿地变化监测等工作将是进行湿地保护的首要任务。

传统的湿地调查与监测主要依靠人工实地测量。虽然人工测量精度较高，但实地测量具有无法克服的局限性[1]，如无法完全覆盖高山区和无人区等地区的湿地、数据更新周期长、耗费人力物力且易破坏湿地环境等。自1960年4月1日TIROS-1气象卫星发射至今[2]，遥感技术凭借观测范围广、时效性强、无需直接接触被测目标和信息定量化等优点[3]，现已成为不同尺度上调查和监测湿地资源的主要手段。

近年来，基于遥感影像的湿地信息提取主要应用于湿地制图、常态化监测（湿地变化监测、不同湿地类型间相互转换、湿地结构分析）、湿地评估等领域。本文基于WOS检索得到的207篇湿地遥感文献，运用CiteSpace软件从作者国家、单位和文献来源期刊三个方面进行统计分析，总结了近40年来用于湿地遥感的常用数据源和主要应用领域，以及湿地遥感提取研究进展和存在的问题。

二、文献综述方法的数据来源

WOS引文数据库是美国科学情报研究所的产品[4]，收录了全球13000多种权威的、高影响力的学术期刊，下设五个数据库，分别为“WOS核心合集”“BOIOSIS Prebiews”“KCIKorean Journal Database”“MEDLINE”“AciELO Citation Index”，其中“WOS核心合集”是获取全球学术信息的重要数据库，拥有很严格的筛选机制，它不仅囊括核心期刊的学术论文，还收录了其他种类的文章，如信件、更正、补正、编者按、评论、会议文摘等17种，内容非常全面，是目前进行文献综述和文献计量等研究的主要数据源。

三、文献综述方法及结果分析

目前，研究人员主要通过阅读权威的、高影响力期刊中的论文和参加学术前沿讲座了解科研动态，这种对论文的应用方式还停留在微观层面。因此，为了在宏观层面上对论文的价值及各维度关联关系进行挖掘，就需要借助于文献计量及相关软件[5]，其中应用最广的文献计量软件是陈超美博士研发的CiteSpace[6]，它支持多种类型的文献计量学研究，能使研究者直观地获得研究方向的前沿动态和经典基础文献。为此，本文将借助CiteSpace软件分别从作者国家、单位和文献来源期刊三个方面进行统计分析，以期为后续研究遥感技术湿地提取的学者提供参考。

使用高级检索功能，在“Title”中输入“satellite image”“remote sensing”“hyperspectral”“SAR”“microwave radar”，在“Topical”中输入“wetland extract”，两者的逻辑关系选择“AND”，检索后，只选择“Remote Sensing”学科类别下的文献，最终得到了1980—2020年共207篇文献。

运用CiteSpace软件首先分析207篇文献的关键词，并以每个关键词的中心节点重要度（Centrality）作为判断标准，Centrality值越高，说明该关键词在该领域越重要。图1即为Centrality值大于0.1的所有关键词，可以看出，Centrality值较高的关键词都与湿地遥感提取研究密切相关，说明基于此207篇文献所做的文献分析结果具有较高的参考价值。

图1 中心节点重要度大于0.1的10个关键词

通过CiteSpace分析作者所属国家（图2），可以看出在1980—2020年间，中国和美国发表的论文总量最多，分别为80篇和54篇，两个国家发文数量总和约占文献总量的65%。CiteSpace计算Centrality发现，前两位仍是中国和美国，Centrality分别为0.36和0.24；而排在第三位的国家是加拿大，虽然仅发表了17篇论文，但其Centrality为0.15，说明该国作者发表的论文同样具有较高的影响力；除中国、美国和加拿大外，其他国家Centrality均为0。可见，在全球范围内，就国家而言，与湿地遥感相关的研究中，中国的论文影响力最高，其次是美国和加拿大。

图2 作者所属国家的论文数量和中心节点重要度

四、湿地遥感数据源及其应用领域分析

遥感对地观测技术始于20世纪60年代，直到70年代才被用于实际研究中，80至90年代开始快速发展，2010年以来，遥感对地观测技术逐渐成熟[7]。本文以上述遥感技术发展的时间节点为分段依据，将1980—2020年的207篇文献分为1980—2000年、2001—2010年和2011—2020年三个阶段，并归纳总结了每个阶段的主要数据源、技术发展与应用领域。

1.1980—2000年

这一时期，以基于中分辨率光学数据的湿地制图和变化监测为主，雷达数据和多源遥感数据结合的湿地提取技术处于起步阶段。

（1）主要数据源

1980—2000年间，大部分关于湿地遥感研究都是基于Landsat卫星、SPOT卫星、机载航空摄影图像（airborne digital camera）等光学数据源，其中Landsat卫星的使用率最高；星载雷达技术处于孕育期（1970—1990年）和成长期（1990—2000年），美国、日本和加拿大等国家的相关部门相继发射了SEASAT（1978年）、SIR-A（1981年）、SIR-B（1984年）、ERS-1（1991年）、JERS-1（1992年）、ERS-2（1995年）和Radarsat（1995年）等雷达卫星。1997年，Thuy L T等人首次证明了合成孔径雷达数据可用于湿地变化监测，自此，便有学者开始将SAR数据用于湿地分类研究；结合光学数据和雷达数据进行湿地遥感提取的研究还处于尝试阶段。

（2）技术发展与应用领域

这一时期，基于光学数据的湿地提取技术以基于Landsat数据监测和绘制较大面积的湿地为主，如Munyati C等人采用Landsat影像，监测了赞比亚南部地区卡弗平原滩涂湿地的面积变化；Ross L S等人采用多时相Landsat 5 TM图像，监测特拉华州和马里兰州境内湿地变化；基于SAR数据和结合光学和雷达数据的研究都以如何提高湿地提取技术为主，如Ghedeira H等人采用了Radarsat数据，对加拿大魁北克省森林湿地进行遥感分类；Dwivedi R S等人结合IRS-1光学遥感数据和ERS-1 SAR雷达数据，绘制了孙德尔班三角洲部分地区和西孟加拉邦毗邻地区湿地地图，结果表明两者结合绘制的湿地地图精度更高[8]。

综上所述，以基于光学数据源的湿地提取为主，其中Landsat卫星数据应用次数最多，主要应用在湿地制图、变化监测领域；星载雷达技术处于孕育期，学者们尝试采用Radarsat数据对湿地进行遥感分类；结合光学和雷达数据的研究虽然起步最晚，但已有的研究表明，结合光学和雷达数据能够明显提高湿地的分类精度。值得注意的是，1980—2000年间，中国学者的文章在WOS核心合集中鲜有收录，这说明中国基于遥感影像的湿地提取技术的研究晚于西方国家。

2.2001—2010年

这一时期，高分辨率光学数据多次应用于湿地提取研究中，星载雷达卫星技术蓬勃发展。

（1）主要数据源

2001—2010年间，基于光学遥感数据的湿地提取研究中，常用数据源除了中分辨率的Landsat和SPOT数据外，还新增了高分辨率影像数据。其中，Landsat数据的使用率仍然最高；雷达卫星技术发展迅速，发射了各种能够满足不同应用需求的星载雷达卫星系统，基于雷达数据的湿地提取文献逐渐增多，常用数据源有Radarsat卫星数据、ERS卫星数据、JERS-1卫星数据和ALOS卫星数据等，其中Radarsat系列卫星使用率最高；结合光学和雷达数据进行湿地提取的相关研究以Radardat和Landsat数据为主，同时高分影像也被用于多源数据结合的湿地遥感提取领域。

（2）技术发展与应用领域

这一时期，基于光学数据的湿地提取技术仍以中分辨率的Landsat数据为主，主要应用在大面积湿地变化监测和湿地制图领域，如Chen X L等人基于Landsat TM 和Landsat ETM+影像，提取并分析了鄱阳湖湿地的景观格局变化；Baker C等人利用Landsat ETM+影像，结合地形和土壤数据，绘制了美国蒙大拿州先不加勒廷山谷的湿地和河岸地图。高空间分辨率遥感卫星也被用于湿地分类提取研究中，分类结果的精度达到90%以上；基于雷达数据的湿地提取技术以研究基于Radarsat数据的湿地调查和湿地制图为主。例如，Zhang M M等人采用了PALSAR-1数据，对滨海湿地进行分类，总体精度和Kappa系数分别为89.79%和0.8；Parmuchi M G等 人 采 用Radarsat-1数 据 绘制了阿根廷巴拉那三角洲下游湿地地图；结合光学和雷达数据主要应用在湿地调查和制图领域。Grenier M等 人 采 用 了Radarsat-1和Landsat-7 ETM数据，绘制出以加拿大湿地清单为参考的加拿大湿地地图，分类结果中各种地物的整体精度均大于80% ；同时，高分影像也被用于多源数据结合的湿地遥感提取领域，Du L等人尝试将WorldView和LiDAR数据结合，对美国东部的德尔马瓦半岛森林湿地进行遥感分类。

2001—2010年间，中国学者采用多种遥感数据进行湿地提取研究，基于卫星遥感的湿地提取研究成为关注热点。但由于这一时期，中国星载卫星成像技术处于起步阶段[9]，因此，该领域的研究均采用国外数据。与此同时，随着全球遥感卫星成像技术的发展，基于光学数据源的湿地提取研究开始引入高空间分辨率遥感影像、土壤信息和地形信息等，提取精度逐步提高，主要以大面积湿地变化监测和湿地制图为主；基于雷达数据和两者结合用于湿地提取的研究在这一时期迅速发展，大多数研究以提高湿地分类精度为主。

3.2011—2020年

这一时期，融合多源遥感数据的湿地提取技术成为该研究领域的热点，尽管高分辨率光学数据是目前湿地提取研究的新趋势，但中分辨率光学数据仍具有不可替代的优势。

（1）主要数据源

2011—2020年间，基于光学遥感数据的湿地提取研究中，新增了更多高空间分辨率卫星数据，如WorldView、QuickBird和中国的高分系列卫星数据等。其中，应用最多的仍然是Landsat数据。基于雷达数据的湿地提取技术逐渐成熟，常见的数据源有Radarsat、ALOS、PALSAR卫星数据等，使用次数最多的是Radarsat和PALSAR数据；随着光学数据和雷达数据种类的增多，将两者结合进行湿地提取的文献所占比例也越来越高。

（2）技术发展与应用领域

这一时期，高分辨率商业遥感卫星与日俱增，以此为数据源绘制湿地专题地图的相关研究也随之增多，如Zhang D R等人采用QuickBird数据，提取了位于杭州的西溪湿地[10]；Mahdianpari M等人将WorldView和Pleiades高分遥感数据作为GEE（Google Earth Engine）平台上的训练数据，绘制了加拿大第二代湿地清查图[11]；Wu R J等人采用资源三号卫星数据，绘制了滨海湿地地图。随着光学遥感数据源的增多和影像融合技术的进步，不少文献通过融合多种光学数据进行湿地遥感提取的研究，如Mccarthy M J等人融合WorldView-2和Landsat 8 OLI影像数据，绘制了佛罗里达州坦帕湾湿地地图。

基于雷达数据的研究主要应用在湿地制图和湿地分类提取中。例如，Zhang M M等人采用了PALSAR-1数据，对滨海湿地进行分类，总体精度和Kappa系数分别为89.79%和0.88 ；Mahdianoari M等人采用全极化Radarsat-2数据，绘制了加拿大纽芬兰省阿瓦隆湿地的土地利用类型图。结合光学和雷达数据的研究主要应用在湿地调查制图和湿地分类提取中，如Betbeder J等人结合MODIS和PALSAR数据，首次绘制出刚果河流域森林湿地类型 ；Du L等人结合WorldView和LiDAR数据对美国东部的德尔马瓦半岛森林湿地进行遥感分类[12]；Amani M等人结合机载航空影像数据、Radarsat和Landsat数据，提取了纽芬兰和拉布拉多地区湿地，结果表明各地类提取精度均在81%～91%之间。

综上所述，近十年来，中国在高分卫星技术和遥感影像湿地提取研究方面飞速发展。同时，应用高分数据已成为基于光学数据进行高精度湿地提取研究的新趋势；基于雷达数据的湿地提取技术逐渐成熟，分类结果的精度显著提高；在结合光学和雷达数据的文献中，主要以改进湿地遥感分类技术为主。其中，2011年之前，基于卫星遥感的湿地提取技术的研究以中小尺度湿地为主，2011年之后，如何实现大尺度的湿地调查成为研究者们关注的热点。

五、存在的问题与展望

通过上述综述可以看出，经过近四十年的发展，湿地遥感的数据源越来越多，提取和分类精度也越来越高，应用领域也在逐步拓展。但还是存在以下几个方面的问题。

首先，各国间湿地遥感提取研究存在发展不平衡的问题。基于WOS检索得到的207篇文献中，中国、美国和加拿大三个国家的发文数量和Centrality值都很高，具有较高的学术影响力，其他国家Centrality值均为0。文献被引用次数排在前五名的期刊分别来自瑞士、英国、荷兰和美国四个国家，但除了美国，其余三个国家发表的文献学术影响力并不高。

近年来，中国在遥感卫星领域发展迅猛，在轨遥感卫星数量全球范围内排名第二，自1980年至今，可用于湿地提取研究的遥感卫星和机载成像平台数量逐年递增，但从统计数据来看，常用于湿地提取研究的免费数据都源自国外（表1）。可见，发展国产公益遥感卫星事业，为湿地资源调查和监测提供数据支持，是我国提高湿地调查效率的重要途径。

表1 WOS检索到的文献中用于湿地提取的数据源

其次，全色、多光谱、高光谱等光学数据源，为研究者提供了与湿地重要组成部分密切相关的可见光和红外光谱信息，因此光学数据在湿地遥感提取中应用频率最高（图3）。但单源遥感信息存在着不可避免的缺陷，例如，不同湿地类型之间全色和多光谱图像的光谱信息有限，导致光谱相似的湿地类型间易产生误分、错分问题；虽然高光谱数据提高了光谱的分辨率，但是空间和时间分辨率也随之降低，并且当研究区面积较大时，多光谱数据的像素个数和波段数随着研究面积的增大而增大，由此造成的数据冗余现象使数据处理变得复杂。因此，结合全色、多光谱和高光谱等光学数据，进一步提高湿地制图和分类的精度，将会是未来湿地遥感研究的热点之一。

图3 各年份不同遥感数据源使用情况

再次，由于湿地的景观组成复杂，异质性非常高，导致单一湿地类型表现出不同的光谱特征，因此，光学数据源只能提供二维平面上的光谱信息[13]。多个研究表明，湿地分布与地形、湿地内部的水分以及微地形之间均密切相关，现代激光雷达系统（LiDAR）不仅可提供用于湿地分类的垂直信息，还可提供湿地的结构和地形信息。由此可见，通过结合激光雷达数据与空间、光谱等信息，从而提高基于遥感技术进行湿地制图和分类的精度，在湿地遥感领域存在着巨大的潜力。

最后，在工业发展、农业集中化和森林砍伐等人类活动以及温室效应导致的全球变暖共同影响下，湿地面积锐减。自然资源面临的风险和近期颁布的与湿地相关的法律法规，都推动了湿地研究的发展，但由于湿地主要分布在自然保护区内，现有的湿地分布图大多都作为土地利用图中的一个地类，与土地利用图混合，缺少反映湿地分布特征的专题地图，因此开发大规模、高精度的湿地专题制图，用来描述湿地特有的景观，在湿地监测和管理方面具有重大意义。

六、结语

湿地是地球上重要的生态系统之一，湿地面积随着水位、水域面积和植被生长的动态变化，在不同年份和季节呈现不同变化，因此，基于遥感分类技术，制作长时间序列的湿地地图产品，并对湿地变化进行遥感监测，可为有关部门提供决策依据，是今后湿地遥感提取研究的主要目的。

本文通过运用CiteSpace软件分析207篇文献的发文作者和文献所属研究所和高校发现，中国、美国和加拿大三个国家发表的文章处于全球领先水平，特别是中国，发文数量和Centrality值均排名第一。

统计207篇文献所用数据源可知：光学遥感数据凭借丰富的光谱信息，占据了全部研究的1/2以上；雷达数据虽然具有穿云雾和提供高程等地形信息的优势，但因其不确定性较大，导致相关研究较少；同时结合多种遥感成像平台数据的研究正逐年递增。目前应用全色、多光谱和高光谱等光学数据以及各种雷达数据，实现基于多源遥感数据的大尺度湿地制图和变化监测，已经成为现阶段湿地遥感领域的新研究趋势。

从应用领域的角度来看，湿地遥感研究的应用领域不断拓展，1980—2000年间，湿地遥感研究主要以中小尺度湿地调查和制图为主；2001—2010年间，随着遥感卫星数量增多和影像时间序列的增长，这一时期湿地遥感研究的应用领域拓展为大尺度的湿地调查和变化监测；2011—2020年间，随着高光谱、高分辨率和雷达遥感数据的增多，其应用领域在湿地调查和变化监测的基础上，又拓展到湿地专题地图和湿地生态系统评估等方面。可见，湿地遥感技术将会满足不同领域的技术需求，将成为湿地保护和变化监测服务的主要技术手段。