中國濕地遙感研究現(xiàn)狀與趨勢評述

趙 惠,張海英,李娜娜,楊桂芳

(1.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083;2.中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101; 3.中國礦業(yè)大學(xué),北京 100083）

中國濕地遙感研究現(xiàn)狀與趨勢評述

趙 惠1,2,張海英2,李娜娜3,楊桂芳1＊

(1.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083;2.中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101; 3.中國礦業(yè)大學(xué),北京 100083）

利用網(wǎng)絡(luò)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫,對1995年以來以CNKI為主的數(shù)據(jù)庫檢索的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行綜述,從遙感在濕地分類和制圖、濕地監(jiān)測、濕地生態(tài)及技術(shù)和方法等方面的應(yīng)用歸納出目前濕地遙感研究存在如下問題:地理時空分布不均,以中小尺度為主;區(qū)域特殊性研究較多,缺少區(qū)域共性研究;研究方法可操作性差;學(xué)科綜合少;濕地信息系統(tǒng)不健全?；谝陨蠁栴},濕地遙感研究趨向以下方向:大尺度監(jiān)測和制圖;結(jié)合濕地特征,實(shí)現(xiàn)區(qū)域模塊化;建立濕地信息系統(tǒng)平臺,加大濕地開放型遙感應(yīng)用;遵循濕地系統(tǒng)性,加強(qiáng)濕地綜合和對比研究;重視學(xué)科綜合和合作;重視技術(shù)交互,實(shí)現(xiàn)濕地遙感應(yīng)用發(fā)展。

中國濕地;遙感研究;現(xiàn)狀及趨勢;網(wǎng)絡(luò)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫

濕地自然生態(tài)系統(tǒng)與森林、海洋并列為世界三大生態(tài)系統(tǒng)[1],是自然界最富生物多樣性的生態(tài)景觀之一。中國濕地類型多樣,擁有包括《濕地公約》的全部濕地類型,濕地的研究日益得到重視。由于濕地的通達(dá)性差等原因,遙感技術(shù)在濕地研究中得到了廣泛的應(yīng)用。本研究基于中國期刊網(wǎng)(CN KI）提供的中國期刊全文數(shù)據(jù)庫、中國博碩士論文數(shù)據(jù)庫、中國重要會議論文數(shù)據(jù)庫以及外文全文數(shù)據(jù)庫(如Elsevier Science Direct）資料(以1995-2009年公開發(fā)表的為準(zhǔn)）,分別以“中國濕地遙感”、“濕地遙感”以及“Wetland China Remote Sensing”等為檢索內(nèi)容,利用關(guān)鍵詞在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行搜索和統(tǒng)計分析。本文通過總結(jié)和分析中國濕地遙感研究的現(xiàn)狀和問題,討論濕地遙感研究的發(fā)展趨勢,以期為濕地科學(xué)的研究提供參考。

1 濕地遙感研究的時空特征

對1995-2009年濕地遙感研究的相關(guān)文獻(xiàn)分別從研究區(qū)域、研究時間、研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行歸類,分析濕地遙感的研究現(xiàn)狀,揭示濕地遙感研究的特征。

1.1 濕地遙感研究的地理分布

濕地遙感調(diào)查和研究對象的地理分布可以分為點(diǎn)類型和面類型兩種:點(diǎn)類型研究是指以某個湖泊、河口或沼澤等典型濕地為研究對象,面類型研究是指以某個區(qū)域(省市區(qū)或流域三角洲）為研究對象。依據(jù)1995-2009年的相關(guān)研究文獻(xiàn),從地理分布看,東部研究密集,集中分布于東北和東部沿海省市地帶,西部研究稀疏、分散;從研究類型看,點(diǎn)類型研究居多,面類型研究較少,點(diǎn)類型的研究大多集中在濕地保護(hù)區(qū)、城市濕地公園,面類型的研究多分布于東北和濱海一線的省市和三角洲地區(qū);從研究尺度看,中小尺度典型地域研究集中。

1.2 濕地遙感研究的時間分布

依據(jù)中文全文數(shù)據(jù)庫(http://www.cnki.net/, 2009）和外文全文數(shù)據(jù)庫(http://www.sciencedirect.com/,2009）發(fā)表的文章分析濕地遙感研究的時間序列(圖1）?？傮w看,中國濕地遙感研究的發(fā)展如下:從文獻(xiàn)數(shù)量看,國內(nèi)外對中國濕地的研究呈逐年上升趨勢,文獻(xiàn)數(shù)量也逐年增加;從文獻(xiàn)重要度上分析,1995-2002年發(fā)表的文章以核心期刊為主, 2002年至今隨著關(guān)注度的提高,非核心期刊文獻(xiàn)也增多;從研究趨勢看,高水平文章逐漸增多,這與社會的發(fā)展需求和遙感技術(shù)的發(fā)展相關(guān)。

1.3 濕地遙感研究的機(jī)構(gòu)分布

1995-2009年全國性、各省區(qū)以及地方性的研究都有所開展。對參與研究的機(jī)構(gòu)分析表明(表1）:濕地遙感研究機(jī)構(gòu)地理分布不均,集中分布于東部(占2/3）,中西部缺乏(占1/3）,包括國家林業(yè)局和30個科研機(jī)構(gòu)。從研究機(jī)構(gòu)合作和參與看,濕地遙感研究主要是科研院所依托國家和地方林業(yè)局等部門,并且科研機(jī)構(gòu)主要側(cè)重農(nóng)林專業(yè)和遙感技術(shù)專業(yè)(如農(nóng)林院校占2/3）;從研究成果和重要度看,研究總量多,研究影響度和深度不夠,研究文獻(xiàn)中核心期刊和非核心期刊所占的比例相差大,以基礎(chǔ)性研究為主,有影響的較少。

圖1 中國濕地遙感研究時間分布Fig.1 Time distribution of RS-based research of wetland in China

表1 CNKI檢索的濕地遙感研究機(jī)構(gòu)Table 1 Institutions for RS-based research of wetland searched from CNKI

2 濕地遙感的研究內(nèi)容

對1995-2009年濕地遙感研究相關(guān)文獻(xiàn)按研究內(nèi)容歸類后發(fā)現(xiàn):1）遙感在濕地研究中的應(yīng)用逐漸增多,研究要素由濕地監(jiān)測向濕地生態(tài)擴(kuò)展,由單一要素向整體景觀擴(kuò)展,由理論探討逐漸發(fā)展到實(shí)踐應(yīng)用;2）研究范圍由中小尺度趨向大尺度,由宏觀概念向中觀概念和微觀概念擴(kuò)展;3）研究過程由靜態(tài)監(jiān)測向動態(tài)模擬轉(zhuǎn)變,經(jīng)歷了應(yīng)用描述、模型構(gòu)建、動態(tài)模擬、預(yù)警預(yù)測的發(fā)展歷程;4）研究深度不斷加大,由單純的技術(shù)研究轉(zhuǎn)向兩者綜合的研究;5）研究目的也由簡單的特征描述轉(zhuǎn)向?qū)竦叵到y(tǒng)的揭示;6）研究技術(shù)方法由人工操作向系統(tǒng)自動化轉(zhuǎn)變; 7）研究應(yīng)用由簡單的濕地系統(tǒng)模擬向復(fù)雜的濕地管理應(yīng)用轉(zhuǎn)變。本研究從中國濕地分類和制圖、濕地監(jiān)測、濕地生態(tài)及相關(guān)濕地遙感數(shù)據(jù)、方法和技術(shù)研究等方面歸納濕地遙感的應(yīng)用。

2.1 濕地遙感分類和制圖

目前濕地遙感研究多采用室內(nèi)判讀和野外驗(yàn)證相結(jié)合的方法,對濕地信息的提取主要是自動提取和人工判讀相結(jié)合[2]。所用的主要數(shù)據(jù)類型有TM[3]、ETM+[4]、MSS[5]、MODIS[6,7]、SPOT[8]、Radarsat-2極化雷達(dá)數(shù)據(jù)[9]、CBERS-02[10]、ALOS[11]。趙廣明等[12]在衛(wèi)星遙感在濕地研究應(yīng)用中介紹了濕地遙感影像數(shù)據(jù)源的特征和應(yīng)用趨勢。

濕地分類方法主要有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[13]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[14]、知識挖掘[15]、決策樹模型[16-18]、優(yōu)化理論[19]、logistic模型[20]以及面向?qū)ο骩21]、遙感信息分區(qū)分層提取[22]、多波段多平臺遙感復(fù)合分類[23-25]、多時相遙感信息復(fù)合分類[26]。濕地制圖主要側(cè)重利用濕地數(shù)據(jù)庫編制不同比例尺、不同專題的濕地圖件。不同的遙感制圖與濕地分類系統(tǒng)層次相關(guān),分類精度與遙感影像有關(guān)[27]。濕地制圖研究主要有海岸帶濕地資源遙感專題制圖[28]、全國濕地制圖[29]、濕地植被制圖[30]、行政區(qū)濕地制圖(如海南濕地遙感制圖[31]）。

2.2 濕地遙感動態(tài)監(jiān)測

濕地遙感監(jiān)測主要側(cè)重于基于遙感技術(shù)的濕地分類與識別以及信息獲取。從監(jiān)測對象看,主要有濕地資源[32-34]、濕地生態(tài)[35,36];從監(jiān)測目的看,主要包括動態(tài)監(jiān)測與分析[37-41]、濕地保護(hù)和利用研究[42,43]、濕地景觀分析[44,45]、濕地監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系建設(shè)研究[46-50]、監(jiān)測技術(shù)與方法研究[51-56]、濕地三維顯示模塊研究[57];從監(jiān)測方法和技術(shù)看,濕地監(jiān)測的方法主要有逐像元比較法、不同時相圖像的算術(shù)運(yùn)算法、圖像分類后比較法、圖像與輔助數(shù)據(jù)比較法、基于知識的計算機(jī)視覺系統(tǒng)法[58],主要集中在影像預(yù)處理、多分辨率遙感影像數(shù)據(jù)源、濕地信息提取方法等方面[59],如光譜研究[60-65]。

2.3 濕地遙感生態(tài)

在確定濕地生態(tài)指標(biāo)的基礎(chǔ)上,利用遙感技術(shù)建立濕地生態(tài)因子定量關(guān)系模型,據(jù)此了解濕地的生態(tài)狀況,預(yù)測濕地的生態(tài)演變。主要有濕地生態(tài)需水量研究[66]、生態(tài)環(huán)境研究[67-69]、生態(tài)系統(tǒng)健康評價[70,71]、生態(tài)資產(chǎn)定量研究[72,73]、濕地植被生物量[74]、生態(tài)工程數(shù)據(jù)庫研究[75]、生態(tài)系統(tǒng)空間格局[76,77]。

3 討論

3.1 濕地遙感研究現(xiàn)狀

中國濕地遙感的研究和探索主要表現(xiàn)在以下方面:1）研究地理時空分布不均,大中尺度微觀研究較少。研究范圍多為中小尺度,大尺度全國性的濕地遙感研究尚少,并且研究區(qū)域多集中在中東部地區(qū),西部的研究較少。研究區(qū)多是已確定的濕地自然保護(hù)區(qū)的常規(guī)調(diào)查和監(jiān)測,大多數(shù)濕地區(qū)域尚未做研究,這主要是由于受到數(shù)據(jù)資料和技術(shù)手段的影響所致。2）單學(xué)科和區(qū)域個例研究較多,多學(xué)科綜合和對比研究較少。其中濕地遙感分類研究具有區(qū)域特殊性,缺少共性,多適用于中小尺度宏觀研究的需要,分類精度難以滿足大尺度微觀研究的要求,很難獲得較好的定位和制圖精度效果。與濕地在中國的分布范圍相比,參與機(jī)構(gòu)不多,學(xué)科融合研究存在偏頗。遙感技術(shù)研究偏重研發(fā),忽視應(yīng)用性;濕地系統(tǒng)研究沒有發(fā)揮遙感的優(yōu)勢,導(dǎo)致濕地遙感研究雖然開展多年卻仍處于淺層,長期以來沒有重大突破。3）研究技術(shù)與方法理論性強(qiáng),人工干預(yù)較多,缺少可操作性。濕地遙感研究中,除了靜態(tài)分析外,有相當(dāng)比重是圖像信息的獲取和預(yù)處理研究,還停留在數(shù)據(jù)庫、空間疊加分析上,缺乏知識處理和推理能力。如濕地光譜特征的研究停留在單一濕地類型或某一區(qū)域濕地光譜特征的研究上;濕地遙感應(yīng)用研究仍需要大量人工操作,與專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等相結(jié)合的尚少,濕地的相關(guān)參數(shù)在遙感上的實(shí)現(xiàn)研究處于初級階段。4）濕地信息系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測較多,數(shù)字智能型遙感應(yīng)用較少。在相關(guān)研究中,遙感主要用在濕地要素特征描述、系統(tǒng)評價、格局演變、模型構(gòu)建等方面,雖然有較多的動態(tài)監(jiān)測和預(yù)測研究,虛擬現(xiàn)實(shí)與三維可視化技術(shù)的濕地研究仍然屈指可數(shù),且都是對此技術(shù)在濕地應(yīng)用的可行性介紹;再者,忽視了濕地系統(tǒng)的開放性,即與濕地的多用戶、多平臺聯(lián)合與交流。因此,中國沒有一套完整齊全的濕地數(shù)據(jù)庫,沒有健全的濕地信息系統(tǒng),阻礙了濕地科學(xué)研究的發(fā)展。

3.2 濕地遙感研究未來趨勢

利用遙感技術(shù)對濕地進(jìn)行定期普查和動態(tài)監(jiān)測是濕地保護(hù)和管理的重要手段之一,也是及時獲取科研基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的要求。隨著濕地越來越受到關(guān)注,濕地遙感將成為研究熱點(diǎn)。未來基于遙感技術(shù)的濕地研究動向?yàn)?1）加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和大尺度研究,建立統(tǒng)一的濕地遙感監(jiān)測分類系統(tǒng)。結(jié)合前人研究成果,立足大尺度全國范圍濕地系統(tǒng),總結(jié)濕地共性和個性以及濕地遙感特征,完善和建立具有廣適性、分級性和技術(shù)可操作性的濕地遙感分類系統(tǒng),滿足濕地研究和保護(hù)的需要。2）注重應(yīng)用理論,加強(qiáng)濕地綜合研究。在當(dāng)前濕地遙感研究的基礎(chǔ)上,將遙感研究與濕地研究和應(yīng)用相連接,加強(qiáng)學(xué)科綜合和機(jī)構(gòu)合作,從而實(shí)現(xiàn)濕地綜合研究,使科研成果在應(yīng)用中得到檢驗(yàn)和發(fā)展,促進(jìn)濕地科學(xué)的應(yīng)用和發(fā)展。如利用RS技術(shù)采集濕地的相關(guān)生態(tài)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和生態(tài)制圖等,可以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和評價結(jié)果的真實(shí)性及可信度,這也使?jié)竦剡b感生態(tài)研究得到推廣,研究越來越多。3）結(jié)合濕地特征,實(shí)現(xiàn)應(yīng)用模型的區(qū)域化。濕地的形成與諸多要素有關(guān),在當(dāng)前對濕地要素研究的基礎(chǔ)上,從遙感技術(shù)和濕地的結(jié)合研究出發(fā),依據(jù)本學(xué)科的優(yōu)勢,探尋濕地單要素間的相互聯(lián)系,選擇和建立適合濕地的應(yīng)用模型,構(gòu)建反映濕地本質(zhì)屬性的要素信息系統(tǒng)定量模型,以適應(yīng)濕地研究和發(fā)展的需要。4）實(shí)施平臺聯(lián)合,加大濕地開放型數(shù)字遙感應(yīng)用研究。依托技術(shù)優(yōu)勢,建立具有數(shù)據(jù)瀏覽、查詢、分析等功能的全國濕地信息平臺,以方便不同格式的數(shù)據(jù)互訪,建立濕地遙感網(wǎng)絡(luò)和空間數(shù)據(jù)庫,以減少數(shù)據(jù)采集成本和大量的重復(fù)性工作。5）重視技術(shù)交互,開展智能研究?？煽繑?shù)據(jù)源的獲取及處理將隨著大尺度微觀研究的開展不斷深入。目前主要是多源多時相數(shù)據(jù)融合、綜合分類器研究與應(yīng)用、雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用、3S技術(shù)的融合等方面,這些將是遙感研究的發(fā)展需求。探索遙感技術(shù)在濕地中的應(yīng)用以促進(jìn)濕地遙感的高水平發(fā)展,如何將先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用到中國濕地科學(xué)研究的發(fā)展中是目前探索的問題。

4 結(jié)語

目前由于濕地定義、分類、形成演化等方面的問題還沒有定論,濕地遙感研究面臨機(jī)遇和挑戰(zhàn),許多問題有待探討:如濕地遙感的應(yīng)用內(nèi)容是否可以歸類,濕地遙感研究應(yīng)用方面存在問題的原因等宏觀問題;又如濱海濕地的邊界如何判讀和提取,濕地生態(tài)指標(biāo)要素的定量設(shè)置等具體問題。通過本文以求更多的學(xué)者進(jìn)一步研究,使上述問題在今后的研究中得以解決。

本文在寫作過程中,得到遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室宮鵬主任的指導(dǎo),中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所牛振國為本研究提供了資料和建議,此致謝忱!

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RS-Based Research of Chinese Wetland:Statusand Trend

ZHAO Hui1,2,ZHANG Hai-ying2,L INa-na3,YANG Gui-fang1
(1.School of Earth Sciences and Resources,China University of Geosciences,Beijing 100083;
2.Institute of Remote Sensing A pp lication,State Key Laboratory of Remote Sensing Science,CAS,Beijing 100101;
3.China University of M ining and Technology,Beijing 100083,China）

Due to the objective,highly effective,real-time and macroscopic traits,the remote sensing has been gradually app roved and largely p romoted in wetland research.Retrieving document w ith the platform of web database since 1995,the RS-based research of wetland is discussed mainly on several aspects:classification,mapping and monito ring of wetland,ecosystem,app lication of remote sensing technology and methods.Themain p roblem s include geographical space unevenly distributed w ith themeso-microscale p rimarily;the subject research and study is themain part fo r the regional study,and lack of integrated and comparative study;mo remechanical imitation fo r themethods,and lack of maneuverability;less intelligent application of RS.Related research p rospects should be to carry out such asmonito ring and mapping on large scale,characteristic methods innovating conbined w ith the traitof wetland,establishing combining p latfo rm,increasing the app lication of open RS,to givemore attention on wetland system,to expand integrated study on region;to emphasize the ability of discursion,and to increase the app lication of intelligent RS.The future po tential study is analyzed aiming to better understanding the current development of wetland science and serving fo r wetland remo te sensing research towards wetland sustainable management.

wetland in China;research of remo te sensing;current status and trend;netwo rk document database

TP79

A

1672-0504(2010）02-0062-05

2009-11-02;

2010-01-11

趙惠(1983-）,女,碩士研究生,研究方向?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境評價。＊通訊作者E-mail:yangguifang@cugb.edu.cn