基于RS和GIS的艾比湖濕地信息提取及面積動(dòng)態(tài)分析

玉蘇普江·艾麥提，阿里木江·卡斯木，2，阿布都沙拉木·熱合曼

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆烏魯木齊 830054;2.新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆烏魯木齊 830054)

濕地是自然界最富生物多樣性的生態(tài)景觀和人類最重要的生存環(huán)境之一［1］。濕地是人類的百寶箱，它具有巨大生態(tài)效益、社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益;同時(shí)濕地很脆弱，其面積大幅度減少，以及污染、砍伐等導(dǎo)致濕地功能嚴(yán)重下降，甚至喪失，嚴(yán)重威脅到人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展和自然界生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定［2］。據(jù)相關(guān)資料顯示，新疆濕地總面積約為148萬(wàn)hm2，約占全疆總面積的0.89%，其中面積大于100 hm2以上的濕地有435塊，其中湖泊濕地108塊，河流濕地45塊，沼澤濕地148塊，人工濕地134塊，且濕地的垂直分布海拔高度從154～4 800 m，形成了較為復(fù)雜多樣的內(nèi)陸干旱區(qū)及其特殊環(huán)境下的濕地生態(tài)系統(tǒng)［3］。新疆這些濕地充分顯示了濕地類型的多樣性，與國(guó)內(nèi)沿海地區(qū)相比，具有其獨(dú)特性。地處準(zhǔn)噶爾盆地西南端的艾比湖是典型的內(nèi)陸封閉性湖泊，是新疆最大的咸水湖，也是我國(guó)四大沙塵暴發(fā)源地之一。艾比湖處于生態(tài)脆弱地帶，容易受到區(qū)域環(huán)境變化和人類活動(dòng)的影響，如何維持和保護(hù)艾比湖流域生態(tài)環(huán)境已成為各級(jí)政府和相關(guān)專家高度重視的問(wèn)題。因此，本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，利用遙感技術(shù)與實(shí)地調(diào)查相結(jié)合，用多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)對(duì)艾比湖濕地信息進(jìn)行提取并分類，進(jìn)行了濕地資源時(shí)空動(dòng)態(tài)變化分析，顯示出濕地資源變化規(guī)律，旨在為艾比湖區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況

艾比湖位于新疆博爾塔拉蒙古自治州精河縣境內(nèi)，地理位置為北緯 44°30'～45°09'、東經(jīng) 82°36'～83°50'，是準(zhǔn)噶爾盆地西部最低洼地和水鹽匯集中心［4］。艾比湖流域處于亞歐大陸腹地的中緯度地區(qū)，遠(yuǎn)離海洋，是屬于典型的溫帶干旱大陸性氣候帶區(qū)域。湖泊呈西北－東南走向，其西北是著名的風(fēng)區(qū)阿拉山口，這里是新疆全年大風(fēng)日數(shù)最多的地區(qū)，常年干旱少雨，氣候干燥，降水稀少，日照充足，年均氣溫為 8.3℃，年均降水量 90.9 mm［5］。

2 資料來(lái)源及處理

本文采用1972年9月21日的Landsat/MSS影像，1990年9月的Landsat/TM影像，2001年9月的Landsat/ETM+影像和2006年10月的Landsat/ETM+影像作為本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。筆者收集有關(guān)資料和圖件，利用遙感圖像處理軟件ENVI4.7對(duì)研究區(qū)不同時(shí)期的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，針對(duì) Landsat/TM，ETM+及MSS遙感影像的典型地物的波譜特征，分析遙感圖像上水體信息與植被的光譜特征。同時(shí)，對(duì)遙感圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，確定提取河流、湖泊和濕地的最佳波段組合，建立濕地類型的遙感解譯標(biāo)志，并利用野外實(shí)地調(diào)查資料，地形圖資料及其他來(lái)源的圖形資料，采用最大似然法對(duì)4個(gè)時(shí)期的遙感影像進(jìn)行濕地信息提取并進(jìn)行分類，獲得濕地類型分布圖;在ArcGIS9.2的支持下計(jì)算各時(shí)段濕地面積，同時(shí)對(duì)比分析4個(gè)時(shí)期的分類影像圖，分析了研究區(qū)濕地信息時(shí)空動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。圖1是總體技術(shù)流程圖。

3 濕地信息的提取

3.1 遙感影像預(yù)處理

Landsat/TM和Landsat/ETM+數(shù)據(jù)屬于多光譜數(shù)據(jù)，所包含的信息豐富，對(duì)不同地物的識(shí)別能力很強(qiáng)，它們的不同波段對(duì)地表的不同地物有著不同的表現(xiàn)能力。如果不加分析隨便選擇波段組合進(jìn)行圖像分類時(shí)，分類結(jié)果會(huì)很不準(zhǔn)確，因?yàn)橄嚓P(guān)數(shù)據(jù)之間有互相干擾。濕地信息提取涉及諸多要素，比如土壤、水分、植物等，圖像信息要盡可能對(duì)各種要素都有明顯反映，尤其是水分信息，特別要反映出水分的變化。通過(guò)由各波段系數(shù)分析法來(lái)選擇最適合濕地信息提取的波段［6-7］。

根據(jù)Landsat/TM/ETM+遙感影像的波譜特征以及表1中Landsat/ETM+各波段之間的相關(guān)系數(shù)，可做出如下的判斷:

a.B1，B2，B3波段為可見(jiàn)光波段，它們之間相關(guān)系數(shù)較高，B5，B7為中紅外波段，相關(guān)系數(shù)也較高，說(shuō)明這些波段中包含的信息有很大一部分彼此重疊。B4近紅外波段與B6熱紅外波段的相關(guān)性較小，具有較好的獨(dú)立性。因此，選擇1個(gè)可見(jiàn)光波段，1個(gè)中紅外波段和1個(gè)近紅外波段合成的彩色圖像既包含較豐富的信息，同時(shí)也可保持較小的信息冗余度。

表1 Landsat/TM/ETM+各波段相關(guān)系數(shù)

b.研究目標(biāo)與濕地及水體有很大的相關(guān)性，所以要選擇能對(duì)水體有明顯反映的波段。B4為近紅外波段，對(duì)水體吸收力很強(qiáng)，對(duì)水生植物強(qiáng)反射。B1、B2、B3這3個(gè)可見(jiàn)光波段中，B1對(duì)水體有穿透能力，能夠反射淺水水下特征，經(jīng)常用于進(jìn)行水系制圖。中紅外波段中 B7位于水域的強(qiáng)吸收帶，對(duì)植物水分、巖石、特定礦物反映敏感，經(jīng)常用于植物含水量測(cè)定。所以，選擇Landsat/TM/ETM+遙感影像的B7、B4、B1波段組合構(gòu)成的影像。同理選擇Landsat/MSS遙感影像的 B4(紅)、B2(綠)、B1(藍(lán))波段組合的圖像。對(duì)圖像進(jìn)行幾何糾正，噪聲消除，彩色增強(qiáng)處理后按照研究區(qū)的范圍對(duì)圖像進(jìn)行裁剪，完成影像預(yù)處理后所得到的結(jié)果見(jiàn)圖2所示。

圖2 RS影像預(yù)處理后所得到的圖像

3.2 濕地分類系統(tǒng)的建立

目前各國(guó)、各地區(qū)的濕地分類系統(tǒng)不相同，主要是為了結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況進(jìn)行分類，能夠更好地理清當(dāng)?shù)氐臐竦刭Y源狀況。本文根據(jù)伊朗(Ramsar)簽訂的《濕地公約》中的濕地分類系統(tǒng)［8］和新疆濕地分類系統(tǒng)［9］(表2)結(jié)合實(shí)地調(diào)查，參考各種專題圖件、資料，在 Landsat/MSS 4、2、1波段與 Landsat/TM/ETM+的7、4、1波段合成的遙感影像圖上進(jìn)行解譯各種濕地類型，并建立解譯標(biāo)志及分為湖泊濕地、沼澤濕地、河流濕地、人工濕地等4個(gè)等級(jí)。

表2 新疆濕地資源分類系統(tǒng)

3.3 遙感圖像的分類

目前濕地分類方法分為人工目視解譯分類、計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類、半自動(dòng)半人工分類等好幾種類型［10］。研究采用監(jiān)督分類中最大似然法(maximum likelihood)進(jìn)行分類［11］。在建立濕地分類解譯標(biāo)志之后，根據(jù)已確認(rèn)景物的影像，來(lái)進(jìn)行訓(xùn)練區(qū)的選擇，其次進(jìn)行監(jiān)督分類并進(jìn)行精度檢驗(yàn)。結(jié)果表明，1972年Landsat/MSS影像的分類總體精度與Kappa系數(shù)分別為88.78%、0.85;1990年Landsat/TM影像的分類總體精度與Kappa系數(shù)分別為95.70%、0.91;2001年Landsat/ETM+影像的分類總體精度與Kappa系數(shù)分別為93.99%、0.89;2006年Landsat/ETM+影像的分類總體精度與Kappa系數(shù)分別為96.28%、0.95。采用最大似然法分類后結(jié)果出現(xiàn)了一些同譜異物、異物同譜，以及異物互相混淆的情況，且斑塊比較零碎，邊界也不規(guī)則。因此對(duì)其進(jìn)行修正及優(yōu)化處理，得到研究區(qū)濕地分布(圖3)。

4 研究區(qū)典型濕地時(shí)空動(dòng)態(tài)變化規(guī)律(1972—2006年)

利用遙感圖像處理軟件對(duì)研究區(qū)在1972年、1990年、2001年、2006年這4年的分類圖像進(jìn)行面積計(jì)算，得到各類濕地面積如表3。面積計(jì)算公式為

圖3 1972—2006年艾比湖周圍濕地分布

式中:S為各類濕地面積;N為各類濕地所在的像元個(gè)數(shù);R為影像分辨率。

表3 研究區(qū)不同年份各類濕地面積 km2

4.1 湖泊濕地和沼澤濕地的變化特征

1972—1990 年，研究區(qū)湖泊濕地面積一直減少，從582.4 km2減少至 531.7 km2，減少 50.7 km2，占1972年總面積的8.7%;1990—2001年，湖泊濕地又減少6 km2;2001—2006年，研究區(qū)湖泊濕地逐步增長(zhǎng)，從2001年的525.7 km2增加至2006年的583.5 km2。可以看出1972—1990年間湖泊濕地有較大范圍的萎縮，1990—2001年艾比湖湖面積較穩(wěn)定，而2001—2006年間湖泊濕地面積有所增大。在30多年里，艾比湖湖泊濕地面積經(jīng)歷了迅速縮小、基本穩(wěn)定、逐步增大3個(gè)階段。

沼澤濕地主要分布在湖泊周圍，大部分集中到湖泊的西部，在1972年的沼澤濕地面積為540.4 km2，從1972—1990年和1990—2001年沼澤濕地面積分別增加111.4、126.7 km2，到2001年總面積達(dá)到778.5 km2。2001—2006年沼澤濕地面積呈減少趨勢(shì)，2006年面積為 642.9 km2，比2001年減少17.4%。

4.2 河流濕地、人工濕地及綠洲的變化特征

艾比湖濕地是奎屯河、古爾圖河、四棵樹(shù)河、精河和博爾塔拉河的匯水區(qū)，研究區(qū)在1972年的河流濕地面積是217.1 km2，在1990年的面積為290.4 km2，到2001年的河流濕地總面積達(dá)324.7 km2，比1972年增加107.6 km2，比1990年增加34.3 km2，2001—2006年河流濕地呈現(xiàn)保持穩(wěn)定趨勢(shì);人工濕地的面積經(jīng)歷了持續(xù)增加的過(guò)程。1990年的凈增長(zhǎng)面積為5.5 km2，占1972年人工濕地面積的0.48%;1990—2001年呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，2001面積為22.7 km2，凈增5.8 km2。2001—2006年表現(xiàn)為持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，比2001年增加5.1 km2。1975—2000年增加的人工濕地主要分布在東北地區(qū)的中東部。綠洲、農(nóng)用地的面積在1972—1990年間保持穩(wěn)定，1990—2001年間呈現(xiàn)高幅增長(zhǎng)趨勢(shì)。2001年研究區(qū)綠洲、農(nóng)用地的總面積976.3 km2，是1990年的2.09倍，2001年至2006年綠洲、農(nóng)用地呈現(xiàn)小幅增長(zhǎng)趨勢(shì)。

4.3 濕地變化原因分析

艾比湖各類濕地資源在1972—2006年之間的動(dòng)態(tài)變化的因素主要包括自然因素和人為因素。1972—2001年間，湖泊濕地面積減少，是因?yàn)榭秃印⒐薁枅D河、四棵樹(shù)河到1972年末已出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，造成入湖水量減少，加之艾比湖流域人口繼續(xù)增多，人類對(duì)土地資源開(kāi)發(fā)利用力度加大的過(guò)程，農(nóng)業(yè)大量引水，灌溉面積快速擴(kuò)大，導(dǎo)致湖面面積減少。2000年以來(lái)，人們開(kāi)始關(guān)注生態(tài)環(huán)境保護(hù)，在政府合理的技術(shù)及墾荒、放牧管理政策等的影響下，雖然人口和灌溉面積繼續(xù)增長(zhǎng)，灌溉用水量逐漸趨于穩(wěn)定，灌溉用水量對(duì)入湖水量的影響也由直接的高強(qiáng)度影響弱化為間接的、邊緣化作用，使河流的入湖量明顯增加，湖區(qū)水量有所恢復(fù);1972—2006年間沼澤濕地和河流濕地逐漸增加，在這一段時(shí)間，河流正處于多年變化周期的豐水期，2001—2006年，年平均降水量較1956—2000年平均降水量增加13.84%，降水量增加10.13億m3;地表水資源量增加2.23億m3，增加9.16%［12-13］。當(dāng)?shù)亟邓龆嘟档土宿r(nóng)田旱情，使得農(nóng)業(yè)引水量減少，導(dǎo)致沼澤濕地明顯增加。隨著人口的增長(zhǎng)，人工濕地、綠洲和農(nóng)用地面積在1972—2006年間呈現(xiàn)逐漸增長(zhǎng)趨勢(shì)。

5 結(jié)論

以艾比湖濕地作為研究區(qū)，對(duì) 1972、1990、2001、2006年9月份的Landsat/MSS、TM 與 ETM+四景影像圖進(jìn)行處理，提取濕地信息，同時(shí)對(duì)比分析4個(gè)時(shí)期的分類影像圖，分析了研究區(qū)濕地信息時(shí)空動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。通過(guò)分析得出了以下結(jié)論:

a.對(duì)Landsat/MSS遙感影像圖波段的組合選擇時(shí)，得出421波段組合為最佳波段組合，對(duì)Landsat/TM、ETM+遙感影像圖波段的組合選擇時(shí)，得出741波段組合為最佳波段組合，該組合相關(guān)性小，信息含量大，容易辨別水和濕地等。

b.監(jiān)督分類法在濕地分類中出現(xiàn)明顯的混分現(xiàn)象，濕地分類需要在計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)督分類后，進(jìn)行后處理修正，以提高其分類精度，本文的1990年、2001年和 2006年影像分類圖的總體分類精度(overall accuracy)均在90%以上，而1972年影像分類圖的總體分類精度為88.7%，主要原因?yàn)樵瓐D像的分辨率較低。

c.30多年間艾比湖水域面積經(jīng)歷了迅速縮小、基本穩(wěn)定、逐步增大3個(gè)階段。

d.30多年來(lái)，艾比湖濕地內(nèi)部之間、濕地與非濕地之間發(fā)生了變化，各種濕地類型較不穩(wěn)定，容易受到自然以及人為因素的影響，濕地生態(tài)系統(tǒng)較脆弱。

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