遙感在濕地研究中的現(xiàn)狀與展望

高　鵬　徐志剛　江永弘　金　鑫　甘俊杰

(1.龍巖學(xué)院資源工程學(xué)院，福建　龍巖364012)　(2.龍巖市中正測(cè)繪有限公司，福建　龍巖364012)

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遙感在濕地研究中的現(xiàn)狀與展望

高鵬1,2徐志剛1,2江永弘1金鑫1甘俊杰1

(1.龍巖學(xué)院資源工程學(xué)院，福建龍巖364012)(2.龍巖市中正測(cè)繪有限公司，福建龍巖364012)

摘要：伴隨濕地資源的占用和破壞，濕地生態(tài)系統(tǒng)不斷惡化，遙感技術(shù)在濕地研究方面扮演重要角色。文章從多光譜遙感、高光譜遙感、微波遙感、多源遙感數(shù)據(jù)的融合與集成等方面闡述遙感在濕地研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀、存在的不足及未來(lái)研究的重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：遙感；濕地；現(xiàn)狀；進(jìn)展

濕地(Wetland)是地球上最重要的生存環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)，在全球和區(qū)域生態(tài)過(guò)程中發(fā)揮著極為重要的作用[1]。由于人口數(shù)量不斷增長(zhǎng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)土地資源需求不斷加大，濕地資源也被大量占用，越來(lái)越多的濕地被轉(zhuǎn)化為城市、農(nóng)業(yè)用地[2]。為合理利用、有效保護(hù)、科學(xué)管理寶貴的濕地資源，需要?jiǎng)討B(tài)、高效的監(jiān)測(cè)手段對(duì)濕地進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析評(píng)價(jià)，而遙感技術(shù)恰可發(fā)揮重要的作用[3]。

遙感(Remote Sensing,簡(jiǎn)稱RS)技術(shù)具有多平臺(tái)、多分辨率、多時(shí)相、多角度、多數(shù)據(jù)源等優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)Φ貙?shí)施覆蓋廣泛、實(shí)時(shí)快速的重復(fù)觀測(cè)，獲取大量、可比性強(qiáng)的地物信息，最近二十多年來(lái)被廣泛應(yīng)用于濕地識(shí)別、提取、監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)等研究中[4]。我國(guó)有關(guān)濕地保護(hù)研究起步較晚，了解國(guó)內(nèi)外遙感技術(shù)在濕地研究中現(xiàn)狀，有利為濕地保護(hù)、管理、生態(tài)修復(fù)提供更好的技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)人類與濕地資源協(xié)調(diào)發(fā)展，推動(dòng)我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)邁向新的高度。

1遙感技術(shù)在濕地研究中的現(xiàn)狀

由于濕地的特殊性、區(qū)域性和多樣性，傳統(tǒng)野外采樣測(cè)試技術(shù)已不能滿足研究需要，而從空中對(duì)地面進(jìn)行多時(shí)相、多角度、多光譜、多分辨率探測(cè)與分析的衛(wèi)星遙感技術(shù)則能夠?yàn)闈竦刭Y源研究提供有效的支持。經(jīng)過(guò)40余年發(fā)展，衛(wèi)星遙感影像分辨率不斷提高，形成了天、空、地一體化的對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，能夠從不同層面反映空間格局、動(dòng)態(tài)過(guò)程和時(shí)空變異，進(jìn)而揭示現(xiàn)象的驅(qū)動(dòng)機(jī)制和演變趨勢(shì)。遙感已成為濕地科學(xué)研究重要的技術(shù)支持，遙感信息是濕地研究主要的信息源。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外遙感技術(shù)在濕地研究中的應(yīng)用已受到了研究人員的重視，并取得了一些成果，主要應(yīng)用方向包括：1)濕地識(shí)別與提?。?)濕地類別細(xì)分；3)濕地生態(tài)容量與生物量遙感估算；4)濕地自然地理環(huán)境調(diào)查；5)濕地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；6)構(gòu)建濕地信息系統(tǒng)[5]。

1.1光學(xué)遙感

1.1.1多光譜遙感

光學(xué)遙感數(shù)據(jù)是濕地遙感最為主要的數(shù)據(jù)源。中高分辨率航空影像已被證明是濕地邊界、生物變化和真實(shí)范圍制圖快速、精確和相對(duì)經(jīng)濟(jì)的技術(shù)手段。Wright等構(gòu)建了決策樹(shù)模型，利用多季節(jié)Landsat TM遙感影像和輔助地形與土壤數(shù)據(jù)對(duì)濕地和河流系統(tǒng)進(jìn)行分類和制圖。MacAlister等利用最大似然分類，結(jié)合Landsat ETM+影像和實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)Mekong盆地濕地資源進(jìn)行分類制圖，以滿足資源管理與保護(hù)的要求。Frohn等采用多光譜遙感數(shù)據(jù)，比較了混合像元分解和傳統(tǒng)硬分類方法應(yīng)用于濕地分類的適用性和效果，結(jié)果表明基于LSMM軟分類結(jié)果比傳統(tǒng)方法更可靠，能夠確定亞像元級(jí)的小濕地斑塊。牛振國(guó)等[6]利用多期美國(guó)陸地衛(wèi)星影像，采用目視解譯的方法，分別以1978、1990、2000、2008年作為基準(zhǔn)點(diǎn)，獲取了4期全國(guó)濕地分布圖；鄭姚閩等[6]利用4期濕地分布數(shù)據(jù)，結(jié)合保護(hù)區(qū)和環(huán)境等數(shù)據(jù)對(duì)國(guó)家級(jí)濕地保護(hù)區(qū)進(jìn)行了相關(guān)評(píng)價(jià)。

1.1.2高光譜遙感

高光譜遙感作為光學(xué)遙感的重要分支，近年來(lái)濕地遙感愈加受到重視，被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ倪b感技術(shù)。針對(duì)地物光譜和地表實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在濕地遙感中的重要作用，Adam等利用ASD地物光譜儀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)濕地草類植物進(jìn)行光譜區(qū)分。Daria Siciliano等應(yīng)用高光譜遙感數(shù)據(jù)，對(duì)濕地植被和富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)行了分析，表明了高光譜遙感數(shù)據(jù)在濕地監(jiān)測(cè)中的優(yōu)越性。Filippi等獲得了優(yōu)于傳統(tǒng)監(jiān)督分類算法的分類精度，同時(shí)與監(jiān)督人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的精度也比較接近。Salem等將高光譜遙感數(shù)據(jù)用于油溢探測(cè)及其對(duì)濕地的破壞，以評(píng)價(jià)濕地?fù)p失和棲息地變化。Pengra等將EO-1 Hyperion高光譜數(shù)據(jù)用于濕地入侵植物制圖，采用光譜相關(guān)制圖生成二值柵格圖，識(shí)別入侵植物。

1.2微波遙感

隨著微波遙感的發(fā)展，以SAR圖像為代表的主動(dòng)遙感也在濕地遙感中開(kāi)始得到應(yīng)用。微波遙感由于其全天候、全天時(shí)和具有一定穿透能力的優(yōu)勢(shì)，在濕地遙感領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。雷達(dá)遙感由于能夠監(jiān)測(cè)水體表面面積變化、對(duì)土壤濕度敏感和獨(dú)立于天氣/時(shí)間，被視為濕地劃分識(shí)別的潛在技術(shù)。SAR在濕地應(yīng)用中，應(yīng)用最多的是L和C兩個(gè)波段，其中L波段植被波譜特性更顯著，適用于以林地為主的濕地研究，而C波段適用于低生物量偏低的植被濕地研究。Wdowinski等對(duì)JERS SAR L波段數(shù)據(jù)進(jìn)行干涉處理，探測(cè)濕地水面高度變化。Sophie Moreaut等利用C波段ERS SAR數(shù)據(jù)量化濕地養(yǎng)分信息，監(jiān)測(cè)生物量和生物量變化。Kim等的數(shù)據(jù)結(jié)合研究對(duì)于改進(jìn)濕地監(jiān)測(cè)具有良好的效果。Bartsch等利用多時(shí)相ENVISAT ASAR wide swath數(shù)據(jù)，進(jìn)行濕地探測(cè)和識(shí)別，表明的SAR數(shù)據(jù)的有效性。

1.3多源遙感數(shù)據(jù)的融合與集成

由于不同遙感數(shù)據(jù)各有其優(yōu)勢(shì)和不足，多源數(shù)據(jù)集成和融合、遙感與GIS及其它輔助數(shù)據(jù)復(fù)合已在濕地遙感領(lǐng)域得到了重視。Rebelo等綜述了遙感與GIS集成在濕地資源調(diào)查、評(píng)價(jià)和變化分析方面的應(yīng)用。Toyra等采用Radarsat SAR數(shù)據(jù)和光學(xué)遙感數(shù)據(jù)生成時(shí)序洪水圖，利用多時(shí)相SOPT數(shù)據(jù)生成植被格局圖，利用LIDAR生成DEM提取非洪水區(qū)域?；谶b感影像的濕地季節(jié)、年際變化監(jiān)測(cè)一直是濕地遙感的重要內(nèi)容。Gilmore等將多時(shí)相遙感影像、野外實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)和LiDAR冠層數(shù)據(jù)結(jié)合，用于濕地植被種群分類和制圖，表明了多源數(shù)據(jù)集成的重要性和有效性。Bwangoy等應(yīng)用Landsat TM被動(dòng)光學(xué)影像，JERS-1 SAR影像和由SRTM生成的地形因子，構(gòu)建決策分類樹(shù)進(jìn)行濕地制圖，表明多源數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用的重要性。

王樹(shù)功等分析了遙感與GIS技術(shù)在濕地定量研究中的應(yīng)用趨勢(shì)，闡述了運(yùn)用RS與GIS技術(shù)進(jìn)行濕地系統(tǒng)定量化研究方法與思路，重點(diǎn)分析了其在濕地識(shí)別、類型劃分、生物量估算及管理信息系統(tǒng)等研究中的應(yīng)用趨勢(shì)。分析表明,運(yùn)用RS與GIS技術(shù)結(jié)合可以使?jié)竦匮芯烤哂泻暧^性、動(dòng)態(tài)性、定量性。

將濕地分布格局與濕地生物物理屬性、土壤和水分理化特征、水文模型和生態(tài)模型等結(jié)合，是濕地遙感當(dāng)前主要的研究前沿。Ignacio Melendez-Pastor等應(yīng)用遙感資料分析得到的植被、土壤和水體分量并發(fā)現(xiàn)在干旱期間植被、土壤和水體存在顯著的差異。Chen等利用水文模型、水量平衡模型和遙感數(shù)據(jù)分析表明了遙感數(shù)據(jù)和數(shù)理模型結(jié)合在濕地評(píng)價(jià)分析中的重要作用。李健等基于Landsat-TM數(shù)據(jù)建立了鄱陽(yáng)湖濕地植被生物量遙感監(jiān)測(cè)模型，分別進(jìn)行了植被指數(shù)與生物量的線性和非線性回歸分析。趙靜等建立三江源區(qū)蒸發(fā)量估算模型，分析探討溫度、降水量、風(fēng)速和蒸發(fā)量之間的相關(guān)關(guān)系。朱鵬等利用水平衡模型通過(guò)獲取土壤含水量模擬全球濕地潛在分布，通過(guò)驗(yàn)證表明可以獲取目前精度最高的全球濕地潛在分布數(shù)據(jù)。

2存在不足

(1)應(yīng)用目標(biāo)以單一應(yīng)用為主，對(duì)同一研究對(duì)象的綜合應(yīng)用分析不足；

(2)遙感信息處理側(cè)重單目標(biāo)信息處理，多目標(biāo)信息處理與綜合應(yīng)用欠缺；

(3)多源遙感影像融合主要關(guān)注影像融合后的分類或信息提取，但對(duì)于SAR和光學(xué)影像中包含的大量物理信息則缺少考慮；

(4)遙感信息處理方法仍以傳統(tǒng)處理方法為主，對(duì)于多源遙感信息融合、遙感定量反演、遙感數(shù)據(jù)挖掘與智能信息處理、遙感變化檢測(cè)等方面的研究重視不夠；

(5)遙感應(yīng)用仍以揭示現(xiàn)象的空間格局為主，缺乏時(shí)空過(guò)程綜合分析、遙感與GIS綜合應(yīng)用、遙感數(shù)據(jù)與模型驅(qū)動(dòng)下的機(jī)理分析、遙感信息與數(shù)理和物理模型結(jié)合等方面的研究。

3展望

(1)將濕地資源環(huán)境調(diào)查研究的需求與多時(shí)相遙感信息處理技術(shù)優(yōu)勢(shì)的結(jié)合，通過(guò)對(duì)研究區(qū)多源遙感信息協(xié)同、多種信息處理方法的集成，構(gòu)建系統(tǒng)的濕地資源環(huán)境遙感理論與方法體系，推進(jìn)濕地資源環(huán)境遙感綜合分析理論、方法與應(yīng)用的發(fā)展。

(2)突破以往遙感應(yīng)用的單目標(biāo)信息處理體系，通過(guò)對(duì)遙感信息源應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的深度挖掘，形成同一遙感信息源的多目標(biāo)應(yīng)用、多源遙感信息融合的綜合應(yīng)用，進(jìn)而挖掘不同主題、不同目標(biāo)應(yīng)用之間的關(guān)聯(lián)和耦合，從而形成多目標(biāo)遙感應(yīng)用體系，推進(jìn)遙感多目標(biāo)綜合分析與集成應(yīng)用方法的發(fā)展，開(kāi)拓遙感應(yīng)用技術(shù)體系。

(3)高分辨率遙感信息已在許多領(lǐng)域得到深入應(yīng)用，但在濕地遙感方面的應(yīng)用還有待開(kāi)展，而以多源信息融合、定量遙感反演、時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、遙感數(shù)據(jù)挖掘、智能信息處理等為主的遙感信息處理新方法目前在濕地資源環(huán)境研究中的應(yīng)用還很少，遙感信息與地學(xué)模型的結(jié)合還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要。今后研究應(yīng)嘗試在這些信息處理方法方面進(jìn)行綜合研究，拓展遙感信息處理新方法在濕地資源環(huán)境遙感中的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]周德民,宮輝力,胡金明等·濕地水文生態(tài)學(xué)模型的理論與方法[J].生態(tài)學(xué)雜志,2007, 26(1): 108-114.

[2]張樹(shù)文,顏鳳芹,于靈雪等·濕地遙感研究進(jìn)展[J].地理科學(xué),2013,33(11):1406-1412. (90): 2130-2137.

[3]鄭姚閩,張海英, 牛振國(guó),等·中國(guó)國(guó)家級(jí)濕地自然保護(hù)區(qū)保護(hù)成效初步評(píng)估.科學(xué)通報(bào), 2012, 57: 207-230.

(責(zé)任編輯：王德紅)

Current Situation and Prospect of Remote Sensing in Wetland Research

Gao Peng1,2Xu Zhigang1,2Jiang Yonghong1Jin Xin1Gan Junjie1

(1.Institute of Resource Engineering, Longyan University, Longyan 364013)(2.Longyan Zhongzheng Surveying and Mapping Co. Ltd. , Longyan 364013)

Abstract：With the occupation and destruction of wetland resources, and the wetland ecosystem has been deteriorating. Remote sensing technology plays an important role in wetland research. This paper describes the application status of remote sensing about the wetland research from multi-spectral remote sensing, hyperspectral remote sensing, microwave remote sensing, multi-source remote sensing data fusion and integration. At the same time, it analyses the problems at present, and points out the research focus in the future.

Key words:remote sensing，wetlands，status，progress

收稿日期：2016-01-13

基金項(xiàng)目：福建省科技廳重點(diǎn)項(xiàng)目(2013Y0068);福建省教育廳A類、B類項(xiàng)目(JA13312、JB12202)；龍巖市科技局項(xiàng)目(2013LY50)；龍巖學(xué)院產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(LC2013015)；福建省國(guó)家級(jí)、省級(jí)、校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(G20142015、201511312061、201323)中期成果。

作者簡(jiǎn)介：1.高鵬( 1983～ )， 女，吉林公主嶺人，龍巖學(xué)院資源工程學(xué)院講師。研究方向：“3S”技術(shù)應(yīng)用、基礎(chǔ)測(cè)繪。

中圖分類號(hào)：X87

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-9507(2016)03-0130-03

2.徐志剛(1982.05～)，男,江西臨川人，龍巖學(xué)院資源工程學(xué)院副教授。研究方向：資源環(huán)境遙感。