四川省茂縣自然生態(tài)監(jiān)測方法

毛 巍，王 萍，王新華，周 浩

（1.國家測繪地理信息局第三航測遙感院，四川 成都 610100）

四川省茂縣自然生態(tài)監(jiān)測方法

毛 巍1，王 萍1，王新華1，周 浩1

（1.國家測繪地理信息局第三航測遙感院，四川 成都 610100）

采用一種基于格網(wǎng)的自然生態(tài)環(huán)境評價技術，對茂縣的自然生態(tài)環(huán)境進行定量化評價，實現(xiàn)并形成了一種面向生態(tài)文明建設的“數(shù)據(jù)→信息→知識”的地理國情監(jiān)測服務模式，是地理國情監(jiān)測服務于社會經(jīng)濟發(fā)展的一次創(chuàng)新性示范。

決策樹分類；面向?qū)ο?；地理國情；生態(tài)文明建設

20世紀以來，隨著人類社會的飛速發(fā)展，環(huán)境污染、植被退化、水土流失、生物多樣性減少等生態(tài)環(huán)境問題日益凸顯。遙感技術具有宏觀、綜合、動態(tài)、快速等特點，已成為研究資源開采、環(huán)境變化等區(qū)域性和全球性問題的重要手段。本文以四川省茂縣2001 年、2007年、2013年3期衛(wèi)星遙感影像為基礎，結合基礎地理信息數(shù)據(jù)，輔以社會、經(jīng)濟、環(huán)境等統(tǒng)計數(shù)據(jù)，開展了自然生態(tài)遙感監(jiān)測，分析了茂縣12 a來自然環(huán)境的變化情況，為四川省國家級重點生態(tài)功能區(qū)優(yōu)化國土空間開發(fā)格局、劃定生態(tài)紅線、考核縣域經(jīng)濟發(fā)展等提供了科學依據(jù)。

1 監(jiān)測區(qū)自然地理概況

茂縣位于四川省西北部、阿壩藏族羌族自治州東南部的青藏高原東南邊緣；地跨岷江和涪江上游高山河谷地帶，地貌以高山峽谷為主，地勢由西北向東南傾斜，平均海拔3 030 m，中心城區(qū)平均海拔1 587 m。境內(nèi)河流分屬岷江和涪江兩大水系，大小河流170余條，岷江河和黑水河自北向南縱貫全境。地表覆蓋類型以林地和草地為主，林地覆蓋率達65%以上。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)預處理

本文以2001年、2007年和2013年3期Landsat衛(wèi)星影像為主要數(shù)據(jù)源，收集了監(jiān)測區(qū)內(nèi)的基礎地理信息數(shù)據(jù)和相關行業(yè)的專業(yè)資料數(shù)據(jù)，以輔助信息提取和統(tǒng)計分析。利用ENVI4.6對原始的Landsat影像進行影像輻射校正與大氣校正；然后在PCI10.0軟件中，以已有的基礎地理信息數(shù)據(jù)為空間參考進行Landsat影像和高分辨率影像的幾何空間校正配準；對于被云霧遮擋地區(qū)，選擇與之時相相近的影像進行替補，最終形成多期的DOM影像成果。

通過數(shù)據(jù)提取、組織重構、分類代碼轉(zhuǎn)化、屬性信息轉(zhuǎn)換等工作將收集到的1∶10 000、1∶50 000基礎地理信息數(shù)據(jù)和專業(yè)資料數(shù)據(jù)整合改造為滿足自然生態(tài)監(jiān)測地表覆蓋分類體系要求的數(shù)據(jù)。

2.2 遙感信息提取

利用決策樹分類器，對30 m分辨率遙感影像進行地表覆蓋一級類型提取。參考四川省1∶50 000基礎測繪數(shù)據(jù)，采用基于植被覆蓋度的自動分類、對象化圖斑處理以及人機交互的數(shù)據(jù)整合等技術，對地表覆蓋二級類型進行信息提取。

基于GLC樹的決策樹分類算法，利用面向?qū)ο蟮乃枷?，通過多尺度分割、特征提取、樣本選取、訓練集規(guī)則集生成等操作，將地表覆蓋分為林地、草地、水體、耕地、建設用地和未利用地6個一級類。

地表覆蓋二級分類包括基于植被覆蓋度模型的草地二級類自動分類和基于人機交互解譯的其他二級類分類。二級地表覆蓋類型包括有林地、灌木林地、疏林地、其他林地（含園地）、高中低覆蓋草地、河渠、湖泊、灘涂濕地、水田、旱地、耕地、城鎮(zhèn)建設用地、農(nóng)村居民點、其他建設用地（含交通、礦場等）、鹽堿地、沙地、裸土地、裸巖石礫和其他未利用地。

項目通過利用植被指數(shù)（VI）近似估算植被覆蓋度?；赩I的線性模型是目前比較通用的線性模型，植被覆蓋度計算公式為：

式中，VIi為像元i的植被指數(shù)值；VIs為純裸土像元的植被指數(shù)值；VIv為純植被像元的植被指數(shù)值。其中VI計算公式為：

式中，NIR為遙感影像近紅外波段亮度值；R為遙感影像紅波段亮度值。在TM影像中近紅外波段即TM4波段，而紅光波段即TM3波段。

根據(jù)以上理論，在eCognition中構建規(guī)則集，對草地二級類實行自動分類。

1）基于2001年、2007年和2013年遙感影像，計算茂縣在這3個時相的植被覆蓋度；

2）按照[，20%）、[20%，50%）、[50%，）將植被覆蓋度分為低植被覆蓋度、中植被覆蓋度和高植被覆蓋度；

3）將植被覆蓋度分級數(shù)據(jù)與草地一級類數(shù)據(jù)進行空間疊加計算，得到高覆蓋度草地、中覆蓋度草地和低覆蓋度草地3類草地二級類。

其他二級地表覆蓋分類采用人機交互解譯的方法進行，根據(jù)二級類地物在影像上的判讀特征，并參考高分辨率影像、基礎地理信息數(shù)據(jù)和專業(yè)資料等，經(jīng)過人工編輯得到二級地表覆蓋分類結果。

2.3 地表覆蓋變化分析

地表覆蓋變化分析包括對茂縣在2001年、2007年和2013年地表覆蓋類型的面積及面積占比分析，構建地表覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣，分析茂縣在2001～2013年地表覆蓋類型變化轉(zhuǎn)移狀況。

1）某一地表覆蓋類型面積占比。

2）地表覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣。它來源于系統(tǒng)分析中對系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述。通常的地表覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣中行表示T1時點土地利用類型，列表示T2時點土地利用類型。Pij表示T1～T2期間土地類型i轉(zhuǎn)換為土地類型j的面積占土地總面積的百分比；Pii表示T1～T2期間i種土地利用類型保持不變的面積百分比；Pi+表示T1時點地類i的總面積百分比；P+j表示T2時點j種土地利用類型的總面積百分比。Pi+-Pii為T1～T2期間地類i面積減少的百分比；P+j-Pjj為T1～T2期間地類j面積增加的百分比。表1為茂縣在2001年、2007年和

2013 年地表覆蓋類型面積變化統(tǒng)計成果。

表1 茂縣地表覆蓋類型面積變化統(tǒng)計表

從茂縣地表覆蓋變化的遙感監(jiān)測結果看，茂縣地表覆蓋類型以林草覆蓋為主，在西部和北部以及岷江沿線草地覆蓋較多。2001～2013年，林草覆蓋面積增加了0.44%。水域濕地、建設用地面積均表現(xiàn)出一定的增長趨勢，其中水域濕地面積增加0.05%，建設用地增加0.1%。2001～2007年未利用地面積減少0.49%，2007～2013年未利用地面積增加0.21%。由表2可以發(fā)現(xiàn)茂縣的林草覆蓋、耕地以及未利用地是變化劇烈的3 種地表覆蓋類型，三者轉(zhuǎn)換比較明顯。

表2 茂縣2001～2013年地表覆蓋類型轉(zhuǎn)換面積統(tǒng)計表/km2

2.4 自然生態(tài)環(huán)境狀況變化分析

通過構建生物豐度指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)和水源涵養(yǎng)指數(shù)3個自然生態(tài)狀況指標，結合地表覆蓋監(jiān)測成果，計算茂縣在2001年、2007年和2013年的自然生態(tài)狀況指標。

生物豐度指數(shù)=Abio×（0.35×（0.6×有林地面積+0.25×灌木林地面積+0.15×其他林地）+0.21×（0.6×高覆蓋度草地面積+0.3×中覆蓋度草地面積+0.1×低覆蓋度草地面積）+ 0.28×（0.1×河流面積+0.3×湖庫面積+0.6×灘涂面積）+0.11×（0.6×水田面積+0.4×旱地面積）+ 0. 04×（0.3×城鎮(zhèn)建設用地+0.4×農(nóng)村居民點+0.3×其他建設用地）+0.01×（0.2×沙地+0.3×鹽堿地+0.3×裸土地+0.2×裸巖石礫））/區(qū)域面積

式中，Abio為生物豐度指數(shù)歸一化系數(shù)，Abio=100/ Abio最大值。Abio最大值指生物豐度指數(shù)歸一化處理前的最大值。

一般Abio最大值會選擇生物豐度指數(shù)能取的最大值，但只有在理想的狀態(tài)下，才能達到，這樣就會擴大Abio最大值的范圍。故本項目采用了一種基于格網(wǎng)的Abio最大值計算方法。

①對茂縣分別建立1 km×1 km的格網(wǎng)矢量數(shù)據(jù)；②在ArcGIS10.1軟件中，將1 km×1 km的格網(wǎng)矢量數(shù)據(jù)與地表覆蓋監(jiān)測矢量成果通過Identity命令進行空間疊加，如圖1所示；③在空間疊加得到的矢量屬性字段中添加Abiom字段，字段為雙浮點精度型；④根據(jù)生物豐度指數(shù)計算公式計算每個統(tǒng)計單元的生物豐度指數(shù)；⑤將得到的生物豐度指數(shù)按值大小進行排序，選取最大的為Abio最大值；⑥按生物豐度指數(shù)計算公式計算監(jiān)測區(qū)域當期的生物豐度指數(shù)。同生物豐度指數(shù)計算方法一致，分別計算監(jiān)測區(qū)域的植被覆蓋指數(shù)和水源涵養(yǎng)指數(shù)（表3）。

圖1 茂縣格網(wǎng)矢量與地表覆蓋矢量空間疊加

圖2 2001年、2007年和2013年的自然生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)空間分布圖

根據(jù)HJ/T192-2015《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術規(guī)范》，生態(tài)環(huán)境狀況綜合評價指數(shù)（EI）為：

EI＝0.25×生物豐度指數(shù)＋0.2×植被覆蓋指數(shù)＋0.2×水網(wǎng)密度指數(shù)＋0.2×土地退化指數(shù)＋0.15×環(huán)境質(zhì)量指數(shù)

表3 2001年、2007年和2013年茂縣自然生態(tài)指標統(tǒng)計表

基于1 km格網(wǎng)，根據(jù)EI的計算公式，計算茂縣在2001年、2007年和2013年的自然生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)，如圖2所示。由圖2（紅色區(qū)域代表生態(tài)指數(shù)較低，生態(tài)狀況較差；綠色區(qū)域代表生態(tài)指數(shù)較高，生態(tài)狀況較好，下同）可以看出，茂縣東部、中部以及南部自然生態(tài)恢復良好，西部地區(qū)以及岷江沿線，自然生態(tài)環(huán)境改善不明顯。

3 結 語

茂縣自然生態(tài)監(jiān)測采用最先進的遙感影像自動解譯技術、GIS空間分析技術以及生態(tài)環(huán)境指數(shù)統(tǒng)計和評價技術，利用多期影像數(shù)據(jù)、基礎地理信息資料和人文經(jīng)濟資料，形成了一套將地理國情監(jiān)測服務于生態(tài)文明建設的應用流程，獲得了茂縣客觀、準確的地表覆蓋及變化信息。

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P237

B

1672-4623（2016）07-0039-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.07.011

毛巍，工程師，主要從事遙感數(shù)據(jù)處理與地圖制圖等方面的研究。

2015-05-04。

項目來源：中國測繪科學研究院四川測繪地理信息局雷達測圖與監(jiān)測技術聯(lián)合實驗室開放研究基金資助項目（SYS2015KFJJ01）。