基于多源遙感數(shù)據(jù)的納板河國家級自然保護(hù)區(qū)人類活動用地監(jiān)測

劉曉龍，徐 瑞，付 卓，史正濤，高書鵬

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基于多源遙感數(shù)據(jù)的納板河國家級自然保護(hù)區(qū)人類活動用地監(jiān)測

劉曉龍1，徐 瑞1，付 卓2※，史正濤1，高書鵬1

（1. 云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，昆明 650500；2. 環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094）

人類活動對自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的珍稀及瀕危野生動植物資源產(chǎn)生威脅。以自然保護(hù)區(qū)土地利用及其變化作為保護(hù)區(qū)內(nèi)人類活動的代表。針對在低緯度熱帶地區(qū)多云霧天氣對光學(xué)遙感成像產(chǎn)生嚴(yán)重干擾的條件下，如何實(shí)現(xiàn)基于多源遙感數(shù)據(jù)構(gòu)建高時間、高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)，監(jiān)測復(fù)雜地形及氣候環(huán)境下的熱帶雨林環(huán)境自然保護(hù)區(qū)土地利用變化監(jiān)測，進(jìn)而分析保護(hù)區(qū)人類活動這一問題展開研究。采用時空數(shù)據(jù)融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)了2000年、2004年、2010年和2015年納板河國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)人類活動（主要為人類活動用地：橡膠林、耕地、建筑用地）和自然地表（水體和自然林）分類識別，結(jié)果表明：1）時空數(shù)據(jù)融合技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜地形以及多云多霧天氣條件下的高時空分辨率遙感數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)基于該時間序列數(shù)據(jù)的人類活動用地較高精度識別（2000年、2004年、2010年、2015年的總體分類精度分別為88.13%、86.88%、89.38%、90.63%，Kappa系數(shù)分別為0.834 0、0.817 6、0.853 3、0.871 1）；2）納板河國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)2000年至2015年期間，自然林的面積持續(xù)減少，橡膠林、耕地及建筑的面積持續(xù)增加；3）保護(hù)區(qū)內(nèi)人類活動隨地形的變化特征是：橡膠林及耕地范圍在向坡度較大的地區(qū)擴(kuò)張，大部分橡膠林種植在坡度為13°~24°之間，耕地也在向坡度較大的地區(qū)逐步擴(kuò)張。該研究可為自然保護(hù)區(qū)監(jiān)管部門及環(huán)境保護(hù)研究領(lǐng)域提供技術(shù)支持。

遙感；土地利用；監(jiān)測；納板河國家級自然保護(hù)區(qū)；時空數(shù)據(jù)融合；時間序列；土地利用變化

0 引 言

自然保護(hù)區(qū)是指對具有代表性的自然生態(tài)系統(tǒng)、珍稀瀕危野生動植物物種的天然集中分布區(qū)、有特殊意義的自然遺跡等保護(hù)對象所在的陸地、陸地水體或者海域，依法劃出一定面積予以特殊保護(hù)和管理的區(qū)域[1]。自然保護(hù)區(qū)的建立對生物的多樣性、生態(tài)平衡、構(gòu)建和諧的人與自然關(guān)系具有重大作用。然而自然災(zāi)害以及人類活動對自然保護(hù)區(qū)造成了嚴(yán)重的影響，其中人類活動是導(dǎo)致自然保護(hù)區(qū)生態(tài)平衡遭受破壞的重要原因[2-3]。2016年，原環(huán)境保護(hù)部用遙感技術(shù)對全國446個國家級自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2016年全國國家級自然保護(hù)區(qū)均存在不同程度的人類活動[4]。自然保護(hù)區(qū)人類活動遙感監(jiān)測可為及時發(fā)現(xiàn)違法違規(guī)行為提供線索，為保護(hù)區(qū)監(jiān)管提供技術(shù)支持。

隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，遙感技術(shù)為自然保護(hù)區(qū)監(jiān)測提供了新手段。傳統(tǒng)的以光譜分析特征為基礎(chǔ)的監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類在自然保護(hù)區(qū)識別人類活動中應(yīng)用比較廣泛，但基于監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類的傳統(tǒng)分類方法的分類精度在很大程度上取決于影像質(zhì)量和時相選取[5]。因此，基于監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類的傳統(tǒng)分類方法得到的分類結(jié)果存在很大的不確定性[6-7]。而時間序列分析方法則強(qiáng)調(diào)在一段時間內(nèi)對同一區(qū)域進(jìn)行連續(xù)遙感監(jiān)測，提取地物隨時相變化的有關(guān)特征，并分析地物變化特性，諸如，可以通過分析經(jīng)濟(jì)作物的多時相特征（NDVI時間序列）來識別人工林、人工作物。目前有很多通過構(gòu)建NDVI時間序列來提取地物的研究，如劉曉娜等[8]曾用時間序列MODIS-NDVI提取西雙版納橡膠林；王紅說等[9]利用MODIS-NDVI時間序列譜匹配的方法提取季相相似的耕地。然而，針對低緯地區(qū)多云多霧、地形復(fù)雜等特征，采用單一遙感數(shù)據(jù)源進(jìn)行地物精細(xì)識別具有局限性，如空間分辨率不足，或時間分辨率較低。為此，許多研究者利用多源遙感數(shù)據(jù)基于時間序列進(jìn)行地物的提取，如劉曉娜等[10]利用Landsat和MODIS-NDVI數(shù)據(jù)采用決策樹分類方法提取中老緬邊界處的橡膠林；梁守真等[11]利用MODIS時間序列的NDVI數(shù)據(jù)與多時相的Landsat TM數(shù)據(jù)用面向?qū)ο蟮姆椒ㄌ崛『Ｄ鲜∷蓾畮熘苓叺南鹉z林。上述研究結(jié)果表明，基于時間序列遙感數(shù)據(jù)可以獲取地物時相信息，進(jìn)而有效地實(shí)現(xiàn)地物識別精度的提高。然而基于多源可見光遙感數(shù)據(jù)的復(fù)雜天氣及地形條件下自然保護(hù)區(qū)人類活動及其變化特征分析研究不多見[12]，目前基于時間序列遙感觀測的自然保護(hù)區(qū)變化監(jiān)測多采用高時間、低空間分辨數(shù)據(jù)[13-15]，或高空間、低時間分辨率遙感觀測數(shù)據(jù)[16-18]。這兩者在保護(hù)區(qū)土地利用或保護(hù)區(qū)人類活動監(jiān)測上均有不足：前者有利于保護(hù)區(qū)內(nèi)人類活動的動態(tài)變化識別，但是低空間分辨率數(shù)據(jù)存在大量混合像元，不利于對地表覆被變化的精細(xì)分析，無法實(shí)現(xiàn)面積較小的人類活動提??；后者能夠更精細(xì)地捕捉地物空間紋理及結(jié)構(gòu)特征，但是中國西南熱帶地區(qū)植被覆蓋度高、地形復(fù)雜，導(dǎo)致不同類型植被的空間紋理及結(jié)構(gòu)特征存在混淆，因此單一時相高空間分辨率數(shù)據(jù)的空間結(jié)構(gòu)及光譜特征，在不同類型植被分類識別中存在困難。如何兼具遙感影像觀測中地物的時間、空間特征，獲取高時空分辨率數(shù)據(jù)，是實(shí)現(xiàn)基于可見光遙感數(shù)據(jù)的熱帶地區(qū)復(fù)雜環(huán)境下高精度地物分類識別的重要途徑。

本文針對低緯度熱帶地區(qū)多云霧天氣對光學(xué)遙感成像產(chǎn)生嚴(yán)重干擾的條件下，實(shí)現(xiàn)基于多源遙感數(shù)據(jù)構(gòu)建高時間、高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)，監(jiān)測復(fù)雜地形及氣候環(huán)境下的熱帶雨林環(huán)境自然保護(hù)區(qū)土地利用變化，進(jìn)而分析保護(hù)區(qū)人類活動，對自然保護(hù)區(qū)監(jiān)管和時間序列遙感觀測技術(shù)在自然保護(hù)區(qū)人類活動動態(tài)監(jiān)測應(yīng)用中具有重要價值。

1 研究區(qū)數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

納板河國家級自然保護(hù)區(qū)位于中國云南省西雙版納傣族自治州境內(nèi)，該保護(hù)區(qū)是由1991年建立的省級自然保護(hù)區(qū)，于2000年4月晉升為國家級自然保護(hù)區(qū)。保護(hù)區(qū)距離景洪市大約40 km，其地理坐標(biāo)為：北緯22°04￠～22°17￠，東經(jīng)100°32￠～100°44￠（圖1）。保護(hù)區(qū)內(nèi)熱量充足、氣候濕潤，年平均氣溫18～22 ℃，年降雨量1 100～1 600 mm，充沛的降雨和充足的熱量條件造就了該保護(hù)區(qū)內(nèi)豐富的生物多樣性。納板河保護(hù)區(qū)自然林覆蓋率為67.74%，屬于自然生態(tài)系統(tǒng)中的森林生態(tài)系統(tǒng)[19]。納板河自然保護(hù)區(qū)的主要保護(hù)對象是熱帶雨林以及珍貴的動植物，但是隨著橡膠市場的價格抬升，加上西雙版納得天獨(dú)厚的氣候條件使得村民在自然保護(hù)區(qū)內(nèi)大面積種植橡膠林，許多輪歇地變成了橡膠林種植地，甚至砍伐大面積的熱帶雨林后種植橡膠林，嚴(yán)重威脅保護(hù)區(qū)內(nèi)的生物多樣性，受到人們的廣泛關(guān)注。

圖1 研究區(qū)位置（納板河國家級自然保護(hù)區(qū)位于西雙版納傣族自治州景洪市以北約40 km）

1.2 數(shù)據(jù)與方法

1.2.1 數(shù)據(jù)及其預(yù)處理

由于研究區(qū)的氣候?yàn)闊釒Ъ撅L(fēng)氣候，分干季和濕季，濕季云雨天氣較多，可見光數(shù)據(jù)可用性差，因此用于本文的MODIS與Landsat數(shù)據(jù)均選自這一地區(qū)干季（當(dāng)年11月初至次年3月中旬，地面調(diào)查結(jié)果表明，期間耕地、自然林、橡膠林植被覆蓋度及其變化特征各不相同：耕地與自然林植被覆蓋度不變，但是耕地處于休耕期，植被覆蓋度明顯低于自然林；橡膠林出現(xiàn)落葉及返青現(xiàn)象，植被覆蓋度先減小，后回升），數(shù)據(jù)近一個季度的時間跨度保證了研究區(qū)內(nèi)地物具有相近的時相。本文使用的數(shù)據(jù)有4種：

1）Landsat數(shù)據(jù)。Landsat數(shù)據(jù)1級產(chǎn)品下載自美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）（https://glovis.usgs.gov/），數(shù)據(jù)成像周期為16 d。選取在研究區(qū)內(nèi)無云的2000年、2004年、2010年、2015年4個年份的Landsat TM/ETM+/OLI數(shù)據(jù)，如表1所示。各年份內(nèi)所用MODIS與Landsat數(shù)據(jù)具有相同的時相，但由于不同年份之間可用的Landsat數(shù)據(jù)和成像時間不同，所以各年份之間的數(shù)據(jù)時相存在差別，但是每個時期內(nèi)，都具有前文所述的不同類型植被覆蓋度的變化特征。美國地質(zhì)調(diào)查局在發(fā)布Landsat數(shù)據(jù)之前已經(jīng)對其進(jìn)行系統(tǒng)校正，屬于一級產(chǎn)品，研究需要用到地表反射率數(shù)據(jù)，因此本文使用LEDAPS大氣校正模型對其進(jìn)行大氣校正。LEDAPS是基于6S（Second Simulation of a Satellite Signal in the Solar Spectrum）模型的大氣校正軟件，由NASA GSFC（Goddard Space Flight Center）提供相應(yīng)的參數(shù)數(shù)據(jù)[20]。由于Landsat 7 Enhanced Thermal Mapper Plus（ETM +）傳感器的掃描線校正器（scan line corrector，SLC）出現(xiàn)故障，導(dǎo)致大約22%的像素未被掃描，存在數(shù)據(jù)缺失。因此，在使用Landsat 7 ETM+數(shù)據(jù)之前要對其進(jìn)行條帶填充，本文使用GNSPI算法對ETM+數(shù)據(jù)進(jìn)行條帶填充處理[21]。

2）MODIS數(shù)據(jù)：采用與Landsat數(shù)據(jù)同一時期的MOD09GQ數(shù)據(jù)（MODIS地表反射率產(chǎn)品，屬于陸地標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，地面分辨率為250 m，重訪周期為1 d）。MODIS數(shù)據(jù)源自NASA數(shù)據(jù)共享平臺(http://reverb.echo.nasa. gov/)。MODIS發(fā)布產(chǎn)品為HDF格式，投影類型為正弦曲線投影（等面積偽圓柱投影），與Landsat數(shù)據(jù)不同，所以本文選用MRT（MODIS Reprojection Tool）工具對其進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換批處理，將MODIS數(shù)據(jù)投影轉(zhuǎn)換為基于WGS-84橢球體的UTM投影，與Landsat數(shù)據(jù)坐標(biāo)系保持一致。

3）SPOT數(shù)據(jù)和4）Google Earth數(shù)據(jù)：SPOT數(shù)據(jù)和Google Earth數(shù)據(jù)用于地物識別的精度驗(yàn)證，研究區(qū)2000年的分類結(jié)果使用SPOT數(shù)據(jù)（空間分辨率10 m）進(jìn)行精度評定，2004年、2010年、2015年的分類結(jié)果分別采用Google Earth數(shù)據(jù)（空間分辨率4 m）進(jìn)行精度驗(yàn)證。

表1 所采用遙感影像

1.2.2 研究方法

Landsat數(shù)據(jù)的空間分辨率為30 m，能夠以較高的精度識別地物，但時間分辨率較低（重訪周期16 d），且易受到云霧天氣的影響，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失，限制了Landsat數(shù)據(jù)對地表植被覆蓋變化的監(jiān)測能力。MODIS 數(shù)據(jù)的空間分辨率較低，可應(yīng)用于種植面積較大，結(jié)構(gòu)單一的作物識別和監(jiān)測[22-23]，但不適用于地表覆蓋類型破碎、空間異質(zhì)性強(qiáng)烈的復(fù)雜地物識別。受限于傳感器技術(shù)，當(dāng)前尚不存在高時間、高空間分辨率的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。但是通過多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，能夠獲取可見光波段的地表反射率融合數(shù)據(jù)，可以融合得到每日的30 m空間分辨率的地表反射率數(shù)據(jù)，綜合Landsat數(shù)據(jù)和MODIS 數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效監(jiān)測不同植被隨時間的生長變化情況[24]。Zhu等[25]提出的時空數(shù)據(jù)融合算法ESTARFM（Enhanced Spatial and Temporal Adaptive Reflectance Fusion Model），該算法通過指定大小窗口內(nèi)前后2個時期的低分辨率和高分辨率像元對，及待融合時相的低分辨率影像像元，建立待融合像元與前后時期像元之間的空間關(guān)系，估算當(dāng)前高分辨率像元值。因該模型應(yīng)用普遍、可靠程度高，容易實(shí)現(xiàn)等原因，本文采用時空數(shù)據(jù)融合算法ESTARFM，融合獲得高時空分辨率數(shù)據(jù)。

獲取融合數(shù)據(jù)后，對融合的結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。本文用融合得到的數(shù)據(jù)與當(dāng)日衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，例如驗(yàn)證2015年第35天（DOY035）的融合精度，是用融合得到的數(shù)據(jù)（DOY035紅光和近紅外波段反射率）計(jì)算NDVI，建立該NDVI與當(dāng)日Landsat數(shù)據(jù)計(jì)算所得NDVI之間的相關(guān)系數(shù)，根據(jù)該相關(guān)系數(shù)分析融合精度[26]。運(yùn)用此方法分別驗(yàn)證2000、2004、2010和2015年融合的NDVI數(shù)據(jù)，相關(guān)性2分別為：0.821 3、0.818 1、0.942 0和0.901 2。決定系數(shù)2均高于0.8（<0.01），融合結(jié)果與觀測結(jié)果顯著相關(guān)，表明融合產(chǎn)品的精度可靠，可在一定程度上代表同時相觀測影像的光譜信息。

在基于融合得到的高時空分辨率數(shù)據(jù)的研究區(qū)地類分類中，首先用融合得到的數(shù)據(jù)構(gòu)建NDVI時間序列，由于NDVI時間序列上存在噪聲，因此本文使用S-G（Savitzky-Golay）濾波對其進(jìn)行濾波處理[27]，如圖2所示。獲取的NDVI時間序列數(shù)據(jù)集屬于高維數(shù)據(jù)，含有大量的植被變化信息，而過高的數(shù)據(jù)維度會造成數(shù)據(jù)冗余及分類精度下降問題[28-29]。因此，本文提取NDVI時間序列曲線上對分類貢獻(xiàn)較大的6個分類特征：每年12月至次年3月期間的NDVI的最大值、最小值、時間序列曲線導(dǎo)數(shù)取值最小時對應(yīng)的NDVI值(不同類型植被NDVI的這3個值不同，區(qū)分度高)、總體時間序列NDVI曲線積分(曲線積分表達(dá)不同類型植被生長情況的不同)、每年第1天與每年第43天之間的NDVI曲線積分（這一時期曲線積分表達(dá)橡膠林生長的累積量，提高橡膠分類精度）、NDVI最大值與NDVI曲線積分的比值(使用不同特征的比值，提高特征的區(qū)分度)[30-31]。

分類中運(yùn)用隨機(jī)森林（RF，Random Forest）分類器并利用上述6個分類特征對保護(hù)區(qū)內(nèi)建筑用地、耕地、橡膠林、水體和自然林進(jìn)行分類識別。分類中，訓(xùn)練樣本的選取直接關(guān)系到分類結(jié)果，為了保證選取樣本的代表性以及隨機(jī)性，本文根據(jù)2000年10 m分辨率的SPOT數(shù)據(jù)和2004—2015年的Google Earth高清影像，大致估算各地類的面積比例，然后根據(jù)各年份各地類比例選取相應(yīng)的樣本點(diǎn)。樣本選取中，各年份的樣本總數(shù)均為400個。分類中隨機(jī)選取200個樣本作為訓(xùn)練樣本，用于訓(xùn)練分類器，其余的200個（1/2）用于分類結(jié)果的精度評價。本研究采用分類誤差矩陣進(jìn)行精度評價[32]。研究區(qū)土地利用變化分析中，采用轉(zhuǎn)移矩陣分析各年份間土地利用變化。整體方法流程見圖3所示。

圖2 各時期時間序列NDVI數(shù)據(jù)去噪及不同植被曲線特征

圖3 納板河自然保護(hù)區(qū)人類活動用地監(jiān)測方法流程圖

2 地物分類及精度評價

本研究采用隨機(jī)森林分類器實(shí)現(xiàn)分類，隨機(jī)森林采用集成分類器的思想將若干弱分類器集成在一起，采用訓(xùn)練樣本運(yùn)用bootstrap sample（隨機(jī)且有放回地抽?。┏闃臃椒ㄉ擅總€弱分類器的訓(xùn)練樣本并得到相應(yīng)的分類結(jié)果，各個弱分類器的分類結(jié)果共同構(gòu)成了每個類別的一次“投票”，票數(shù)最多的那個類別即為分類結(jié)果，以此得到所有類別的分類結(jié)果。在弱分類器的使用中，Breiman[16]采用CART（classification and regression trees）分類器作為構(gòu)成隨機(jī)森林分類器的弱分類器，在CART中的類別決策中使用Gini指數(shù)和信息熵作為決策依據(jù)。本文使用Breiman的隨機(jī)森林分類器模型(https://www. stat.berkeley.edu/~breiman/RandomForests/cchome.htm#papers），分類中分別設(shè)置隨機(jī)森林中生長樹為100，節(jié)點(diǎn)分裂變量數(shù)為3，分類特征為前文選取的6個分類特征。采用隨機(jī)森林分類器的分類結(jié)果如圖4所示。

結(jié)合分類結(jié)果（見圖4）和分類精度（見表2），研究區(qū)4個不同年份的總體分類精度均在86%以上，Kappa系數(shù)大于0.817，分類精度較高。各年份分類結(jié)果中，極少部分耕地錯分為橡膠林，這是由于在當(dāng)年12月至翌年3月橡膠林處于落葉期，耕地處于農(nóng)閑時期，橡膠林與農(nóng)作物在影像上呈現(xiàn)相似的光譜特征，導(dǎo)致誤分。在建筑物周圍橡膠林被誤分為自然林，因?yàn)樵诮ㄖ镏車鹉z林與自然林之間沒有明顯的界限，自然林中混有橡膠林。當(dāng)自然林的覆蓋度較低時，自然林和耕地會出現(xiàn)小部分誤分的現(xiàn)象。另一個導(dǎo)致分類精度評價結(jié)果較低的原因是分類樣本，研究區(qū)內(nèi)樣本的選取是按各地物比例選取，而納板河國家自然保護(hù)區(qū)內(nèi)部分用地（如建筑用地）占比很小，導(dǎo)致這類地物的錯分、漏分比例被夸大。

圖4 納板河自然保護(hù)區(qū)2000、2004、 2010、2015年地物分類結(jié)果

表2 納板河自然保護(hù)區(qū)2000、2004、2010、2015年分類精度

注：PA表示生產(chǎn)者精度，UA表示用戶精度。

Note: PA represents producer’s accuracy and UA represents user’s accuracy.

3 結(jié)果與分析

為分析納板河國家自然保護(hù)區(qū)用地在2000—2015年期間的變化特征，本文分別從2000—2015年保護(hù)區(qū)內(nèi)各地類之間的相互轉(zhuǎn)換和每種土地利用的時間變化趨勢進(jìn)行分析。另外本文又對2000—2015年期間該地區(qū)人工用地在地形上的變化趨勢進(jìn)行了分析，以揭示保護(hù)區(qū)人工用地變化的空間特征。

3.1 土地利用變化分析

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以很好地描述并分析研究區(qū)內(nèi)的土地利用類型的面積變化情況，被廣泛應(yīng)用于土地利用變化分析中。本文利用土地利用變化分析中比較常用的相對變化量、總變化量、轉(zhuǎn)移矩陣來進(jìn)行土地利用變化分析。

以2000、2004、2010和2015年的納板河自然保護(hù)區(qū)土地利用分類結(jié)果為輸入數(shù)據(jù)，利用ENVI 5.3軟件計(jì)算得到西雙版納納板河國家級自然保護(hù)區(qū)3個時間段的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（見表3）。根據(jù)表3，計(jì)算得到2000—2015年間3個時間段各地類的變化情況（見表4）。對2000—2015年納板河流域自然保護(hù)區(qū)的土地利用情況進(jìn)行分析可以看出：

2000—2004年保護(hù)區(qū)內(nèi)各地類變化中：

1）保護(hù)區(qū)內(nèi)增加的水體面積主要來源于耕地和建筑用地，轉(zhuǎn)變成水體的耕地和建筑用地分別占研究區(qū)面積的0.06%和0.01%；

2）擴(kuò)張的耕地大部分由自然林轉(zhuǎn)變而來（占整個研究區(qū)1.75%的自然林轉(zhuǎn)變成耕地），其次是橡膠林（占整個研究區(qū)面積0.62%的橡膠林轉(zhuǎn)變成耕地）；

3）自然林和耕地對建筑用地的貢獻(xiàn)率分別達(dá)到了0.01%和0.04%，耕地成為建筑用地的主要來源；

4）橡膠林的種植范圍在快速擴(kuò)張，擴(kuò)張的橡膠林主要來源于自然林和耕地（占整個研究區(qū)面積1.28%的自然林轉(zhuǎn)變成橡膠林，占研究區(qū)面積1.75%的耕地變?yōu)橄鹉z林）。

2004—2010年保護(hù)區(qū)內(nèi)各地類變化中：

1）增加的水體面積主要來源于自然林和橡膠林，分別為研究區(qū)總面積的0.62%和0.17%；

2）增加的建筑用地主要由耕地轉(zhuǎn)變而來（占整個研究區(qū)面積0.05%的耕地成為了建筑用地），而增加的耕地面積主要來源于自然林，有整個研究區(qū)面積3.47%的自然林轉(zhuǎn)變成耕地；

3）擴(kuò)張的橡膠林主要由自然林轉(zhuǎn)變而來，轉(zhuǎn)變成橡膠林的自然林面積占整個研究區(qū)面積的1.74%，其次是耕地，占研究區(qū)面積的0.58%。

2010—2015年保護(hù)區(qū)內(nèi)各地類變化中：

1）增加的水體面積主要來源于耕地，占整個研究區(qū)面積0.04%的耕地轉(zhuǎn)變成水體，其次分別是橡膠林、自然林和建筑用地，對水體的貢獻(xiàn)率均為0.01%；

2）自然林對耕地的貢獻(xiàn)率最大，增加的耕地面積中有96.47%來自于自然林（2010—2015年轉(zhuǎn)變成耕地的自然林占整個研究區(qū)面積的比值為4.10%，2010—2015年新增的耕地面積占整個研究區(qū)面積的比值為4.25%，4.10 /4.25×100% = 96.47%）；

3）擴(kuò)張的建筑用地面積有76.92%來自耕地和橡膠林（2010—2015年轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄖ玫氐母嘏c橡膠林的面積占整個研究區(qū)面積的百分比均為0.05%，0.13%是2010—2015年新增的建筑用地面積占整個研究區(qū)面積的比值，（0.05%+ 0.05%）÷0.13% = 76.92%）；占整個研究區(qū)總面積0.94%和0.60%的耕地和自然林用地轉(zhuǎn)變成橡膠林種植地。

綜上所述，研究區(qū)內(nèi)2000—2015年減少的自然林用地主要轉(zhuǎn)變成耕地、建筑用地、橡膠林種植地。擴(kuò)張的建筑用地主要來源于耕地，其次是自然林和橡膠林；擴(kuò)張的耕地主要由自然林和橡膠林轉(zhuǎn)變而來。2000—2004年、2004—2010年、2010—2015年，每個時間段都有超過0.60%的自然林用地轉(zhuǎn)變成橡膠林。

表3 納板河流域自然保護(hù)區(qū)2000—2015年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

根據(jù)表4對納板河國家級自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行2000—2015年土地利用變化統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果如下：

1）2000—2004年納板河國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)橡膠林的總變化量最大，占研究區(qū)土地總面積的4.23%，其次是自然林和耕地，分別占4.05%和3.83%，建筑用地和水體相對較小，分別占0.09%和0.08%。自然林的相對變化量達(dá)到–2.03%，其次是橡膠林和耕地，為0.99%和0.97%。

2）2004—2010年納板河國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)自然林的總變化量最大（6.04%），其次是耕地和橡膠林，總變化量分別為4.44%和2.50%。但是橡膠林和自然林的相對變化量剛好相反，自然林的相對變化量為–5.64%，占總變化量的93.38%，橡膠林的相對變化量為+2.14%，占總變化量的85.60%。建筑用地的相對變化量為+0.02%，占總變化量的16.67%，耕地的相對變化量為+2.54%，水體的相對變化量為+0.94%。從表4可以看出橡膠林、耕地、建筑用地和水體面積在增加，自然林的范圍在逐漸縮小。

3）2010—2015年耕地的總變化量最大（5.29%），其次是自然林和橡膠林，總變化量分別為4.74%和1.71%，相對變化量較大的是自然林和耕地，分別為–4.72%和+3.21%。橡膠林的總變化量和相對變化量相對較?。ǚ謩e為1.71%和+1.41%），建筑用地和水體的總變化量和相對變化量較小（建筑用地分別為0.20%和+0.06%，水體分別為0.09%和+0.03%）。水體、耕地、建筑用地、橡膠林、自然林的相對變化量占總變化量的比值分別為33.33%、60.68%、30.00%、82.46%、99.58%。

綜上所述，2000—2015年期間，該自然保護(hù)區(qū)內(nèi)水體、耕地、建筑用地、橡膠林面積在增加，自然林的面積在減少。

表4 納板河流域自然保護(hù)區(qū)2000—2015年土地利用變化統(tǒng)計(jì)

2000、2004、2010和2015年保護(hù)區(qū)內(nèi)各地類分類結(jié)果獲取的各個地類面積及其變化如圖5所示，不難發(fā)現(xiàn)納板河流域自然保護(hù)區(qū)內(nèi)各地類變化明顯：

1）2000—2015年期間水體面積整體上在增加，但是2004—2010年水體面積增加較大，這是由于華能景洪水電廠的建立使得河道變寬（華能景洪水電廠于2003年7月開始籌建，2008年6月正式投入使用）[33]。

2）2000—2015年期間耕地面積逐漸增加。2000—2004年、2004—2010年、2010—2015年，各時間段的耕地增長率分別為16.40%、37.43%、34.35%。研究區(qū)內(nèi)耕地面積整體上在增加，對比3個時間段內(nèi)耕地的面積增長率，可知2004—2010年的增長率最大。

3）根據(jù)圖5結(jié)果，建筑用地和水體的面積都在增加，但相對于橡膠林和耕地而言建筑用地和水體的面積變化較小。

4）圖5表明保護(hù)區(qū)內(nèi)橡膠林種植面積在2000—2015年期間持續(xù)增加，并且2004—2015年間增長最迅速（增長率為32.81%）。

5）2000—2015年間，保護(hù)區(qū)內(nèi)自然林面積在持續(xù)減少。2000—2004年、2004—2010年、2010—2015年，各時間段的自然林減少率分別為2.30%、6.56%、5.86%。對比3個時間段內(nèi)自然林減少率，可知2004—2010年的減少率最大。結(jié)合表3結(jié)果可知減少的自然林用地轉(zhuǎn)變成水體、建筑用地、耕地和橡膠林，其中減少的自然林大部分轉(zhuǎn)變成了橡膠林和耕地，有2.62%的自然林轉(zhuǎn)變成橡膠林（1.28% + 1.74% + 0.6% - 1% = 2.62%，1.28%、1.74%、0.6%分別為2000—2004年、2004—2010年、2010—2015年轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z林的自然林面積與整個研究區(qū)面積的比值，1%為2000—2004年轉(zhuǎn)變成自然林的橡膠林面積與整個研究區(qū)面積的比值），有9.14%的自然林轉(zhuǎn)變成耕地?？偟膩砜?，2000—2015年期間減少的橡膠林主要轉(zhuǎn)變?yōu)楦亍?/p>

圖5 2000—2015年各地類變化趨勢

3.2 自然保護(hù)區(qū)人類活動隨地形分布特征

結(jié)合西雙版納納板河自然保護(hù)區(qū)的坡度圖對橡膠林、耕地、建筑用地的變化情況進(jìn)行分析，如圖6、7所示。

根據(jù)圖6的結(jié)果，建筑用地的分布位置總體上沒發(fā)生變化，但是面積增加，建筑用地的變化趨勢不如耕地和橡膠林明顯；可以看出2000—2015年橡膠林的種植范圍在擴(kuò)大，橡膠林的種植范圍主要在地勢平緩地區(qū)，種植區(qū)比較集中，如圖7a所示。橡膠林首先在坡度0°～12°之間擴(kuò)張，隨后從坡度0°～12°遞增到13°～24°，再逐漸擴(kuò)大到坡度為25°～36°之間，坡度37°～48°之間極少橡膠林分布，且各年份間的變化微小，在坡度為25°～36°之間的橡膠林較少，坡度在0°～12°之間的橡膠林比較多，大部分橡膠林種植在坡度為13°～24°之間。

圖6 2000—2015年橡膠林、耕地、建筑用地隨地形分布情況

圖7 2000—2015年橡膠林、耕地種植范圍隨坡度變化情況

根據(jù)圖6、7b的結(jié)果，可以看出耕地的面積在增大，首先在坡度0°～12°之間擴(kuò)張，隨后從坡度0°～12°遞增到13°～24°，再逐漸擴(kuò)大到坡度為37°～48°之間。坡度大于48°的地區(qū)不存在耕地，較少的耕地分布在坡度為37°～48°之間，一部分耕地分布在坡度為25°～36°之間，分布在坡度為0°～12°之間的耕地比較多，大部分耕地分布在坡度為13°～24°之間。耕地變化最明顯的地區(qū)位于研究區(qū)的西南部，在這一片區(qū)，耕地大面積地?cái)U(kuò)張。

總體上，2000—2015年期間納板河流域自然保護(hù)區(qū)內(nèi)建筑物面積變化最小，面積變化較大的是橡膠林、耕地、自然林。橡膠林的種植范圍在逐漸擴(kuò)大，耕地的面積也在增加，而自然林的面積持續(xù)減少，減少的自然林以轉(zhuǎn)換為橡膠林和耕地為主。納板河流域自然保護(hù)區(qū)內(nèi)人工用地變化較大，人類活動的增加必然導(dǎo)致自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的自然林面積的減少。

4 結(jié)論與討論

針對受天氣條件干擾嚴(yán)重致使衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)不足的低緯熱帶地區(qū)，本文利用時空數(shù)據(jù)融合算法獲取了西雙版納地區(qū)納板河國家級自然保護(hù)區(qū)的高時空分辨率數(shù)據(jù)，并基于該數(shù)據(jù)對研究區(qū)內(nèi)代表人類活動強(qiáng)度的土地利用進(jìn)行分類識別，基于識別結(jié)果分析了該區(qū)域內(nèi)2000—2015年人類活動的時空變化規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1）時空數(shù)據(jù)融合技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜地形以及多云多霧天氣條件下的時間序列數(shù)據(jù)構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)基于時間序列數(shù)據(jù)的土地利用高精度識別；

2）基于時間序列數(shù)據(jù)的分類結(jié)果，對研究區(qū)人類生產(chǎn)活動用地變化分析表明：2000—2015自然林的面積在持續(xù)減少，橡膠林、耕地及建筑用地的面積在持續(xù)增加；

3）橡膠林及耕地范圍在向坡度較大的地區(qū)擴(kuò)張，大部分橡膠林種植在坡度為13°～24°之間，耕地也在向坡度較大的地區(qū)逐步擴(kuò)張。

綜合分析可知在納板河國家自然保護(hù)區(qū)內(nèi)人類的種植活動活躍，對區(qū)域內(nèi)用地類型影響最大，導(dǎo)致自然保護(hù)區(qū)內(nèi)自然林的面積在持續(xù)減少。

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Liu Xiaolong1, Xu Rui1, Fu Zhuo2※, Shi Zhengtao1, Gao Shupeng1

(1.650500,; 2.100094,)

Human activities within the Nature Reserves are considered a threat to the endangered species. This study takes the land cover/land use as the representative of human activities within the Nabanhe National Nature Reserve. As optical remote sensing images are frequently contaminated by cloud and frog, which will restrict its practicality in monitoring human activities in Nabanhe National Nature Reserve, this study aimed to fuse the multi-resources of optical remote sensing images to build a high spatio-temporal resolution data (30 m daily surface reflectance) for the year 2000, 2004, 2010 and 2015 using the ESTARFM (Enhanced Spatial and Temporal Adaptive Reflectance Fusion Model). The fused data was assessed during the data fusing procedure, and in a correlation of greater than 0.8 (with<0.01) with the reference image for each period of time. The fused data was then used to generate the time-series NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), which would be used to differentiate each of the 5 land covers (namely natural forest, rubber trees, water, farmland and built-up area) to be classified. Previous to the extraction of the time-series features, denoising of the time-series NDVI was conducted using the double S-G (Savitzky-Golay) filter. 6 features were generated using the denoised NDVI time-series data, and used to classify the 5 land covers above. The Random Forest classifier was used during the classification, and the RF classifier was trained using the reference samples that were selected from high spatial resolution Google Earth images. The overall accuracies of the final classification results were greater than 86.88%, with Kappa values greater than 0.817 6 (the overall classification accuracies for the year 2000, 2004, 2010 and 2015 were 88.13%, 86.88%, 89.38% and 90.63% respectively, and the corresponding Kappa values were 0.834 0, 0.817 6, 0.853 3 and 0.871 1,respectively). This accuracy guaranteed the availability of the classification results in monitoring human activities in Nabanhe National Nature Reserve. The land cover/land use changing trend was analyzed based on the classification results for each period of time, of which the results were as follows: from 2000 to 2004, water area increased mainly due to the conversion of farmland and built-up area, which occupied 0.06% and 0.01% respectively of the entire area of the Nabanhe National Nature Reserve. Farmland area increased, and the increased area was mainly from natural forest and rubber trees. Built-up area increased, and the increased area was from natural forest and farmland. The area of the increased rubber trees is the largest, and the increased rubber trees occupied natural forest and farmland. The only decreased land cover/land use was the natural forest during this period of time. From 2004 to 2010, water areas increased mainly due to the conversion of natural forest and rubber trees, because there was a hydropower station built during this period of time. Increased farmland area was mainly from forest, while increased built-up area was mainly from farmland. Rubber area was increasing due to the conversion of forest, the area of which was decreasing constantly during this period of time. From 2010 to 2015, increased water occupied farmland and the forest was changed to farmland with the largest area (96.47% of all land converted to farmland was forest). Expanded built-up area was from rubber farmland (occupied 76.92% of all land changed to built-up). It was during this time that the farmland changed the most, it was 5.29% of the area of the Nabanhe National Nature Reserve. Obvious land use changing trend corresponding to terrain was found from 2000 to 2015. Built-up distribution changed less, but the corresponding area increased. The rubber was distributed in areas with slopes ranging from 0 to 36 degrees, and it was first expanded from 0 to 12 degrees, and then to 24 degrees and now is distributed to near 36 degrees. The expansion of rubber is pushing the rubber planting to the limit in the Nabanhe National Nature Reserve. Same changing trend was found to the farmland from 2000 to 2015. Both of these land covers are expanding to steeper terrain and larger areas in the Nabanhe National Nature Reserve. The method provided by this study may support the governmental departments in monitoring human activities within Nature Reserves.

remote sensing; land use; monitoring; Nabanhe National Nature Reserve; spatio-temporal data fusion; time-series; land cover/land use change

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.034

S127；S794.1

A

1002-6819(2018)-19-0266-10

2018-06-20

2018-09-03

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目( 2016YFB0501404)；云南省青年基金“基于多源遙感數(shù)據(jù)的植被類型精細(xì)分類方法研究” (2016FD021)；高分對地觀測重大專項(xiàng)（30-Y20A37-9003-15/17）

劉曉龍，男，內(nèi)蒙古赤峰人，博士，主要從事高分熱帶植被遙感的理論和應(yīng)用研究。Email: LiuXL@mail.bnu.edu.cn

付卓，女，湖北省武漢人，高級工程師，主要從事自然保護(hù)區(qū)變化遙感監(jiān)測研究。Email：fuzhuo@126.com

劉曉龍，徐 瑞，付 卓，史正濤，高書鵬. 基于多源遙感數(shù)據(jù)的納板河國家級自然保護(hù)區(qū)人類活動用地監(jiān)測[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(19)：266－275. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.034 http://www.tcsae.org

Liu Xiaolong, Xu Rui, Fu Zhuo, Shi Zhengtao, Gao Shupeng. Monitoring land use for human activities in Nabanhe National Nature Reserve based on multi-source remote sensing data[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(19): 266－275. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.034 http://www.tcsae.org