珠江源自然保護區(qū)濕地遙感監(jiān)測與動態(tài)變化研究

溫 禮 王 錦 張所林 李建剛 劉倫燕

(1.中國土地勘測規(guī)劃院，北京 100032；2.昆明市國土規(guī)劃勘察測繪研究院，云南 昆明 650041)

濕地介于水生生態(tài)系統(tǒng)和陸生生態(tài)系統(tǒng)之間,是地球表層獨特的生態(tài)系統(tǒng)和過渡性景觀。濕地包括沼澤、濕草甸、湖泊、河流以及泛洪平原、河口三角洲、灘涂等，在全球生態(tài)平衡中扮演著極其重要的角色，有著 “地球之腎” 的美名[1-2]。珠江源省級自然保護區(qū)地處中國第三大江珠江的發(fā)源地，位于北亞熱帶與南暖溫帶之間的過渡地帶，是世界生物多樣性熱點地區(qū)之一，擁有良好的生態(tài)環(huán)境和自然資源，同時又是生態(tài)環(huán)境比較脆弱區(qū)域。深入研究并加強該區(qū)域的濕地保護，對水源的涵養(yǎng)與生物多樣性保護都具有非常重要的意義[3]。對濕地生態(tài)系統(tǒng)進行科學的管理和保護，需要借助以遙感和地理信息系統(tǒng)為代表的先進空間科學技術(shù)[4-5]。遙感技術(shù)具有探測范圍廣、信息量大、信息更新快等特點。近年來隨著大量高空間、高光譜、高時間分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)的出現(xiàn)以及新型計算機影像分析方法的提出[6]，更高精度的濕地信息提取成為可能。因此，利用遙感技術(shù)對大面積濕地資源及其生態(tài)環(huán)境進行動態(tài)監(jiān)測和分析具有顯著的優(yōu)勢[7-8]。傳統(tǒng)的基于像元光譜信息的遙感圖像分析和處理的方法不能反映像元鄰域間的上下文信息[9]，為了克服傳統(tǒng)單一利用光譜提取信息的局限性，近年來基于面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ㄒ殉蔀檠芯繜狳c[10]。面向?qū)ο蟮姆椒ǜ⒅氐氖怯跋駥ο笾g的語義信息、紋理信息和拓撲關(guān)系。因此，利用面向?qū)ο蟮姆椒?，對高空間分辨率的遙感影像進行分類則能夠充分利用遙感影像的紋理等信息[11-12]。

本研究以珠江源自然保護區(qū)濕地為研究對象，對2010、2012、2014和2015年4期高分辨率遙感影像，采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM行了自動解譯，并在整理土地利用和變更數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等資料等基礎(chǔ)上，對解譯結(jié)果進行完善。研究探討了面向?qū)ο蠓治黾夹g(shù)在濕地信息提取中的可行性，并對濕地變化規(guī)律和影響因素進行了深入的分析。

1 研究區(qū)概況

珠江源自然保護區(qū)位于云南省曲靖市沾益區(qū)和宣威市行政區(qū)域內(nèi)，是中國第三大江珠江的發(fā)源地，地處東經(jīng)103°45′～104°23′，北緯25°30′～26°26′，東西寬62 km，南北長104 km。保護區(qū)處于滇東高原典型的喀斯特地貌上，地表起伏緩和，以沉積巖為主，分布著面積大小不等的溶蝕洼地和陷落小盆地，其下部分布著碎屑巖或玄武巖等隔水層，形成常年積水或季節(jié)性積水的喀斯特濕地。由于喀斯特地貌發(fā)育，石質(zhì)山地的表土層較薄，且較容易流失，導致土地 “石漠化” 嚴重。氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L氣候，受昆明準靜止鋒活動的影響較大，具有干濕季分明，冬春干旱多風，干冷同期，夏秋雨量集中，雨熱同季的氣候特點[3]。珠江源地區(qū)水資源南多北少,地帶性分布明顯。流域內(nèi)降水是徑流形成的基礎(chǔ)，是地表水資源的直接補給來源。降水量具有濕季 (5—10月) 多，干季 (11月至翌年4月) 少的特點；徑流的年際變化大，豐枯懸殊[13]。植被類型屬我國西部半濕潤常綠闊葉林區(qū)中的亞熱帶常綠闊葉林帶。

2 研究材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)濕地景觀的物候特征，結(jié)合珠江源流域特征及水文特征，選取研究區(qū)2010年、2012年空間分辨率為5 m的RapidEye影像及2013—2015年空間分辨率為2 m的相近時相 (干季) 的高分一號/二號 (GF-1/GF-2) 影像產(chǎn)品作為數(shù)據(jù)源，影像云量均小于10%。

以第二次全國土地調(diào)查成果數(shù)據(jù)及2010—2015年土地變更調(diào)查成果數(shù)據(jù)，結(jié)合實地勘測后獲得的典型地類和濕地類型的Google衛(wèi)星影像為參考。

2.2 分類方法

2.2.1分類系統(tǒng)

根據(jù) 《全國濕地資源調(diào)查技術(shù)規(guī)程 (試行)》 的分類系統(tǒng)和 《土地利用現(xiàn)狀分類》 (GB/T 21010—2007) 將研究區(qū)土地利用類型分為人工濕地、天然濕地、建設(shè)用地、農(nóng)用地和其他用地5個一級類。其中，水田、水庫、河流水面、坑塘水面及內(nèi)陸灘涂5個土地利用二級類別，由建設(shè)用地、農(nóng)用地、其他用地等一級土地利用類中單獨抽出，歸為人工或自然濕地；建設(shè)用地、農(nóng)用地、其他用地的其余二級類別仍沿用 《土地利用現(xiàn)狀分類》 (GB/T 21010—2007) 標準。這5個濕地類別與3個土地利用一級類，共同組成了本研究中各時相影像的分類系統(tǒng)。

2.2.2面向?qū)ο蠓?/p>

面向?qū)ο蠓ㄊ紫葘⒂跋穹指畛删哂幸欢ㄒ饬x的均質(zhì)影像對象,然后用一組特征來描述對象,最后通過建立對象與類結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系和判別規(guī)則,將對象識別為相應(yīng)的地類[14]。

2.3 分析方法

研究中利用eCognition 9.2軟件提取各年份各類型的濕地，制作專題圖。利用ArcMap軟件對各年份各類型濕地進行疊加分析，提取各類濕地的變化信息。

3 結(jié)果與分析

3.1 分類精度評價

樣區(qū)自動提取方法精度采用目視判讀結(jié)合混淆矩陣定量判讀結(jié)合的方法評價。選取研究區(qū)2010年、2012年的RapidEye影像及2013—2015年的高分一號/二號影像采用面向?qū)ο蟮慕庾g方法，該方法不僅考慮像元的光譜值，還利用了周圍像元的空間關(guān)系，能夠保證分類結(jié)果的完整性，有效避免 “椒鹽現(xiàn)象” 的發(fā)生。分類精度的衡量指標采用總體分類精度 (正確分類的像元數(shù)與總像元數(shù)的比值)，各濕地類型初始分類結(jié)果見圖1，初始分類精度分別達到了80.73%，80.51%，83.32%，81.56%和82.71%。此后，選用近紅外、紅和綠波段合成標準假彩色影像，結(jié)合大量的野外驗證信息和參考高空間分辨率遙感影像，對提取出的濕地分類結(jié)果進行完善，使其精度進一步提高，為后續(xù)濕地變化信息提取打下了良好的基礎(chǔ)。

圖1不同年份分類結(jié)果
Fig.1 Classification result in different years

3.2 濕地時空分布特征

各年份濕地總面積及各濕地類型占當年濕地面積的比例見表1。

表1 各年份各濕地類型面積占比Table 1 Proportion of various wetland types in different years

年份人工濕地占地/%水田水庫河流水面自然濕地占地/%坑塘水面內(nèi)陸灘涂總面積/hm2201019.4367.194.907.850.632395.69201221.92 63.73 3.59 5.61 5.15 3091.39201419.9969.543.286.001.193389.84201516.0169.393.828.732.052909.88

由表1可知， 2015年濕地面積為2 909.88 hm2，占研究區(qū)總面積的2.23%，濕地在研究區(qū)面積占比偏小。其中，人工濕地和自然濕地面積分別為2 485.00 hm2和424.88 hm2。人工濕地占濕地面積比重較大，表明人類活動是影響濕地的主要因素。水田、水庫、河流水面、坑塘水面和內(nèi)陸灘涂各濕地類型占濕地總面積的比例分別為16.01%、69.39%、3.82%、8.73%和2.05%。人工濕地中，水庫面積比重最大。自然濕地中，坑塘水面面積比重最大，內(nèi)陸灘涂次之。研究區(qū)內(nèi)主要有白浪水庫、偏橋水庫、花山水庫，馬房水庫和窯上海子等中小型水庫；河流濕地主要分布在南、北盤江干流及支流的沿岸區(qū)域內(nèi)；水田主要沿發(fā)樂河等水系支干流沿線和水庫及攔水壩周邊分布；坑塘水面濕地型面積較小，星羅棋布于整個研究區(qū)范圍。

綜合來看，從2010年開始，各年份濕地面積占研究區(qū)總面積比重均有不同程度增加；各年份，人工濕地面積占比均顯著高于自然濕地；水庫、水田和坑塘是各年份面積占比排名前三的濕地類型，合計均超過90%。河流與灘涂面積占比偏小，除自然降水的因素外，河流多穿插于深山密林，河面狹窄，河灘少而分散且與周圍地物無明顯邊界，也是導致2類濕地面積和比例偏小的原因。濕地在空間分布上整體呈不平衡狀態(tài)，自然濕地破碎化程度較高。

3.3 濕地空間變化分析

以2010年為基準， 2010—2012年、2010—2014年和2010—2015年濕地變化，及相鄰時相2012—2014年和2014—2015年的濕地的空間變化信息見圖2。

由圖2可知，與2010年相比，2012年，2014年及2015年濕地整體表現(xiàn)出面積增長，但不同濕地類型空間上表現(xiàn)出擴張和萎縮共存的情況。擴張區(qū)主要分布在白浪水庫周邊、滴水湖濕地和窯上海子附近，以及小面積的坑塘的廣泛出現(xiàn)。其中，窯上海子附近濕地面積的增加得益于2011年欄水堤壩的的修建。萎縮區(qū)則多分布在零星的小面積坑塘周邊。對比相鄰年份， 2015年比2014年濕地面積有所萎縮。濕地萎縮區(qū)主要分布在偏橋水庫的西側(cè)與北側(cè)區(qū)域，白浪水庫的東側(cè)與北側(cè)區(qū)域以及窯上海子周邊地區(qū)，大戶卡村的周邊區(qū)域也有一些濕地的減少。其中，大戶卡村周邊地區(qū)濕地減少主要是水田變?yōu)楹档鼗蛩疂驳?，而窯上海子周邊地區(qū)濕地的萎縮主要是降水減少所致。研究區(qū)內(nèi)各濕地型的穩(wěn)定型較低,尤其是小的坑塘隨年份變化較大，表明了自然濕地內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的脆弱。

3.4 濕地類型轉(zhuǎn)移分析

2010年、2012年、2014年和2015年4期濕地與建設(shè)用地、農(nóng)用地、其他土地的相互轉(zhuǎn)移情況見表2。由表2可知，濕地類型主要與農(nóng)用地、其他用地相互轉(zhuǎn)換。 以2010年為基準，各后續(xù)年份均存在農(nóng)用地和其他用地換為濕地的情況，主要表現(xiàn)為旱地、水澆地、其他草地和其他林地轉(zhuǎn)化為水田和水庫水面。如2012年有375.80 hm2農(nóng)用地和376.36 hm2其他用地轉(zhuǎn)換為濕地，濕地有43.38 hm2變成農(nóng)用地。2012年部分農(nóng)用地類型和其他土地轉(zhuǎn)變?yōu)闈竦?，主要得益于充沛的降水。其中，在窯上村附近欄水堤壩的修建，將周邊的旱地和水澆地轉(zhuǎn)變?yōu)樗畮旌蜑┩?，進而部分被開發(fā)為水田；白浪水庫附近的旱地或水澆地變?yōu)樗?；花山水庫周邊的有林地變?yōu)樗畮焖?。濕地變成農(nóng)用地則反映出農(nóng)民填埋濕地開墾的訴求。

對比相鄰2期的數(shù)據(jù)，2014—2015年呈現(xiàn)出與其他年份不一致的規(guī)律，即大面積濕地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)用地和其他用地。受降水的影響，窯上海子附近水面在2015年大幅萎縮，水庫水面變?yōu)槠渌莸?，灘涂被開墾成耕地 (水澆地)。類似的情況還存在于白浪水庫和大戶卡周邊坑塘區(qū)域。2012—2014年有16.29 hm2建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為濕地，主要也出現(xiàn)在窯上海子附近。由于2014年水位較高，淹沒了部分堤壩 (水工建筑用地)，導致濕地面積增加。類似的原因，2014—2015年有3.25 hm2濕地轉(zhuǎn)化為水工建筑用地。

圖2研究區(qū)濕地空間分布變化示意圖
Fig.2 Sketch map of spatial distribution of wetlands in study area

表2 各年份濕地土地利用類型轉(zhuǎn)移情況Table 2 Land use type transfer of wetlands in each years hm2

4 結(jié)論與討論

受自然因素和人類活動的共同影響，研究區(qū)濕地土地利用類型存在著較大的年際變化。因此本研究從自然和人為兩個方面具體分析導致濕地變化的原因。

1) 充沛的降水是2010年隨后年份 (尤其是2012年和2014年) 濕地面積增加的主要自然因素。珠江源地區(qū)流域內(nèi)降水是徑流形成的基礎(chǔ)，是地表水資源的主要直接補給來源[8]。國內(nèi)外研究也顯示，氣候是控制濕地消長的最根本動力因素，氣候變化對濕地的物質(zhì)循環(huán)、能量流動、水文過程、濕地動植物以及濕地生態(tài)功能都具有重要影響[4,15-16]。2009—2010年，云南遭遇百年不遇的大旱，濕地極度萎縮。據(jù)云南省水資源公報數(shù)據(jù)，2010年珠江源地區(qū)降水較往年偏少20%以上，加之云南濕地中的湖泊、坑塘、水田等具有類別數(shù)量多，面積小，分布不均勻的特點，導致2010年坑塘、水田等各濕地型面積較往年同期明顯偏小。因此，隨后年份的充沛的降水是農(nóng)用地 (旱地) 轉(zhuǎn)化水田，水庫蓄水增加，河流水量充沛，出現(xiàn)大量零星分布坑塘的自然原因。另外，河流水面變化較小的自然原因是研究區(qū)地形地貌的特殊性。珠江源水系基本位于山區(qū)，河床狹窄，河道比降大，兩岸陡峭，河流濕地很難形成大的河灘地。由于影像分辨率較低，樹木遮擋等原因，也導致部分河流水面難以識別。

2) 人為因素的影響又導致各濕地類型變化度不一。首先，農(nóng)業(yè)種植的需求是導致水田與河流面積變化的重要人為因素。解譯結(jié)果中，水田主要沿河流、坑塘周邊密集分布。研究區(qū)所在的滇中地區(qū)屬開發(fā)歷史非常長，人口比較密集的區(qū)域，在經(jīng)濟利益的驅(qū)動下，當?shù)剞r(nóng)民具有強烈的農(nóng)業(yè)開發(fā)沖動。保護區(qū)的中部，以馬雄山為核心的周圍地帶，地處高原面頂部，地面起伏和緩，分布著面積大小不一的濕地。以往當?shù)剞r(nóng)民將珠江源給水源的天然濕地人工引流，排湖造田，圍湖造田，導致部分自然濕消失或轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯竦?。因處于喀斯特地貌區(qū)，排水造田的行為隨之引起當?shù)馗珊等彼?，不恰當?shù)娜藶榇胧┘眲∫哺淖兞藵竦氐母采w特點，對濕地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重的破壞。同時，濕地周邊有農(nóng)藥、化肥的大量使用和排放，還會導致留存的濕地水質(zhì)污染，逐漸失去生態(tài)功能。其次，水利工程的開發(fā)，如建設(shè)攔水堤壩和修建引水溝渠，也改變了濕地的覆蓋特點。窯上村附近2011年修建的攔水壩，造成了隨后年份人工濕地面積的增加，同時也導致東北側(cè)河流濕地的消失。人類的圍墾還減少了部分灘涂和河流水面的面積，減少了魚類產(chǎn)卵和鳥類的棲息地。濕地系統(tǒng)遭到破壞勢必因反饋機制的作用而導致本區(qū)自然地理環(huán)境結(jié)構(gòu)及其功能的惡化。

3) 政策因素對濕地空間格局的改變也具有巨大的影響。研究區(qū)既包括核心區(qū)珠江源國家森林公園，又包含土地使用權(quán)分散在農(nóng)戶手中的區(qū)域。研究區(qū)受到近似自然因素的影響，但不同區(qū)域濕地變化卻表現(xiàn)出很大的差異性。森林公園內(nèi)部經(jīng)過了較好的規(guī)劃和管理，杜絕了圍墾和燒荒等不合理的人類活動，濕地尚能較好的發(fā)揮其生態(tài)功能。而對于森林公園外的區(qū)域，由于歷史原因，濕地及周邊林地、耕地使用權(quán)屬復(fù)雜，農(nóng)民對濕地的重要性、生態(tài)價值和功能認識還不到位，將濕地當作 “荒灘”、“荒水”，作為耕地占用，盲目圍墾，擴大種植面積和改造濕地，不合理的利用濕地，制約了濕地的有效保護和恢復(fù)。

珠江源地區(qū)作為典型的社會-經(jīng)濟-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，存在人類社會與自然環(huán)境的固有矛盾。珠江源地區(qū)人口密度大，土地墾殖率高，農(nóng)林交錯的特點面臨著人口對森林、水源、土地等自然資源的巨大壓力。長期以來，由于歷史的原因，導致許多洪泛沼澤濕地和灘涂都被開墾和改造為耕地，造成自然濕地面積減少，經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)敏感的矛盾日益突出。如不盡快對這里加強保護和治理，其生態(tài)過程一旦超過環(huán)境承載力的限度，將難以逆轉(zhuǎn)。