洪湖濕地土地利用/土地覆蓋變化遙感監(jiān)測(cè)

尤慧 鄧艷君 高華東 李鑫川

摘要：洪湖濕地屬于典型的內(nèi)陸亞熱帶濕地類型，在蓄洪調(diào)洪、漁業(yè)、灌溉、航運(yùn)等方面起著重要的作用，在長(zhǎng)江中下游的湖泊濕地中具有典型的代表性。近年來(lái)，隨著自然生活環(huán)境的變遷和人類活動(dòng)的影響，洪湖濕地土地利用/土地覆蓋變化發(fā)生了顯著的變化。利用2005、2010年的Landsat7 ETM+以及2015、2018年的Landsat8 OLI數(shù)據(jù)，采用支持向量機(jī)（SAM）監(jiān)督分類的方法，將洪湖濕地分為湖泊、河渠坑塘、農(nóng)田、植被、居民點(diǎn)、其他6種類型，提取了2005—2018年的洪湖濕地土地覆蓋空間變化數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化分析。結(jié)果表明，洪湖濕地土地利用類型在2005—2018年發(fā)生了顯著的變化，其中2005—2015年的10年間，湖泊、植被、農(nóng)田的面積出現(xiàn)了減小，河渠坑塘、居民點(diǎn)面積大幅增大;2015—2018年間，洪湖濕地的湖泊、植被面積表現(xiàn)為增大，河渠坑塘出現(xiàn)了減小。在2005—2015年間，洪湖濕地結(jié)構(gòu)類型的變化主要受圍湖造塘以及建設(shè)活動(dòng)的影響;2015—2018年間，洪湖濕地的結(jié)構(gòu)類型的變化主要是為了恢復(fù)洪湖的生態(tài)環(huán)境，自2016年開(kāi)始，洪湖開(kāi)展了拆除圍網(wǎng)、修復(fù)湖濱帶植被等活動(dòng)。總體而言，洪湖濕地受人為干擾影響明顯。

關(guān)鍵詞：遙感影像;土地利用/土地覆蓋變化;洪湖濕地;動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)： P237;S127文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2021）02-0162-05

收稿日期：2020-05-18

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：41801075）;中國(guó)科學(xué)院流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（編號(hào)：WSGS2017009）;荊州市氣象局科技課題（編號(hào)：JZ201803）。

作者簡(jiǎn)介：尤慧（1987—），女，江蘇宿遷人，碩士，工程師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)遙感。E-mail：youhuinuist@hotmail.com。

濕地被稱為地球之腎，與海洋和森林并列為全球三大生態(tài)系統(tǒng)[1]，它在維護(hù)區(qū)域生態(tài)平衡、調(diào)節(jié)氣候、含蓄水源、保護(hù)動(dòng)植物多樣性等方面起著至關(guān)重要的作用[2]。但近年來(lái)，在經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口大幅增長(zhǎng)的雙重壓力下，濕地環(huán)境受到嚴(yán)重的威脅[3]，濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生了顯著變化，出現(xiàn)水質(zhì)惡化、面積縮小、生態(tài)功能下降等特征[4]。保護(hù)和恢復(fù)濕地環(huán)境資源，已成為全球廣泛關(guān)注的課題[5-9]。

洪湖是湖北最大、中國(guó)第七大淡水湖[10]，是一個(gè)以調(diào)蓄為主，兼具降解環(huán)境污染、調(diào)節(jié)氣候、灌溉、航運(yùn)、漁業(yè)、城鎮(zhèn)建設(shè)等多功能的湖泊[11]。洪湖濕地自然保護(hù)區(qū)是我國(guó)最大的省級(jí)內(nèi)陸湖泊濕地保護(hù)區(qū)，被列入《中國(guó)濕地保護(hù)行動(dòng)計(jì)劃》[12]。近年來(lái)，由于圍湖造田、過(guò)渡捕撈等導(dǎo)致濕地面積不斷縮小、水質(zhì)顯著下降，洪湖的生態(tài)服務(wù)功能受到了嚴(yán)重的削弱[13]。

遙感技術(shù)以其覆蓋范圍廣、信息量大、高時(shí)效、低成本等特點(diǎn)，在湖泊濕地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有不可替代的優(yōu)勢(shì)[14]。本研究基于4期陸地衛(wèi)星（Landsat）影像數(shù)據(jù)，采用支持向量機(jī)（SAM）監(jiān)督分類的方法對(duì)洪湖近13年的濕地信息進(jìn)行提取，并對(duì)其空間分布信息和洪湖濕地結(jié)構(gòu)變化特征進(jìn)行了分析。

1研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1研究區(qū)概況

洪湖濕地自然保護(hù)區(qū)位于湖北省東南部，是江漢平原和洞庭湖平原的過(guò)渡地帶（圖1）。其地理位置介于113°12′～113°26′E、29°40′～29°58′N之間，地跨洪湖和監(jiān)利2個(gè)縣級(jí)行政區(qū)，總面積為 41 412.069 hm2[1]。洪湖市東西最長(zhǎng)為94 km，南北最寬為62 km，洪湖市水資源豐富，地表水資源占湖北省水資源總儲(chǔ)量1.9%[15]。洪湖屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，境內(nèi)四季分明，雨熱同期，水量充沛。

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究的影像數(shù)據(jù)主要來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，選取了4期無(wú)云成像較好的Landsat影像數(shù)據(jù)作為洪湖濕地信息提取的主要數(shù)據(jù)，影像成像時(shí)間分別為2005年11月6日、2010年10月3日、2015年11月26日、2018年9月15日，其中2005、2010年的Landsat數(shù)據(jù)為 ETM+ 數(shù)據(jù)，2015、2018年的Landsat數(shù)據(jù)為OLI影像，影像分辨率均為30 m。4期影像數(shù)據(jù)都集中在洪湖下半年的平水期，能夠較全面、客觀地反映洪湖濕地的變化。樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于2014年洪湖濕地實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)及參照高分辨率影像Google Earth上的數(shù)據(jù)。

2研究方法

2.1遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理

基于ENVI5.3軟件，分別對(duì)ETM+、OLI數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)和Flaash大氣校正，大氣校正模型選用中緯度夏季，氣溶膠模型選用鄉(xiāng)村，氣溶膠反演方法為2-band（K-T），然后以O(shè)LI為基準(zhǔn)，對(duì)ETM+影像進(jìn)行幾何精校正，總誤差控制在0.5個(gè)像元內(nèi)，最后選擇包含濕地保護(hù)區(qū)在內(nèi)的、以濕地保護(hù)區(qū)周邊明顯溝渠、河段而圍城的感興趣區(qū)進(jìn)行掩膜裁切。裁切范圍分別為東面到內(nèi)荊河，西面到羅山總干渠，南面到長(zhǎng)江，北面到紅排河。為方便對(duì)影像進(jìn)行目視解譯和樣本選取，研究對(duì)裁切后的影像進(jìn)行圖像光譜增強(qiáng)。濕地遙感影像處理分析的研究指出，4、5、3 3個(gè)波段的組合最能體現(xiàn)濕地的土地利用情況[1]，因此本研究ETM+影像選用4、5、3等3個(gè)波段進(jìn)行組合，OLI影像選用5、6、4波段進(jìn)行組合，分別賦予紅、綠、藍(lán)。

2.2圖像分類

研究采用支持向量機(jī)（SAM）分類的方法對(duì)ETM+和OIL數(shù)據(jù)進(jìn)行濕地信息的提取?；谝巴庹{(diào)查實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，影像形狀紋理差異以及參照高分辨率影像Google Earth上的數(shù)據(jù)，結(jié)合參照表1的洪湖濕地遙感解譯標(biāo)志首先在ENVI5.3軟件上選取樣本點(diǎn)，每類樣本點(diǎn)的選取數(shù)量不少于500個(gè)，然后選擇支持向量機(jī)（SAM）監(jiān)督分類方法， 參照表1解譯表1洪湖濕地遙感解譯標(biāo)志

類型特征影像色彩特征形態(tài)結(jié)構(gòu)分布湖泊深藍(lán)、墨藍(lán)不規(guī)則片狀質(zhì)地均勻湖泊河渠坑塘墨藍(lán)色、藍(lán)色規(guī)則現(xiàn)狀延伸邊緣清晰多處分布植被橙黃不規(guī)則片狀質(zhì)地均勻湖泊、水面多處分布居民點(diǎn)淺藍(lán)不規(guī)則條塊狀質(zhì)地不均勻河流邊緣集中分布農(nóng)田淺藍(lán)、粉色規(guī)則塊狀分布質(zhì)地均勻平底多處分布其他淺黃或接近白色不規(guī)則片狀質(zhì)地不均勻湖濱地帶

標(biāo)志將研究區(qū)分為6類：湖泊（未被土埂圍起來(lái)的開(kāi)闊水體）、河渠坑塘（封閉水體，以土埂相間，呈規(guī)則的塊狀水體）、農(nóng)田（主要包括水稻田）、居民點(diǎn)（人類居住的建設(shè)用地）、植被（水面以上的植被包括水生挺水植物、浮葉植物和濕生植被等，如菰群落和蓮群落等）、其他（主要為灘涂和未利用地等）[16]，通過(guò)對(duì)Ladsat影像數(shù)據(jù)的解譯，最后得到2005、2010、2015、2018年洪湖濕地土地利用分類結(jié)果（圖2）。整個(gè)解譯過(guò)程嚴(yán)格按照國(guó)家有關(guān)濕地調(diào)查技術(shù)規(guī)程進(jìn)行，解譯精度都在85%以上，κ系數(shù)大于0.8，解譯結(jié)果較好。

3濕地結(jié)構(gòu)變化及動(dòng)態(tài)分析

3.1濕地土地利用空間變化

從圖2洪湖濕地土地覆蓋分類結(jié)果中可以看出， 湖泊面積從2005—2018年期間顯著變小，河渠坑塘在2005—2015年10年間大幅度增多，但在2015—2018年間其面積出現(xiàn)了減少。農(nóng)田面積在2005年最多，其后的年份呈逐漸減少的趨勢(shì)。居民點(diǎn)在2005—2018年間大幅增加，增加的位置主要在湖泊的東北、東南方向。其他（包括灘涂和未利用地）也隨著時(shí)間的推進(jìn)整體呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，尤其是在湖泊的西南方向，灘涂及未利用地面積顯著減少。

3.2濕地土地利用面積變化及結(jié)構(gòu)分析

將濕地分類結(jié)果影像導(dǎo)入到ArcGIS 9.3中，統(tǒng)計(jì)各個(gè)類別地物的像元數(shù)，并采用公式（各類別地物像元數(shù)×30×30×10-6/km2）計(jì)算洪湖濕地各個(gè)類別地物的面積，并計(jì)算各個(gè)類別地物所占濕地總面積的百分比（各類別像元數(shù)/洪湖濕地總像元數(shù)×100%），計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。利用Excel生成每個(gè)地物類別不同時(shí)期面積變化（圖3）。

由表2、圖3可知，2005—2018年洪湖濕地土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化，具體表現(xiàn)為洪湖湖泊面積呈先減小后增大的趨勢(shì)，其中2015年洪湖湖泊面積較2005年減小19.89 km2，2018年湖泊面積比2015年擴(kuò)大了17.95 km2。農(nóng)田面積也呈現(xiàn)顯著減小的趨勢(shì)，在2005—2018年的13年間，農(nóng)田面積減小了88.07 km2。居民點(diǎn)的變化幅度較大，呈不斷增加的趨勢(shì)，居民點(diǎn)面積從2005年的32.03 km2增加到2018年71.61 km2，共增加了39.58 km2。河渠坑塘在2005—2015年之間呈顯著增加的趨勢(shì)，2015年較2005年增加了157.37 km2，但在2018年河塘坑渠的面積較2015年減少85.01 km2。植被面積與河渠坑塘表現(xiàn)出了相反的變化，隨著河渠坑塘的增大而減小，其他地物類型（灘涂和未利用地）在2018年較2005年減少3.32 km2。

由表2可知，2005—2015年的10年間，湖泊、植被、農(nóng)田的面積所占比例減少，而河渠坑塘、居民點(diǎn)面積比例增加，其他（灘涂、未利用地）面積比例也在減少。湖泊、植被、農(nóng)田面積比例減少，河渠坑塘面積比例的大幅增加，是因?yàn)楫?dāng)?shù)鼐用駥?duì)湖泊進(jìn)行了圍湖開(kāi)塘，將其用來(lái)魚(yú)塘養(yǎng)殖，植被因此也受到了人為干擾的影響，大片菰群落和蓮群落等植被分布區(qū)被開(kāi)墾為坑塘[15-16]，為了擴(kuò)大淡水養(yǎng)殖的面積，大部分農(nóng)田也被轉(zhuǎn)化為河渠坑塘，到2015年，河渠坑塘面積所占的比例較2005年增加21百分點(diǎn)，農(nóng)田所占比例由原來(lái)的29%減少到2015年的17%。洪湖原有的湖濱帶幾乎全部被人為利用，主要利用方式不僅是魚(yú)塘養(yǎng)殖，還有村落建設(shè)，因此出現(xiàn)居民點(diǎn)明顯增加、未利用土地類型大幅度減少的趨勢(shì)，其他地物類型所占比例也由2005年的3%減少到2015年的1%，居民點(diǎn)由4%增加到8%。2015—2018年間，湖泊、植被的比例增加，河渠坑塘比例減少，居民點(diǎn)比例增加，農(nóng)田基本持平，其他（灘涂、未利用地）面積所占比例出現(xiàn)增加。這是由于十八大以來(lái)，湖北緊扣長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶“共抓大保護(hù)，不搞大開(kāi)發(fā)”發(fā)展戰(zhàn)略，自2016年開(kāi)始，洪湖開(kāi)展了新一輪的“生態(tài)保衛(wèi)戰(zhàn)”，將湖泊的圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)域進(jìn)行大規(guī)模拆除，逐漸恢復(fù)菰群落和蓮群落等自然植被分布區(qū)，因此湖泊主要增加的部分來(lái)自于周圍的河渠坑塘圍網(wǎng)拆除的區(qū)域，湖泊在3年內(nèi)增加了3百分點(diǎn)，河渠坑塘減少了12百分點(diǎn)。由于洪湖濕地建設(shè)用地的增加，居民點(diǎn)由2015年的8%增加到2018年的10%。在洪湖濕地土地利用類型變化中，變化幅度較大的多與人類活動(dòng)密切相關(guān)，可以看出洪湖濕地的土地利用/土地覆蓋變化受人類活動(dòng)的影響比較大。

4結(jié)論

本研究基于2005、2010、2015年和2018年4個(gè)時(shí)相的Landsat影像數(shù)據(jù)，采用支持向量機(jī)（SAM）監(jiān)督分類的方法，將洪湖濕地分為湖泊、河渠坑塘、農(nóng)田、植被、居民點(diǎn)和其他這6類地物，得到4個(gè)時(shí)期洪湖濕地類型分類結(jié)果。

2005—2018年間，洪湖濕地土地利用類型發(fā)生了顯著的變化，其中2005—2015年的10年間，湖泊、植被、農(nóng)田的面積減小，而河渠坑塘、居民點(diǎn)面積大幅擴(kuò)大。2015—2018年間，湖泊、植被面積擴(kuò)大，河渠坑塘減小，居民點(diǎn)比例持續(xù)增加。

2005—2015年的10年間，洪湖濕地出現(xiàn)湖泊、植被、農(nóng)田面積減小，河渠坑塘面積大幅增大，主要是因?yàn)槿藶閲_(kāi)塘，植被區(qū)域被開(kāi)墾為坑塘，大部分農(nóng)田也被轉(zhuǎn)化為河渠坑塘，由于湖濱周圍村落的建設(shè)，居民點(diǎn)出現(xiàn)明顯的增加，未利用土地類型大幅度減少。在2015—2018年間，洪湖濕地湖泊、植被面積增加，河渠坑塘出現(xiàn)了減少是由于2016年開(kāi)始，洪湖開(kāi)展了“生態(tài)保衛(wèi)戰(zhàn)”，洪湖湖泊周圍的河渠坑塘圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)域被大規(guī)模拆除，自然植被也逐漸進(jìn)行了恢復(fù)，居民點(diǎn)增多是由于湖濱村落建設(shè)用地增加。在洪湖濕地土地利用類型變化中， 變化幅度較大的多與人類活動(dòng)密切相關(guān)，可以看出洪湖濕地的土地利用/土地覆蓋變化受人類活動(dòng)的影響比較大。

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