文|陳璐 李旺平 李志紅 郝君明 周兆葉 張秀霞 程小強 汪孝賢
1. 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院
2. 蘭州理工大學(xué)甘肅省應(yīng)急測繪工程研究中心
濕地(Wetland)是全球三大生態(tài)系統(tǒng)之一,也是自然界最富生物多樣性的生態(tài)景觀和人類最重要的生存環(huán)境,被譽為“自然之腎”“生物基因庫”和“人類搖籃”。然而,隨著氣候變化和人類活動等因素影響,全球范圍內(nèi)的濕地都在退化。可見,濕地保護是一個國際問題,其中濕地調(diào)查和濕地變化監(jiān)測等工作將是進行濕地保護的首要任務(wù)。
傳統(tǒng)的濕地調(diào)查與監(jiān)測主要依靠人工實地測量。雖然人工測量精度較高,但實地測量具有無法克服的局限性[1],如無法完全覆蓋高山區(qū)和無人區(qū)等地區(qū)的濕地、數(shù)據(jù)更新周期長、耗費人力物力且易破壞濕地環(huán)境等。自1960年4月1日TIROS-1氣象衛(wèi)星發(fā)射至今[2],遙感技術(shù)憑借觀測范圍廣、時效性強、無需直接接觸被測目標和信息定量化等優(yōu)點[3],現(xiàn)已成為不同尺度上調(diào)查和監(jiān)測濕地資源的主要手段。
近年來,基于遙感影像的濕地信息提取主要應(yīng)用于濕地制圖、常態(tài)化監(jiān)測(濕地變化監(jiān)測、不同濕地類型間相互轉(zhuǎn)換、濕地結(jié)構(gòu)分析)、濕地評估等領(lǐng)域。本文基于WOS檢索得到的207篇濕地遙感文獻,運用CiteSpace軟件從作者國家、單位和文獻來源期刊三個方面進行統(tǒng)計分析,總結(jié)了近40年來用于濕地遙感的常用數(shù)據(jù)源和主要應(yīng)用領(lǐng)域,以及濕地遙感提取研究進展和存在的問題。
WOS引文數(shù)據(jù)庫是美國科學(xué)情報研究所的產(chǎn)品[4],收錄了全球13000多種權(quán)威的、高影響力的學(xué)術(shù)期刊,下設(shè)五個數(shù)據(jù)庫,分別為“WOS核心合集”“BOIOSIS Prebiews”“KCIKorean Journal Database”“MEDLINE”“AciELO Citation Index”,其中“WOS核心合集”是獲取全球?qū)W術(shù)信息的重要數(shù)據(jù)庫,擁有很嚴格的篩選機制,它不僅囊括核心期刊的學(xué)術(shù)論文,還收錄了其他種類的文章,如信件、更正、補正、編者按、評論、會議文摘等17種,內(nèi)容非常全面,是目前進行文獻綜述和文獻計量等研究的主要數(shù)據(jù)源。
目前,研究人員主要通過閱讀權(quán)威的、高影響力期刊中的論文和參加學(xué)術(shù)前沿講座了解科研動態(tài),這種對論文的應(yīng)用方式還停留在微觀層面。因此,為了在宏觀層面上對論文的價值及各維度關(guān)聯(lián)關(guān)系進行挖掘,就需要借助于文獻計量及相關(guān)軟件[5],其中應(yīng)用最廣的文獻計量軟件是陳超美博士研發(fā)的CiteSpace[6],它支持多種類型的文獻計量學(xué)研究,能使研究者直觀地獲得研究方向的前沿動態(tài)和經(jīng)典基礎(chǔ)文獻。為此,本文將借助CiteSpace軟件分別從作者國家、單位和文獻來源期刊三個方面進行統(tǒng)計分析,以期為后續(xù)研究遙感技術(shù)濕地提取的學(xué)者提供參考。
使用高級檢索功能,在“Title”中輸入“satellite image”“remote sensing”“hyperspectral”“SAR”“microwave radar”,在“Topical”中輸入“wetland extract”,兩者的邏輯關(guān)系選擇“AND”,檢索后,只選擇“Remote Sensing”學(xué)科類別下的文獻,最終得到了1980—2020年共207篇文獻。
運用CiteSpace軟件首先分析207篇文獻的關(guān)鍵詞,并以每個關(guān)鍵詞的中心節(jié)點重要度(Centrality)作為判斷標準,Centrality值越高,說明該關(guān)鍵詞在該領(lǐng)域越重要。圖1即為Centrality值大于0.1的所有關(guān)鍵詞,可以看出,Centrality值較高的關(guān)鍵詞都與濕地遙感提取研究密切相關(guān),說明基于此207篇文獻所做的文獻分析結(jié)果具有較高的參考價值。
圖1 中心節(jié)點重要度大于0.1的10個關(guān)鍵詞
通過CiteSpace分析作者所屬國家(圖2),可以看出在1980—2020年間,中國和美國發(fā)表的論文總量最多,分別為80篇和54篇,兩個國家發(fā)文數(shù)量總和約占文獻總量的65%。CiteSpace計算Centrality發(fā)現(xiàn),前兩位仍是中國和美國,Centrality分別為0.36和0.24;而排在第三位的國家是加拿大,雖然僅發(fā)表了17篇論文,但其Centrality為0.15,說明該國作者發(fā)表的論文同樣具有較高的影響力;除中國、美國和加拿大外,其他國家Centrality均為0??梢?,在全球范圍內(nèi),就國家而言,與濕地遙感相關(guān)的研究中,中國的論文影響力最高,其次是美國和加拿大。
圖2 作者所屬國家的論文數(shù)量和中心節(jié)點重要度
遙感對地觀測技術(shù)始于20世紀60年代,直到70年代才被用于實際研究中,80至90年代開始快速發(fā)展,2010年以來,遙感對地觀測技術(shù)逐漸成熟[7]。本文以上述遙感技術(shù)發(fā)展的時間節(jié)點為分段依據(jù),將1980—2020年的207篇文獻分為1980—2000年、2001—2010年和2011—2020年三個階段,并歸納總結(jié)了每個階段的主要數(shù)據(jù)源、技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用領(lǐng)域。
這一時期,以基于中分辨率光學(xué)數(shù)據(jù)的濕地制圖和變化監(jiān)測為主,雷達數(shù)據(jù)和多源遙感數(shù)據(jù)結(jié)合的濕地提取技術(shù)處于起步階段。
(1)主要數(shù)據(jù)源
1980—2000年間,大部分關(guān)于濕地遙感研究都是基于Landsat衛(wèi)星、SPOT衛(wèi)星、機載航空攝影圖像(airborne digital camera)等光學(xué)數(shù)據(jù)源,其中Landsat衛(wèi)星的使用率最高;星載雷達技術(shù)處于孕育期(1970—1990年)和成長期(1990—2000年),美國、日本和加拿大等國家的相關(guān)部門相繼發(fā)射了SEASAT(1978年)、SIR-A(1981年)、SIR-B(1984年)、ERS-1(1991年)、JERS-1(1992年)、ERS-2(1995年)和Radarsat(1995年)等雷達衛(wèi)星。1997年,Thuy L T等人首次證明了合成孔徑雷達數(shù)據(jù)可用于濕地變化監(jiān)測,自此,便有學(xué)者開始將SAR數(shù)據(jù)用于濕地分類研究;結(jié)合光學(xué)數(shù)據(jù)和雷達數(shù)據(jù)進行濕地遙感提取的研究還處于嘗試階段。
(2)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用領(lǐng)域
這一時期,基于光學(xué)數(shù)據(jù)的濕地提取技術(shù)以基于Landsat數(shù)據(jù)監(jiān)測和繪制較大面積的濕地為主,如Munyati C等人采用Landsat影像,監(jiān)測了贊比亞南部地區(qū)卡弗平原灘涂濕地的面積變化;Ross L S等人采用多時相Landsat 5 TM圖像,監(jiān)測特拉華州和馬里蘭州境內(nèi)濕地變化;基于SAR數(shù)據(jù)和結(jié)合光學(xué)和雷達數(shù)據(jù)的研究都以如何提高濕地提取技術(shù)為主,如Ghedeira H等人采用了Radarsat數(shù)據(jù),對加拿大魁北克省森林濕地進行遙感分類;Dwivedi R S等人結(jié)合IRS-1光學(xué)遙感數(shù)據(jù)和ERS-1 SAR雷達數(shù)據(jù),繪制了孫德爾班三角洲部分地區(qū)和西孟加拉邦毗鄰地區(qū)濕地地圖,結(jié)果表明兩者結(jié)合繪制的濕地地圖精度更高[8]。
綜上所述,以基于光學(xué)數(shù)據(jù)源的濕地提取為主,其中Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用次數(shù)最多,主要應(yīng)用在濕地制圖、變化監(jiān)測領(lǐng)域;星載雷達技術(shù)處于孕育期,學(xué)者們嘗試采用Radarsat數(shù)據(jù)對濕地進行遙感分類;結(jié)合光學(xué)和雷達數(shù)據(jù)的研究雖然起步最晚,但已有的研究表明,結(jié)合光學(xué)和雷達數(shù)據(jù)能夠明顯提高濕地的分類精度。值得注意的是,1980—2000年間,中國學(xué)者的文章在WOS核心合集中鮮有收錄,這說明中國基于遙感影像的濕地提取技術(shù)的研究晚于西方國家。
這一時期,高分辨率光學(xué)數(shù)據(jù)多次應(yīng)用于濕地提取研究中,星載雷達衛(wèi)星技術(shù)蓬勃發(fā)展。
(1)主要數(shù)據(jù)源
2001—2010年間,基于光學(xué)遙感數(shù)據(jù)的濕地提取研究中,常用數(shù)據(jù)源除了中分辨率的Landsat和SPOT數(shù)據(jù)外,還新增了高分辨率影像數(shù)據(jù)。其中,Landsat數(shù)據(jù)的使用率仍然最高;雷達衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展迅速,發(fā)射了各種能夠滿足不同應(yīng)用需求的星載雷達衛(wèi)星系統(tǒng),基于雷達數(shù)據(jù)的濕地提取文獻逐漸增多,常用數(shù)據(jù)源有Radarsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)、ERS衛(wèi)星數(shù)據(jù)、JERS-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)和ALOS衛(wèi)星數(shù)據(jù)等,其中Radarsat系列衛(wèi)星使用率最高;結(jié)合光學(xué)和雷達數(shù)據(jù)進行濕地提取的相關(guān)研究以Radardat和Landsat數(shù)據(jù)為主,同時高分影像也被用于多源數(shù)據(jù)結(jié)合的濕地遙感提取領(lǐng)域。
(2)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用領(lǐng)域
這一時期,基于光學(xué)數(shù)據(jù)的濕地提取技術(shù)仍以中分辨率的Landsat數(shù)據(jù)為主,主要應(yīng)用在大面積濕地變化監(jiān)測和濕地制圖領(lǐng)域,如Chen X L等人基于Landsat TM 和Landsat ETM+影像,提取并分析了鄱陽湖濕地的景觀格局變化;Baker C等人利用Landsat ETM+影像,結(jié)合地形和土壤數(shù)據(jù),繪制了美國蒙大拿州先不加勒廷山谷的濕地和河岸地圖。高空間分辨率遙感衛(wèi)星也被用于濕地分類提取研究中,分類結(jié)果的精度達到90%以上;基于雷達數(shù)據(jù)的濕地提取技術(shù)以研究基于Radarsat數(shù)據(jù)的濕地調(diào)查和濕地制圖為主。例如,Zhang M M等人采用了PALSAR-1數(shù)據(jù),對濱海濕地進行分類,總體精度和Kappa系數(shù)分別為89.79%和0.8;Parmuchi M G等 人 采 用Radarsat-1數(shù) 據(jù) 繪制了阿根廷巴拉那三角洲下游濕地地圖;結(jié)合光學(xué)和雷達數(shù)據(jù)主要應(yīng)用在濕地調(diào)查和制圖領(lǐng)域。Grenier M等 人 采 用 了Radarsat-1和Landsat-7 ETM數(shù)據(jù),繪制出以加拿大濕地清單為參考的加拿大濕地地圖,分類結(jié)果中各種地物的整體精度均大于80% ;同時,高分影像也被用于多源數(shù)據(jù)結(jié)合的濕地遙感提取領(lǐng)域,Du L等人嘗試將WorldView和LiDAR數(shù)據(jù)結(jié)合,對美國東部的德爾馬瓦半島森林濕地進行遙感分類。
2001—2010年間,中國學(xué)者采用多種遙感數(shù)據(jù)進行濕地提取研究,基于衛(wèi)星遙感的濕地提取研究成為關(guān)注熱點。但由于這一時期,中國星載衛(wèi)星成像技術(shù)處于起步階段[9],因此,該領(lǐng)域的研究均采用國外數(shù)據(jù)。與此同時,隨著全球遙感衛(wèi)星成像技術(shù)的發(fā)展,基于光學(xué)數(shù)據(jù)源的濕地提取研究開始引入高空間分辨率遙感影像、土壤信息和地形信息等,提取精度逐步提高,主要以大面積濕地變化監(jiān)測和濕地制圖為主;基于雷達數(shù)據(jù)和兩者結(jié)合用于濕地提取的研究在這一時期迅速發(fā)展,大多數(shù)研究以提高濕地分類精度為主。
這一時期,融合多源遙感數(shù)據(jù)的濕地提取技術(shù)成為該研究領(lǐng)域的熱點,盡管高分辨率光學(xué)數(shù)據(jù)是目前濕地提取研究的新趨勢,但中分辨率光學(xué)數(shù)據(jù)仍具有不可替代的優(yōu)勢。
(1)主要數(shù)據(jù)源
2011—2020年間,基于光學(xué)遙感數(shù)據(jù)的濕地提取研究中,新增了更多高空間分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù),如WorldView、QuickBird和中國的高分系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)等。其中,應(yīng)用最多的仍然是Landsat數(shù)據(jù)。基于雷達數(shù)據(jù)的濕地提取技術(shù)逐漸成熟,常見的數(shù)據(jù)源有Radarsat、ALOS、PALSAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)等,使用次數(shù)最多的是Radarsat和PALSAR數(shù)據(jù);隨著光學(xué)數(shù)據(jù)和雷達數(shù)據(jù)種類的增多,將兩者結(jié)合進行濕地提取的文獻所占比例也越來越高。
(2)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用領(lǐng)域
這一時期,高分辨率商業(yè)遙感衛(wèi)星與日俱增,以此為數(shù)據(jù)源繪制濕地專題地圖的相關(guān)研究也隨之增多,如Zhang D R等人采用QuickBird數(shù)據(jù),提取了位于杭州的西溪濕地[10];Mahdianpari M等人將WorldView和Pleiades高分遙感數(shù)據(jù)作為GEE(Google Earth Engine)平臺上的訓(xùn)練數(shù)據(jù),繪制了加拿大第二代濕地清查圖[11];Wu R J等人采用資源三號衛(wèi)星數(shù)據(jù),繪制了濱海濕地地圖。隨著光學(xué)遙感數(shù)據(jù)源的增多和影像融合技術(shù)的進步,不少文獻通過融合多種光學(xué)數(shù)據(jù)進行濕地遙感提取的研究,如Mccarthy M J等人融合WorldView-2和Landsat 8 OLI影像數(shù)據(jù),繪制了佛羅里達州坦帕灣濕地地圖。
基于雷達數(shù)據(jù)的研究主要應(yīng)用在濕地制圖和濕地分類提取中。例如,Zhang M M等人采用了PALSAR-1數(shù)據(jù),對濱海濕地進行分類,總體精度和Kappa系數(shù)分別為89.79%和0.88 ;Mahdianoari M等人采用全極化Radarsat-2數(shù)據(jù),繪制了加拿大紐芬蘭省阿瓦隆濕地的土地利用類型圖。結(jié)合光學(xué)和雷達數(shù)據(jù)的研究主要應(yīng)用在濕地調(diào)查制圖和濕地分類提取中,如Betbeder J等人結(jié)合MODIS和PALSAR數(shù)據(jù),首次繪制出剛果河流域森林濕地類型 ;Du L等人結(jié)合WorldView和LiDAR數(shù)據(jù)對美國東部的德爾馬瓦半島森林濕地進行遙感分類[12];Amani M等人結(jié)合機載航空影像數(shù)據(jù)、Radarsat和Landsat數(shù)據(jù),提取了紐芬蘭和拉布拉多地區(qū)濕地,結(jié)果表明各地類提取精度均在81%~91%之間。
綜上所述,近十年來,中國在高分衛(wèi)星技術(shù)和遙感影像濕地提取研究方面飛速發(fā)展。同時,應(yīng)用高分數(shù)據(jù)已成為基于光學(xué)數(shù)據(jù)進行高精度濕地提取研究的新趨勢;基于雷達數(shù)據(jù)的濕地提取技術(shù)逐漸成熟,分類結(jié)果的精度顯著提高;在結(jié)合光學(xué)和雷達數(shù)據(jù)的文獻中,主要以改進濕地遙感分類技術(shù)為主。其中,2011年之前,基于衛(wèi)星遙感的濕地提取技術(shù)的研究以中小尺度濕地為主,2011年之后,如何實現(xiàn)大尺度的濕地調(diào)查成為研究者們關(guān)注的熱點。
通過上述綜述可以看出,經(jīng)過近四十年的發(fā)展,濕地遙感的數(shù)據(jù)源越來越多,提取和分類精度也越來越高,應(yīng)用領(lǐng)域也在逐步拓展。但還是存在以下幾個方面的問題。
首先,各國間濕地遙感提取研究存在發(fā)展不平衡的問題?;赪OS檢索得到的207篇文獻中,中國、美國和加拿大三個國家的發(fā)文數(shù)量和Centrality值都很高,具有較高的學(xué)術(shù)影響力,其他國家Centrality值均為0。文獻被引用次數(shù)排在前五名的期刊分別來自瑞士、英國、荷蘭和美國四個國家,但除了美國,其余三個國家發(fā)表的文獻學(xué)術(shù)影響力并不高。
近年來,中國在遙感衛(wèi)星領(lǐng)域發(fā)展迅猛,在軌遙感衛(wèi)星數(shù)量全球范圍內(nèi)排名第二,自1980年至今,可用于濕地提取研究的遙感衛(wèi)星和機載成像平臺數(shù)量逐年遞增,但從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看,常用于濕地提取研究的免費數(shù)據(jù)都源自國外(表1)??梢?,發(fā)展國產(chǎn)公益遙感衛(wèi)星事業(yè),為濕地資源調(diào)查和監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支持,是我國提高濕地調(diào)查效率的重要途徑。
表1 WOS檢索到的文獻中用于濕地提取的數(shù)據(jù)源
其次,全色、多光譜、高光譜等光學(xué)數(shù)據(jù)源,為研究者提供了與濕地重要組成部分密切相關(guān)的可見光和紅外光譜信息,因此光學(xué)數(shù)據(jù)在濕地遙感提取中應(yīng)用頻率最高(圖3)。但單源遙感信息存在著不可避免的缺陷,例如,不同濕地類型之間全色和多光譜圖像的光譜信息有限,導(dǎo)致光譜相似的濕地類型間易產(chǎn)生誤分、錯分問題;雖然高光譜數(shù)據(jù)提高了光譜的分辨率,但是空間和時間分辨率也隨之降低,并且當研究區(qū)面積較大時,多光譜數(shù)據(jù)的像素個數(shù)和波段數(shù)隨著研究面積的增大而增大,由此造成的數(shù)據(jù)冗余現(xiàn)象使數(shù)據(jù)處理變得復(fù)雜。因此,結(jié)合全色、多光譜和高光譜等光學(xué)數(shù)據(jù),進一步提高濕地制圖和分類的精度,將會是未來濕地遙感研究的熱點之一。
圖3 各年份不同遙感數(shù)據(jù)源使用情況
再次,由于濕地的景觀組成復(fù)雜,異質(zhì)性非常高,導(dǎo)致單一濕地類型表現(xiàn)出不同的光譜特征,因此,光學(xué)數(shù)據(jù)源只能提供二維平面上的光譜信息[13]。多個研究表明,濕地分布與地形、濕地內(nèi)部的水分以及微地形之間均密切相關(guān),現(xiàn)代激光雷達系統(tǒng)(LiDAR)不僅可提供用于濕地分類的垂直信息,還可提供濕地的結(jié)構(gòu)和地形信息。由此可見,通過結(jié)合激光雷達數(shù)據(jù)與空間、光譜等信息,從而提高基于遙感技術(shù)進行濕地制圖和分類的精度,在濕地遙感領(lǐng)域存在著巨大的潛力。
最后,在工業(yè)發(fā)展、農(nóng)業(yè)集中化和森林砍伐等人類活動以及溫室效應(yīng)導(dǎo)致的全球變暖共同影響下,濕地面積銳減。自然資源面臨的風(fēng)險和近期頒布的與濕地相關(guān)的法律法規(guī),都推動了濕地研究的發(fā)展,但由于濕地主要分布在自然保護區(qū)內(nèi),現(xiàn)有的濕地分布圖大多都作為土地利用圖中的一個地類,與土地利用圖混合,缺少反映濕地分布特征的專題地圖,因此開發(fā)大規(guī)模、高精度的濕地專題制圖,用來描述濕地特有的景觀,在濕地監(jiān)測和管理方面具有重大意義。
濕地是地球上重要的生態(tài)系統(tǒng)之一,濕地面積隨著水位、水域面積和植被生長的動態(tài)變化,在不同年份和季節(jié)呈現(xiàn)不同變化,因此,基于遙感分類技術(shù),制作長時間序列的濕地地圖產(chǎn)品,并對濕地變化進行遙感監(jiān)測,可為有關(guān)部門提供決策依據(jù),是今后濕地遙感提取研究的主要目的。
本文通過運用CiteSpace軟件分析207篇文獻的發(fā)文作者和文獻所屬研究所和高校發(fā)現(xiàn),中國、美國和加拿大三個國家發(fā)表的文章處于全球領(lǐng)先水平,特別是中國,發(fā)文數(shù)量和Centrality值均排名第一。
統(tǒng)計207篇文獻所用數(shù)據(jù)源可知:光學(xué)遙感數(shù)據(jù)憑借豐富的光譜信息,占據(jù)了全部研究的1/2以上;雷達數(shù)據(jù)雖然具有穿云霧和提供高程等地形信息的優(yōu)勢,但因其不確定性較大,導(dǎo)致相關(guān)研究較少;同時結(jié)合多種遙感成像平臺數(shù)據(jù)的研究正逐年遞增。目前應(yīng)用全色、多光譜和高光譜等光學(xué)數(shù)據(jù)以及各種雷達數(shù)據(jù),實現(xiàn)基于多源遙感數(shù)據(jù)的大尺度濕地制圖和變化監(jiān)測,已經(jīng)成為現(xiàn)階段濕地遙感領(lǐng)域的新研究趨勢。
從應(yīng)用領(lǐng)域的角度來看,濕地遙感研究的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展,1980—2000年間,濕地遙感研究主要以中小尺度濕地調(diào)查和制圖為主;2001—2010年間,隨著遙感衛(wèi)星數(shù)量增多和影像時間序列的增長,這一時期濕地遙感研究的應(yīng)用領(lǐng)域拓展為大尺度的濕地調(diào)查和變化監(jiān)測;2011—2020年間,隨著高光譜、高分辨率和雷達遙感數(shù)據(jù)的增多,其應(yīng)用領(lǐng)域在濕地調(diào)查和變化監(jiān)測的基礎(chǔ)上,又拓展到濕地專題地圖和濕地生態(tài)系統(tǒng)評估等方面??梢?,濕地遙感技術(shù)將會滿足不同領(lǐng)域的技術(shù)需求,將成為濕地保護和變化監(jiān)測服務(wù)的主要技術(shù)手段。