遥感数据在塔里木河中下游土地利用/土地覆盖动态监测中的应用

遥感数据在塔里木河中下游土地利用/土地覆盖动态监测中的应用

2015-01-30 作者: giser 浏览: 3994 次

摘要: 土地利用/土地覆盖变化(Land Use/Cover Change,简称LUCC)是全球变化研究的重要内容,而土地利用/土地覆盖数据的获取是其重要基础工作。 随着遥感平台的多样化图像分辨率的提高,以及计算机技术的迅速发展,遥感技术已成为LUCC研究的重要手段。...

土地利用/土地覆盖变化(Land Use/Cover Change,简称LUCC)是全球变化研究的重要内容,而土地利用/土地覆盖数据的获取是其重要基础工作。

随着遥感平台的多样化图像分辨率的提高,以及计算机技术的迅速发展,遥感技术已成为LUCC研究的重要手段。我国“土地利用遥感动态监测项目”自1999年底列入新一轮国土资源大调查土地资源监测调查工程至今,由示范性起步阶段步入规范性的全面实施阶段。获取的大量土地资源动态变化基础数据、高分辨率遥感影像信息提取和系列成果资 料已经被应用于土地管理领域,在土地管理参与国民经济宏观调控中发挥了作用。 我国土地利用遥感监测研究采用的方法多种多样,如目视解译,计算机自动处理及二者相结合的方法,而且目视解译监测研究一直占有重要地位。在研究内容上,主要是针对城镇扩展和耕地变化,尤其是城乡结合部的变化。与国际土地利用遥感监测方法相比,我国在遥感 图像计算机信息自动提取方面尚存在一定差距。

到目前为止,我国已利用1:25万卫片完成全国和分省土地总面积的统计,全国1:200万土地利用卫星影像图,1:5万主 要城市土地利用现状卫星影像图等。此外,我国还研制和发展了全国范围内土地覆盖和土地利用﹑洪水预警﹑救灾对策等方面的软件系统﹑专家系统及一批数据库。基于遥感与GIS技术,国家环保局2000年完成了“西部遥感调查”项目。目前我国正在开发和研制中国土地覆盖和土地利用监测系统及其它区域性的土地资源和植被遥感应用的重要项。我区在土地利用方面所存在的问题主要是:土地荒漠化,沙化,草地退化现象严重,土地盐碱化程度日以加剧等。

卫星遥感技术以宏观﹑综合﹑快速﹑动态﹑准确的优势为地球资源调查﹑局部地区及区域的环境变化监测乃至全球变化研究提供了先进的探测与研究手段,标志着土地覆盖信息获取和分析处理方法的一场革命,必将近一步促进土地覆盖在区域和全球尺度上研究内容的深化。

本文运用遥感监测手段从塔里木胡杨林保护区的土地利用/土地覆盖变化规律和现状入手,分析当前保护区土地利用/土地覆盖特点及所存在的主要问题,并提出有关建议。

研究方法与研究思路

遥感动态监测主要涉及图像预处理和土地利用变化信息提取。并相应有图像预处理方法和土地利用变化信息提取方法。当今人类的生存与发展对土地的开发利用以及引起的土地覆盖变化被认为是全球环境变化的重要组成部分和主要原因。大量研究表明,土地利用及覆盖变化是在自然与人类社会因素共同作用下,在不同时空尺度上所表现出来的一系列景观 变化现象,其中气候变化,水文条件的变化,土地使用制度的变化,经济体制的变化,技术进步的变化,人类社会行为的变化是引起土地利用及其覆盖变化的主要因素。

因此,本文从研究土地利用/土地覆盖变化的驱动力及其动态分析入手,主要是通过遥感图像时空分析,了解过去不同时段塔里木胡杨林保护区土地覆盖的空间变化过程。土地利用/土地覆盖数据的处理如果依靠常规的手段不仅可以精确获取土地利用变化的数量和性质,而且还可以主动发现土地利用/土地覆盖的变化信息,提取变化地块的大致区域;而传统方 法只能被动地由用地单位或个人申报,存在少报和漏报的情况,增加了监测的客观性。

此外,运用TM数据成本低,能够较好地发现变化区域,尤其是非农业用地。运用遥感动态监测技术可以较好地完成较大比例尺生态环境动态监测工作,与传统方法相比较,不仅提高了数据获取的精度,而且大大地提高了工作效率。 通过计算机处理和人工解译相结合的方法,对比3个时相遥感影像,提取土地利用/土地覆盖变化信息,利用对研究区土地利用/土地覆盖信息分析结果,动态监测干旱区荒漠、绿洲及其过渡带生态环境变化,并运用数理统计、回归分析等方法结合影响本研究区的自然和人文因素提取该研究区生态环境破坏区域并建立生态环境预警系统是本文研究的重点内容。

专题信息提取

遥感信息自动提取

在遥感信息自动提取方面,分类方法的研究历史最长久,其核心是对遥感图象的分割,其方法有无监督分类和有监督分类。就无监督分类而言,有K-MEANS法,动态聚类型法,模糊聚类法,以及人工神经网络法;在有监督分类方面,有最小距离法、最大似然法、模糊分类法以及人工神经网络法。最大似然法需要各类型的先验知识及其概率,特别是 需要假定各类型的分布属于正态分布,因而它是一种有参数的分类器,在具有先验性概率知识以及各类型满足正态分布的条件下,它具有较好的分类效果,该分类器具有分类速度快的优点。

模糊分类是根据模糊数学所构建的一种分类器。它是建立在假设一个象元是由多个类型所组成的基础上,只是各类型的隶属度不同。在对分类器训练时,需要确定训练样本象元中,各类型的隶属度,它不需要各类型的先验概率知识,也不要求各类型服从正态分布,它是是一种无参数的分类器。但是对训练象元中各类型隶属度的确定比较困难。该方法适用于亚象元信息的提取。人工神经网络分类器是利用人工神经网络技术所构造的分类器,人工神经网络是近几年得到迅速发展的一门非线性科学,它是模拟生物神经网络的人工智能技术,已广泛地用于趋势分析和模式识别以及遥感图象的分类等方面。人工神经网络器不需要各类型的先验性概率知识,也不要求各类型一定要服从正态分布,它是一中无参数的分类器。

尽管利用分类器进行分类时所需要的时间很短。但是在对分类器进行训练时,所需要的时间却很长。就无监督分类而言,其所分的结果,需要专家进行判读和类别的归并,并最终确定其所需的类型。就有监督分类而言,需要选取大量的训练样区,而训练样区的选取不仅费工而且还很费时,训练样区选择的好坏直接影响分类的效果,同时,分类是对整个图象进行分割,它所要求的是总体的精度最高,这样就不可能完全能保证我们所需专题信息的精度一定最高。分类是建立在数理统计基础之上,而没有建立在对遥感信息机理分析的基础上,而没有建立在知识挖掘的基础上,这样就使得它难以实现遥感图象专题信息提取的全自动化。同时,基于光谱特征的分类难以解决异物同谱的问题。在分类中所获取到的知识通常既不可传递,也难以解释。这也是我们对所分结果知其然,而不知其所以然的原因。我们对任何时侯,任何地点的图象,都必须重复选取训练样区的工作。这样,显然就大大限制了遥感信息提取的自动化。为此,基于知识发现的遥感专题信息提取将成为另一个最有前途的方向。

遥感专题信息提取方法的发展趋势

基于知识发现的遥感专题信息提取是遥感专题信息提取的发展趋势之所在。其基本内容包括知识的发现、应用知识建立提取模型,利用遥感数据和模型提取遥感专题信息。在知识发现方面包括从单期遥感图象上发现有关地物的光谱特征知识、空间结构与形态知识、地物之间的空间关系知识,其中,空间结构与形态知识包括地物的空间纹理知识,形状知识,以及地物边缘形状特征知识;从多期遥感图象中,除了可以发现以上知识外,还可以进一步发现地物的动态变化过程知识;从GIS数据库中可以发现各种相关知识。在利用知识建立模型方面,主要是利用所发现的某种知识、某些知识或所有知识建立相应的遥感专题信息提取模型。在利用遥感数据和模型提取遥感专题信息时,应从简单到复杂,从单知识、单模型的应用到多知识、多模型的集成应用。从单数据的使用到多数据的综合使用。

研究区和数据来源

研究区概况

塔里木胡杨林自然保护区位于新疆维吾尔自治区尉犁、轮台两县,地处塔里木盆地北缘。其地理位置在位于东经84°15′~ 85°30′,北纬40°55′~42°17′之间。总面积为38790公顷。主要保护对象河岸胡杨林生态系统及珍稀动物资源。保护区1983年建立,现为国家级自然保护区。是世界上保存面积最大的原始天然胡杨林区。 保护区属河流两岸的河漫滩和河谷。年均温10.6℃—11.5℃;年降水量25—75毫米,年蒸发量2000—3000毫米;空气相对湿度仅40%—50%;全年多风沙,最大风速27米/秒,8级以上的大风日数41—46日/年。土壤含盐量高,为盐化土壤。保护区植物有20科38属72种,常见植物有:灰杨、沙枣、枸杞、盐穗木、铃铛刺、骆驼刺、甘草等。旱生、沙生、盐生植物占绝对优势。区内国家保护植物有:胡杨、灰杨等。胡杨为抗旱、抗盐碱、抗风寒乔木树种,其自然分布区是北非和亚洲干旱地区。

我国的胡杨林主要分布地塔里木河流域。在甘肃敦煌和新疆库车的第三纪古新世地层中发现了胡杨林的化石。胡杨又称异叶杨,落叶乔木,树高一般15米,胸径30厘米,树龄30年以后随地下水的变化而进入衰退期。胡杨林多形成于河岸凸岸,其后随着河道的变迁和水分条件的变化,生境也随之变得干旱,林分本身的自然更新难以实现,故林分均为纯林。且仅能维持一个世代。随着胡杨林的形成和伴随着的水分条件变化,幼树从水平根系的发育转向纵深垂直根系的发育,实现对环境的适应。由于河道的变更,不断为胡杨幼林提供发展的生境,因此,在塔里木河流域内,使胡杨林能不断得到更新。

保护区哺乳动物有野骆驼、马鹿、野猪、浪、沙狐、兔狲,以及特有种塔里木兔。食虫鸟类较多。在积水点还有大天鹅、灰雁等。林区内蜱螨目的昆虫种类很多。其中国家级保护动物有:塔里木兔、野骆驼、马鹿、大天鹅、小天鹅、疣鼻天鹅等。 然而,从20世纪50年代开始,塔里木河上游大规模开荒造田,用水量猛增,致使中下游河道的来水量逐年减少,到1972年以后,塔河干流下游大西海子以下363公里的河套长期处于断流状态,尾闾台特玛湖干涸长达30年,造成地下水水位下降,最严重的地区水位下降到13米以下,维系胡杨根系生长的地下水水位必须不低于4米。由于缺水,塔河下游流域的胡杨大面积死亡、干枯,胡杨林的面积急剧萎缩。

从上世纪70年代,胡杨开始走向衰落,短短20年间,塔里木盆地胡杨林面积由52万公顷锐减至35万公顷,减少近三分之一;在塔里木河下游,胡杨林更是锐减百分之七十。在幸存下来的树林中,衰退林占了相当部分。人类不合理的社会经济活动,导致胡杨及其林下植物的消亡,致使塔里木河中下游成为新疆沙尘暴两大策源区之一。严重制约了塔河流域经济社会的可持续发展,并且威胁到我国西北地区的生态系统平衡。 从上个世纪90年代末起,国家开始对塔里木河流域实施综合治理工程。投资107亿元的一期工程已经初见成效,挽救胡杨林行动效果显著。连续7次向塔河下游应急生态输水,结束了塔河下游河道断流近30年的历史,河道两岸约800平方公里的胡杨等植物显现生机。如今,对河流两岸各800米的范围探测表明,两岸地下水水位已恢复到4米以上,两岸的胡杨林开始了复苏的进程。

数据来源

本文数据有;

  • 1972年landsat、多光谱TM数据1景(时间:19731020,分辨率:57m)
  • 1992年landsat、多光谱TM数据1景(时间:19920926,分辨率:28.5m)
  • 2000年landsat、多光谱TM数据1景(时间:20000807,分辨率:28.5m) 遥感影像从http://glcfapp.umiacs.umd.edu:8080/esdi/index.jsp网站免费下载

  • 实际考察的照片库,GPS数据

土地利用变化信息提取方法

变化信息直接提取法

变化信息直接提取,是对两个时相的遥感图像进行点对点的直接运算,经变化特征的发现,分类处理,获取土地利用变化信息。主要方法有4种。

  1. 图像差值法。即将一个时相的某一波段光谱灰度值减去另一时相的对应像元的光谱灰度值,较早应用的是单波段图像差值法。单波段差值图像中难以提取动态信息;对MSS7,MSS5,MSS4差值图像进行彩色合成,则可综合各个波段的动态信息,并很好地突出植被变化信息。
  2. 图像比值法。这是对两个时相多谱段数据中同名像元的光谱灰度值施以除法运算。比值法可以部分地消除阴影影响,突出某些地物间的反差,具有一定的图像增强作用。一方面,比值图像可供直接判读,提取其中的专题信息。另一方面,只要稍加逻辑变换,便可用以直接检测明显变化的环境要素。
  3. 植被指数法。是综合利用植被在红光部分的强吸收与在近红外部分的强反射特点提取植被动态信息。常见的有比值植被指数,归一化植被指数,垂直植被指数,这些指数在森林资源动态监测中使用尤其广泛。
  4. 多时相复合分类法。将两时相或多时相遥感数据复合,通过遥感分类提取变化信息。在这种方法的监督处理过程中,训练区的确定比较困难。

计算机自动分类后比较法

该方法是在对比多时相的遥感图像前,先进行各时相遥感图像的单独分类"用该方法的优点是能获取各个像元的土地利用转变类型,不仅能获取变化的数量和特点,还能获取变化 的类型,并有利于减少不同时相图像因大气和传感器差异产生的误差。但是,这一方法由于受到单独分类所带来的误差影响,可能会夸大变化的程度。

目视解译法

该方法是以土地利用现状调查资料为基础,确定各地类的解译标志,在遥感图像上划出各地类界线,得到遥感分类图,再比较各时相的遥感分类图。此外,香宝提出了RS,GI S一体化,即通过遥感数字图像——人机交互判读——计算机量测汇总——数据库来提取土地利用信息的方法。 上述3种提取变化信息的方法,无论哪一种都涉及到分类方法。遥感分类方法的提高一直是遥感技术方法研究的重要领域。计算机自动分类与目视解译各有优缺点,本文把两种方法结合起来,得到了很好的效果。

数据处理

遥感影像通常需要进一步处理方可使用,用于该目的的技术称之为图象处理。图象处理包括各种可以对像片或数字影像进行处理的操作,这些包括图象压缩、图象存储、图象增强 、处理、量化、空间滤波以及图象模式识别等。

遥感图象处理流程

在整个遥感图像处理过程中使用ENVI遥感图像处理软件,对遥感影像进行处理。首先对所获取的遥感影像进行波段融合,取用了TM4,TM3,TM2波段,因所采集的遥 感影像投影原本属于UTM投影,所以需对遥感影像进行投影变换,使UTM投影变换成研究区相应的高斯投影,因所研究的区域不是在同一个景中,所以需要对遥感影像进行影 像拼接及裁剪来获取所研究区域的遥感影像。

然后进行假彩色合成(增强处理),在利用GPS点数据和实地照片的基础上进行了监督分类,最终获得整个研究区域的土地覆盖面 积信息。 本文采用如下的分类系统,包括混交林,旱生草地,沙漠,盐碱地,水域等5大类。 在土地利用/土地覆盖动态监测中,图像处理是保证变化监测精度的前提。其中 确定分类系统是评价监测方法准确度的重要依据。在对遥感影像处理过程中,所选定的各个分类系统面积的变化信息,可以比较准确的反映出所选定研究区域的土地利用/土地覆 盖变化信息。

面积统计

通过对研究区域各个时期的遥感图象进行分类,获取研究区域各个时期土地分类面积信息。

结果分析

通过对遥感影像分类后所得到的面积信息进行分析后,可以得出: 对于植被面积的变化,胡杨林从1973的125216.4km2 减少到了1992年的115975.6 km2 平均减少了9240.8 km2,1992年至2000年间减少趋势更加明显,期间减少了53328.6 km2。旱生草地从1973年的20467 km2减少到了1992年的142340 km2,减少了62332.4 km2,1992年至2000年间增加了23774.3 km2。受到人类土地开垦和规划的影响,水域从1973年的120213 km2,减少到了1992年的24555 km2,减少了95657.7 km2。1992年至2000年水域面积增加了32488.5 km2。盐碱地从1973年的35922 km2,增加到了1992年的47628 km2,增加了11706.4 km2。1992年至2000年盐碱地面积又加了27843.7 km2。沙漠面积从1973年的24165 km2增加到了1992年的121100 km2。增加了96935.4 km2。而从1992年开始减少,到2000年减少了112198.2 km2

通过上述数据处理结果可以得出以下分析: 自上世纪 70年代开始,塔里木河中游开始大面积开荒,人口增加导致水资源开始减少,又因不科学的灌溉方式使得土壤盐渍化加剧,这是1973年至1992年间胡杨林减少的原因。从图十中可以看出从1992年开始水域面积在增加,这对该地区旱生草地的生长比较有利,可随之而来的就是不合理利用水资源带来的土壤盐碱化。从图九可以看出这种趋势很 明显。盐碱化及旱生草地面积的增加抑制了沙漠的面积增加。土壤盐碱化,加上人口剧增是1992年至2000年间胡杨林减少的主要原因。

结论与建议

通过对塔里木河胡杨林保护区3个时相TM遥感图像的对比分析得到了保护区土地利用∕覆盖的动态变化信息。由于1973年的TM遥感图像分辨率(57m)低于1992年及2000年的遥感图像(28.5m),因而在处理1973年的遥感数据以及各种指数的提取过程中考虑到分辨率的差异所导致的失真,做了必要的修改。 塔里木河干流上游的过度开垦,造成中下游绿色长廊的消失。在开垦荒地的同时,不但没有注意对当地生态植被的保护,更没有考虑中下游的生态用水和农业用水。如果只顾眼前利益,无节制地乱开土地,后果实在令人担忧。在水资源十分匮乏的干旱区,为了实现区域的持续发展和区域生态环境改善,必须进行区域土地利用的宏观布局规划,进行水资源的优化配置。必须通过遥感图像,时时对全流域的土地利用进行动态监测,建立和完善塔里木河整个流域一体化宏观调控机制。

从20世纪的50年代中期至70年代中期的短短20年间,塔里木盆地胡杨林面积由52万公顷锐减至35万公顷,减少近三分之一;在塔里木河下游,胡杨林更是锐减70%。在幸存下来的树林中,衰退林占了相当部分。胡杨及其林下植物的消亡,致使塔里木河中下游成为新疆沙尘暴两大策源区之一。所以胡杨林保护区的建立有着相当重要的意义,它对于稳定塔里木河流地带的生态平衡,防风固沙,调节绿洲气候和形成肥沃的森林土壤,具有十分重要的作用。是荒漠地区农牧业发展的天然屏障。同时,胡杨是较古老的树种,它对于研究亚非荒漠区气候变化、河流变迁、植物区系的演化以及古代经济、文化的发展都有重要的科学价值。2006年2月3日经国务院批准,塔里木河胡杨林自然保护区正式升格为国家级自然保护区。这标志着胡杨林的保护首次受到了人类高规格礼遇,将重现历史的辉煌。 本文通过以上分析提出以下建议:

  1. 在干旱区,水资源十分匮乏。若能有效的控制塔里木河上游耕地面积的扩张,同时提高水资源利用率,则能解决塔里木河流域长期以来农业用水和生态用水之间的矛盾,这对塔里木河流域持续发展有重要意义。要建立以流域为单元的水资源统一管理体系,确保流域内各行业的用水,合理配置水资源,同时促进各行业的节约用水和水环境保护,避免由于流域内各部门之间经济实力的差异,造成抢占水资源,滥采地下水,导致水多浪费多,水少发展受制约,生态环境被破坏。在促进水资源统一管理方面,要利用行政、法律、经济手段,建立水资源统一管理体系,确保有限的水资源的可持续利用,保障区域经济社会的可持续发展和生态环境的保护和改善。
  2. 沙漠和盐碱地这类土地利用类型由于适宜性较差目前还难以被人类利用,但是必须加强对它们的防治,以防止由于人类的不合理利用而造成它的面积扩大,导致对绿洲和人类的生产活动产生影响。
  3. 健全法制,依法防治,尽快指定相关的法律法规,禁止无节制的开垦土地。以法律的手段来防治过度开垦现象。
  4. 合理调整干旱荒漠地区农、牧、林三者的关系,改变中下游沿线居民的燃料结构,帮助当地居民使用燃煤,天然气等燃料,严禁乱砍滥伐;各河流上游截流水库应定期向中、下游放水,确保胡杨林的恢复和发展。

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