成果名称：基于3S技术的河南省湿地变化研究

完成单位：河南省科学院地理研究所

课题组成员：李成林、郝民杰、 贾晶、贾涛、张淼、邓挺、姚梅、田保慧、杨志和、罗宁、汪雪峰、任杰、杨永菊、乔旭宁、周真。

1.研究背景和意义

    湿地是一种特殊的自然综合体，由于其成因和类型的多样性、结构与功能的复杂性、分布范围的广泛性和不平衡性、人们认识上的差异以及目的不同，湿地的定义也不同。在众多湿地定义中，国际公认且最有影响力的是《湿地公约》中的湿地定义，即拉姆萨尔定义。该定义指出湿地是指，不问其为天然或人工、长久或暂时性的沼泽地、泥炭地或水域地带、静止或流动、淡水、半咸水、咸水体，包括低潮时水深不超过 6米的水域。这个定义把地球上除海洋 (水深 6m以上 )以外的所有水体及其沿岸都当作湿地。湿地与森林、海洋一起并列为全球的三大生态系统，它是地球上水陆相互作用而形成的独特生态系统，是自然界最富生物多样性的生态系统和人类最重要的生存环境之一，具有巨大的资源潜力和环境、社会、经济功能。它不仅为人类的生产、生活提供多种资源，而且在抵御洪水、调节径流、改善环境、控制污染、保护物种基因多样性、美化环境和维护区域生态平衡等方面具有其它系统不可替代的作用，享有“地球之肾”和“生命摇篮”之美誉。

    随着信息技术的发展， 3S技术在湿地研究中发挥着越来越大作用。遥感 (RS Remote Sensing) 是一种现代化空对地观测技术 , 具有全天候、多时相以及不同空间观测尺度等优点。全球定位系统 (GPS Global Position System ) 是一种全球全天候的连续实时导航定位系统。地理信息系统 (GIS Geographical Information System )是处理地理数据的输入、输出、管理、查询、分析和辅助决策的计算机系统。 “ 3S”技术在空间信息管理中各具特色 , 均可独立完成自身的功能。同时 , 它们所能解决的问题之间又有很多关联性 , 在解决问题的功能上又各自存在着优点和不足。

    利用 3S技术进行湿地资源调查 ,是湿地资源调查的一种趋势。传统的野外采样方法覆盖范围小 , 花费时间长，并且对湿地具有破坏性。在湿地资源调查中 , RS技术可以提供有关湿地资源的海量数据 ,其影像经过图像处理分析后还可以反映湿地内部的环境状况，可以深入研究湿地情况与周边气候、地形地貌、土地利用、植被变化、湿地生物多样性以及社会经济发展情况的关系； GPS高精度的定位能力可以为 RS和 GIS提供准确的定位数据；而 GIS技术以其强大的空间分析功能和数据管理功能 ,对 RS和 GPS数据进行空间分析和管理 ,为湿地资源的深层次研究、开发、利用、保护和规划管理提供直观、准确和科学的依据。

    本项目应用 1990年、 2000年、 2007年三个时期的美国陆地卫星数据，运用 3S技术对我省这三个时期的湿地进行分类和提取，生成了我省湿地资源数据库，并对我省三个时期的湿地分布、面积、构成及其变化进行了系统的分析和研究，以期对我省湿地保护、恢复和可持续利用提供科学依据。
2.河南省湿地遥感提取方法

2.1 遥感数据

    本项目所采用的遥感数据是由美国陆地卫星 landsat5(TM)和美国陆地卫星 landsat7(ETM+)的成像产品。自 1972年 7月 23日美国发射了第一颗地球资源卫星后，目前在轨运行的卫星有 Landsat-5(1984年发射 )Landsat-7 (1999年 4月发射 )。 Landsat的轨道为太阳同步近极地圆形轨道。当卫星先后穿过同一纬度、不同经度的若干个地面点上空时，各地面点的地方太阳时大致相同。每 16至 18天覆盖地球一次。其所带的传感器专题制图仪（ TM）第 1, 2, 3, 4, 5和 7波段的地面分辨率为 28.5米，第 6波段的分辨率为 120米。 Landsat7搭载增强型专题成像传感器 ETM+(Enhanced Thematic Mapper Plus)，增加了分辨率为 15米的全色波段 (PAN)；热红外探测器阵列从过去的 4个增加到 8个，对应地面分辨率从 120米提高到 60米 ;ETM+数据绝对辐射精度为 5%，波段时间配准精度为 0.3个像元。在不使用地面控制点的情况下，地理定位精度为 250米。

2.2 遥感图像的分类方法

    在遥感技术的研究中，通过遥感影像判读识别各种目标是遥感技术发展的一种重要环节，无论是专业信息提取、动态变化预测，还是专题地图制作和遥感数据库的建立等都离不开分类。遥感图像分类方法基本上有两类方法，一是目视判读法，二是计算机分类法。

    目视判读，又称目视解译，它指专业人员通过直接观察或借助辅助判读仪器， 根据目标地物识别特征色调、颜色、阴影、形状、纹理、大小、位置、图型、格局等， 在遥感图像上获取特定目标地物信息。 目视解译是地学研究和遥感应用的一项基本技能， 是解译人员与遥感图像相互作用的复杂过程，它涉及到目视解译者生理与心理等许多环节。

    计算机分类就是利用计算机通过对遥感图像中各类地物的光谱信息和空间信息进行分析，提取其特征，并用一定的手段将特征空间划分为互不重叠的子空间，然后将图像中的各个像元划归到各个子空间去。遥感图像分类的最终目的是让计算机识别感兴趣的地物，并将识别的结果输出。遥感图像的分类方式主要有两种 :监督分类法和非监督分类法。如果是通过选择代表各类的己知样本 (训练区 )的像元光谱特征，事先取得各类别的参数，确定判别函数，再进行分类，为监督分类。 监督分类的方法很多，常见的监督分类方法有 最大似然法、最小距离法、平行六面体法等。 如果根据事先指定的某一准则让计算机自动进行判别分类无需人为干涉，则称非监督分类。 常用的非监督分类方法有 循环集群法（ ISODATA）、 K—均值分类法、最大似然法等。 监督分类法的分类精度一般比非监督分类法要高。

2.3 河南省湿地遥感分类方法

    河南省湿地分为河流、湖库、水田、滩涂和沼泽 5 类。根据试验结果， 最小距离分类法对线类地物比较理想，因此 河流分类采用 最小距离法。 平行六面体分类法对湖库的分类效果较好。 最大似然分类法因为分类精度较高，用于对水田进行分类 。由于滩地和沼泽地形复杂多样，难以进行计算机自动分类，所以采用目视判读法。

    最小距离分类法的基本思想是认为图像中各类地物波谱信息呈多元正态分布，每一个类在 N维特征空间中形成一个椭球状的点群，依据像元距各类别中心距离的远近决定其归属。所以，在这种方法中，距离就成为一个判别准则。在遥感图像分类处理中，比较常用的距离有欧几里得距离和绝对距离两种。

    平行六面体分类法又称箱式决策规则，它是根据训练样本的亮度值形成一个多维数据空间。如果被分类像元的亮度值落入某一类别的训练数据构成的多维空间中，则这个像元被表示为该训练数据代表的类别。平行六面体法是一种简单、快速的分类方法。

    最大似然分类法将卫星遥感多波段数据的分布当作多维正态分布来构造判别分类函数。其基本思想是：各类的已知像元的数据在平面或空间中构成一定的点群；每一类的每一维数据都在自己的数轴上形成一个正态分布，该类的多维数据就构成该类的一个多维正态分布；各类的多维正态分布模型各有其分布特征，例如，所在位置、形状、密集或分散的程度等。根据已知各类的已知数据（通过实地调查或其他方法确定地物类别及其训练区获得），可以构造出各类的多维正态分布模型。对于任何一个未知类别的数据向量，都可反过来求它属于各类的概率；比较这些概率的大小，看属于哪一类的概率大，就把这个数据向量或像元归为该类。

3. 河南省湿地变化分析

    本课题历时二年。二年来，课题组成员对基于“ 3S”技术的河南省湿地变化进行了深入细致的研究，并多次到野外进行调查取样。通过研究，我们得出如下几点结论：

1 、人工湿地增长较快。河南水田由 1990年的 51.87万公顷上升到 2007年的 64.26万公顷，上升幅度为 23.87%。同时，河南修建了大量的水库、水渠等基础水利设施，这使得河南在许多天然池塘干涸的情况下湖塘面积仍然保持增长，在河流径流量下降的情况下河渠面积基本保持不变。

2 、天然湿地急遽下降。河南省沼泽变化幅度最大，从 1990年的 1.068万公顷下降到 2007年的 0.007万公顷，几近消失。河南滩地由 1990年的 20.01万公顷下降到 2007年的 8.75万公顷，下降了 56.27%。另外，据实地调查，我省大量天然池塘干涸或消失，河流因径流量减小而使河流面积减少。

3 、人力因素是天然湿地减少的主要原因。从遥感监测和实地调查来看，农业开垦是滩地和沼泽减少的主要原因。另外，城市建设也占用了不少滩地。