中卫绿洲湿地的遥感驱动力分析

第一章绪论

1.1研究意义
湿地为人类提供丰富的工业原料和能量来源，并为人类在美学、教育、文化和精神方面提供了重要的惠益。因此，湿地研究受到世界各国的普遍关注，已成为当今世界所关注的重点学科与研究领域。西北干旱半干旱气候区湿地是我国重要的湿地类型分布区。然而对该区域湿地的研究无论从深度，还是从广度而言都难以与其他湿地分布区相比。研究区位于宁夏回族自治区与内蒙古自治区的交界地带，主要的行政区划包括宁夏回族自治区中卫市，地处我国西北半千旱气候区。研究区湿地主要包括黄河湿地和荒漠湿地两种类型，湿地内部植被类型丰富多样，地下水位高低不齐，给交通带来极多不便。传统的地面调査方法，不仅耗时、费力、效率低，而且许多湿地区域实际穿行。遥感数据具有监测范围广、更新时间快、信息量大等特点，并且对湿地不产生破坏性。在遥感技术日渐成熟的情况下，湿地资源调査广泛采用遥感技术。因此，依托3S技术研究该区域的湿地类型、探索湿地动态变化规律及分析其驱动力，可为制定湿地保护策略提供科学依据，并在维护生态平衡，实现该区域人与自然和谐相处，促进经济社会可持续发展等方面发挥十分重要的作用。
目前，通过遥感影像提取湿地信息普遍采用目视解译法，该方法人为因素影响大、工作效率低，导致总体数据质量不高；而基于像素的监督、非监督方法的计算机自动分类方法精度较低，并不能有效提取湿地信息。由于湿地类型多样，在TM/ETM+影像上湿地光谱信息往往是湿地植被、湿地土壤和湿地水分等光谱特性的综合反映，而不同类型的湿地其植被、土壤、水分对遥感光谱的"贡献度"又各不相同，这就给计算机自动分类带来了挑战。基于对象影像分析方法除可以利用光谱特征外，还可充分利用影像对象的纹理、形状和上下文关系等空间特征信息；再者基于对象影像分析方法是很强大的基于模糊系统的软分类器，这样比起传统的遥感分类方法可以提供更加精确的分类结果[1]。本文则通过利用基于对象影像分析方法来探讨研究区湿地的自动提取方法，这对于目前湿地遥感监测自动化研究较少的状况下，具有一定的科研价值。

1.2国内外湿地研究进展
1.2.1湿地的定义
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，以及人类使用目的不同，人们对湿地的认识与理解也存在差异。世界各国先后出现100余种互不相同的湿地定义[2]。较早关于湿地的定义是1956年美国鱼类和野生动物管理局发布的《39号通告》，通告将湿地定义为："湿地表面暂时或永久有浅层积水，以挺水植物为其特征，包括各种类型的沼泽、湿草地、浅水湖泊，但是不包括河流、水库和深水湖。"该定义强调了湿地水体的暂时性，但对水深并未做规定[2]。 1971年，在国际自然和自然资源保护联盟的主持下，在伊朗的拉姆萨会议上通过了《关于特别是作为水禽栖息地的国际重要湿地公约》（简称为《湿地公约》)。《湿地公约》将湿地定义为："不问其为天然或人工、常久或暂时之沼泽地、湿原、泥炭地或水域地带，带有静止或流动、或为淡水、半咸水或咸水水体者，包括低潮时水深不超过6米的海洋水域。"该定义基本涵盖了湿地的所有类型，成为多数国家及学者普遍接受的定义。其后出现的一些湿地定义也基本上是对《湿地公约》定义的进一步诠释。
1979年美国鱼类和野生动物管理局依据《湿地公约》定义，将湿地重新定义为："介于陆地和水域之间、水位接近或处于地表或有浅层积水的地域，并且必须具有以下一个或几个特征：水生植物占优势；基地以排水不良的水成土为主；长期或季节性为水淹没。"1987年8月，在加拿大埃德蒙顿的国际湿地与泥炭生产讨论会上，加拿大学者将湿地定义为："湿地是一种土地类型，其主要标志是土壤过湿，地表积水（水深小于2米，有时含盐量高），土壤为泥炭（泥炭层大于40厘米）或潜育化沼泽土，生长水生植物。"英国学者(1991)将湿地定义为："一个地面受水浸润的地区，该地区具有自由水面，通常四季积水，但也可以阶段性积水，自然湿地的主要控制因子是气候、地形和地质。人工湿地还有其他控制因子"。"湿地"概念进入中国时间较晚，正式出版物中出现"湿地"一词是在20世纪80年代后。1987年在《中国自然保护纲要》中首次出现湿地的中文定义："国际上常把沼泽和海涂合称为湿地"。1991年《环境科学大辞典》将湿地定义为"陆地和水域的交汇处，即地表有暂时或永久的浅层积水，以水生植被为优势种，包括沼泽、海涂、湖滩、湿草地及浅水湖泊（不包括河流、水库和深水湖）"。
 
      1.3 研究内容 ...................17-18
    1.4 论文特色 ...................18
    1.5 本文组织结构 ...................18-20
第二章 原理与方法 ...................20-39
    2.1 基于对象的影像分析基本原理 ...................20-34
    2.2 分类精度评价 ...................34-35
    2.3 变化检测/监测 ...................35-37
        2.3.1 变化信息提取 ...................35-37
        2.3.2 变化信息分析 ...................37
    2.4 研究方法与技术路线 ...................37-39
第三章 研究区概况及图像预处理 ...................39-47
    3.1 研究区概况 ...................39-43 
    3.2 研究区湿地分类体系 ...................43-44
    3.3 数据源介绍 ...................44-45
    3.4 数据预处理 ...................45-47
        3.4.1 影像配准 ...................45
        3.4.2 影像裁剪 ...................45
        3.4.3 大气校正 ...................45-47
第四章 基于对象的分类方法提取研究区湿地信息 ...................47-63
    4.1 最优分割参数选择 ...................47-51
    4.2 湿地遥感特征信息分析 ...................51-58 
    4.3 湿地提取与分类 ...................58-61
        4.3.1 特征选择 ...................58-60
        4.3.2 隶属函数的建立 ...................60-61
    4.4 分类精度评价 ...................61-63
第五章 研究区湿地动态变化及其驱动力分析 ...................63-75
    5.1 湿地的空间分布格局 ...................63-64
    5.2 湿地的变化分析 ...................64-73
    5.3 驱动力分析 ...................73-75
        5.3.1 自然驱动力 ...................73
        5.3.2 人文驱动力 ...................73-75

结论

本文以中卫绿洲及毗邻地区为研究区，建立基于对象的研究区湿地提取与分类方法，进而对研究区湿地进行年内和年际上的动态变化分析，并从自然和人文因素两方面分析湿地变化的原因。得到的主要结论有：
1.基于对象的影像分析方法能够准确地实现湿地信息的提取与分类。影像对象丰富的光谱特征以及大小、形状、上下文等空间特征在湿地提取和分类中发挥了极大的优势，尤其是影像对象的空间特征给光谱信息复杂的湿地自动分类带来了解决之道。从分类结果看，基于对象图像分类方法成功避免了 "椒盐现象"。
2.本文采用不一致性评价法对影像分割结果进行评价，该方法综合考虑了参考多边形和分割多边形的几何一致性和代数一致性，利用PSE、 NSR和ED2三个参数度量分割结果，从中选择出最优分割参数组合。在Landsat影像上提取研究区湿地信息的最优分割尺度为10-15， 1992年Landsat影像的最优分割尺度为15，尺度因子和紧凑度分别为0.1和0.7;其他时相的Landsat影像的最优分割尺度为10,尺度因子和紧凑度分别为0.2和0.4。在使用多尺度分割方法对Landsat影像分割时，尺度因子与形状因子对分割结果的影响较大，紧凑度对分割结果的影响较小；长宽比较小的地物类型的最优分割形状因子较小，反之则较大。

参考文献

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[2]陈克林等.中国湿地百科全书[M].北京：北京科学技术出版社,2009.
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[4]杨永兴.国际湿地科学研究的主要特点、进展与展望[J].地理科学进展.2002,21(2) :111-120.
[5] Cowardin, L.M., Carter, V., Golet, F.C. Classification of wetlands and deepwater habitats ofthe United States. US Fish and Wildlife Service, FWS/OBS 79/31, 1979.
[6]刘子刚,马学慧.中国湿地概览[M].北京沖国林业出版社,2008.
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[8]陆健健.中国湿地[M].上海:华东师范大学出版社,1990.
[9]陈建伟,黄桂林.中国湿地分类及其划分指标的探索[J].林业资源管理.1995,5:65-71.
[10]唐小平,黄桂林.中国湿地分类系统的研究[J].林业科学研究.2003,16(5) :531-539.