胡 霞，楊春華

(重慶市環(huán)境科學(xué)研究院，重慶401147)

隨著科技進(jìn)步和社會(huì)生產(chǎn)力的極大提高，人口劇增、資源過度消耗、環(huán)境污染、生態(tài)破壞等問題日益突出，生態(tài)環(huán)境問題成為世界各國普遍關(guān)注的一個(gè)大問題。面對(duì)緊迫的生態(tài)環(huán)境保護(hù)壓力，因地制宜地開展生態(tài)修復(fù)工程刻不容緩。通過生態(tài)監(jiān)測獲得的準(zhǔn)確信息是保證生態(tài)修復(fù)工程順利進(jìn)行的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。遙感技術(shù)具有獲取資料和數(shù)據(jù)的范圍大，獲取信息的速度快、周期短，獲取信息時(shí)受限制條件少，獲取信息的手段多、信息量大等特點(diǎn)。將這項(xiàng)技術(shù)與地面常規(guī)監(jiān)測相結(jié)合，可以全面、定量地反映工程各項(xiàng)措施的數(shù)量和質(zhì)量，反映工程實(shí)施期間的生態(tài)環(huán)境狀況，反映工程區(qū)生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化、生態(tài)修復(fù)的總體特征、優(yōu)勢方面和存在問題，為生態(tài)修復(fù)工程的開展提供定量的參考。

1 遙感技術(shù)、陸地生態(tài)系統(tǒng)及生態(tài)修復(fù)定義

遙感技術(shù)。遙感 (Remote Sensing)，從廣義上說泛指從遠(yuǎn)處探測、感知物體或事物的技術(shù)，即不直接接觸物體本身，從遠(yuǎn)處通過儀器 (傳感器)探測和接收來自目標(biāo)物體的信息 (如電場、磁場、電磁波、地震波等信息)，經(jīng)過信息的傳輸及處理分析，識(shí)別物體的屬性及其分布特征的技術(shù)［1］。

陸地生態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)系統(tǒng) (ecosystem)就是在一定空間中共同棲居著的所有生物 (即生物群落)與其環(huán)境之間由于不斷地進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)和能量流轉(zhuǎn)過程而形成的統(tǒng)一整體。陸地生態(tài)系統(tǒng)主要以大氣和土壤為介質(zhì)，生態(tài)環(huán)境極為復(fù)雜，為人類提供了居住環(huán)境以及食物和衣著的主體部分。按其特點(diǎn)和植物群落的生長類型，又分為荒漠、凍原、草原、森林等生態(tài)系統(tǒng)。

生態(tài)修復(fù)。以受污染環(huán)境為出發(fā)點(diǎn)和立足點(diǎn)，生態(tài)修復(fù)是在生態(tài)學(xué)原理指導(dǎo)下，以生物修復(fù)為基礎(chǔ)，結(jié)合各種物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)以及工程技術(shù)措施，通過優(yōu)化組合，使之達(dá)到最佳效果和最低耗費(fèi)的一種綜合的污染環(huán)境修復(fù)方法［2］。

2 遙感在陸地生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)中的應(yīng)用研究

遙感在陸地生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)工程中的應(yīng)用一般集中在兩個(gè)方面。一方面是反映生態(tài)修復(fù)工程的狀態(tài)，包括生態(tài)修復(fù)所采取的措施、實(shí)施質(zhì)量和進(jìn)度。重點(diǎn)是對(duì)生態(tài)修復(fù)范圍內(nèi)的五大工程進(jìn)行監(jiān)測:退耕還林 (草)措施類型及其數(shù)量、生長狀況等;封山禁牧面積及其范圍內(nèi)的植被類型、生長狀況及生長量等;水土保持綜合治理各項(xiàng)措施的數(shù)量和質(zhì)量;調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)前后典型農(nóng)戶、典型地塊各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo);生態(tài)移民區(qū)的植被。另一方面是反映生態(tài)修復(fù)工程的效果，包括生態(tài)效果、經(jīng)濟(jì)效果、社會(huì)效果等三個(gè)方面，重點(diǎn)是監(jiān)測反映生態(tài)修復(fù)各個(gè)階段生態(tài)效果的指標(biāo)，如土壤侵蝕、植被、土地利用等方面情況。

2.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1.1 森林林地

遙感技術(shù)用于森林生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的監(jiān)測方法可以歸納為兩大類型:一類是通過對(duì)不同時(shí)間的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行分類后，比較不同時(shí)間各土地利用面積/類型的變化;另一類是通過計(jì)算功能反映森林植被變化的相關(guān)指數(shù)后進(jìn)行判別。龐國錦、董曉峰等［3］選取4期Landsat MSS、TM/ETM數(shù)據(jù)，在GIS技術(shù)支持下對(duì)1978—2007年面狀林地的動(dòng)態(tài)進(jìn)行遙感監(jiān)測，對(duì)中國“三北”防護(hù)林工程重點(diǎn)建設(shè)區(qū)河西走廊的防風(fēng)固沙林工程建設(shè)成效進(jìn)行了客觀評(píng)估。楊朝俊、胡庭興等［4］以天全河流域中、下游為研究區(qū)域，通過遙感技術(shù)監(jiān)測退耕還林工程實(shí)施區(qū)的土地利用變化，分析土地利用的轉(zhuǎn)移規(guī)律和退耕還林地的來源，為監(jiān)測退耕還林工程提供技術(shù)支持。X·Zhan［5］等利用MODIS空間分辨率為250m的紅光和近紅外波段對(duì)變化監(jiān)測方法進(jìn)行了研究，并對(duì)全球森林覆蓋變化進(jìn)行了監(jiān)測。胡勇、劉良云等［6］基于Landsat數(shù)據(jù)，利用基于植被指數(shù)的像元線性分解模型對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行反演，分析了北京山區(qū)植被覆蓋的時(shí)空動(dòng)態(tài)，并通過提取植被退化和修復(fù)的區(qū)域，研究了海拔、坡度和土壤類型對(duì)生態(tài)修復(fù)的影響，為區(qū)域生態(tài)建設(shè)和生態(tài)修復(fù)提供決策支持。

2.1.2 草地

遙感信息以其客觀、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、覆蓋面積廣等優(yōu)勢在草地的生態(tài)修復(fù)監(jiān)測和評(píng)估中正得到越來越多的應(yīng)用。一般情況下，植被覆蓋度與植被指數(shù)具有較強(qiáng)的正相關(guān)性:植被指數(shù)值越高，其植被覆蓋度就越大。同時(shí)，植被指數(shù)與地上生物量具有較強(qiáng)的正相關(guān)［7，8］，因此，目前草地退化遙感主要還是基于植被指數(shù)的變化檢測方法，通過建立植被指數(shù)和草原上生物量或植物蓋度的關(guān)系，對(duì)生物量或植物蓋度進(jìn)行計(jì)算與分析，或從衛(wèi)星遙感植被指數(shù)圖上定性地分析牧草的變化。劉同海、吳新宏等［9］選取了內(nèi)蒙古鑲黃旗為研究區(qū)域，基于TM遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合對(duì)應(yīng)時(shí)期的地面調(diào)查數(shù)據(jù)，從植被蓋度、植物類組成、地上生物量等方面對(duì)退牧還草工程的實(shí)施效果進(jìn)行了分析，對(duì)及時(shí)掌握退牧還草工程的植被恢復(fù)情況、為各級(jí)政府部門決策和草原生態(tài)建設(shè)、保護(hù)、利用與規(guī)劃提供了科學(xué)數(shù)據(jù)。郭鈮、韓天虎等［10］利用MODIS衛(wèi)星遙感資料、地面草地調(diào)查資料等，以植被指數(shù)變化為基礎(chǔ)，對(duì)瑪曲2003年完成的退牧還草工程對(duì)草地資源的恢復(fù)效果進(jìn)行定量、動(dòng)態(tài)與客觀的監(jiān)測和分析，為各級(jí)政府科學(xué)合理地制定退牧還草工程的規(guī)劃和宏觀管理措施提供參考。隨著遙感的發(fā)展，高光譜遙感數(shù)據(jù)具有光譜分辨率高、信息量大的特點(diǎn)，為草地退化監(jiān)測提供了新的解決方案。王煥炯、范聞捷等［11］選擇分布在呼倫貝爾草原西部的草甸草原為對(duì)象進(jìn)行草地退化的高光譜遙感監(jiān)測的研究，研究結(jié)論為高光譜圖像應(yīng)用于草地退化監(jiān)測提供了有力依據(jù)。

2.1.3 工礦區(qū)

復(fù)墾、生態(tài)修復(fù)是解決礦山環(huán)境保護(hù)和綜合治理的最有效途徑，主要針對(duì)采礦引起的土地功能退化、生態(tài)結(jié)構(gòu)缺損、功能失調(diào)等問題。應(yīng)與采礦活動(dòng)同步進(jìn)行，根據(jù)礦山不同開采時(shí)期的技術(shù)特點(diǎn)和自然環(huán)境等因素，及時(shí)作出相應(yīng)的復(fù)墾或生態(tài)修復(fù)方案，盡量避免或減少對(duì)環(huán)境的破壞，實(shí)現(xiàn)采礦與生態(tài)修復(fù)的一體化。［12］

植物恢復(fù)也是工礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中最常用的一種方法。因此，植被變化的遙感監(jiān)測對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)以及礦區(qū)生態(tài)修復(fù)效果評(píng)估具有重大意義。其方法主要還是基于植被指數(shù)的變化檢測方法。馬曉黎、王行風(fēng)等［13］利用神東礦區(qū)不同時(shí)相的Landsat遙感影像經(jīng)過預(yù)處理后計(jì)算其植被指數(shù)，進(jìn)而計(jì)算植被蓋度并分析其變化，分析了礦區(qū)開采活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響。李娜、楊鋒杰等［14］采用高光譜遙感數(shù)據(jù)計(jì)算植被指數(shù)，進(jìn)而反演葉綠素含量和物種數(shù)量，對(duì)云南個(gè)舊錫礦尾礦的生態(tài)恢復(fù)效果進(jìn)行 評(píng) 價(jià)。Catherine M．Champagne、Abdelgadir Abuelgasim等［15］利用多光譜遙感技術(shù)評(píng)估了薩德伯里內(nèi)受采礦影響地區(qū)生態(tài)修復(fù)情況。

2.1.4 城鎮(zhèn)

遙感技術(shù)以其宏觀、實(shí)時(shí)、快速、動(dòng)態(tài)、客觀的特點(diǎn)，為城鎮(zhèn)土地利用/覆蓋變化及其環(huán)境響應(yīng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測研究提供了便捷的途徑。通過土地利用/覆蓋計(jì)算得到用于進(jìn)行生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)的5個(gè)指數(shù)(生物豐度指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)、土地退化指數(shù)和環(huán)境狀況指數(shù))的值，進(jìn)而得到生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)。生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)能更加全面地衡量城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。梅卓華、金焰等［16］以2000年和2007年TM遙感影像為數(shù)據(jù)源，利用GIS技術(shù)，獲得了南京市2個(gè)時(shí)期的土地利用動(dòng)態(tài)變化以及生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)變化，對(duì)于南京市生態(tài)環(huán)境保護(hù)和建設(shè)有重要意義。孫德勇、李云梅等［17］以南京市區(qū)為研究區(qū)域，在對(duì)2000年TM和2004年的CBERS－2星進(jìn)行影像特征分析的基礎(chǔ)上，提取不同年份的土地覆被信息，進(jìn)而分析土地覆被和生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，為城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)和城市發(fā)展規(guī)劃提供客觀詳實(shí)的數(shù)據(jù)。W.Muttitanon 等［18］應(yīng)用 1990、1993、1996、1999年的TM影像對(duì)泰國本東灣進(jìn)行監(jiān)督分類，結(jié)果表明:在養(yǎng)蝦場、紅樹林區(qū)、城鎮(zhèn)用地逐漸增長的同時(shí)，農(nóng)田和未開墾土地在逐漸減少。

2.2 重慶市10年陸地生態(tài)系統(tǒng)遙感監(jiān)測應(yīng)用實(shí)例

以重慶市2000年、2005年及2010年三個(gè)時(shí)期的TM數(shù)據(jù)為依據(jù)，找出重慶市森林、灌叢、草地、濕地、農(nóng)田、城鎮(zhèn)和裸地7大地類不同時(shí)期的變化規(guī)律，尋找重慶市生態(tài)環(huán)境10年的變化趨勢，揭示其生態(tài)環(huán)境問題，為重慶市的生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)及環(huán)境保護(hù)決策和管理提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

不同時(shí)期重慶市生態(tài)系統(tǒng)空間分布見圖1～圖3。

分析表明，重慶市2000年土地總面積為82389 km2，其生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以森林和農(nóng)田為主。森林所占比重最大，達(dá)到了41.67%;其次是農(nóng)田(34.03%)和灌叢 (7.50%);而濕地、城鎮(zhèn)和裸地3個(gè)地類所占土地總面積的比重較小，均不到1%。2005年生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仍以森林和農(nóng)田為主。森林所占比重為41.99%，比2000年略有增加;其次是農(nóng)田 (32.62%)，比2000年減少較多，再次為灌叢 (14.64%)，與2000年相比相差不大;而濕地、城鎮(zhèn)和裸地所占比重仍然都較小，只是與2000年相比，城鎮(zhèn)和濕地面積增加明顯，裸地有所減少。2010年生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仍以森林和農(nóng)田為主，其次為灌叢，而濕地、城鎮(zhèn)和裸地較少。與2005年相比，土地面積增加幅度最大的為城鎮(zhèn)，增加了71.0%，其次為濕地，為19.6%，森林面積增幅依然較小，為1.1%，略高于前5年;裸地、農(nóng)田、灌叢和草地的面積均有不同程度的減少，減少幅度最大的為裸地，為57.6%，其次為農(nóng)田和灌叢，分別為5.1%和1.0%，而草地僅僅減少了0.3%。

結(jié)果表明:①重慶市的生態(tài)系統(tǒng)類型主要集中在森林、農(nóng)田和灌叢三種類型。②近10年，重慶市森林和灌叢生態(tài)系統(tǒng)的面積變化不大，而農(nóng)田、濕地、城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)的面積變化較大。其中，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的面積減少，濕地和城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)的面積有所增加。遙感技術(shù)的運(yùn)用為重慶市的陸地生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。

2.3 存在問題及發(fā)展趨勢

(1)遙感技術(shù)局限性。在整個(gè)遙感技術(shù)的流程中，從投影、飛行到色差、掃描以及校正解譯都存在著一定的誤差，從而影響監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，導(dǎo)致生態(tài)修復(fù)決策產(chǎn)生偏差。為從遙感數(shù)據(jù)中精確提取研究區(qū)環(huán)境有關(guān)信息，必須采用遙感信息和地學(xué)資料相結(jié)合、定性分析與定量分析相結(jié)合、綜合分析與主導(dǎo)分析相結(jié)合、室內(nèi)判讀與野外調(diào)查相結(jié)合的辦法，盡可能準(zhǔn)確獲取環(huán)境等變化信息。

(2)定量化評(píng)價(jià)有待提升。生態(tài)修復(fù)遙感監(jiān)測技術(shù)是一個(gè)比較新的研究領(lǐng)域，在植被覆蓋、土地利用/土地覆蓋分類、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測等方面已基本能提供一個(gè)定性的分析結(jié)果，而對(duì)其進(jìn)行定量、客觀和系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，還需進(jìn)一步研究。

(3)計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類技術(shù)不能滿足研究需求。陸地生態(tài)修復(fù)研究區(qū)域內(nèi)通常地物復(fù)雜，植物組成豐富、多樣性較高，群落結(jié)構(gòu)類型多樣，變動(dòng)頻繁，導(dǎo)致其研究的空間尺度較小，空間分辨率要求高，這就帶來了巨大的運(yùn)算數(shù)據(jù)量。而在對(duì)遙感圖像進(jìn)行解譯時(shí)，目前仍然以目視判讀獲取，盡管很多研究者進(jìn)行了自動(dòng)分類試驗(yàn)并改進(jìn)了方法和模型，小區(qū)域試驗(yàn)分類精度也很高，但從縣級(jí)以上區(qū)域尺度來看，誤差卻很大，分類精度還不能滿足監(jiān)測需要。隨著遙感空間分辨率、光譜分辨率和時(shí)間分辨率的不斷突破，影像增強(qiáng)處理技術(shù)的發(fā)展和智能化專家解譯系統(tǒng)的建立，可以在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)信息自動(dòng)高精度提取和更新，減少繁重的工作量。

(4)定量研究方法有待提高。目前的定量遙感方法僅僅是2S(GIS與RS)的結(jié)合，只有真正實(shí)現(xiàn)3S(RS、GIS與GPS)的有機(jī)結(jié)合，才能更有效地、定量地對(duì)研究區(qū)生態(tài)狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測以及更有效地進(jìn)行生態(tài)修復(fù)效果評(píng)估。未來以3S作為主體構(gòu)成的空間信息集成技術(shù)系統(tǒng)將形成具有多維信息獲取與實(shí)時(shí)處理特點(diǎn)的新的綜合技術(shù)領(lǐng)域?！?S”一體化集成正向著快速、精確、實(shí)用和深入的方向發(fā)展，進(jìn)而能更有效地、定量地對(duì)研究區(qū)生態(tài)狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測以及生態(tài)修復(fù)效果評(píng)估。

3 結(jié)語

遙感技術(shù)作為一種重要的高科技手段，在陸地生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)工作開展過程中具有其自身獨(dú)特的優(yōu)勢，同時(shí)，該領(lǐng)域研究當(dāng)前面臨著許多機(jī)遇和挑戰(zhàn)，諸多不足之處還有待完善。隨著衛(wèi)星技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，我國的遙感應(yīng)用領(lǐng)域也將進(jìn)一步得到拓寬，遙感技術(shù)作為高新科技的先進(jìn)性也將進(jìn)一步得到體現(xiàn)，應(yīng)用前景將更加廣闊，能為陸生生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的研究提供更加強(qiáng)大的技術(shù)保障。

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