王 寶

三江源地區(qū)土地覆蓋遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)

王 寶

有“江河源”和“亞洲水塔”之稱的三江源區(qū)位于青藏高原腹地，是長(zhǎng)江、黃河和瀾滄江的源頭匯水區(qū)，被稱為生態(tài)和生命的凈土，是我國(guó)乃至世界經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)屏障，生態(tài)功能十分顯著。但近幾十年來(lái)，由于自然和人為因素的干擾，三江源區(qū)生態(tài)環(huán)境明顯惡化，正面臨一場(chǎng)深刻的生態(tài)危機(jī)。而土地覆蓋變化就是最突出的景觀標(biāo)志。遙感具有多波段、寬覆蓋、可重復(fù)觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，在大面積區(qū)域，特別是交通不便、自然條件惡劣地區(qū)監(jiān)測(cè)土地覆蓋變化，進(jìn)而評(píng)估生態(tài)環(huán)境方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。本文以主要討論了運(yùn)用遙感影像進(jìn)行三江源地區(qū)為例，對(duì)相關(guān)的技術(shù)路線進(jìn)行了詳細(xì)論述，以期為較偏遠(yuǎn)地區(qū)開(kāi)展類似工作提供一定依據(jù)。

三江源地處青藏高原腹地的青海省南部，西南部與西藏自治區(qū)接壤，東部與四川省毗鄰，北部與青海省格爾木市、都蘭縣相連，海拔3450～6621m，包括玉樹(shù)藏族自治州和果洛藏族自治州，海南藏族自治州的興?？h和同德縣，黃南藏族自治州的澤庫(kù)縣和河南縣，格爾木市的唐古拉山鎮(zhèn)，總面積達(dá)36.3萬(wàn)km2。三江源區(qū)域每年向中下游供水600億m3，是我國(guó)中下游地區(qū)和東南亞國(guó)家生態(tài)環(huán)境安全和區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)屏障，生態(tài)功能十分顯著，具有極重要的戰(zhàn)略地位。近幾十年來(lái)由于全球氣候變化和加之人類不合理地開(kāi)發(fā)利用，如過(guò)渡放牧、亂采亂挖等人為因素，加速了三江源地區(qū)生態(tài)環(huán)境的惡化，導(dǎo)致大面積草場(chǎng)退化、土地沙化嚴(yán)重、水土流失加劇等一系列不良后果，生態(tài)系統(tǒng)處于惡性循環(huán)，生態(tài)危機(jī)十分嚴(yán)重。因而針對(duì)三江源區(qū)域生態(tài)環(huán)境的研究與保護(hù)，具有十分重要的歷史意義與現(xiàn)實(shí)意義，是刻不容緩的。由于三江源地區(qū)幅原遼闊，海拔高、交通極其不便、自然環(huán)境惡劣等自然條件的限制，對(duì)人們對(duì)這一地區(qū)生態(tài)環(huán)境的研究與保護(hù)造成了一定的困難。隨著空間信息技術(shù)的發(fā)展，利用遙感技術(shù)對(duì)三江源地區(qū)開(kāi)展土地覆蓋監(jiān)測(cè)進(jìn)而評(píng)估其生態(tài)環(huán)境變化趨勢(shì)是行之有效的并將起到事半功倍的效果。本文對(duì)相關(guān)的技術(shù)路線進(jìn)行了詳細(xì)論述，以期為較偏遠(yuǎn)地區(qū)類似工作的開(kāi)展提供一定支持。

遙感技術(shù)概述

遙感技術(shù)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的對(duì)地觀測(cè)綜合性技術(shù)，是一種利用物體反射或輻射電磁波的固有特性，遠(yuǎn)距離不直接接觸物體而識(shí)別、測(cè)量并分析目標(biāo)物性質(zhì)的技術(shù)，可在全球?qū)用娼沂镜厍虮砻娓饕氐目臻g分布特征與時(shí)空變化規(guī)律。利用不同的遙感平臺(tái)獲取的遙感影像圖，經(jīng)過(guò)一系列的數(shù)據(jù)處理，可以直觀地反映出目標(biāo)空間分布特征或自然現(xiàn)象的特性。20世紀(jì)90年代以來(lái)，遙感技術(shù)已深入環(huán)境和災(zāi)害的監(jiān)測(cè)與評(píng)估、資源勘探及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、城鄉(xiāng)規(guī)劃、土地管理、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件研究及作物估產(chǎn)、森林和作物病蟲(chóng)害研究以及軍事偵察等諸多領(lǐng)域，從區(qū)域到大范圍的陸地、海洋、大氣乃至全球范圍進(jìn)行信息的采集和環(huán)境變化的監(jiān)測(cè)。

利用遙感技術(shù)進(jìn)行三江源區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)具備以下優(yōu)點(diǎn)。

第一、覆蓋面廣。三江源地區(qū)面積廣闊，高寒缺氧，地勢(shì)地貌極其復(fù)雜多樣，絕大多數(shù)地方是無(wú)人區(qū)，交通極其不便，人無(wú)法到達(dá)。傳統(tǒng)測(cè)量手段耗時(shí)耗力耗財(cái)，具有相當(dāng)大的局限性。而遙感可不直接接觸地物而獲取圖像，進(jìn)而避免了人無(wú)法到達(dá)地區(qū)信息采集的死角，提高地面信息采集的完整性。

第二、連續(xù)性好。衛(wèi)星可以對(duì)同一個(gè)地區(qū)短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)重復(fù)觀測(cè)，重訪周期為十幾日、幾日、幾小時(shí)，甚至24小時(shí)連續(xù)觀測(cè)。這樣根據(jù)實(shí)際需要對(duì)同一地方的不間斷的監(jiān)測(cè)，能及時(shí)地反映某一地區(qū)生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。龍其是對(duì)草地退化日趨嚴(yán)重的三江源地區(qū)，運(yùn)用動(dòng)態(tài)觀測(cè)可更好地為決策者提供科學(xué)的依據(jù)，為改善生態(tài)環(huán)境做出極積的貢獻(xiàn)。

第三、圖像具有多波段性。遙感可以用多波段的電磁波，如可見(jiàn)光、近紅外、短波紅外、熱紅外、微波等，進(jìn)而多方面獲取不同的豐富的信息。高光譜技術(shù)則可獲取幾百甚至上千個(gè)波段，精細(xì)提取地物信息。

第四、節(jié)約時(shí)間、成本?；谶b感覆蓋面積廣、可重復(fù)觀測(cè)及多波段等優(yōu)點(diǎn)，相比傳統(tǒng)的測(cè)量等手段，可節(jié)省大量人力物力并且高效率地完成土地覆蓋提取工作。

遙感技術(shù)在三江源土地覆蓋監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

三江源地區(qū)地表覆蓋分類調(diào)整與擬定

根據(jù)三江源地區(qū)生態(tài)環(huán)境調(diào)查的需要，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡乩硪靥攸c(diǎn)，按照《土地覆蓋現(xiàn)狀調(diào)查規(guī)程》，將三江源地區(qū)的地表覆蓋類型劃分為耕地、林地、草地、黑土灘、冰川及永久積雪、水域及其它用地7個(gè)一級(jí)類型。其中的“黑土灘”型退化草地是青藏高原特有的一種景觀，是荒漠化的一種類型，是草原嚴(yán)重退化的結(jié)果。它主要是高寒草甸植被破壞后，引起沙化，直接導(dǎo)致了原生植被嵩草的逆向演替，使高寒草甸草地生草層禿斑化，呈現(xiàn)為次生雜毒草化或裸地，即形成“黑土灘”。針對(duì)三江源地區(qū)的特殊性而言，這種劃分方式更具有實(shí)用性和時(shí)代特征。

運(yùn)用遙感影像監(jiān)測(cè)土地覆蓋的技術(shù)路線

為利用遙感技術(shù)對(duì)三江源地區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，一個(gè)主要的工作就要詳細(xì)獲取三江源地區(qū)的地表覆蓋狀況，包括黑土灘、冰川及永久積雪、草地、水域、濕地等重要資源的詳細(xì)分布狀況。為此需要基于多源遙感影像，并結(jié)合數(shù)字高程等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)及其它專業(yè)資料信息，針對(duì)三江源地區(qū)地理要素的特點(diǎn)，采用多源信息輔助判讀、人機(jī)交互解譯、外業(yè)調(diào)查與核查、信息統(tǒng)計(jì)與分析等方法，開(kāi)展三江源地區(qū)的環(huán)境信息調(diào)查與獲取，具體的技術(shù)路線如圖 1所示。

圖1 運(yùn)用遙感影像檢測(cè)三江源地區(qū)生態(tài)環(huán)境技術(shù)路線圖

數(shù)據(jù)源的選取

穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)源是進(jìn)行監(jiān)測(cè)的重要保證。由于三江源區(qū)域面積大，從成本、數(shù)據(jù)精度等因素考慮，采用高分辨率的影像成本大，計(jì)算機(jī)運(yùn)行的速度也慢，而低分辨率的影像則不能夠較詳盡反映地物細(xì)節(jié)信息，達(dá)不到精度要求。另外，三江源地區(qū)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題主要是針對(duì)草地退化、湖泊變化等的監(jiān)測(cè)。而春季、冬季的三江源地區(qū)有很多地方被冰雪所覆蓋，須使用夏季或秋季的植物生長(zhǎng)期的遙感影像。因此，根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)面積大小、生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)及地形地貌特征，可選擇中等分辨率的4年Landsat系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)、Aster數(shù)據(jù)、環(huán)境災(zāi)害衛(wèi)星、中巴資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)等為宜，也可以考慮結(jié)合使用MODIS數(shù)據(jù)。具體參考預(yù)算情況決定。

解譯標(biāo)志庫(kù)的建立

遙感圖像所對(duì)應(yīng)的生態(tài)地理環(huán)境是一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的大系統(tǒng)， 同一地區(qū)的遙感數(shù)據(jù)，同譜異物和同物異譜的現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生。這要通過(guò)專業(yè)人員的分析或借助其它的資料來(lái)判斷，并且進(jìn)行必要的實(shí)地考查，不能一概而論。針對(duì)不同地區(qū)的解譯需求，可依據(jù)影像特征，參照數(shù)字高程等其它輔助資料、基于GPS的外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)、工作人員的先驗(yàn)知識(shí)等信息等，對(duì)某一類或幾類地類要素建立較為詳細(xì)的地類標(biāo)志庫(kù)，并進(jìn)行匯總分析，形成解譯標(biāo)志列表，以消除不同作業(yè)人員對(duì)遙感影像識(shí)別的差異，為準(zhǔn)確的遙感分類奠定基礎(chǔ)。三江源地區(qū)基于TM數(shù)據(jù)的解譯標(biāo)志庫(kù)，如表1所示。

遙感影像處理

影像處理的目的主要是通過(guò)對(duì)獲取影像進(jìn)行幾何精糾正、圖像鑲嵌、裁剪、融合等的處理，使其滿足判讀和解譯的要求。

幾何精糾正

它的目的利用地面控制點(diǎn)和幾何糾正數(shù)學(xué)模型來(lái)矯正非系統(tǒng)因素產(chǎn)生的誤差，以產(chǎn)生一幅符合某種地圖投影或圖形表達(dá)要求的新圖像。包括兩個(gè)環(huán)節(jié)，一是像素坐標(biāo)的變換，即將圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)榈貓D或地面坐標(biāo)；二是對(duì)坐標(biāo)變換后的像素亮度值進(jìn)行重采樣。平坦地區(qū)多采用多項(xiàng)式糾正法，高差較大地區(qū)則多采用物理模型正射糾正法，并進(jìn)行同一時(shí)相的多光譜對(duì)全色影像的配準(zhǔn)，以及后一時(shí)相對(duì)前一時(shí)相的影像配準(zhǔn)。

鑲嵌與裁切

當(dāng)感興趣的研究區(qū)域橫跨兩景甚至多景不同的圖像文件時(shí)，需要通過(guò)鑲嵌處理將不同的圖像文件合在一起形成一幅完整的包含感興趣區(qū)域的圖像。影像鑲嵌時(shí)要保證拼接后的圖像反差一致，色調(diào)相近，沒(méi)有明顯的接縫。若接邊處存在較大的差異，則應(yīng)通過(guò)鑲嵌邊搜索、色彩平衡、直方圖匹配、邊界線平滑等處理來(lái)消除或減少差異，使其盡可能滿足項(xiàng)目的需求。鑲嵌后的大范圍地面圖像可依據(jù)項(xiàng)目范圍要求，進(jìn)行裁切處理。

圖像增強(qiáng)與融合

為了改善圖像質(zhì)量，提高圖像目視效果，突出圖像中邊緣信息或線狀地物等所需要的信息，可對(duì)遙感圖像進(jìn)行增強(qiáng)與融合處理，形成色彩逼真的圖像，為進(jìn)一步的圖像判讀做好預(yù)處理工作。

增強(qiáng)處理。在保證不損失有用信息的情況下，為了提高融合的質(zhì)量，全色和多光譜數(shù)據(jù)需分別進(jìn)行不同的增強(qiáng)處理。針對(duì)全色影像可進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕叶染€性拉伸、高通濾波、USM銳化等處理；針對(duì)多光譜影像可進(jìn)行線性拉伸、亮度、色度、飽和度調(diào)整等處理。

影像融合。對(duì)增強(qiáng)后的全色與多光譜影像進(jìn)行融合處理，生成既保持全色波段較高空間分辨率優(yōu)勢(shì)又可具有多波段豐富光譜信息的新影像，以擴(kuò)充遙感影像的信息量。融合方法可根據(jù)具體選擇影像特征選擇合適的方法。如TM 、SPOT影像選擇HIS變換法、PCA變換法等；QuickBrids、IKONOS影像選擇Pansharping、小Brovery融合法等。

融合后增強(qiáng)。對(duì)于融合后的數(shù)據(jù)要再次經(jīng)過(guò)線性拉伸、USM銳化、彩色平衡、色度飽和度、明度、亮度對(duì)比度的調(diào)整等處理，從而使影像細(xì)節(jié)清晰，達(dá)到最佳的目視判讀效果。

影像內(nèi)業(yè)判讀解譯

由于遙感圖像成像是一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的系統(tǒng)，受天氣、地貌、溫度、觀測(cè)角度等的不同而不同。三江源地區(qū)是一個(gè)極其復(fù)雜多樣的地區(qū)，時(shí)常會(huì)發(fā)生同物異譜，同譜異物的現(xiàn)象，鑒于其不適合用自動(dòng)分類，而應(yīng)用人工分類的方法?？衫肊NVI和ArcGIS等空間信息處理軟件按照劃分的地表覆蓋類型建立解譯要素層，通過(guò)目視解譯辨別影像與地物的對(duì)應(yīng)關(guān)系，判別和歸類地物目標(biāo)，并用輪廓線圈定，賦予屬性代碼，用符號(hào)、顏色表示不同屬性。

目視判讀順序一般為遵循從已知到未知，從易到難，從山區(qū)到平原；整體→局部（大類→二級(jí)分類）；宏觀特征→細(xì)部結(jié)構(gòu)；先線狀地物→后圖形的順序。通過(guò)判讀解譯可形成GIS矢量數(shù)據(jù)及專題地圖數(shù)據(jù)結(jié)果。

外業(yè)調(diào)繪與核查

對(duì)于內(nèi)業(yè)地類判讀不清或尚未解譯的地方，則通過(guò)外業(yè)調(diào)繪方式，結(jié)合GPS技術(shù)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研并拍照和做詳細(xì)記錄，不斷更新解譯標(biāo)志庫(kù)，使之為內(nèi)業(yè)解譯提供進(jìn)一步依據(jù)；對(duì)那些同譜異物或同物異譜的地方盡可能實(shí)地調(diào)繪；對(duì)于已解譯的地方也應(yīng)分層隨機(jī)抽樣進(jìn)行實(shí)地核查，以保證解譯數(shù)據(jù)和實(shí)際相符。由于三江源地區(qū)地理位置特殊，地域廣闊，交通極其不變，絕大部分是無(wú)人區(qū)，確定一個(gè)合理的路線是十分必要的?；驹瓌t是一方面使外業(yè)調(diào)查盡量不留空白，所選路線可見(jiàn)識(shí)各類代表性土地覆蓋又車程距離和路況最優(yōu)；另一方面也應(yīng)為外業(yè)采集人員提供足夠的后勤保障。據(jù)此所定的外業(yè)調(diào)研路線，見(jiàn)如圖2。

檢查修改與數(shù)據(jù)整合

三江源地區(qū)地域廣闊，中高分辨率的影像通常都需要?jiǎng)澐殖扇舾蓚€(gè)區(qū)域來(lái)解譯。各區(qū)解譯完的數(shù)據(jù)，通對(duì)自查、專職人員的檢查、外業(yè)復(fù)查等程序后，通常最后還需要進(jìn)行三江源區(qū)域的拼接整合。數(shù)據(jù)拼接處理不僅要進(jìn)行拼接處地物接邊、地物屬性接邊等處理，還會(huì)發(fā)現(xiàn)由于作業(yè)員理解、知識(shí)、習(xí)慣等的不同而造成的錯(cuò)解漏解的現(xiàn)象。通過(guò)數(shù)據(jù)的拼接整合可使得數(shù)據(jù)更加合理、正確，才能滿足項(xiàng)目要求。

數(shù)據(jù)分析與成果制圖

整合后的解譯數(shù)據(jù)可以對(duì)地物類型、面積加以統(tǒng)計(jì)分析，也可制作出各種能直觀地反映三江源地區(qū)生態(tài)環(huán)境的圖件或圖形，為三江源地區(qū)土地覆蓋甚至生態(tài)環(huán)境變化趨勢(shì)的分析提供數(shù)據(jù)支撐，為使用者或決策者提供一個(gè)科學(xué)的依據(jù)。如，對(duì)連續(xù)不同年份動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)用柱狀圖形就能比較直觀地反映出不同年份的動(dòng)態(tài)變化；對(duì)三江源地區(qū)植被類型覆蓋的范圍進(jìn)行分析并制作圖件就能直觀地反映出該地區(qū)的環(huán)境狀況，如圖3。還可以用多種圖形、圖件相結(jié)合，更加直觀地反映出分析數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，使決策者或使用者一目了然。當(dāng)然，針對(duì)管理者或決策者的需要，還可以開(kāi)發(fā)特定的系統(tǒng)以便更能直觀、形象地反映出該地區(qū)的地理地貌、風(fēng)土人情、植被類型、草原退化和沙化的變化等情況，更好地為社會(huì)服務(wù)。

圖2 三江源地區(qū)黑土灘外業(yè)調(diào)查線路

圖3 青海省三江源區(qū)草地類型分布圖

結(jié)語(yǔ)

基于遙感技術(shù)對(duì)三江源地區(qū)土地覆蓋進(jìn)行解譯、分類、實(shí)地驗(yàn)證分析及制圖，可以科學(xué)、方便、直觀地掌握該地的土地覆蓋空間格局及演化趨勢(shì)，間接推斷生態(tài)環(huán)境的過(guò)去、現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。這些數(shù)據(jù)和圖件可為政府及相關(guān)部門的管理和決策提供科學(xué)的支持。但是由于遙感圖像成像的對(duì)象是一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的系統(tǒng)，遙感成像和接收過(guò)程也較為復(fù)雜，三江源地區(qū)又是一個(gè)極其復(fù)雜多樣的廣闊地區(qū)，時(shí)常會(huì)發(fā)生同物異譜，同譜異物的現(xiàn)象。再者，由于地區(qū)廣闊，同一時(shí)期的影像有的被云或雪所覆蓋。這給影像解譯和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)帶來(lái)了一定的困難。影像圖像的判讀是一個(gè)綜合知識(shí)考驗(yàn)的復(fù)雜過(guò)程，要求作業(yè)員有一個(gè)系統(tǒng)的判讀影像知識(shí)，解譯工作量相當(dāng)大。同時(shí)，為了得到一個(gè)更為符合實(shí)際的數(shù)據(jù)，要求外業(yè)實(shí)地考查人員盡可能的實(shí)地調(diào)研更多空間的更多類型數(shù)據(jù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的積累，有待一定程度上解決這一現(xiàn)象，為改善三江源地區(qū)乃至世界的生態(tài)環(huán)境做出貢獻(xiàn)。

王 寶

青海省基礎(chǔ)地理信息中心

王寶，男，漢（1974.8-）青海省基礎(chǔ)地理信息中心，工程師。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.009