邢 雯，阮宏華*，許子乾

（1.南京林業(yè)大學(xué) ,南京 210042）

城市地區(qū)內(nèi)的河口、河岸、淺水湖沼、水源保護(hù)區(qū)、污水處理廠以及天然和人工庫(kù)塘等具有水陸過(guò)渡性質(zhì)的生態(tài)系統(tǒng)被稱為城市濕地[1]。城市濕地是城市公共空間的一個(gè)自然景觀，也是城市生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，可以很好地調(diào)節(jié)環(huán)境和防控自然災(zāi)害；同時(shí)為城市居民提供環(huán)境教育和休閑娛樂(lè)功能。然而，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，城市濕地生態(tài)環(huán)境遭受了嚴(yán)重的影響。20世紀(jì)90 年代末以來(lái)，我國(guó)的濕地研究中各個(gè)領(lǐng)域都運(yùn)用到了遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，運(yùn)用較多的有濕地保護(hù)區(qū)規(guī)劃、濕地信息采集、濕地資源和環(huán)境分析、濕地分類等方面。目前已有學(xué)者關(guān)注南京市近幾年濕地變化，且開(kāi)始研究，但仍存在不足：一是針對(duì)南京主城區(qū)濕地長(zhǎng)時(shí)間跨度動(dòng)態(tài)變化研究較少；二是針對(duì)南京濕地的影像分類方法還沒(méi)有運(yùn)用到面向?qū)ο蠓椒ā?/p>

1 研究方法

本研究選取1988～2010年TM遙感影像為數(shù)據(jù)源，將目視解譯結(jié)果作為濕地分類基準(zhǔn)，使用ecognition遙感影像處理分類軟件，采用面向?qū)ο蟮男畔⑻崛》?，從不同維度對(duì)圖像分割進(jìn)行分類[2]。采用濕地遙感面向?qū)ο蟮亩喑叨确指罘椒?，使用多特征的遙感圖像判讀方法，通過(guò)對(duì)TM遙感影像的預(yù)處理建立各類型的遙感判讀標(biāo)志判讀遙感影像，初判讀后尺度分割，然后進(jìn)行影像對(duì)象分類，對(duì)11 a間濕地總面積變化、濕地向非濕地轉(zhuǎn)化進(jìn)行分析，制作專題圖。

1)數(shù)據(jù)預(yù)處理。選擇1988～2010年期間，11 a夏季同一時(shí)間段的TM遙感影像進(jìn)行輻射校正、衛(wèi)星平臺(tái)和傳感器的系統(tǒng)誤差校正。

2）判讀遙感影像。將濕地分為河流湖泊和水田（人工濕地）兩大類；植被、建筑物兩類為非濕地地物。在對(duì)典型地物觀察和描述基礎(chǔ)上，根據(jù)指定的分類建立類型解譯標(biāo)志，如河流為亮藍(lán)色、色調(diào)均勻的細(xì)長(zhǎng)和狹長(zhǎng)形影像；湖泊為灰藍(lán)色、內(nèi)部光滑的不規(guī)則多邊形影像；水田為亮灰色、規(guī)律性很強(qiáng)的塊狀影像；非水體中植被為深紅色、紋理粗糙的面狀、塊狀影像，建筑用地為深灰色、規(guī)律性很強(qiáng)的規(guī)則多邊形影像。

3）面向?qū)ο蟮挠跋穹诸?。綜合采用最鄰近分類法和隸屬度函數(shù)法，對(duì)濕地信息提取過(guò)程中的不同特點(diǎn)進(jìn)行濕地分類。先分割水體與陸地，降低分割尺度，提高分割時(shí)形狀因子權(quán)重。其次，在特征空間中選取樣本對(duì)象，對(duì)類和其他類的隸屬度值和距離進(jìn)行分析。最后，采取最鄰近分類法修正分類結(jié)果中未分和錯(cuò)分的類，獲得濕地信息分類分布圖。

4）精度調(diào)整。分布圖有少量陰影被分為水體，用河流、湖泊、水田等信息將被錯(cuò)誤分類的地物作為樣本重新分類，分類結(jié)果采用隸屬度最高的值，反復(fù)迭代，直至結(jié)果滿意。

5）生成動(dòng)態(tài)變化結(jié)果。遙感影像分析中運(yùn)用光譜和紋理特征，可夸大特征變量與其他類別的差異，有助于反映目標(biāo)感興趣聚類行為特征[3]，基于高分辨率的遙感影像，應(yīng)用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ǖ玫皆攲?shí)的分類圖[4]。

2 數(shù)據(jù)處理

1）遙感影像數(shù)據(jù)。選取1988～2010年間的TM遙感影像數(shù)據(jù)，氣溫、降水及社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)作為輔助數(shù)據(jù)。

2）影像預(yù)處理。①相對(duì)大氣校正：校正大氣及其分子和氣溶膠散射對(duì)特征反射的影響，以獲得表面溫度和反射率等物理模型參數(shù)，從而消除這些因素。大氣校正采取直方圖匹配法并根據(jù)數(shù)據(jù)實(shí)際進(jìn)行。②配準(zhǔn)：圖像配準(zhǔn)包括地面控制點(diǎn)（GCPs）選取及幾何校正。采取SRTM90 m分辨率的原始高程數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，對(duì)鑲嵌的影像數(shù)據(jù)作幾何校正。③影像鑲嵌:一個(gè)地區(qū)的信息很難被一定分辨率下的單幅影像全覆蓋，須對(duì)多景影像鑲嵌，最終形成25 150 × 18 121像素的拼接遙感數(shù)據(jù)文件。

3)圖像剪裁。圖像裁剪常按自然或行政區(qū)劃邊界進(jìn)行[5]。采用不規(guī)則裁剪方法，利用得到的城區(qū)邊界數(shù)據(jù)，在ArcGIS 中提取出相應(yīng)地區(qū)矢量邊界。

4）假彩色合成。選取TM432波段分別對(duì)RGB組合開(kāi)展分類解譯[6]。

3 南京市濕地信息提取

3.1 南京市濕地分類體系

1）湖泊河流濕地：①南京玄武湖、莫愁湖、石臼湖、固城湖、百家湖和月牙湖是面積超30 km2的湖泊，其中玄武湖面積為378 ha；月牙湖面積為17.2 km2；莫愁湖面積為32.36 km2。②長(zhǎng)江、滁河與秦淮河為主要河流，秦淮河是最大的河流，長(zhǎng)110 km；滁河位于長(zhǎng)江下游左岸一級(jí)支流，干流長(zhǎng)269 km。③水庫(kù)、水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)和農(nóng)用池塘。

2）水田（人工濕地）：運(yùn)河疏水河、養(yǎng)殖場(chǎng)、水庫(kù)、水稻田和農(nóng)用池塘是南京的主要人工濕地，包括水稻田、河流濕地、庫(kù)塘濕地三類。庫(kù)塘濕地包含農(nóng)用水池、水庫(kù)和養(yǎng)殖場(chǎng)，目前水稻田占濕地面積最大。

3.2 面向?qū)ο蟮倪b感分類方法

3.2.1 影像分割

多尺度分割產(chǎn)生的圖像對(duì)象的基本單位不是個(gè)體相似元，而是均勻的，如多邊形的大量對(duì)象[7]。圖像中像素顏色、灰度、紋理等不同的對(duì)象特性，產(chǎn)生不同尺度對(duì)象層的圖像，構(gòu)成對(duì)象層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。分割產(chǎn)生的圖像對(duì)象是一個(gè)對(duì)象的圖像原型，可作為信息的載體進(jìn)一步向下合并或拆分，建立多尺度分割系統(tǒng)，最終對(duì)最優(yōu)圖像分割并獲取目標(biāo)信息。區(qū)域劃分方法中，整個(gè)圖像是起始區(qū)域的種子。如果種子區(qū)域均勻度較差，則分為若干子區(qū)域，成為新種子區(qū)域。重復(fù)此過(guò)程，直到所有子區(qū)域變得均勻。

3.2.2 多尺度分割參數(shù)

1)多尺度分割概念：多尺度分割中，對(duì)象層采用不同的分割尺度產(chǎn)生不同尺度的圖像，從而形成一個(gè)層次的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)原來(lái)的像素。多尺度分割算法規(guī)則為：①在分割區(qū)域?qū)ふ曳N子對(duì)象作為增長(zhǎng)點(diǎn)，和其他對(duì)象領(lǐng)域合并成一個(gè)新的領(lǐng)域[8]。②如果合并中第一次條件不滿足，則最佳候選人成為新種子對(duì)象，繼續(xù)尋找合并對(duì)象；③兩者間的對(duì)象只能執(zhí)行合并算法；④每一周期中，每一個(gè)圖像對(duì)象在對(duì)象層只執(zhí)行一次[9]。

2)多尺度分割參數(shù)選擇：對(duì)不同的地形分類建立不同的分割尺度。采用圖像分割的3個(gè)維度，形成多層次的塊狀對(duì)象體系結(jié)構(gòu)。第一層是水體與陸地（非水體），主要區(qū)別是較適合分割適度的規(guī)模和類別，避免物體分割和精細(xì)，防止小面積水域分割錯(cuò)誤。分割尺度設(shè)置為100。第二層是在第一層分類基礎(chǔ)上，對(duì)水上物體進(jìn)行分割，水庫(kù)、河流、湖泊等規(guī)模較小的差異是精細(xì)的，應(yīng)將分割尺度標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為15。第三層是在第一層分類結(jié)果的基礎(chǔ)上，僅為陸地（非水體）再次分割，提取灘涂、沙灘、水田、沼澤等，分割尺度為5，優(yōu)先考慮色彩因素。

從圖1、2可見(jiàn)，當(dāng)分割參數(shù)設(shè)為100時(shí)，可以較好地將水體和其他地物分離出來(lái)，但非水體的地物信息非常模糊；而當(dāng)分割參數(shù)設(shè)為5時(shí)，非水體地物有更好的分割效果，可將居民地、農(nóng)田、建筑物、樹(shù)木等很好地分割出來(lái)。因此要根據(jù)尺度要求合理選擇影像分割參數(shù)。

圖1 分割參數(shù)設(shè)為100

圖2 分割參數(shù)設(shè)為5

3.2.3 分類提取

針對(duì)濕地信息提取的不同，用相鄰分類法和隸屬函數(shù)法對(duì)濕地進(jìn)行分類。①最鄰近法：為每個(gè)類定義樣本和特征空間的需要，空間的功能可任意組合，可評(píng)價(jià)對(duì)象特性、多維特征空間和容易處理重疊的關(guān)系，快速處理類層次；②隸屬度函數(shù)：隸屬函數(shù)對(duì)象特征及其類之間的關(guān)系用來(lái)定義對(duì)象屬性的標(biāo)準(zhǔn)[10]。如果一個(gè)類只能通過(guò)一個(gè)特征和其他類區(qū)別，或只有少數(shù)隸屬函數(shù)的特性可以使用，則需要添加新的信息來(lái)描述指定的類；所選擇的隸屬度值較小，其他類的隸屬度值較高，樣本屬于其他類；對(duì)所選類和其他類具有較高的隸屬度，是不用來(lái)區(qū)分當(dāng)前樣本的。最后，用最鄰近法對(duì)出現(xiàn)錯(cuò)誤及未分類結(jié)果進(jìn)行分類，得到濕地信息分類圖。

3.3 精度驗(yàn)證

遙感特征分類有一定誤差。如果水體和地物的陰影特征相似，地物陰影的隸屬度值和水隸屬度值就會(huì)非常接近，因而少量的地物陰影會(huì)被分為水。利用水庫(kù)、河道、農(nóng)田等信息，可對(duì)虛假特征分類，作為樣本分配到準(zhǔn)確的類別上，最高隸屬度值作為分類結(jié)果，反復(fù)迭代，直到結(jié)果滿意。為保證所有類別都有分析點(diǎn)，采用影像目視解譯產(chǎn)生的分層隨機(jī)樣點(diǎn)，選取2000、2002、2007、2010年分類結(jié)果圖像評(píng)價(jià)，其樣點(diǎn)數(shù)分別為510、690、560、560，總精度分別為76.47%、86.96%、82.34%和85.14%，建混淆矩陣，用遙感軟件精度評(píng)估工具得到分類結(jié)果評(píng)價(jià)報(bào)告。

4 1988～2010年南京市城市濕地動(dòng)態(tài)變化

4.1 南京市濕地分布特征

經(jīng)統(tǒng)計(jì)(詳見(jiàn)表1），1988年南京市城區(qū)有濕地面積為 189.254 7 km2，占南京市總面積的20.07%，其中河流湖泊濕地 135.208 8 km2，占濕地總面積71.44%；人工濕地（水田）54.045 9 km2，占濕地總面積 28.56% 。而到2010年，南京市城區(qū)共有濕地面積 130.579 4 km2，占南京市城區(qū)總面積13.85%，其中河流湖泊濕地 118.779 1 km2，占南京市濕地總面積90.96% ；人工濕地（水田）11.800 3 km2，占濕地總面積 9.04% 。由于1991年夏天南京發(fā)生特大洪災(zāi)，降水量達(dá)歷年之最，因此合計(jì)濕地面積較其他年份最多。河流湖泊濕地和人工濕地（水田）在1988～2010年間的分布變化如圖3、4所示。

圖3 1988～2010年南京主城區(qū)水田（人工濕地）面積的動(dòng)態(tài)變化

4.2 濕地時(shí)空變化

圖4 1988～2010年南京主城區(qū)河流湖泊濕地面積動(dòng)態(tài)變化

4.2.1 空間動(dòng)態(tài)變化

根據(jù)濕地分布，研究區(qū)的河流湖泊濕地主要集中于長(zhǎng)江南京段、玄武湖、秦淮河及城南地區(qū)部分河流，水系特征明顯，分布較廣。而人工濕地（水田）零星分布在南京市東郊、南郊和北郊，且呈逐年減少的趨勢(shì)。

從濕地構(gòu)成（表1）可見(jiàn)，1988年共有濕地面積189.25 km2，其中河流湖泊 135.22 km2；水田（人工濕地）54.05 km2。到2010年，城區(qū)共有濕地 130.58 km2，其中河流湖泊118.78 km2；水田（人工濕地）11.8 km2。

表1 1988～2010年南京市城區(qū)總濕地面積

從行政區(qū)看(見(jiàn)表2、3），棲霞區(qū)河流湖泊分布最多，占城區(qū)濕地近50%，其次是建鄴和浦口區(qū)，鼓樓、玄武、秦淮、雨花區(qū)近市中心，受城市化進(jìn)程影響較大，濕地分布較少，到2010年濕地面積萎縮嚴(yán)重。水田（人工濕地）城區(qū)分布有限，主要分布在棲霞、浦口、雨花三區(qū)，占到主城區(qū)濕地面積一半以上。由于近年來(lái)城區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)，水田面積大幅度縮減，由1988年的54 km2減為2010年的11.8 km2。

表2 1988年南京市城區(qū)各區(qū)濕地分布

表3 2010年南京市城區(qū)各區(qū)濕地分布

4.2.2 時(shí)間動(dòng)態(tài)變化

1988～1998年濕地面積下降較為緩慢（如圖5），1998～2000年間濕地面積有一個(gè)急劇下降的拐點(diǎn)，此后至2010年城區(qū)濕地面積呈急劇下降趨勢(shì)，特別是近年來(lái)城區(qū)城市化發(fā)展迅速，許多大面積的河網(wǎng)被城市道路所替換，導(dǎo)致河流湖泊面積縮減嚴(yán)重，主城區(qū)的水田（人工濕地）也在不斷減少。

濕地面積對(duì)比如表4所示，1988～1998年，研究區(qū)濕地總面積減少15.15 km2，變化率為8%，平均年變化率為0.8%，其中，水田（人工濕地）減少27 km2，減少49.95%，平均年變化率為5%；河流湖泊共增11.85 km2，增加8.76%，年均增加0.88%。

表4 1988～1998年南京市研究區(qū)各類濕地變化

如表5所示，2000～2010年間，濕地總面積減少24.68 km2，變化率為15.9%，平均年變化率1.59%。其中，河流湖泊共減少13.38 km2，減少10.12%，平均年變化率1.01%；水田（人工濕地）共減少11.3 km2，減少48.92%，年均減少4.89%。

表5 2000～2010年南京市研究區(qū)各類濕地變化

由此可見(jiàn)，1988～2010年，年均濕地面積減少比例有所增加。1988～2010年南京市總濕地面積變化如圖5所示。

圖5 1988～2010年南京市總濕地面積／km2

前10 a城區(qū)河流湖泊面積變化不是太大，如表6所示。水田（人工濕地）面積縮減比較明顯，其中由于棲霞區(qū)濕地面積最大，因此水田面積減少最多，減少9.09 km2；其次是秦淮區(qū)（包括此前白下區(qū)）和玄武區(qū)，分別減少5.01 km2和4.05 km2。

表6 1988～1998年南京市城區(qū)各區(qū)濕地變化量/ km2

2000年始，由于浦口區(qū)城市建設(shè)特別是房地產(chǎn)加速，濕地面積縮減嚴(yán)重，其中，河流湖泊面積減少1.52 km2，而水田（人工濕地）減少15.47 km2。其次是棲霞區(qū)，10 a間濕地面積共減少4.16 km2，鼓樓區(qū)和建鄴區(qū)濕地面積分別減少2.06 km2和2.62 km2，其他幾個(gè)區(qū)因城市化程度已較高，城建活動(dòng)有所緩解，濕地面積變化不大（見(jiàn)表7）。

表7 2000～2010年南京市城區(qū)各區(qū)濕地變化量/ km2

總體來(lái)看（如表8所示），從1988～2010年各區(qū)濕地面積都在減少，特別是水田（人工濕地）變化較大，其中以浦口和棲霞最為顯著。浦口由于近10 a發(fā)展迅速，房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)活動(dòng)劇增，因此濕地面積縮減最為劇烈；而棲霞區(qū)本身面積大，因此濕地面積變化值也較大，兩個(gè)區(qū)濕地面積分別減少17.37 km2和8.81 km2，其中水田（人工濕地）面積分別減少18.45 km2和7.7 km2，其他幾個(gè)區(qū)因后期城市建設(shè)緩解，濕地面積變化相對(duì)較少。

表8 1988～2010年南京市城區(qū)各區(qū)濕地變化量/ km2

4.2.3 時(shí)空變化分析

1988～2010年，濕地轉(zhuǎn)變顯著特征主要表現(xiàn)為濕地大面積向非濕地特別是建筑用地轉(zhuǎn)化，直接表現(xiàn)為濕地總面積的變化，且隨年份增加呈減少趨勢(shì)。每一種濕地類型都有不同程度的退化，由大面積的濕地轉(zhuǎn)化為非濕地。

5 討論與總結(jié)

5.1 面向?qū)ο蟮臐竦胤诸惙椒?/h3>

濕地遙感中面向?qū)ο蟮亩喑叨确指罘ㄖ?，利用圖像對(duì)象及相關(guān)信息，細(xì)分地物特征，通過(guò)對(duì)特征的提取來(lái)區(qū)分不同類型的對(duì)象較容易。面向?qū)ο蠓诸惙椒筛鶕?jù)像元光譜與空間分布特征，基于單一高分辨率圖像，形成不同層次圖像資源集合和具有不同分辨率的圖像，提取遙感影像包含的圖像空間信息，使面向?qū)ο蠓诸惙椒ǖ目煽啃院头诸惥鹊玫教岣摺?/p>

5.2 研究成果

以1988～2010年TM影像為基礎(chǔ)資料，結(jié)合濕地考察數(shù)據(jù)，采用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ǎ攸c(diǎn)放在主城七區(qū)，對(duì)南京市兩個(gè)主要濕地類型進(jìn)行信息提取和時(shí)空變化分析，取得以下成果：

1）兩類濕地面積銳減：1988年河流湖泊和水田（人工濕地）的面積分別是135.21 km2和54.05 km2，到了2010年分別縮減為118.78 km2和11.8 km2。棲霞、浦口、雨花三區(qū)濕地分布最多，1988和2010年此三區(qū)濕地面積分別占城區(qū)濕地總面積的70.9%和71.04%，是濕地保護(hù)重點(diǎn)區(qū)域。

2）城區(qū)濕地面積萎縮嚴(yán)重：近20 a間，總面積減少58.68 km2，變化率31%，其中水田（人工濕地）減少較多，共減少42.25 km2，變化率78.17%，河流湖泊減少較少，共減少16.43 km2，變化率12.15%。各區(qū)中棲霞區(qū)和浦口區(qū)面積下降較多，分別減少8.81 km2和17.37 km2。其變化主要表現(xiàn)為濕地向非濕地（建設(shè)用地）的轉(zhuǎn)化，水田（人工濕地）是南京城區(qū)濕地保護(hù)的重點(diǎn)。

5.3 濕地保護(hù)

南京市濕地資源面臨巨大的壓力和危機(jī)，須加強(qiáng)濕地保護(hù)，具體措施：

1)保護(hù)城區(qū)濕地區(qū)的現(xiàn)有植被，防止水土流失。

2)加強(qiáng)水域內(nèi)水生植物養(yǎng)護(hù)管理，保護(hù)濕地周圍植被，保護(hù)濕地的生物資源，在大中型湖泊四周興建防護(hù)林帶，江河沿岸栽植護(hù)堤植被，禁止在野生魚(yú)類的生存水域漁獵。

3)加強(qiáng)濕地水污染防治，完善立法，加大執(zhí)法力度，綜合治理已受污染的濕地。

4)禁止亂砍濫伐，減少煤炭化工產(chǎn)業(yè)的排放，大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)。

5)健全濕地立法和管理機(jī)構(gòu)，牽頭部門市農(nóng)委應(yīng)和環(huán)保、國(guó)土、水利等密切配合。

6)運(yùn)用3S等技術(shù)建立濕地監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，掌握動(dòng)態(tài)，增強(qiáng)濕地資源可持續(xù)性利用和保護(hù)。