尤慧 鄧艷君 高華東 李鑫川

摘要：洪湖濕地屬于典型的內(nèi)陸亞熱帶濕地類型，在蓄洪調(diào)洪、漁業(yè)、灌溉、航運等方面起著重要的作用，在長江中下游的湖泊濕地中具有典型的代表性。近年來，隨著自然生活環(huán)境的變遷和人類活動的影響，洪湖濕地土地利用/土地覆蓋變化發(fā)生了顯著的變化。利用2005、2010年的Landsat7 ETM+以及2015、2018年的Landsat8 OLI數(shù)據(jù)，采用支持向量機（SAM）監(jiān)督分類的方法，將洪湖濕地分為湖泊、河渠坑塘、農(nóng)田、植被、居民點、其他6種類型，提取了2005—2018年的洪湖濕地土地覆蓋空間變化數(shù)據(jù)，并對其進行動態(tài)變化分析。結(jié)果表明，洪湖濕地土地利用類型在2005—2018年發(fā)生了顯著的變化，其中2005—2015年的10年間，湖泊、植被、農(nóng)田的面積出現(xiàn)了減小，河渠坑塘、居民點面積大幅增大;2015—2018年間，洪湖濕地的湖泊、植被面積表現(xiàn)為增大，河渠坑塘出現(xiàn)了減小。在2005—2015年間，洪湖濕地結(jié)構(gòu)類型的變化主要受圍湖造塘以及建設(shè)活動的影響;2015—2018年間，洪湖濕地的結(jié)構(gòu)類型的變化主要是為了恢復洪湖的生態(tài)環(huán)境，自2016年開始，洪湖開展了拆除圍網(wǎng)、修復湖濱帶植被等活動。總體而言，洪湖濕地受人為干擾影響明顯。

關(guān)鍵詞：遙感影像;土地利用/土地覆蓋變化;洪湖濕地;動態(tài)監(jiān)測

中圖分類號： P237;S127文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2021）02-0162-05

收稿日期：2020-05-18

基金項目：國家自然科學基金（編號：41801075）;中國科學院流域地理學重點實驗室開放基金（編號：WSGS2017009）;荊州市氣象局科技課題（編號：JZ201803）。

作者簡介：尤慧（1987—），女，江蘇宿遷人，碩士，工程師，研究方向為農(nóng)業(yè)遙感。E-mail：youhuinuist@hotmail.com。

濕地被稱為地球之腎，與海洋和森林并列為全球三大生態(tài)系統(tǒng)[1]，它在維護區(qū)域生態(tài)平衡、調(diào)節(jié)氣候、含蓄水源、保護動植物多樣性等方面起著至關(guān)重要的作用[2]。但近年來，在經(jīng)濟的快速發(fā)展和人口大幅增長的雙重壓力下，濕地環(huán)境受到嚴重的威脅[3]，濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生了顯著變化，出現(xiàn)水質(zhì)惡化、面積縮小、生態(tài)功能下降等特征[4]。保護和恢復濕地環(huán)境資源，已成為全球廣泛關(guān)注的課題[5-9]。

洪湖是湖北最大、中國第七大淡水湖[10]，是一個以調(diào)蓄為主，兼具降解環(huán)境污染、調(diào)節(jié)氣候、灌溉、航運、漁業(yè)、城鎮(zhèn)建設(shè)等多功能的湖泊[11]。洪湖濕地自然保護區(qū)是我國最大的省級內(nèi)陸湖泊濕地保護區(qū)，被列入《中國濕地保護行動計劃》[12]。近年來，由于圍湖造田、過渡捕撈等導致濕地面積不斷縮小、水質(zhì)顯著下降，洪湖的生態(tài)服務功能受到了嚴重的削弱[13]。

遙感技術(shù)以其覆蓋范圍廣、信息量大、高時效、低成本等特點，在湖泊濕地動態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域具有不可替代的優(yōu)勢[14]。本研究基于4期陸地衛(wèi)星（Landsat）影像數(shù)據(jù)，采用支持向量機（SAM）監(jiān)督分類的方法對洪湖近13年的濕地信息進行提取，并對其空間分布信息和洪湖濕地結(jié)構(gòu)變化特征進行了分析。

1研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1研究區(qū)概況

洪湖濕地自然保護區(qū)位于湖北省東南部，是江漢平原和洞庭湖平原的過渡地帶（圖1）。其地理位置介于113°12′～113°26′E、29°40′～29°58′N之間，地跨洪湖和監(jiān)利2個縣級行政區(qū)，總面積為 41 412.069 hm2[1]。洪湖市東西最長為94 km，南北最寬為62 km，洪湖市水資源豐富，地表水資源占湖北省水資源總儲量1.9%[15]。洪湖屬于亞熱帶濕潤季風氣候，境內(nèi)四季分明，雨熱同期，水量充沛。

1.2數(shù)據(jù)來源

本研究的影像數(shù)據(jù)主要來源于中國科學院對地觀測數(shù)據(jù)共享平臺，選取了4期無云成像較好的Landsat影像數(shù)據(jù)作為洪湖濕地信息提取的主要數(shù)據(jù)，影像成像時間分別為2005年11月6日、2010年10月3日、2015年11月26日、2018年9月15日，其中2005、2010年的Landsat數(shù)據(jù)為 ETM+ 數(shù)據(jù)，2015、2018年的Landsat數(shù)據(jù)為OLI影像，影像分辨率均為30 m。4期影像數(shù)據(jù)都集中在洪湖下半年的平水期，能夠較全面、客觀地反映洪湖濕地的變化。樣本點數(shù)據(jù)主要來源于2014年洪湖濕地實地調(diào)查數(shù)據(jù)及參照高分辨率影像Google Earth上的數(shù)據(jù)。

2研究方法

2.1遙感數(shù)據(jù)預處理

基于ENVI5.3軟件，分別對ETM+、OLI數(shù)據(jù)進行輻射定標和Flaash大氣校正，大氣校正模型選用中緯度夏季，氣溶膠模型選用鄉(xiāng)村，氣溶膠反演方法為2-band（K-T），然后以O(shè)LI為基準，對ETM+影像進行幾何精校正，總誤差控制在0.5個像元內(nèi)，最后選擇包含濕地保護區(qū)在內(nèi)的、以濕地保護區(qū)周邊明顯溝渠、河段而圍城的感興趣區(qū)進行掩膜裁切。裁切范圍分別為東面到內(nèi)荊河，西面到羅山總干渠，南面到長江，北面到紅排河。為方便對影像進行目視解譯和樣本選取，研究對裁切后的影像進行圖像光譜增強。濕地遙感影像處理分析的研究指出，4、5、3 3個波段的組合最能體現(xiàn)濕地的土地利用情況[1]，因此本研究ETM+影像選用4、5、3等3個波段進行組合，OLI影像選用5、6、4波段進行組合，分別賦予紅、綠、藍。

2.2圖像分類

研究采用支持向量機（SAM）分類的方法對ETM+和OIL數(shù)據(jù)進行濕地信息的提取?；谝巴庹{(diào)查實測數(shù)據(jù)，影像形狀紋理差異以及參照高分辨率影像Google Earth上的數(shù)據(jù)，結(jié)合參照表1的洪湖濕地遙感解譯標志首先在ENVI5.3軟件上選取樣本點，每類樣本點的選取數(shù)量不少于500個，然后選擇支持向量機（SAM）監(jiān)督分類方法， 參照表1解譯表1洪湖濕地遙感解譯標志

類型特征影像色彩特征形態(tài)結(jié)構(gòu)分布湖泊深藍、墨藍不規(guī)則片狀質(zhì)地均勻湖泊河渠坑塘墨藍色、藍色規(guī)則現(xiàn)狀延伸邊緣清晰多處分布植被橙黃不規(guī)則片狀質(zhì)地均勻湖泊、水面多處分布居民點淺藍不規(guī)則條塊狀質(zhì)地不均勻河流邊緣集中分布農(nóng)田淺藍、粉色規(guī)則塊狀分布質(zhì)地均勻平底多處分布其他淺黃或接近白色不規(guī)則片狀質(zhì)地不均勻湖濱地帶

標志將研究區(qū)分為6類：湖泊（未被土埂圍起來的開闊水體）、河渠坑塘（封閉水體，以土埂相間，呈規(guī)則的塊狀水體）、農(nóng)田（主要包括水稻田）、居民點（人類居住的建設(shè)用地）、植被（水面以上的植被包括水生挺水植物、浮葉植物和濕生植被等，如菰群落和蓮群落等）、其他（主要為灘涂和未利用地等）[16]，通過對Ladsat影像數(shù)據(jù)的解譯，最后得到2005、2010、2015、2018年洪湖濕地土地利用分類結(jié)果（圖2）。整個解譯過程嚴格按照國家有關(guān)濕地調(diào)查技術(shù)規(guī)程進行，解譯精度都在85%以上，κ系數(shù)大于0.8，解譯結(jié)果較好。

3濕地結(jié)構(gòu)變化及動態(tài)分析

3.1濕地土地利用空間變化

從圖2洪湖濕地土地覆蓋分類結(jié)果中可以看出， 湖泊面積從2005—2018年期間顯著變小，河渠坑塘在2005—2015年10年間大幅度增多，但在2015—2018年間其面積出現(xiàn)了減少。農(nóng)田面積在2005年最多，其后的年份呈逐漸減少的趨勢。居民點在2005—2018年間大幅增加，增加的位置主要在湖泊的東北、東南方向。其他（包括灘涂和未利用地）也隨著時間的推進整體呈現(xiàn)減少的趨勢，尤其是在湖泊的西南方向，灘涂及未利用地面積顯著減少。

3.2濕地土地利用面積變化及結(jié)構(gòu)分析

將濕地分類結(jié)果影像導入到ArcGIS 9.3中，統(tǒng)計各個類別地物的像元數(shù)，并采用公式（各類別地物像元數(shù)×30×30×10-6/km2）計算洪湖濕地各個類別地物的面積，并計算各個類別地物所占濕地總面積的百分比（各類別像元數(shù)/洪湖濕地總像元數(shù)×100%），計算結(jié)果見表2。利用Excel生成每個地物類別不同時期面積變化（圖3）。

由表2、圖3可知，2005—2018年洪湖濕地土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化，具體表現(xiàn)為洪湖湖泊面積呈先減小后增大的趨勢，其中2015年洪湖湖泊面積較2005年減小19.89 km2，2018年湖泊面積比2015年擴大了17.95 km2。農(nóng)田面積也呈現(xiàn)顯著減小的趨勢，在2005—2018年的13年間，農(nóng)田面積減小了88.07 km2。居民點的變化幅度較大，呈不斷增加的趨勢，居民點面積從2005年的32.03 km2增加到2018年71.61 km2，共增加了39.58 km2。河渠坑塘在2005—2015年之間呈顯著增加的趨勢，2015年較2005年增加了157.37 km2，但在2018年河塘坑渠的面積較2015年減少85.01 km2。植被面積與河渠坑塘表現(xiàn)出了相反的變化，隨著河渠坑塘的增大而減小，其他地物類型（灘涂和未利用地）在2018年較2005年減少3.32 km2。

由表2可知，2005—2015年的10年間，湖泊、植被、農(nóng)田的面積所占比例減少，而河渠坑塘、居民點面積比例增加，其他（灘涂、未利用地）面積比例也在減少。湖泊、植被、農(nóng)田面積比例減少，河渠坑塘面積比例的大幅增加，是因為當?shù)鼐用駥催M行了圍湖開塘，將其用來魚塘養(yǎng)殖，植被因此也受到了人為干擾的影響，大片菰群落和蓮群落等植被分布區(qū)被開墾為坑塘[15-16]，為了擴大淡水養(yǎng)殖的面積，大部分農(nóng)田也被轉(zhuǎn)化為河渠坑塘，到2015年，河渠坑塘面積所占的比例較2005年增加21百分點，農(nóng)田所占比例由原來的29%減少到2015年的17%。洪湖原有的湖濱帶幾乎全部被人為利用，主要利用方式不僅是魚塘養(yǎng)殖，還有村落建設(shè)，因此出現(xiàn)居民點明顯增加、未利用土地類型大幅度減少的趨勢，其他地物類型所占比例也由2005年的3%減少到2015年的1%，居民點由4%增加到8%。2015—2018年間，湖泊、植被的比例增加，河渠坑塘比例減少，居民點比例增加，農(nóng)田基本持平，其他（灘涂、未利用地）面積所占比例出現(xiàn)增加。這是由于十八大以來，湖北緊扣長江經(jīng)濟帶“共抓大保護，不搞大開發(fā)”發(fā)展戰(zhàn)略，自2016年開始，洪湖開展了新一輪的“生態(tài)保衛(wèi)戰(zhàn)”，將湖泊的圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)域進行大規(guī)模拆除，逐漸恢復菰群落和蓮群落等自然植被分布區(qū)，因此湖泊主要增加的部分來自于周圍的河渠坑塘圍網(wǎng)拆除的區(qū)域，湖泊在3年內(nèi)增加了3百分點，河渠坑塘減少了12百分點。由于洪湖濕地建設(shè)用地的增加，居民點由2015年的8%增加到2018年的10%。在洪湖濕地土地利用類型變化中，變化幅度較大的多與人類活動密切相關(guān)，可以看出洪湖濕地的土地利用/土地覆蓋變化受人類活動的影響比較大。

4結(jié)論

本研究基于2005、2010、2015年和2018年4個時相的Landsat影像數(shù)據(jù)，采用支持向量機（SAM）監(jiān)督分類的方法，將洪湖濕地分為湖泊、河渠坑塘、農(nóng)田、植被、居民點和其他這6類地物，得到4個時期洪湖濕地類型分類結(jié)果。

2005—2018年間，洪湖濕地土地利用類型發(fā)生了顯著的變化，其中2005—2015年的10年間，湖泊、植被、農(nóng)田的面積減小，而河渠坑塘、居民點面積大幅擴大。2015—2018年間，湖泊、植被面積擴大，河渠坑塘減小，居民點比例持續(xù)增加。

2005—2015年的10年間，洪湖濕地出現(xiàn)湖泊、植被、農(nóng)田面積減小，河渠坑塘面積大幅增大，主要是因為人為圍湖開塘，植被區(qū)域被開墾為坑塘，大部分農(nóng)田也被轉(zhuǎn)化為河渠坑塘，由于湖濱周圍村落的建設(shè)，居民點出現(xiàn)明顯的增加，未利用土地類型大幅度減少。在2015—2018年間，洪湖濕地湖泊、植被面積增加，河渠坑塘出現(xiàn)了減少是由于2016年開始，洪湖開展了“生態(tài)保衛(wèi)戰(zhàn)”，洪湖湖泊周圍的河渠坑塘圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)域被大規(guī)模拆除，自然植被也逐漸進行了恢復，居民點增多是由于湖濱村落建設(shè)用地增加。在洪湖濕地土地利用類型變化中， 變化幅度較大的多與人類活動密切相關(guān)，可以看出洪湖濕地的土地利用/土地覆蓋變化受人類活動的影響比較大。

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