不同監(jiān)督分類和專家分類對瑪曲縣沼澤濕地的監(jiān)測與提取

不同監(jiān)督分類和專家分類對瑪曲縣沼澤濕地的監(jiān)測與提取

近年來，濕地研究已成為許多國際研究的重點。有許多學者利用遙感影像數(shù)據(jù)對濕地開展研究。利用TM數(shù)據(jù)和ETM數(shù)據(jù),對長江—黃河上游源區(qū)的阿壩藏族羌族自治州、甘孜藏族自治州和涼山彝族自治州所屬地區(qū)的沼澤濕地的研究表明,近10余年研究區(qū)的沼澤濕地面積總體呈減少、萎縮趨勢;并且認為地質(zhì)構(gòu)造運動和氣候溫濕條件的變化是造成若爾蓋高原沼澤濕地萎縮退化的主導(dǎo)因素。有學者利用TM數(shù)據(jù),分析了1986～2000年嫩江中下游沼澤濕地變化特征及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng);歸納了內(nèi)蒙古西部濕地的遙感影像特征,并建立了濕地解譯標志。還有學者建立了基于沼澤濕地遙感數(shù)據(jù)光譜特征、譜間結(jié)構(gòu)特征及采樣剖面線的沼澤濕地信息的定量提取模式。氣候變化對青藏高原濕地退化的影響研究表明,全球和區(qū)域氣候變化是導(dǎo)致青藏高原濕地退化的重要原因,人為因素在濕地退化的過程中起著加速器和倍增器的作用?，斍h位于黃河第一彎曲部,瑪曲縣沼澤濕地是黃河的主要水源補給區(qū),研究瑪曲縣沼澤濕地現(xiàn)狀及其變化動態(tài),對保護和恢復(fù)瑪曲縣沼澤濕地及黃河源區(qū)生態(tài)建設(shè)具有重要意義。本研究利用2000年和2006年TM影像數(shù)據(jù)和地面調(diào)查等數(shù)據(jù),對瑪曲縣沼澤濕地進行目視解譯分析,研究了瑪曲縣2006年TM影像地物光譜特征;結(jié)合坡度和坡向數(shù)據(jù),建立了沼澤濕地專家分類模型;對比研究了非監(jiān)督分類、監(jiān)督分類和專家分類的精度;初步探討了瑪曲沼澤濕地退化的原因,以期為研究區(qū)沼澤濕地的遙感動態(tài)監(jiān)測以及濕地的恢復(fù)與保護提供科學依據(jù)。1瑪曲縣黃河水系河流生態(tài)經(jīng)濟空間特征分析瑪曲縣地處甘肅省南部,青藏高原東端,位于33°06′30″N～34°30′15″N,100°45′45″E～102°29′00″E之間,海拔3300～4806m,具有高寒濕潤氣候,年平均氣溫為1～2℃,年降水量為624.4mm,年蒸發(fā)量為1353.4mm,年日照時數(shù)為2553.9h,年平均風速為7.5m/s,最大風速為36m/s。黃河在瑪曲縣境內(nèi)流程長433km,流域面積為9590km2,境內(nèi)有23條一級支流及300多條二、三級支流通過瑪曲草原和濕地匯入黃河,補充黃河水量達到45%左右,是黃河上游重要的水源補充地和“蓄水池”,也是高寒野生動植物的主要棲息地和生長地。該縣分布有高寒灌叢草甸、高寒草甸和沼澤濕地,其總面積為89.03×104hm2,可利用面積為85.9×104hm2,占該縣土地總面積的87.25%,沼澤濕地面積為1.74×104hm21。2數(shù)據(jù)和方法2.1最大時間和性別是2000年8月5日在研究中利用了以下數(shù)據(jù):①瑪曲縣2000年和2006年Landsat-5衛(wèi)星TM影像:影像行列編號為131-36、131-37、132-36和132-37,時間分別為2000年7月27日和2006年8月5日;②瑪曲縣1985年1∶25萬草地類型數(shù)據(jù)庫;③瑪曲縣1∶25萬縣、鄉(xiāng)行政邊界數(shù)據(jù)庫;④瑪曲縣1∶100萬DEM數(shù)據(jù),格網(wǎng)空間分辨率為100m;⑤瑪曲縣2007年7月27～31日實地調(diào)查樣方數(shù)據(jù),主要調(diào)查項目包括各樣方土地類型、優(yōu)勢種、植被組分、密度、蓋度、高度、頻度和生物量等;⑥瑪曲縣氣象站1980～2005年的氣溫、降水量和蒸發(fā)量數(shù)據(jù)。2.2方法2.2.1幾何校正及影像合成主要包括衛(wèi)星圖像的幾何校正、圖像合成、拼接和裁剪處理。幾何校正:瑪曲縣共涉及2個時相8景Landsat-5衛(wèi)星TM影像資料。用ERDASIMAGINE9.0軟件幾何糾正模塊對每景衛(wèi)星影像作幾何校正。校正模型采用線性模型,重采樣方法為雙線性插值法,地圖投影采用等面積割圓錐投影(AlbersConicalEqualArea),橢球體為Krosovsky。圖像合成:合成采用RGB4、RGB3和RGB2波段假彩色合成,利用ERDASIMAGINE9.0軟件下的LayerStack工具將幾何校正后的影像的4波段、3波段和2波段合成。圖像拼接和裁剪:利用MosaicImage工具拼接圖像,并按照瑪曲縣界裁出研究區(qū)圖像。2.2.2瑪曲縣沼濕地分類調(diào)查方法按照國際濕地公約的定義,利用ArcInfoWorkstation9.1和ERDASIMAGINE9.1軟件僅對沼澤濕地類型進行圖像解譯和分類。目視解譯:為了解譯瑪曲縣沼澤濕地,首先建立解譯標志。沼澤濕地影像幾何特征不明顯,也不規(guī)則,影像一般呈暗紅、黑灰色、黑色,質(zhì)地均勻、影像結(jié)構(gòu)均一,多分布在地勢較低的平原,河漫灘等地域。結(jié)合瑪曲縣沼澤濕地實際主要分布在阿萬倉、曼日瑪、采日瑪、齊哈瑪和畜牧試驗場等處,確定瑪曲縣沼澤濕地為黑灰色、黑色斑塊。在ArcInfoWorkstation9.1軟件環(huán)境下,結(jié)合1985年草地類型圖和2007年實測樣方數(shù)據(jù),采用人機交互方式判讀解譯2000年和2006年瑪曲縣TM影像。非監(jiān)督分類:利用ISODATA算法對2006年瑪曲縣TM影像進行非監(jiān)督分類,先分為20個類別,然后和目視解譯結(jié)果、草地類型圖相比較,結(jié)合實測數(shù)據(jù)對所分類別比較、合并,并對分類方案進行調(diào)整,獲得沼澤濕地非監(jiān)督分類結(jié)果。監(jiān)督分類:依據(jù)實測樣方數(shù)據(jù)和草地類型數(shù)據(jù)定義分類模板,以此對2006年瑪曲縣TM影像進行監(jiān)督分類,獲得瑪曲縣沼澤濕地監(jiān)督分類結(jié)果。專家分類:在分析瑪曲縣各地物的TM影像各個波段光譜信息的基礎(chǔ)上,結(jié)合數(shù)字高程模型(DEM)計算的坡度、坡向數(shù)據(jù),創(chuàng)建分類規(guī)則,建立分類模型。根據(jù)建立的分類模型及閾值條件,對瑪曲縣2006年TM影像進行分類。2.2.3方法的分類精度和誤差在瑪曲縣阿萬倉、齊哈瑪、采日瑪、曼日瑪、畜牧實驗場、尼瑪?shù)日訚蓾竦刂饕植紖^(qū)域,以1km格網(wǎng)間隔布點,共提取5133個采樣點。利用目視解譯及外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù),分析非監(jiān)督分類、監(jiān)督分類和專家分類方法的分類總精度(P,%)、沼澤濕地分類精度(R,%)、漏分誤差(OE,%)和多分誤差(CE,%),其計算公式如下:P=(K+S)×100/T(1)R=K×100/E(2)OE=O×100/E(3)CE=C×100/F(4)式(1)和式(2)中,K和S分別表示目視解譯及其對應(yīng)的遙感分類結(jié)果均為沼澤濕地和均為非沼澤濕地的樣點數(shù);E和T分別表示目視解譯結(jié)果為沼澤濕地的樣點數(shù)和總樣點數(shù)。式(3)和式(4)中,O表示目視解譯結(jié)果為沼澤而遙感分類結(jié)果為非沼澤濕地的樣點數(shù);C表示目視解譯為非沼澤而遙感分類結(jié)果為沼澤濕地的樣點;F為目視解譯結(jié)果為非沼澤濕地的樣點數(shù)。3結(jié)果與分析3.1沼濕地分類結(jié)果為了建立瑪曲縣沼澤濕地專家分類模型,對瑪曲縣TM影像上主要地物進行了隨機采樣,對不同地物采樣點各個波段的光譜值(DN)做平均值統(tǒng)計制圖,得到各地物的波譜曲線圖(圖1)。對每種地物在各個波段上的DN值進行了由大到小的排序,水體:TM1、TM3、TM2、TM4、TM5、TM7;草地:TM4、TM5、TM1、TM7、TM2、TM3;其他:TM5、TM1、TM7、TM4、TM3、TM2;河灘地:TM5、TM1、TM4、TM3、TM7、TM2;居民地:TM5、TM4、TM1、TM7、TM3、TM2;沼澤濕地:TM5、TM4、TM1、TM7、TM3、TM2。在各個波段上,對每種地物依照其DN值大小進行排序。TM1波段:居民地、河灘地、其他、水體、沼澤濕地、草地;TM2波段:居民地、河灘地、其他、水體、草地、沼澤濕地;TM3波段:居民地、河灘地、其他、水體、沼澤濕地、草地;TM4波段:草地、居民地、其他、河灘地、沼澤濕地、水體;TM5波段:居民地、其他、河灘地、草地、沼澤濕地、水體;TM7波段:居民地、其他、河灘地、沼澤濕地、草地、水體?？梢钥闯?各地物在TM1波段和TM3波段的DN值大小順序一致,在TM7波段和TM5波段的DN值排序接近,所以在區(qū)分沼澤濕地時,只考慮TM2、TM3、TM4、TM5波段。水體的TM5波段DN值在各種地物中最低,而其TM3波段的DN值和沼澤濕地相近,所以水體TM5波段DN值低于TM3波段的這一特點可以作為其與沼澤濕地區(qū)分的指標;草地和沼澤濕地的TM4波段DN值差異最大,可以通過TM4波段和TM3波段的DN值差值區(qū)分它們;河漫灘、居民地和其他在TM2波段的DN值都比沼澤濕地高,可以依據(jù)這一特點來與沼澤濕地相區(qū)分。此外,由于沼澤濕地均分布于地勢平坦的地區(qū),因此本文將坡度(Slop)、坡向(Aspect)數(shù)據(jù)引入專家分類知識庫中,并認為沼澤濕地分布在坡度小于10°的地域。依據(jù)以上分析,結(jié)合文獻的研究成果,提出了瑪曲縣沼澤濕地專家分類知識庫:如果同時滿足TM2<K1,TM4-TM3<K2和TM3<TM5的條件,則分類結(jié)果為沼澤濕地。其中,K1和K2為閾值。從沼澤濕地分布區(qū)TM影像2波段、波段、4波段和5波段直方圖(圖2)可以看出,TM2波段DN值在22～30之間,TM3波段DN值在21～31之間,TM4波段DN值在40～90之間,TM5波段DN值在43～95之間,4個波段的DN平均值依次是26、27、61和75。依據(jù)以上分析,經(jīng)過反復(fù)試驗,發(fā)現(xiàn)當K1=30和K2=40時,可以較好地分離出沼澤濕地。因此,瑪曲沼澤濕地專家分類知識庫可寫為:TM2<30,TM4-TM3<40,TM3<TM5及Slop<10°或Aspect=-1。3.2種分類方法精度分析沼澤濕地遙感目視解譯結(jié)果表明,2000年瑪曲沼澤濕地面積為19598.67hm2(圖3),2006年只有14080.80hm2,同2000年相比,沼澤濕地面積減少5517.87hm2,平均年遞減率為4.69%。2006年瑪曲縣TM影像沼澤濕地的分類結(jié)果表明,非監(jiān)督分類方法統(tǒng)計的沼澤濕地面積為41519.8hm2,監(jiān)督分類所得沼澤濕地面積為19542.2hm2,專家分類結(jié)果為12096.3hm2(圖4)。比較而言,專家分類結(jié)果更接近目視解譯結(jié)果。利用目視解譯結(jié)果和外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù),對以上3種分類方法進行了精度分析。結(jié)果表明,專家分類的總精度最高,為84.2%(表1),監(jiān)督分類的總精度為54.1%,非監(jiān)督分類的總精度僅為31%。專家分類結(jié)果的漏分誤差最大,為7.8%;其次是監(jiān)督分類;為4.9%,非監(jiān)督分類的漏分誤差最低;為3.3%。3種分類結(jié)果的多分誤差依次為47.9%、72.3%,16.6%,其中專家分類結(jié)果的多分誤差低于監(jiān)督分類,為16.6%,非監(jiān)督分類的多分誤差最大,達72.3%。非監(jiān)督分類的多分誤差大,一方面是將山體陰影、云的陰影、部分河灘地和水體劃分為沼澤濕地引起的;另一方面,非監(jiān)督分類要保證最大限度地提取沼澤濕地,勢必將增大其多分誤差。監(jiān)督分類由于人為定義區(qū)分了山體陰影、水體和河漫灘等地物,多分誤差有所下降,但漏分誤差較非監(jiān)督分類高?？梢?僅僅依靠光譜信息很難精確地提取沼澤濕地。專家分類方法通過引入坡度、坡向數(shù)據(jù),排除了山體陰影、陰坡對沼澤濕地分類的影響,通過運算波段DN值,在一定程度上消除了河漫灘和水體對分類結(jié)果的影響,所以多分誤差最小,其多分的地物主要是地勢平坦地區(qū)的低覆蓋度草地、季節(jié)性河道和云的陰影;然而,在消除河灘地和水體對沼澤濕地影響的同時,由于地物間DN值分布范圍相近、重疊,容易對退化過程中的含水量較低的沼澤濕地的漏分,造成較高的漏分誤差。從圖3和圖4的對比中也可以看出,專家分類結(jié)果漏分了曼日瑪和采日瑪?shù)牟糠滞嘶臐竦亍Ｓ纱丝梢?漏分誤差和多分誤差相互制約,共同影響著總分類精度。在保持較高分類總精度的同時,降低多分誤差,必然導(dǎo)致漏分誤差的升高。此外,瑪曲縣共涉及2個時相4景TM影像,每景影像間的DN值差異對專家分類模型的分類精度也有一定影響。3.3馬曲濕地退化的原因3.3.1瑪曲縣近年來年降水量和年蒸發(fā)量由圖5可以看出,1980年以來,瑪曲縣年平均氣溫呈波動上升趨勢。年平均氣溫從1980年的1.3℃升高到2005年的2.2℃,其中1983年最低,為0.5℃,而2003年高達2.8℃。而瑪曲縣年降水量和年蒸發(fā)量在1980～2005年期間沒有明顯變化趨勢(圖6)。在瑪曲縣年降水量沒有明顯增加的情況下,氣候變暖對瑪曲縣沼澤濕地生存有不利影響。3.3.2克氏原螯蝦只研究表明,一個羊單位需草地面積約0.6hm2,瑪曲縣85.9×104hm2可利用的草地和沼澤濕地只能承載150×104個羊單位。有資料顯示,1949年,瑪曲縣各類牲畜存欄24萬頭(只);20世紀60年代為33萬頭(只);70年代為45萬頭(只);80年代為60萬頭(只);90年代后,家畜數(shù)量直線增長;到2003年,達到65.54萬頭(只),2005年各類牲畜存欄67.74萬頭(只),其中馬1.73萬匹、牛30.88萬頭、羊35.13萬只,當?shù)夭輬鰧嶋H超載達50%,草場早已不堪重負。這些草原土壤層比較薄,富含有機質(zhì),腐殖質(zhì)含量很高,一旦這層土壤被破壞,裸露出的砂石就會寸草不生,生態(tài)恢復(fù)極其困難,而且會導(dǎo)致更多的水分下滲,使得沼澤濕地不斷干涸、萎縮。3.3.3國外黃河干流源地和河流水文1980～1989年期間,黃河年徑流量為143.4×108m3;而在1990～1997年期間,年徑流量為119.5×108m3。這說明20世紀80年代以來黃河年徑流量在減少?，斍h境內(nèi)發(fā)源于阿尼瑪卿山的黃河支流在20世紀80年代以前有23條,流域面積達79043km2。在80年代中期還是流量大而且較穩(wěn)定,而現(xiàn)在許多支流已經(jīng)干涸。由此所導(dǎo)致的干流及各支流流域水資源減少,是導(dǎo)致流域范圍內(nèi)沼澤濕地干涸、退化的直接原因。4專家分類結(jié)果分析瑪曲縣沼澤濕地面積從2000年的1959