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湿地和湿地的遥感监测

作者: 牛振国 【字号: 访问量:

一、什么是湿地

什么是湿地,无论对于科学研究,还是日常管理,都需要有一个明确的认识。然而到目前为止,在世界范围内对湿地的准确化的定义,还无法达成一个统一的认识。由于每个国家湿地的自然状况不同,社会经济发展程度不同,对于湿地的认识、理解和需求也各不相同。目前在世界范围内得到较为认可的是《湿地公约》对于湿地的定义“不问其为天然或人工,长久或暂时性沼泽地、湿原、泥炭地或水域地带,带有静止或流动,或为淡水、半咸水或咸水水体者,包括低潮时水深不超过6m的水域”

 

图1. 湿地概念之辩

二、湿地分类与功能 

湿地存在多种多样的类型,通常分为自然湿地和人工湿地。前者包括如沼泽、泥炭地、湖泊、河流、滩涂、盐沼等;后者如水稻田、鱼塘、盐田、水库等等。按照湿地水源的不同,可以分为内陆湿地、滨海湿地和海洋湿地等。内陆湿地是指在大陆内部受各种淡水、咸水、微咸水等影响下形成的湿地;海洋湿地是指在海洋环境下形成的湿地,如海草床、珊瑚礁等;而滨海湿地是处于陆地和海洋过渡部位,受到海洋或内陆河水等影响形成的湿地,如潮间带的红树林、滩涂、河口水域、河流入海的三角洲等盐沼湿地等。“有水不能行舟,有陆不能行走”形象地反映了沼泽湿地的特征。像红军过草地时候就是我国西部典型的沼泽湿地。

 

 

 

 

 

湿地生态系统是地球上生产力最高的生态系统之一,是生物多样性的摇篮,它养育了高度集中的鸟类、哺乳类、爬行类、两栖类、鱼类和无脊椎物种等,也是植物遗传基因的重要储存地,被誉为“鸟类的乐园”,“地球之肾”等。湿地的功能是多方面的,不仅可以直接作为水源和补充地下水,还可以有效控制洪水、缓解风暴潮;可以滞留沉积物、吸纳和降解有毒物质、改善营养循环;可以进行有机碳的库存,减少温室效应……;湿地可以同时向人类提供食品(水产品、畜禽产品、谷物等)、能源(水、泥炭、薪柴等)、原材料(芦苇、木材、药用植物等)和旅游休憩场所,是人类社会可持续发展的重要基础。

   

 

 

三、湿地组成  

虽然湿地从类型上讲具有各种各样的形态,分布在地球不同的纬度带和海拔高度上,但是从湿地生态系统及其环境特征来看,其基本组成要素可以划分为水、土壤、动植物。水分不仅作为湿地生态系统重要的景观组成要素,而且是决定和影响湿地生态系统生成和演变的重要环境要素。从景观上看,水分与土壤和植被不同的组合,形成了不同类型的湿地。如开放水面构成了河流、湖泊、水库等;水分与土壤组合在景观上形成洪泛湿地、泥滩、盐碱地等;水分与植被形成了不同类型的湿地,如草本沼泽、泥滩沼泽、森林/灌丛沼泽等。湿地生态系统的这些基本景观要素,构成了对湿地开展遥感监测的基础。

不同类型的图片

 

 

 

四、湿地的遥感监测方法 

由于湿地具有“有水不能行舟,有陆不能行走”的特点,传统的湿地调查和监测方法不仅需要耗费大量人力和物力,困难重重;而且在很多情况下都无法开展。利用搭载着卫星上的传感器对地球进行周期性的照相,可以让我们更为准确客观地了解湿地的在不同时期的分布;利用这些不同时期的遥感影像,可以制作成不同时期湿地地图,进而了解湿地的变化状况,确定湿地的退化面积,反映出受损湿地生态系统的现状。传统的普查或统计数据往往具有误差大、受行政区划限制、数据不统一等劣势。而利用遥感技术进行湿地资源调查具有客观、准确、经济、高效等优势。

遥感图像记录了地球表面物体对不同波长电磁波反射或自身发射的电磁波的信号,通过对卫星遥感影像的处理,可以解译出地面物体的相关信息。由于遥感影像上的湿地光谱特征与其它地类的光谱特征既存在着明显差异,也具有很多相似性。因此利用遥感方法对湿地开展监测同时存在着优势和挑战。利用遥感技术开展湿地监测时需要结合湿地光谱特征的同时,也要考虑不同湿地类型的环境等特点进行地学分析,建立相应的湿地遥感分类方法。

开展湿地遥感制图和监测的包括方法专家目视解译、计算机辅助分类和模型模拟方法三种。专家目视解译是根据预先建立的各地类在遥感影像上的标志直接对影像进行判读,确定其类型属性。直接解译标志包括地物的光谱特征(即遥感图像上的颜色、亮度等)、结构信息(遥感图像上各类地物形状、大小、纹理等)。虽然该方法效率相对较低,但它是目前湿地分类制图准确度最高的方法。计算机辅助分类是依据人工建立的各类地物的样本,采用各类数学模型对遥感图像进行计算机处理和分类,形成湿地地图的方法。该方法制图的精度更多地依赖于样本的质量。模型模拟的方法主要依据湿地形成的各种物理机制,通过构建相应的物理模型来模拟湿地的分布。该方法由于受到模型参数获取的困难等原因,制图结果精度较低;多用于大尺度(如国家、大洲和全球)的湿地分布研究。

   

人工目视解译

不同地物光谱特征

 

计算机模拟

五、中国湿地遥感监测 

从20世纪70年代起,地球资源卫星系列(Landsat)平台提供了时间序列最为完整的较高空间分辨率的全球卫星影像数据。各国从这一系列的卫星平台上接收了超过45万景的全球遥感影像。中国科学院从2007年起,先后利用这些卫星影像以及中巴资源卫星影像,开展了一系列中国全境内湿地的监测展开遥感监测,初步了解了中国湿地的现状及其历史变化特征。

到2008年全国湿地总面积为324,097 km2。其中天然湿地面积为2.85×105 km2,占88%(包括滨海湿地3%,内陆湿地85%);人工湿地面积为3.87×104 km2,占12%.

从地理分布看,湿地目前主要分布在中国人口稀少的中西部和东北地区。湿地分布较多的4个省(自治区)为黑龙江、内蒙古、青海和西藏,其湿地总面积为1.78×105 km2,占全国湿地面积的55%;其次为新疆、江苏和吉林,占全国湿地面积的16%。而具有“千湖之省”的湖北省,湿地面积仅为8031 km2,不到全国湿地面积的3%

 

过去三十多年中,中国湿地面积总体上处于持续减少的过程,总体减少了33%,约1.02×105 km2。但由于其中人工湿地增加了约11952 km2,因此实际减少的自然湿地面积达1.13×105 km2。其中减少的湿地以内陆沼泽为主,占减少湿地的49%。人工湿地在过去30年间,却从1978年的9792 km2增加到2008年的21745 km2,增加了约122%。

湿地减少的速度在放缓,从1990年之前的5523km2/年 减少到 2008年的831km2/年。同时中国自然湿地的减少前期主要被开发为农田等常规土地利用方式,后期自然湿地则逐渐被开发为人工湿地

   

 

人类活动(包括农业开发等)是湿地变化的根本驱动因子,湿地也主要分布在人口稀少和农业GDP较低的地区。如1990年我国湿地分布在低密度区域为52.90%,中密度区域为20.64%,高密度区域为26.46%;接近一半 (46.08%)的湿地分布在低农业GDP的区域。

从湿地的变化情况看,虽然在各个区域湿地均不同程度地减少。高人口密度区域的湿地减少幅度不仅高于低人口密度区,而且减少速度不减而增!增加的人工湿地大约有76-81% ;和减少的自然湿地大约有63% 都来自高农业GDP的区域。

农业开发一方面表现为对湿地的直接开垦,如在水资源短缺及湿地分布较广的省区(西北和东北省区);另一方面表现为对水资源的争夺(如东北地区水田的增加)。黑龙江省的水坝从1990年的93座增加到2000年的414座,同期水库从491座增加到609座

影响湿地变化的另外一个因素是全球气候变化。我国青藏高原湿地在过去30多年时间里湿地增加了约14000km2。主要是由于气温升高,导致冰川、冻土融水增加所致。

 


作者简介:牛振国,博士,中国科学院遥感与数字地球研究所研究员。研究兴趣为湿地遥感分类制图和评价等。先后主持国家自然科学基金项目、863重点课题及“十二五”科技支撑课题等多项。2009年负责首次完成中国湿地遥感制图。在全国湿地制图及湿地保护区等方面,先后在Nature、科学通报等发表学术论文80余篇。相关研究先后为Nature、CCTV、新华网、凤凰卫视、人民广播电台等多家主流媒体跟踪报道。