四川省茂县自然生态监测方法

毛 巍，王 萍，王新华，周 浩

（1.国家测绘地理信息局第三航测遥感院，四川 成都 610100）

四川省茂县自然生态监测方法

毛 巍1，王 萍1，王新华1，周 浩1

（1.国家测绘地理信息局第三航测遥感院，四川 成都 610100）

采用一种基于格网的自然生态环境评价技术，对茂县的自然生态环境进行定量化评价，实现并形成了一种面向生态文明建设的“数据→信息→知识”的地理国情监测服务模式，是地理国情监测服务于社会经济发展的一次创新性示范。

决策树分类；面向对象；地理国情；生态文明建设

20世纪以来，随着人类社会的飞速发展，环境污染、植被退化、水土流失、生物多样性减少等生态环境问题日益凸显。遥感技术具有宏观、综合、动态、快速等特点，已成为研究资源开采、环境变化等区域性和全球性问题的重要手段。本文以四川省茂县2001 年、2007年、2013年3期卫星遥感影像为基础，结合基础地理信息数据，辅以社会、经济、环境等统计数据，开展了自然生态遥感监测，分析了茂县12 a来自然环境的变化情况，为四川省国家级重点生态功能区优化国土空间开发格局、划定生态红线、考核县域经济发展等提供了科学依据。

1 监测区自然地理概况

茂县位于四川省西北部、阿坝藏族羌族自治州东南部的青藏高原东南边缘；地跨岷江和涪江上游高山河谷地带，地貌以高山峡谷为主，地势由西北向东南倾斜，平均海拔3 030 m，中心城区平均海拔1 587 m。境内河流分属岷江和涪江两大水系，大小河流170余条，岷江河和黑水河自北向南纵贯全境。地表覆盖类型以林地和草地为主，林地覆盖率达65%以上。

2 研究方法

2.1 数据预处理

本文以2001年、2007年和2013年3期Landsat卫星影像为主要数据源，收集了监测区内的基础地理信息数据和相关行业的专业资料数据，以辅助信息提取和统计分析。利用ENVI4.6对原始的Landsat影像进行影像辐射校正与大气校正；然后在PCI10.0软件中，以已有的基础地理信息数据为空间参考进行Landsat影像和高分辨率影像的几何空间校正配准；对于被云雾遮挡地区，选择与之时相相近的影像进行替补，最终形成多期的DOM影像成果。

通过数据提取、组织重构、分类代码转化、属性信息转换等工作将收集到的1∶10 000、1∶50 000基础地理信息数据和专业资料数据整合改造为满足自然生态监测地表覆盖分类体系要求的数据。

2.2 遥感信息提取

利用决策树分类器，对30 m分辨率遥感影像进行地表覆盖一级类型提取。参考四川省1∶50 000基础测绘数据，采用基于植被覆盖度的自动分类、对象化图斑处理以及人机交互的数据整合等技术，对地表覆盖二级类型进行信息提取。

基于GLC树的决策树分类算法，利用面向对象的思想，通过多尺度分割、特征提取、样本选取、训练集规则集生成等操作，将地表覆盖分为林地、草地、水体、耕地、建设用地和未利用地6个一级类。

地表覆盖二级分类包括基于植被覆盖度模型的草地二级类自动分类和基于人机交互解译的其他二级类分类。二级地表覆盖类型包括有林地、灌木林地、疏林地、其他林地（含园地）、高中低覆盖草地、河渠、湖泊、滩涂湿地、水田、旱地、耕地、城镇建设用地、农村居民点、其他建设用地（含交通、矿场等）、盐碱地、沙地、裸土地、裸岩石砾和其他未利用地。

项目通过利用植被指数（VI）近似估算植被覆盖度。基于VI的线性模型是目前比较通用的线性模型，植被覆盖度计算公式为：

式中，VIi为像元i的植被指数值；VIs为纯裸土像元的植被指数值；VIv为纯植被像元的植被指数值。其中VI计算公式为：

式中，NIR为遥感影像近红外波段亮度值；R为遥感影像红波段亮度值。在TM影像中近红外波段即TM4波段，而红光波段即TM3波段。

根据以上理论，在eCognition中构建规则集，对草地二级类实行自动分类。

1）基于2001年、2007年和2013年遥感影像，计算茂县在这3个时相的植被覆盖度；

2）按照[，20%）、[20%，50%）、[50%，）将植被覆盖度分为低植被覆盖度、中植被覆盖度和高植被覆盖度；

3）将植被覆盖度分级数据与草地一级类数据进行空间叠加计算，得到高覆盖度草地、中覆盖度草地和低覆盖度草地3类草地二级类。

其他二级地表覆盖分类采用人机交互解译的方法进行，根据二级类地物在影像上的判读特征，并参考高分辨率影像、基础地理信息数据和专业资料等，经过人工编辑得到二级地表覆盖分类结果。

2.3 地表覆盖变化分析

地表覆盖变化分析包括对茂县在2001年、2007年和2013年地表覆盖类型的面积及面积占比分析，构建地表覆盖转移矩阵，分析茂县在2001～2013年地表覆盖类型变化转移状况。

1）某一地表覆盖类型面积占比。

2）地表覆盖转移矩阵。它来源于系统分析中对系统状态与状态转移的定量描述。通常的地表覆盖转移矩阵中行表示T1时点土地利用类型，列表示T2时点土地利用类型。Pij表示T1～T2期间土地类型i转换为土地类型j的面积占土地总面积的百分比；Pii表示T1～T2期间i种土地利用类型保持不变的面积百分比；Pi+表示T1时点地类i的总面积百分比；P+j表示T2时点j种土地利用类型的总面积百分比。Pi+-Pii为T1～T2期间地类i面积减少的百分比；P+j-Pjj为T1～T2期间地类j面积增加的百分比。表1为茂县在2001年、2007年和

2013 年地表覆盖类型面积变化统计成果。

表1 茂县地表覆盖类型面积变化统计表

从茂县地表覆盖变化的遥感监测结果看，茂县地表覆盖类型以林草覆盖为主，在西部和北部以及岷江沿线草地覆盖较多。2001～2013年，林草覆盖面积增加了0.44%。水域湿地、建设用地面积均表现出一定的增长趋势，其中水域湿地面积增加0.05%，建设用地增加0.1%。2001～2007年未利用地面积减少0.49%，2007～2013年未利用地面积增加0.21%。由表2可以发现茂县的林草覆盖、耕地以及未利用地是变化剧烈的3 种地表覆盖类型，三者转换比较明显。

表2 茂县2001～2013年地表覆盖类型转换面积统计表/km2

2.4 自然生态环境状况变化分析

通过构建生物丰度指数、植被覆盖指数和水源涵养指数3个自然生态状况指标，结合地表覆盖监测成果，计算茂县在2001年、2007年和2013年的自然生态状况指标。

生物丰度指数=Abio×（0.35×（0.6×有林地面积+0.25×灌木林地面积+0.15×其他林地）+0.21×（0.6×高覆盖度草地面积+0.3×中覆盖度草地面积+0.1×低覆盖度草地面积）+ 0.28×（0.1×河流面积+0.3×湖库面积+0.6×滩涂面积）+0.11×（0.6×水田面积+0.4×旱地面积）+ 0. 04×（0.3×城镇建设用地+0.4×农村居民点+0.3×其他建设用地）+0.01×（0.2×沙地+0.3×盐碱地+0.3×裸土地+0.2×裸岩石砾））/区域面积

式中，Abio为生物丰度指数归一化系数，Abio=100/ Abio最大值。Abio最大值指生物丰度指数归一化处理前的最大值。

一般Abio最大值会选择生物丰度指数能取的最大值，但只有在理想的状态下，才能达到，这样就会扩大Abio最大值的范围。故本项目采用了一种基于格网的Abio最大值计算方法。

①对茂县分别建立1 km×1 km的格网矢量数据；②在ArcGIS10.1软件中，将1 km×1 km的格网矢量数据与地表覆盖监测矢量成果通过Identity命令进行空间叠加，如图1所示；③在空间叠加得到的矢量属性字段中添加Abiom字段，字段为双浮点精度型；④根据生物丰度指数计算公式计算每个统计单元的生物丰度指数；⑤将得到的生物丰度指数按值大小进行排序，选取最大的为Abio最大值；⑥按生物丰度指数计算公式计算监测区域当期的生物丰度指数。同生物丰度指数计算方法一致，分别计算监测区域的植被覆盖指数和水源涵养指数（表3）。

图1 茂县格网矢量与地表覆盖矢量空间叠加

图2 2001年、2007年和2013年的自然生态环境状况指数空间分布图

根据HJ/T192-2015《生态环境状况评价技术规范》，生态环境状况综合评价指数（EI）为：

EI＝0.25×生物丰度指数＋0.2×植被覆盖指数＋0.2×水网密度指数＋0.2×土地退化指数＋0.15×环境质量指数

表3 2001年、2007年和2013年茂县自然生态指标统计表

基于1 km格网，根据EI的计算公式，计算茂县在2001年、2007年和2013年的自然生态环境状况指数，如图2所示。由图2（红色区域代表生态指数较低，生态状况较差；绿色区域代表生态指数较高，生态状况较好，下同）可以看出，茂县东部、中部以及南部自然生态恢复良好，西部地区以及岷江沿线，自然生态环境改善不明显。

3 结 语

茂县自然生态监测采用最先进的遥感影像自动解译技术、GIS空间分析技术以及生态环境指数统计和评价技术，利用多期影像数据、基础地理信息资料和人文经济资料，形成了一套将地理国情监测服务于生态文明建设的应用流程，获得了茂县客观、准确的地表覆盖及变化信息。

[1] HJ/T 192-2015.生态环境状况评价技术规范[S].

[2] GDPJ 01-2013.地理国情普查内容与指标[S] .

[3] GDPJ 03-2013.地理国情普查数据规定与采集要求[S].

[4] 马志勇,沈涛,张军海,等. 基于植被覆盖度的植被变化分析[J]. 测绘通报,2007(3):45-48

[5] 来永斌.3S技术在生态环境质量监测与评价中的应用[J].环境保护科学,2007(4):74-76

[6] 席科,李朋德,张香娟.RS与GIS的结合在生态环境质量评价中的应用[J].测绘与空间地理信息,2007(1):113-115

[7] 陈涛,李平湘,张良培.武汉地区1988～2002年植被覆盖度变化动态分析[J].遥感技术与应用,2008,23(5):511-515

[8] 沈小乐,王璇,刘倩.遥感技术在生态省建设中的应用[J].湖北民族学院学报(自然科学版),2007(2):174-175

P237

B

1672-4623（2016）07-0039-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.07.011

毛巍，工程师，主要从事遥感数据处理与地图制图等方面的研究。

2015-05-04。

项目来源：中国测绘科学研究院四川测绘地理信息局雷达测图与监测技术联合实验室开放研究基金资助项目（SYS2015KFJJ01）。