湿地遥感信息提取方法及其应用研究

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湿地是水陆相互作用形成的特殊生态系统,是人类重要的自然资源和生存环境,是自然界生物多样性最丰富的生态景观之一。湿地研究已经成为国内外热点研究领域。遥感技术作为对地观测高新技术手段,可以为湿地研究提供新的技术方法支持。湿地遥感已经成为生态环境遥感学科中的前沿研究课题和重要应用方向。其中,如何从各类遥感影像中提取丰富、有效和可靠的湿地信息,以及如何利用湿地遥感信息进行湿地生态的专业研究,是目前湿地遥感研究的重点之一。因此,本论文以多源遥感影像湿地信息提取方法为研究内容,将湿地遥感信息提取应用到具体领域中,具有较高的科学意义和实际应用价值。 本论文以湿地遥感信息提取方法与应用研究为主线,在详细分析和总结前人研究成果的基础上,针对湿地遥感影像信息提取所存在的问题,围绕湿地信息提取方法进行了系统探索研究。主要研究内容包括: 1、结合国内外湿地定义,对湿地概念内涵和外延进行拓展。 2、从遥感湿地调查角度提出湿地遥感分类系统,进行多源遥感影像湿地信息提取适宜性分析,探讨湿地遥感信息提取中影像数据源选择问题。 3、进行湿地遥感分类方法研究:湿地遥感信息提取是一个复杂过程,结合多源影像数据研究针对湿地遥感分类方法,是本论文的研究重点。 4、在上述研究基础上,以黄河三角洲河口湿地东营区为例,进行湿地遥感动态监测,结合景观生态学相关研究方法,对该区域湿地景观空间格局变化以及影响驱动力进行分析分析,开展湿地遥感信息提取具体应用研究。 本论文主要结论如下: 论文系统总结国内外湿地定义,对国内外湿地分类系统研究现状和湿地遥感研究现状进行了介绍。目前国内外还没有统一的、普遍公认的湿地定义和湿地分类系统;在湿地遥感研究方面,需要开展多源影像湿地信息提取以及湿地遥感分类方法的深入研究。 湿地分类系统既要反映湿地本质属性,又要满足湿地资源调查具体应用要求。论文从湿地调查及湿地遥感角度出发,结合湿地的地带性、成因、属性和用途等多种影响因素,依据湿地地物在遥感影像上的表现特征,充分考虑影像时间分辨率、空间分辨率与光谱分辨率与实际湿地类型调查之间的对应关系,制定了全面的湿地遥感分类系统,作为湿地遥感信息提取的指导依据。 影像数据选择是进行湿地遥感信息提取的首要问题。论文通过湿地遥感尺度分析、湿地影像波谱特征分析、影像统计特征分析具体内容,进行多源影像湿地信息提取适宜性分析,对湿地遥感数据源选择问题进行了详细的探讨。首先从湿地遥感空间尺度和时间尺度两个方面进行了湿地遥感尺度分析:遥感影像选择与湿地调查研究实际区域以及和研究目标内容密切相关,同时要结合湿地土壤、植被和水分的时相变化特征选取不同时段影像进行湿地信息提取。典型湿地地物影像光谱特征分析结果表明,不同湿地地物具有不同的影像光谱曲线和变化规律,同一影像不同波段、不同影像上的影像波谱差异明显,因此进行湿地影像信息提取时,要选用不同影像不同波段组合。结合湿地影像光谱特征定性分析和统计特征定量分析结果,ETM+影像的7、5、4、1波段,SPOT-5影像的4、2、1波段,ASTER影像的4、3、2波段可以作为合适的影像波段进行组合用于湿地遥感信息提取。湿地信息提取适宜性分析分类实验的结果精度评价和对比分析表明,影像及波段选择对湿地信息提取效果影响明显,进行多源影像湿地信息提取适宜性分析对湿地遥感中影像数据及波段组合进行选择,是快速、准确地实现湿地遥感信息提取的前提准备。由于湿地所处地理环境的特殊性以及湿地系统本身的复杂性,需要综合利用多时相、多类型、多波段遥感影像,开展湿地遥感信息提取方法研究。在多源影像湿地遥感信息提取适宜性分析基础上,论文提出了湿地遥感复合分类方法,建立了复合分类方法体系,该方法主要包括多源分类信息复合、湿地信息层次划分和湿地遥感复合分类三个步骤。论文选择具体实验区域中的ETM+、ASTER和SPOT-5多源影像,探讨湿地遥感复合分类法的实现过程。对各个步骤进行了详细的阐述。在湿地信息分层分析基础上,针对非水体层次湿地信息提取采用混合像元分解与决策树分类相结合方法进行研究。通过混合像元分解将湿地影像像元分解为不同“基本组分单元"的丰度值影像,然后利用端元组分的丰度值,即各个组分所占面积作为知识信息,进行决策判断,得到湿地分类结果。该方法将像元分类扩展到亚像元分类,湿地分类类型更加细致。 复合分类法与单数据源影像单一方法比较,湿地分类效果较好。复合分类法湿地分类类别丰富,非水体湿地类型中区分出了灌丛湿地和盐沼湿地,在其他用地类别中区分出了居民地、耕地和裸地;同时复合分类法分类结果精度也高于单数据源影像单一方法湿地分类结果。采用复合分类方法,首先考虑了地物光谱特征而对湿地影像信息进行层次分析,选用不同影像数据源对不同层次信息采用不同分类方法(最大似然法、知识辅助判断、混合像元分解与决策分类法)进行湿地信息提取,同时又结合其他知识信息进行辅助判断,一定程度上减少了“同物异谱”和“异物同谱”现象,有效改善湿地分类精度。本论文认为,复合分类法是目前用于湿地遥感信息提取的较好方法,可以在湿地遥感调查具体应用实践中广泛开展。 本论文选择黄河三角洲湿地东营区域作为湿地遥感信息提取应用研究区域。首先介绍了黄河三角洲湿地概况,明确对该区域进行湿地景观遥感动态监测的科学意义和实用价值。制定了黄河三角洲湿地遥感动态监测流程,建立了区域湿地遥感分类系统以及湿地影像解译特征,采用湿地遥感复合分类法进行三个不同时相湿地信息提取。在此基础上进行了相关景观指数计算以及景观变化转移矩阵分析,采用景观生态学相关研究方法对区域景观结构特征和空间格局变化进行分析,并对影响区域景观变化的驱动力进行了分析,研究湿地与周围环境之间的相互反馈机理。研究表明,黄河三角洲河口湿地作为海陆交互以及东营油田所在区域,其景观格局变化受到自然过程和人类活动的综合影响。近20年来,区域盐碱化程度的加剧,以裸地、耕地和居民用地为主的其他用地作为区域基质景观类型,对整个区域景观生态稳定性起到主导作用,该区域景观相对比较稳定。研究表明,把遥感技术方法用于湿地景观变化研究,充分体现了湿地遥感研究多层次、多时相、多用途的特点,综合使用遥感、GIS方法和景观生态学研究方法进行区域景观变化相关研究,与传统景观生态研究方法比较,具有宏观、快速、客观的优点,同时能够满足景观定量分析中大量景观特征数据的需求,提供可靠的资料保证。探讨黄河三角洲湿地景观格局变化规律,为区域湿地景观生态规划、开发利用以及环境保护、区域可持续发展提供参考依据。 本论文的创新点是: 1、针对国内外湿地分类系统目前所存在的区域性、局限性等问题,结合湿地遥感研究的需要,充分考虑湿地地带性、成因、属性、用途等多种影响因素,并依据湿地地物影像光谱特征,结合影像时间分辨率、空间分辨率与光谱分辨率与实际湿地类型调查之间的对应关系,研究制定了广义的湿地遥感分类四级系统,为湿地遥感信息提取方法的创新性研究奠定了基础。 2、利用多源遥感影像,结合湿地遥感信息提取适宜性分析思想,研究提出了湿地遥感复合分类方法,在复合分类系列方法中进行了混合像元分解与决策树相结合的湿地分类研究,为湿地遥感信息提取开辟了新的途径。 3、在湿地遥感信息提取方法研究基础上,采用湿地复合分类法进行多期影像湿地动态变化监测,并结合景观生态学研究方法,深入进行了影响湿地景观动态变化的驱动力分析,实现了遥感、GIS与景观生态学在湿地研究中的综合应用。
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