全 文 ：林业科学研究　2008, 21 (增刊 ) : 41～45
Forest Research
　　文章编号 : 100121498 (2008)增刊 20041205
东洞庭湖湿地遥感动态监测研究
朱晓荣 1, 3 , 张怀清 13 , 周金星 2
(1. 中国林业科学研究院资源信息研究所 ,北京　100091; 2. 中国林业科学研究院林业研究所 ,北京　100091; 3. 北京林业大学 ,北京　100091)
摘 　要 :应用陆地卫星 TM资料和遥感图像处理 Erdas8. 7软件 ,以监督分类、人机交互等方法提取东洞庭湖湿地各
种类土地类型的面积及分布信息。采用图像复合分类监测、分类结果叠加监测和信息复合人机交互目视提取等方
法研究了东洞庭湖 1987—2004年湖区各种覆被类型的面积及其空间分布的动态变化。结果显示 , 1987—2004年东
洞庭湖湿地在人工和自然状态下的植被演替和泥沙沉积的影响下湖面不断萎缩 ,引起区域性不同程度的湿地退化。
关键词 :遥感 ;动态监测 ;湿地 ;面积变化
中图分类号 : Q148　S771. 8 文献标识码 : A
收稿日期 : 2007212215
基金项目 : 国家“十一五”科技支撑重点项目课题“湿地资源监测与评估技术研究”(2006BAD23B03) ;北京林业大学研究生自选课题基
金 (06JJ021)
作者简介 : 朱晓荣 (1982—) ,男 ,江苏苏州人 ,主要从事湿地监测技术研究.3 通讯作者 : 张怀清 (1973—) ,男 ,湖南宁乡人 ,副研究员 ,硕士生导师 ,主要从事林业可视化模拟技术研究.
Sa tellite Rem ote Sen sing M on itor ing Techn iques on Ea st D ongtinghu W etland
ZHU X iao2rong1 , ZHANG Huai2qing2 , ZHOU J in2xing3
(1. Reasearch Institute of Forest Resource Information Techniques, CAF, Beijing　100091, China;
2. Resaserch Institute of Forestry, CAF, Beijing　100091, China; 3. Beijing Forestry University, Beijing　100083, China)
Abstract: U sing TM data and image p rocess software Erdas8. 7, the East Dongtinghu wetlandpis area and distribution
information were obtained by methods of Spectral Angle Mapper and man2machine interactive interp retation. The
dynam ic changes of East Dongtinghu wetland area and its spatial distribution between 1987 and 2004 were studied
by the methods of images integration, interactive visua1 interp retation and classification results overlay. The results
showed that under the effects of vegetation succession and sediment deposition, the area of East Dongtinghu wetland
shrank continuously, which caused the regional degradation of wetland to varying degrees.
Key words: wetland; remote sensing; dynam ic change monitoring
　　东洞庭湖湿地主体东洞庭湖湖区是洞庭湖的主
体湖盆 ,最大湖水面积 1 328 km2 ,约占洞庭湖区的
一半 ,是一个调蓄过水型湖泊 ,汇集湖南湘、资、沅、
澧四水 ,对长江水量有巨大调剂作用 [ 1 ]。本区湿地
的特点 ,水域面积变幅很大 ,在夏季丰水期 ,浅水水
域面积 124 km2 ,深水水域 530 km2 ,而在冬季欠水
期 ,浅水水域面积达 460 km2 ,深水水域 194 km2 [ 2 ]。
同时由于泥沙淤积 ,大量人为活动的影响 ,湖泊面积
逐年减少 ,湖床不断淤积抬高。相应地导致了湿地
容积变小 ,调洪能力降低 ,洪涝灾害加重等严重的生
态和社会问题。因此动态监测东洞庭湖湿地的面积
变化 ,了解其发展趋势和演替 ,有助于更加合理地保
护和开发利用洞庭湖湿地。
1　数据准备及处理
东洞庭湖湿地内部通行条件差 ,很难深人到湿
地中心去实地调查 ,因而借助于遥感手段提取湿地
信息十分必要 [ 3 ]。同时由于本区湿地是属于河湖补
林 　业 　科 　学 　研 　究 第 21卷
给性湿地。陆地地表过湿或者积水 ,水生植物和沼
生植物依水深梯度呈圈带状连片分布 ,湿地夏相为
单一明水地貌 ,在遥感影像上比较难识别 ,故而利用
的都是冬季影像。本研究利用 1987年 12月 31日、
1996年 12月 7日和 2004年 12月 13日的 123 - 40
幅 TM影像数据进行洞庭潮湿地类型的目视解译和
东洞庭潮湿地计算机分类。采用的遥感图像处理软
件为 ERDAS系统。
分别对各时相遥感资料对应其相应的地形图进
行几何精纠正 ,统一坐标体系。叠加东洞庭湖区矢
量图层制作得各时相遥感数字图像。根据各波段统
计特征及假彩色合成效果选择了 TM432波段进行
假彩色合成 ,并进行线性拉伸、滤波等增强处理 ,获
得最佳目视效果的各时相遥感图像 [ 4 ]。
2　湿地信息提取
地理信息系统具有强大的数据输人、存贮、编
辑、运算、查询、输出、更新及应用分析功能。本研究
将遥感数据 (包括图像及分类结果 )和人工判读的
图件输人地理信息系统 ,利用地理信息系统对遥感
图像分类结果加以改进来提高精度 ,提取面积 [ 5 ]。
采用的地理信息系统软件为美国环境系统研究所开
发的 ARC / INFO系统。
首先通过野外样区调查与当地资料相对照来确
定各湿地类型的解译标志 (表 1) ,对卫星像片进行
目视解译。
表 1　东洞庭湖湿地解译标志 (冬季 )
湿地类型 解译标志
水体 深浅不一的蓝色 ,蓝黑色 ,黑色 ,形状各异 ,大小不一 ,边界清晰。
泥沙滩地 浅灰色 ,蓝灰色 ,沿水体呈条带状 ,或者环湖水体 ,或江心片状 ,大小不一 ,边界清晰。
草滩地 深浅不一的红色 ,形状大小各异 ,边界有些模糊。
芦苇地 呈棕色 ,或黄绿色 ,在 12月影像上已收割的芦苇呈白色 ,灰色 ,有明显人为规则痕迹。
林地 (柳堤 ,杨树林 ) 沿大堤长条状分布 ,图像上呈红色 ,深红色 ,个别区域边界模糊。
裸地 主要是清理后种植杨树的区域 ,呈青灰色 ,有明显人为痕迹 ,边界明显。
　　然后利用表 1的解译标志 ,结合地面调查资料 ,
对 1987, 1996, 2004年的三期遥感图像进行分类。
如图 1得到东洞庭湖区冬季湿地类型图 ,从图上可
以看到 , 在湖区分布大范围的白色芦苇区约
227. 37 km2 ,同时淡绿色的草滩地和灰色的泥滩地
也有大量分布 ,绿色的林地 (主要是杨树林 )分布也
比较大。相对的由于冬季低水位的影响 ,水面面积
小。基本可以确定东洞庭湖 2004年的永久性湖泊
湿地面积仅为 160. 35 km2。其永久性湖面仅占整个
湖区面积的 12. 4% ,湖区的淤积是非常严重的。
然后利用 ARC / INFO 系统的 ADS模块将目视
解译结果图件进行数字化 ,再经过坐标转换 ,图幅拼
接、编辑、改错 ,建立拓扑结构等步骤 ,统计出各类湿
地的面积 (表 2)。
表 2　东洞庭湖湿地类型面积
湿地类型 1987年面积 / km2 百分比 /%
1996年
面积 / km2 百分比 /%
2004年
面积 / km2 百分比 %
草滩地 235. 67 18. 98 362. 70 29. 22 189. 98 15. 30
裸地 5. 55 0. 45 0. 02 0. 00 20. 38 1. 64
林地 365. 90 29. 47 214. 06 17. 24 381. 19 30. 71
泥滩地 264. 35 21. 29 142. 77 11. 50 84. 87 6. 84
芦苇 192. 07 15. 47 293. 13 23. 61 340. 29 27. 41
水面 177. 91 14. 33 228. 77 18. 43 224. 74 18. 10
3　湿地变化动态监测
对于动态监测洞庭湖地区 ,由于其尺度和光谱
信息的要求 ,在实际操作中 ,主要是应用分类结果叠
加的传统监测方法。
叠加分析是空间分析的常用方法 ,在统一地理
坐标系的控制下 ,通过前后两个时相或多个时相东
洞庭湖土地遥感监测图的叠加可以十分明显地反映
各种湿地类型的增减状况了。
为便于区别 ,首先将不同时相的同种湿地类型
赋予不同的颜色 ,可用 3种方法进行叠加显示 :一是
利用图像叠加功能 ,将各时相湿地类型分布栅格图
叠合 ,分析变化情况。该方法实际是像元间的复合 ,
可较好地反映其增 (减 )变化 ,但未变化的共同部分
因像元间的覆盖需通过图像动态连接显示 ;二是做
前后湿地类型分布栅格图的差值、比值或相加处理 ,
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增刊 朱晓荣等 :东洞庭湖湿地遥感动态监测研究
图 1　东洞庭湖湿地土地利用图 (2004年 )
可很好地检索出图像变化的部分 ,以不同的颜色显
示各种类型的增加、减少以及未变化的范围 ;三是将
各时相湿地类型分布图由栅格转为矢量格式 ,然后
利用地理信息系统 ( GIS)软件进行湿地类型分布矢
量图的叠加分析 ,从而检测出其分布的变化情况 [ 6 ]。
3. 1　湿地面积变化分析
从表 1、3中东洞庭湖各种湿地类型面积变化数
据可以看出 ,各类湿地面积年季变化比较大 ,同时因
为水位年季变化差异会引起水面范围及面积不同 ,
因此将泥滩地和水面作为一个整体分析 ,减少水位
变化对湖区面积变化的影响。
1987年泥滩地和水面总面积为 442. 26 km2 ,
1996年时为 401. 07 km2 ,到 2004年为 309. 61 km2 ,
17年间共减少 132. 65 km2 ,年均减少 7. 8 km2。总
体来说东洞庭湖区湿地类型面积变化表现为洲滩地
面积不断扩大 ,而湖泊水面不断缩小。
表 3　东洞庭湖湿地各类型面积变化　　　　　km2
湿地类型 1987—1996年 1996—2004年
草滩地 + 127. 03 - 172. 72
裸地 - 5. 53 + 20. 36
林地 (柳堤 ,杨树林 ) - 151. 84 + 167. 13
泥沙滩地 - 121. 58 - 57. 90
芦苇地 + 101. 06 + 47. 16
水体 - 50. 86 - 4. 03
3. 2　空间变化分析
以多种方法研究了 3个时相的东洞庭湖湿地的
变化 ,对其湿地的分布动态进行了分析。由于整个
东洞庭湖湿地面积较大 ,水文与泥沙冲淤情况各异 ,
通过对遥感图和实地考察发现 ,其基本可以分为 2
个大区 :西北区主要包括东洞庭湖自然保护区附近
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林 　业 　科 　学 　研 　究 第 21卷
湖区 ,本区流速较慢 ,属于典型的湖泊湿地 ;东南区
主要为南洞庭到城陵矶的吞吐水道区 ,流速较快 ,属
于河湖补给性湿地。对 2个区的湿地类型进行监测
得到表 4。
表 4　东洞庭湖区湿地分区变化 km2
湿地类型 1987年东南区 西北区
1996年
东南区 西北区
2004年
东南区 西北区
草滩 88. 00 147. 67 96. 77 265. 93 63. 96 126. 02
裸地 1. 95 3. 60 0. 00 0. 02 6. 38 14. 00
林地 113. 98 251. 92 59. 22 154. 84 124. 14 257. 05
泥滩地 90. 33 174. 02 65. 18 77. 59 37. 91 46. 96
芦苇 111. 72 80. 35 157. 60 135. 53 161. 12 179. 17
水面 45. 05 132. 86 72. 26 156. 51 57. 52 167. 22
　　1987 年东南区的泥滩地和水面的总面积为
135. 85 km2 ,到 2004年为 95. 43 km2 ,而西北区 1987
年为 306. 88 km2 ,到 2004年为 214. 18 km2 ,可见湖
面的萎缩在整个洞庭湖区发生 ,但是研究表 4发现 ,
在西北区也就是东洞庭自然保护区所在湖泊湿地
区 ,湖面萎缩较快 ,其湖面面积年减少 0. 7% ,而东
南区为 0. 5%。西北湖泊湿地区相对缩小速率
较大。
4　湿地变化结果分析
4. 1　泥沙淤积
由于湖区比降平缓 ,汛期洪水从各方汇流入湖 ,
形成纵横交错的水网 ,四口、四口汛期携带大量的泥
沙入户 ,由于城陵矶受高水位淤塞的影响 ,排泄能力
下降 ,大量泥沙沉积在湖区 ,湖底太高。根据湖南省
水利水电厅《洞庭湖水文气象统计分析 》( 1989年 )
中的数据 , 1951年到 1988年的 38年间 ,洞庭湖总泥
沙沉积 544 741 ×104 t,年平均 14 335 ×104 t[ 7 ]。根
据 1952年和 1988年的湖底地形图分析 ,认为洞庭
湖平均每年淤高 3. 7 cm。而芦苇分布区平均每年淤
高约 5 cm,局部地段达 7 cm以上 。泥沙淤积使得
地势增高 ,促进了芦苇等湿地植被的生长 ;芦苇等植
被的发展又为泥沙淤积加快创造了条件 ,它们互为
条件又互为因果 ,形成恶性循环 [ 8 ]。
如对东洞庭湖西北区的注兹河河口研究发现 ,
泥沙越来越集中堆积在河口 2侧的水下天然堤 ,使
得三角洲逐渐成为尖嘴型 ,伴随泥沙堆积 ,在河口及
河道两边湿地发育和演替明显 ,发育外围的泥滩地 ,
草滩地迅速向湖心推进 ,同时在芦苇的边缘又种植
了杨树等各种人为活动过程也加剧了这种作用。在
TM影像上可以看到其距离君山最近仅为 1. 9 km,
按照 1996—2004年 (0. 075 km·a - 1 )的东推速度计
算 ,只需 25 a,其河口三角洲将与君山相连 ,到时候
现在的东洞庭湖自然保护区的核心区 ,将成为一个
内湖 ,不再与长江相连。从面积算 ,整个注兹河河口
在 1987年到 2004年就侵占了湖区大约 20 km2的面
积。相当于 2004年东洞庭湖东区水面与泥滩地总
面的 1 /5。
4. 2　湿地演替
所谓湿地演替是指同一地段上一种湿地类型被
另一种不同的湿地类型更替。洞庭湖湿地类型主要
有水体湿地、泥沙滩地、湖草滩地、芦苇滩地、鸡婆柳
滩地、防护林滩地等等。随着泥沙不断淤积。浅水湖
泊的地势逐渐增高 ,在水位较稳定、水体较清地段逐
渐开始生长水生生物 ,发育成为水生生物基底湿地
(指生长水生生物的水体湿地 ) ,也有一些地段泥沙淤
积较快 ,不能生长水生生物。发育成为泥沙滩地。随
着泥沙继续淤积 ,地势进一步增高 ,草本植物开始侵
入 ,水生生物基底湿地和泥沙滩地逐渐为湖草所占
据 ,演变为湖草滩地。泥沙继续淤积加上湖草残体的
堆积。地势继续增高。枯水季节的地下水位降低 ,芦
苇 ( Phragm ites spp. )、蒌蒿 (A rem isiaselengensis spp. )、
鸡婆柳 (Salix. sp. )等侵入湖草群中 ,并迅速蔓延。
随着洲滩进一步抬高 ,洪水泛滥减弱 ,地下水位降低 ,
荻草 ( Triarrhena spp. )侵入芦苇和鸡婆柳之中。最
终 ,荻完全占据整个滩地。芦苇滩地和鸡婆柳滩地为
荻滩地所取代。因人们通常把荻也叫做“芦苇”,所以
荻滩地也被认为是“芦苇滩地”。如果洲滩继续抬高。
且为一些中生的本本植物生长创造了环境条件 ,旱柳
(Salix m atsudana Koidz. )、杨树 ( Populus spp. )等木本
植物则会相继侵入荻群内而取代之 ,并最终演变为森
林湿地 [ 9 ]。
以上就是湖区一般的演替过程 ,但是根据遥感
影像数据和外业调查发现 ,认为种植芦苇和杨树打
破了这种顺向演替过程 ,现在湖区的一个典型现象
是在泥滩地或草滩地上 ,开沟排水 ,然后种植杨树 ,
这种过程 ,打破了原有的生态学规律 ,使湖区湿地直
接退化成森林湿地。配合泥沙的沉积 ,大大加剧了
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增刊 朱晓荣等 :东洞庭湖湿地遥感动态监测研究
湖面的萎缩。如东洞庭湖的西北区 ,由于其主要为
南洞庭湖来水的吞吐水道 ,没有大量的空间发育成
三角洲 ,但是由于人为的活动 ,湖区面积仍在缩小 ,
这主要原因就是人为活动 (种植杨树等 )压缩了湖
洲的泥滩地面积 , 2004年比 1987年滩地面积减少了
52. 42 km2 ,减少一半还多 ,加速了整个西北区从半
湖泊湿地到河流湿地的演替。加速了整个湖面的
衰减。
5　结语
以卫星遥感技术进行湿地的动态监测不但能较
好地反映其面积增减变化 ,从全局上把握区域的变
化 ,而且直观地显示了其空间分布的动态变化 ,反映
其空间的发展规律。具有其他监测方法不可比拟的
优点。本研究使用的面积分布监测方法 ,可根据需
要在相应情况下应用 ,分类结果叠加具有一定的普
遍意义 ,但效率不高 ,还需配合专家分类 ;人机交互
提取方法可以借助于实况信息的支持 ,充分利用专
家经验、人工智能 ,从而使提取结果具有较好的精度
保障 ,但工作任务较重 ;分类结果差值方法则基于初
始图像的准确提取 ,其监测结果可直观显示其各种
变化情况 ,对前期工作要求较高。
通过对东洞庭湖面积、分布的动态监测。了解
其湿地变化演替的时空特点 ,为湿地的管理及决策
提供了科学依据。有利于湿地的进一步开发和保
护 ,保持自然和社会经济的可持续发展。
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