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中国青藏高原玛多地形对湿地分布和变化的影响
吴月
南京信息工程大学地球与遥感系，南京 210044
摘要：湿地的空间分布和时间变化的精确信息对于能否制定有效的保护措施来说是至关重要的。本研究使用1994年和2001年卫星图像来评估中国西部青藏高原地形对邻近玛多县湿地变化的影响。研究区在1994年湿地数量扩大了6780kmsup2;。虽然他们广泛地分布在整个县，但更集中在南部，接近溪流尤为突出。湿地的模式演示了一个钟形分布曲线与海拔、测距坡度在0-19°，最常见的坡度为3°。尽管这些坡向范围在各个方向，东部和东南的湿地都不集中比较分散。湿地的数量在2001年减少到6181。1平方公里。标志着空间分化模式的湿地是显而易见的,海拔较低地区的数量增加了1193。3 kmsup2;,但海拔高的地区减少了1792。2 kmsup2;，导致净减少598.8平方公里。地区的坡度lt; 2°或gt; 9°湿地的数量从1994 - 2001年大约保持一致。新保留的湿地不偏不倚都位于相对平坦低地的地区。而湿地对山坡轴承1 - 86°范围如北部、东部与东北面比其他方向更容易减少。湿地分布的改变模式从高到低海拔北坡恰逢年度同期温度的两倍,这表明气候变暖可能是一个重要的原因。
关键词：湿地变化检测，地形影响，遥感，地理信息系统，青藏高原
引言
湿地唯一的地形特征是季节性或永久的表面被水覆盖,或完全饱和水分。水生植物或水生植被可能形成沼泽,沼泽和沼泽旁边的水池。总的来说,这些都是陆地生态系统的重要组成部分。湿地生态服务包括提供了许多重要的栖息地和生物多样性功能,调节水流和水质。然而,湿地可能生态脆弱和退化容易受到环境变化和人为活动。
世界各地都在做湿地变化监测，共同努力想了解他们恢复的前景。遥感技术提供了一种有效的手段来识别、分类和监测分布在广泛的地理区域的湿地,提供了一个基础通过生物生态功能的评价措施评估(例如 Butera 1983; Jensen et al. 1986;Johnston amp; Barson 1993; Chopra et al. 2001;Rundquist et al. 2001; Ozesmi amp; Bauer 2002;Rebelo et al. 2009; Bwangoy et al. 2010)。
湿地监测通常通过对卫星影像使用目视判读和自动分类的综合运用。例如, Xing et al. (2010)通过目视解译TM、中国和巴西ETM 和地球资源卫星图像来分析青藏高原湿地的变化。虽然图像分类的自动无监督或监管方法比目视判读更快，但由于光谱混淆的湿地与其他土地覆盖和不同类型的湿地，容易出现错误。平均误差率高达7.8%，沼泽的湿地/高地模型为17.0%，沼泽的湿地类型与分类树模型获得包含所有可用的预测。自然湿地的分类和回归树和多项逻辑回归分析精度分别达到57.1%和40.7%(Pantaleoni et al . 2009年)。相应的精度为草本沼泽分别为68.7%和52.6%。通过从陆地卫星TM图像监督分类方法只有54.1%的总体精度，使得Feng et al. (2008)使用目视判读方法来映射沼泽湿地。视觉解释结果的准确度由于湿地的使用的几个属性决定，如材质、颜色、图案,情况,和形状,即使它是低于自动分类的。
映射和监测湿地数量的变化通常是通过使用多瞬时变化检测技术(例如 Jensenet al. 1995; Brivio and Zilioli 1996; Haack 1996;Schmid et al. 2004; Gong et al. 2010; Teferi et al.2010). 蔡和 国 (2008)确定的空间范围和改变黄河湿地通过段遥测陆地卫星TM、ETM 数据和利用地理信息系统(GIS)和逐步判别分析。从卫星图像土地覆盖映射后, GIS能够识别湿地景观变化的信息然后分类(Munyati 2000； Zhang.2000)。然而到目前为止,评估湿地数量的变化没有框架和地形设置。这个问题在评估尤为重要。高原湿地演化的动力主要来自从融化的雪水,永久冻土融化,并在青藏高原渗透雨水。地形高程和坡度等因素，储备水量少，高原湿地退化引起的气候变化和人为活动决定水分和水的(重新)分布在山上的湿地景观。这些问题很明显的主要集中在高原湿地在青藏高原海拔3200米以上。了解地形影响高原湿地的分布和演化是有效管理和保护湿地的先决条件。
本研究评估只是在1994 - 2001年地形的影响变量对青藏高原湿地的变化分布。具体来说,本研究旨在(1)探索青海省玛多县高原湿地分布的地形特点；(2)研究湿地演化的空间范围和时间动态；(3)确定湿地的变化与接近水源的地形之间的关系。
1.方法
1.1研究区概况
玛多县(33°50 -35°40 N和96°50- 99°20 E),位于西北青海省果洛州,占地数量25253平方公里(图1)。人口有11000人,其中85%是藏族。这个县拥有寒冷的高山气候,年平均温度只有-4.1°C。大部分的浅浮雕景观位于海拔4500米和5000米之间。由于高海拔的原因这里只能划分为温暖和寒冷的季节,温暖的季节持续每年只有两个月。这里87.5%的植被都是草适宜放养牧绵羊和牦牛。
玛多县的年降雨量达303.9毫米,远低于年度蒸发量超过1260毫米。尽管这样会出现赤字,但玛多县依然有丰富的水资源。有13条相对较大的河流,其中最重要的是黄河(图1)。此外,还有成千上万的淡水湖泊，数量总计1674平方公里。作为中国提供水资源的重要贡献者并被称为“水塔”,玛多县对河流系统贡献了1.4到20亿立方米的水。河流和湖泊、不同的高原湿地类型和和草原的大小都与其有关。在过去,高原湿地经历了退化,但近年来有正在恢复的迹象(Wang et al. 2007)。
图1 中国青海玛多县的地理位置
选择这个地区作为研究对象是因为它包含大量的湿地,有丰富的动态变化。或许可以代表其他地区高原地区,比如那些在安第斯山脉(Peru-Bolivia)。高原湿地提供重要的经济效益和有价值的服务对当地的生态系统,甚至会产生更久远的影响。
1.2研究数据
三种类型的数据被用于这项研究:遥感数据、地形数据和水文数据。遥感数据是主要的数据来源。两个陆地卫星TM / ETM 卫星图像来源于全球土地覆盖基金下载网站(http://glcf.umiacs.umd.edu/index.shtml)。第一张照片记录1994年7月24日(row-36、路径- 134),第二张2001年7月4日与第一张相隔20天。两个图像空间分辨率为28.5 m地理参照了UTM坐标系统(47区北)。
地形数据来自美国宇航局的EOS数据下载网站(http://asterweb.jpl.nasa。gov / gdem.asp)。这些存档全球数字高程模型(GDEM)数据是日本经济产业省和NASA的产物,并且是公开免费的。它们覆盖83°N-83°S之间的地球陆地表面。从立体ASTER GDEM产生30米分辨率,也适用于GeoTIFF格式。每个GDEM数据是伴随着质量评估文件,要么给ASTER场景用来计算一个像素的数量的价值,或表明外部DEM数据的来源用于填补ASTER的空洞。水文数据来自http://www.maproom.psu.edu/dcw/ ERSI。在这项研究中使用的数据规模的1:1万(1993年版)。
1.3湿地监测
在ArcGIS中对卫星图像显示彩色波段组合进行直观地解释。在文献记载中，波段3、4和5的组合最有利于湿地的研究(Zhang et al . 2000年)。然而,1994年发现波段的组合5(红色),4(绿色)和2(蓝色)是效果最好的，而对于2001年来说波段4(红色),7(绿色)和2(蓝色)的组合更适合。草地健康和水体这两个关键因素在描述高原环境中的湿地是至关重要的。由于丰富的水资源的可用性,使其比正常的草原湿地更健康。在1994的组合中显示一个饱和深绿色与浅绿色的正常的草原。2001的组合显示健康的湿地有一个蓝色的黑红色,而普通草原本是浅红色的，湿地退化后变成红灰色的。沼泽的存在对湿地和普通草原之间的划分也是至关重要的。然而,湿地并不是经常包含水体,除非他们单个非常小（湖泊不算在湿地内）。在ArcGIS中所有的湿地被划定为多边形。在解译后这些多边形文件保存为矢量数据。制作的两个湿地分布地图都共享原始图像的地面坐标系统。对2010年7月和2011年8月的两个解译研究结果进行验证。现场检查确认地图除了饱和高山湿地的遗漏以外，绝大多数是准确的，在另一个部分解释这种遗漏如何补救。给湿地多边形分配合适的符号后,地图的可视化就可以说明湿地分布的空间格局。他们的DEM数据的空间分辨率都为30米，为后续分析做准备。
1.4空间分析
在ArcGIS中两个湿地分布地图使用联合执行函数做变化检测。导出新图层后，然后查询空间湿地和非湿地之间发现变化，查询后合成湿地变化地图。湿地和非湿地类之间的转换是量化的湿地变化的程度后重新计算的一个新值1，湿地地图光的栅格化在30米左右。
湿地一直受到水的滋养，如果不能保持足够的水供应他们会容易退化或着最终会消失。因此,重要的是要评估靠近他们的河床。评估这个因素时, 在溪流和河床生成宽度从10到1000米的缓冲区。他们覆盖在这些接近水源的缓冲区被溶解后,分别在1994年和2001年湿地分布地图研究湿地及其之间的关系。查询缓冲区内的湿地比例并将结果导出到Excel进行进一步处理。
用DEM数据ArcGIS中生成坡向和坡度。地形方面会影响太阳能的分布,从而影响融雪和永久冻土，同时还会影响降雨。考虑从周围的四个单元格高度来计算和表示为一个值从磁北0到359°。然后发现最近的整数都集中5°左右的水平。平面上没有一个明确的方向被分配-1这个值。这个DEM的图层的坡度、坡向叠加的两光栅化湿地分布图与湿地变化图单独使用屏蔽，以关联海拔，坡度，湿地变化取向。叠加结果查询确定湿地地形特征。所有的结果都转换为文本格式并在Excle进行处理（见图2）。
图2 在这项研究中进行的处理和分析的数据流程图
2.结果
2.1湿地动态变化
1994年,研究区内湿地数量达6780kmsup2;。他们广泛的分布在全县，但更集中在南部和北部(图3)。更广泛的湿地仅限于西南，而西北几乎没有湿地。此外，大多数北部的湿地数量小，形状狭长，位于沿山谷底部和高地凹坡，而大数量的湿地都与湖泊有关。相比之下，湿地在南方往往只有一个斑块大小。这个地区的大型的湿地都广泛的分布在山边,小数量的水体都在地表数量。这种模式似乎反映南方和北方的高原地形中高山的主导地位。
图3 从1994到2001年研究区内湿地分布及其变化
2001湿地总数量为6181.1平方公里。在1994年他们的空间分布模式是南方湿地比北方多（图3）。在东北地区,因为有不少狭长斑块似的湿地消失使得湿地变得更少。
在研究期间通过空间变异模式发现湿地的增加或减少都是显而易见的。虽然4987.8 kmsup2;或者说73.6%的湿地是不变的,然而让其余的一些地区湿地数量增加了1193.3 kmsup2;但其他地区的数量却减少了1783 .7 kmsup2;,导致净亏损590.4 kmsup2;。这转化后就是每年损失84.3平方公里。根据的严重衰退长江源地区和若尔盖河流的记录发现这种下降在长江、黄河源区湿地是一致的(2007)。
湿地减少的情况发生在整个研究区域（图3）。许多曾是湿地的斑块都消失了。大部分消失的湿地数量都很小，然而这些线性斑块的湿地都来自大数量的湿地。因为水位的下降这些大斑块的河流和湖泊湿地也萎缩，所有的多边形都有集群分布。增加的湿地体积较小。他们的分布被限制在一个几乎没有位置相邻的广泛斑块湿地。这些特别大的斑块，往往都聚集在大湿地。这种空间关系表明他们起源于现有的向外扩展湿地。顺便一提，这些新产生的湿地并没有失去它们的空间布局。在整个研究区域的两个进程中湿地的萎缩似乎是占主导地位的，而扩张在很大程度上被限制在高地位置。
2.2地形对湿地分布的影响
2.2.1 高程
在1994年湿地集中在4033到5089米的海拔范围内，最常见的大约4540米（图4，A）。附近的分布表现出铃型曲线，但它与几个亚峰向低海拔相比呈不对称分布。第一个高峰在4100米左右，对应于低地湿地湖泊和河流。接下来的两个高峰是发生在几乎相等的4220米和4300米，这些分别对应于洪泛区和山前平原湿地。最后小高峰在4400m，相应于流域湿地。曲线的右尾（高海
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