1988～2010年南京城区湿地动态变化分析

邢 雯，阮宏华*，许子乾

（1.南京林业大学 ,南京 210042）

城市地区内的河口、河岸、浅水湖沼、水源保护区、污水处理厂以及天然和人工库塘等具有水陆过渡性质的生态系统被称为城市湿地[1]。城市湿地是城市公共空间的一个自然景观，也是城市生态环境的重要组成部分，可以很好地调节环境和防控自然灾害；同时为城市居民提供环境教育和休闲娱乐功能。然而，随着经济社会的快速发展，城市湿地生态环境遭受了严重的影响。20世纪90 年代末以来，我国的湿地研究中各个领域都运用到了遥感和地理信息系统技术，运用较多的有湿地保护区规划、湿地信息采集、湿地资源和环境分析、湿地分类等方面。目前已有学者关注南京市近几年湿地变化，且开始研究，但仍存在不足：一是针对南京主城区湿地长时间跨度动态变化研究较少；二是针对南京湿地的影像分类方法还没有运用到面向对象方法。

1 研究方法

本研究选取1988～2010年TM遥感影像为数据源，将目视解译结果作为湿地分类基准，使用ecognition遥感影像处理分类软件，采用面向对象的信息提取法，从不同维度对图像分割进行分类[2]。采用湿地遥感面向对象的多尺度分割方法，使用多特征的遥感图像判读方法，通过对TM遥感影像的预处理建立各类型的遥感判读标志判读遥感影像，初判读后尺度分割，然后进行影像对象分类，对11 a间湿地总面积变化、湿地向非湿地转化进行分析，制作专题图。

1)数据预处理。选择1988～2010年期间，11 a夏季同一时间段的TM遥感影像进行辐射校正、卫星平台和传感器的系统误差校正。

2）判读遥感影像。将湿地分为河流湖泊和水田（人工湿地）两大类；植被、建筑物两类为非湿地地物。在对典型地物观察和描述基础上，根据指定的分类建立类型解译标志，如河流为亮蓝色、色调均匀的细长和狭长形影像；湖泊为灰蓝色、内部光滑的不规则多边形影像；水田为亮灰色、规律性很强的块状影像；非水体中植被为深红色、纹理粗糙的面状、块状影像，建筑用地为深灰色、规律性很强的规则多边形影像。

3）面向对象的影像分类。综合采用最邻近分类法和隶属度函数法，对湿地信息提取过程中的不同特点进行湿地分类。先分割水体与陆地，降低分割尺度，提高分割时形状因子权重。其次，在特征空间中选取样本对象，对类和其他类的隶属度值和距离进行分析。最后，采取最邻近分类法修正分类结果中未分和错分的类，获得湿地信息分类分布图。

4）精度调整。分布图有少量阴影被分为水体，用河流、湖泊、水田等信息将被错误分类的地物作为样本重新分类，分类结果采用隶属度最高的值，反复迭代，直至结果满意。

5）生成动态变化结果。遥感影像分析中运用光谱和纹理特征，可夸大特征变量与其他类别的差异，有助于反映目标感兴趣聚类行为特征[3]，基于高分辨率的遥感影像，应用面向对象的分类方法得到详实的分类图[4]。

2 数据处理

1）遥感影像数据。选取1988～2010年间的TM遥感影像数据，气温、降水及社会经济统计年鉴数据作为辅助数据。

2）影像预处理。①相对大气校正：校正大气及其分子和气溶胶散射对特征反射的影响，以获得表面温度和反射率等物理模型参数，从而消除这些因素。大气校正采取直方图匹配法并根据数据实际进行。②配准：图像配准包括地面控制点（GCPs）选取及几何校正。采取SRTM90 m分辨率的原始高程数据为数据源，对镶嵌的影像数据作几何校正。③影像镶嵌:一个地区的信息很难被一定分辨率下的单幅影像全覆盖，须对多景影像镶嵌，最终形成25 150 × 18 121像素的拼接遥感数据文件。

3)图像剪裁。图像裁剪常按自然或行政区划边界进行[5]。采用不规则裁剪方法，利用得到的城区边界数据，在ArcGIS 中提取出相应地区矢量边界。

4）假彩色合成。选取TM432波段分别对RGB组合开展分类解译[6]。

3 南京市湿地信息提取

3.1 南京市湿地分类体系

1）湖泊河流湿地：①南京玄武湖、莫愁湖、石臼湖、固城湖、百家湖和月牙湖是面积超30 km2的湖泊，其中玄武湖面积为378 ha；月牙湖面积为17.2 km2；莫愁湖面积为32.36 km2。②长江、滁河与秦淮河为主要河流，秦淮河是最大的河流，长110 km；滁河位于长江下游左岸一级支流，干流长269 km。③水库、水产养殖场和农用池塘。

2）水田（人工湿地）：运河疏水河、养殖场、水库、水稻田和农用池塘是南京的主要人工湿地，包括水稻田、河流湿地、库塘湿地三类。库塘湿地包含农用水池、水库和养殖场，目前水稻田占湿地面积最大。

3.2 面向对象的遥感分类方法

3.2.1 影像分割

多尺度分割产生的图像对象的基本单位不是个体相似元，而是均匀的，如多边形的大量对象[7]。图像中像素颜色、灰度、纹理等不同的对象特性，产生不同尺度对象层的图像，构成对象层网络系统。分割产生的图像对象是一个对象的图像原型，可作为信息的载体进一步向下合并或拆分，建立多尺度分割系统，最终对最优图像分割并获取目标信息。区域划分方法中，整个图像是起始区域的种子。如果种子区域均匀度较差，则分为若干子区域，成为新种子区域。重复此过程，直到所有子区域变得均匀。

3.2.2 多尺度分割参数

1)多尺度分割概念：多尺度分割中，对象层采用不同的分割尺度产生不同尺度的图像，从而形成一个层次的网络结构，实现原来的像素。多尺度分割算法规则为：①在分割区域寻找种子对象作为增长点，和其他对象领域合并成一个新的领域[8]。②如果合并中第一次条件不满足，则最佳候选人成为新种子对象，继续寻找合并对象；③两者间的对象只能执行合并算法；④每一周期中，每一个图像对象在对象层只执行一次[9]。

2)多尺度分割参数选择：对不同的地形分类建立不同的分割尺度。采用图像分割的3个维度，形成多层次的块状对象体系结构。第一层是水体与陆地（非水体），主要区别是较适合分割适度的规模和类别，避免物体分割和精细，防止小面积水域分割错误。分割尺度设置为100。第二层是在第一层分类基础上，对水上物体进行分割，水库、河流、湖泊等规模较小的差异是精细的，应将分割尺度标准设置为15。第三层是在第一层分类结果的基础上，仅为陆地（非水体）再次分割，提取滩涂、沙滩、水田、沼泽等，分割尺度为5，优先考虑色彩因素。

从图1、2可见，当分割参数设为100时，可以较好地将水体和其他地物分离出来，但非水体的地物信息非常模糊；而当分割参数设为5时，非水体地物有更好的分割效果，可将居民地、农田、建筑物、树木等很好地分割出来。因此要根据尺度要求合理选择影像分割参数。

图1 分割参数设为100

图2 分割参数设为5

3.2.3 分类提取

针对湿地信息提取的不同，用相邻分类法和隶属函数法对湿地进行分类。①最邻近法：为每个类定义样本和特征空间的需要，空间的功能可任意组合，可评价对象特性、多维特征空间和容易处理重叠的关系，快速处理类层次；②隶属度函数：隶属函数对象特征及其类之间的关系用来定义对象属性的标准[10]。如果一个类只能通过一个特征和其他类区别，或只有少数隶属函数的特性可以使用，则需要添加新的信息来描述指定的类；所选择的隶属度值较小，其他类的隶属度值较高，样本属于其他类；对所选类和其他类具有较高的隶属度，是不用来区分当前样本的。最后，用最邻近法对出现错误及未分类结果进行分类，得到湿地信息分类图。

3.3 精度验证

遥感特征分类有一定误差。如果水体和地物的阴影特征相似，地物阴影的隶属度值和水隶属度值就会非常接近，因而少量的地物阴影会被分为水。利用水库、河道、农田等信息，可对虚假特征分类，作为样本分配到准确的类别上，最高隶属度值作为分类结果，反复迭代，直到结果满意。为保证所有类别都有分析点，采用影像目视解译产生的分层随机样点，选取2000、2002、2007、2010年分类结果图像评价，其样点数分别为510、690、560、560，总精度分别为76.47%、86.96%、82.34%和85.14%，建混淆矩阵，用遥感软件精度评估工具得到分类结果评价报告。

4 1988～2010年南京市城市湿地动态变化

4.1 南京市湿地分布特征

经统计(详见表1），1988年南京市城区有湿地面积为 189.254 7 km2，占南京市总面积的20.07%，其中河流湖泊湿地 135.208 8 km2，占湿地总面积71.44%；人工湿地（水田）54.045 9 km2，占湿地总面积 28.56% 。而到2010年，南京市城区共有湿地面积 130.579 4 km2，占南京市城区总面积13.85%，其中河流湖泊湿地 118.779 1 km2，占南京市湿地总面积90.96% ；人工湿地（水田）11.800 3 km2，占湿地总面积 9.04% 。由于1991年夏天南京发生特大洪灾，降水量达历年之最，因此合计湿地面积较其他年份最多。河流湖泊湿地和人工湿地（水田）在1988～2010年间的分布变化如图3、4所示。

图3 1988～2010年南京主城区水田（人工湿地）面积的动态变化

4.2 湿地时空变化

图4 1988～2010年南京主城区河流湖泊湿地面积动态变化

4.2.1 空间动态变化

根据湿地分布，研究区的河流湖泊湿地主要集中于长江南京段、玄武湖、秦淮河及城南地区部分河流，水系特征明显，分布较广。而人工湿地（水田）零星分布在南京市东郊、南郊和北郊，且呈逐年减少的趋势。

从湿地构成（表1）可见，1988年共有湿地面积189.25 km2，其中河流湖泊 135.22 km2；水田（人工湿地）54.05 km2。到2010年，城区共有湿地 130.58 km2，其中河流湖泊118.78 km2；水田（人工湿地）11.8 km2。

表1 1988～2010年南京市城区总湿地面积

从行政区看(见表2、3），栖霞区河流湖泊分布最多，占城区湿地近50%，其次是建邺和浦口区，鼓楼、玄武、秦淮、雨花区近市中心，受城市化进程影响较大，湿地分布较少，到2010年湿地面积萎缩严重。水田（人工湿地）城区分布有限，主要分布在栖霞、浦口、雨花三区，占到主城区湿地面积一半以上。由于近年来城区开发建设，水田面积大幅度缩减，由1988年的54 km2减为2010年的11.8 km2。

表2 1988年南京市城区各区湿地分布

表3 2010年南京市城区各区湿地分布

4.2.2 时间动态变化

1988～1998年湿地面积下降较为缓慢（如图5），1998～2000年间湿地面积有一个急剧下降的拐点，此后至2010年城区湿地面积呈急剧下降趋势，特别是近年来城区城市化发展迅速，许多大面积的河网被城市道路所替换，导致河流湖泊面积缩减严重，主城区的水田（人工湿地）也在不断减少。

湿地面积对比如表4所示，1988～1998年，研究区湿地总面积减少15.15 km2，变化率为8%，平均年变化率为0.8%，其中，水田（人工湿地）减少27 km2，减少49.95%，平均年变化率为5%；河流湖泊共增11.85 km2，增加8.76%，年均增加0.88%。

表4 1988～1998年南京市研究区各类湿地变化

如表5所示，2000～2010年间，湿地总面积减少24.68 km2，变化率为15.9%，平均年变化率1.59%。其中，河流湖泊共减少13.38 km2，减少10.12%，平均年变化率1.01%；水田（人工湿地）共减少11.3 km2，减少48.92%，年均减少4.89%。

表5 2000～2010年南京市研究区各类湿地变化

由此可见，1988～2010年，年均湿地面积减少比例有所增加。1988～2010年南京市总湿地面积变化如图5所示。

图5 1988～2010年南京市总湿地面积／km2

前10 a城区河流湖泊面积变化不是太大，如表6所示。水田（人工湿地）面积缩减比较明显，其中由于栖霞区湿地面积最大，因此水田面积减少最多，减少9.09 km2；其次是秦淮区（包括此前白下区）和玄武区，分别减少5.01 km2和4.05 km2。

表6 1988～1998年南京市城区各区湿地变化量/ km2

2000年始，由于浦口区城市建设特别是房地产加速，湿地面积缩减严重，其中，河流湖泊面积减少1.52 km2，而水田（人工湿地）减少15.47 km2。其次是栖霞区，10 a间湿地面积共减少4.16 km2，鼓楼区和建邺区湿地面积分别减少2.06 km2和2.62 km2，其他几个区因城市化程度已较高，城建活动有所缓解，湿地面积变化不大（见表7）。

表7 2000～2010年南京市城区各区湿地变化量/ km2

总体来看（如表8所示），从1988～2010年各区湿地面积都在减少，特别是水田（人工湿地）变化较大，其中以浦口和栖霞最为显著。浦口由于近10 a发展迅速，房地产开发活动剧增，因此湿地面积缩减最为剧烈；而栖霞区本身面积大，因此湿地面积变化值也较大，两个区湿地面积分别减少17.37 km2和8.81 km2，其中水田（人工湿地）面积分别减少18.45 km2和7.7 km2，其他几个区因后期城市建设缓解，湿地面积变化相对较少。

表8 1988～2010年南京市城区各区湿地变化量/ km2

4.2.3 时空变化分析

1988～2010年，湿地转变显著特征主要表现为湿地大面积向非湿地特别是建筑用地转化，直接表现为湿地总面积的变化，且随年份增加呈减少趋势。每一种湿地类型都有不同程度的退化，由大面积的湿地转化为非湿地。

5 讨论与总结

5.1 面向对象的湿地分类方法

湿地遥感中面向对象的多尺度分割法中，利用图像对象及相关信息，细分地物特征，通过对特征的提取来区分不同类型的对象较容易。面向对象分类方法可根据像元光谱与空间分布特征，基于单一高分辨率图像，形成不同层次图像资源集合和具有不同分辨率的图像，提取遥感影像包含的图像空间信息，使面向对象分类方法的可靠性和分类精度得到提高。

5.2 研究成果

以1988～2010年TM影像为基础资料，结合湿地考察数据，采用面向对象的分类方法，重点放在主城七区，对南京市两个主要湿地类型进行信息提取和时空变化分析，取得以下成果：

1）两类湿地面积锐减：1988年河流湖泊和水田（人工湿地）的面积分别是135.21 km2和54.05 km2，到了2010年分别缩减为118.78 km2和11.8 km2。栖霞、浦口、雨花三区湿地分布最多，1988和2010年此三区湿地面积分别占城区湿地总面积的70.9%和71.04%，是湿地保护重点区域。

2）城区湿地面积萎缩严重：近20 a间，总面积减少58.68 km2，变化率31%，其中水田（人工湿地）减少较多，共减少42.25 km2，变化率78.17%，河流湖泊减少较少，共减少16.43 km2，变化率12.15%。各区中栖霞区和浦口区面积下降较多，分别减少8.81 km2和17.37 km2。其变化主要表现为湿地向非湿地（建设用地）的转化，水田（人工湿地）是南京城区湿地保护的重点。

5.3 湿地保护

南京市湿地资源面临巨大的压力和危机，须加强湿地保护，具体措施：

1)保护城区湿地区的现有植被，防止水土流失。

2)加强水域内水生植物养护管理，保护湿地周围植被，保护湿地的生物资源，在大中型湖泊四周兴建防护林带，江河沿岸栽植护堤植被，禁止在野生鱼类的生存水域渔猎。

3)加强湿地水污染防治，完善立法，加大执法力度，综合治理已受污染的湿地。

4)禁止乱砍滥伐，减少煤炭化工产业的排放，大力发展新能源产业。

5)健全湿地立法和管理机构，牵头部门市农委应和环保、国土、水利等密切配合。

6)运用3S等技术建立湿地监测网络，掌握动态，增强湿地资源可持续性利用和保护。