自然保護(hù)區(qū)人類活動遙感監(jiān)測效果分析
——以廣西為例

何柏華，張曉勉*，薛曉坡，付強(qiáng)，歐林林

（1.廣西壯族自治區(qū)森林資源與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，廣西 南寧 530022；2.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310023）

自然保護(hù)區(qū)在保護(hù)生物多樣性，維護(hù)生態(tài)平衡，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展，支持科學(xué)研究和公眾教育等方面發(fā)揮著重要的作用[1-2]。與世界其他地區(qū)一樣[3-4]，廣西林業(yè)自然保護(hù)區(qū)分布在海拔較高、社會生產(chǎn)力相對較低的地區(qū)，這些地區(qū)雖然交通不發(fā)達(dá)、基礎(chǔ)設(shè)施落后、信息閉塞、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平低，但自然保護(hù)區(qū)及其周圍依然存在大量的社區(qū)[5]。社區(qū)居民農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式粗放，主要以土地資源開發(fā)、森林資源獲取等方式為主[6]，給自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)帶來了很大影響，因此對人類活動進(jìn)行長期、持續(xù)、穩(wěn)定、及時的監(jiān)測顯得十分重要。結(jié)合廣西林業(yè)自然保護(hù)區(qū)地理分布及氣候條件，應(yīng)用主動雷達(dá)遙感與被動光學(xué)遙感影像數(shù)據(jù)，建立遙感監(jiān)測與地面監(jiān)測相結(jié)合的自然保護(hù)區(qū)生態(tài)與資源監(jiān)測體系，提高自然保護(hù)區(qū)監(jiān)管能力。

1 研究區(qū)域概況

對廣西48個林業(yè)自然保護(hù)區(qū)2017和2018年度人類活動進(jìn)行遙感監(jiān)測，其中國家級保護(hù)區(qū)19個，面積3 346 km2，占廣西國土面積的1.41%；自治區(qū)級以上保護(hù)區(qū)29個，面積3 966 km2，占廣西國土面積的1.67%。主要分布在廣西3個弧形山系中，即桂北的大南山、天平山和九萬山構(gòu)成的北弧山系，桂中的架橋嶺、大瑤山、都陽山和大明山構(gòu)成的中弧山系，桂南的云開山、六萬大山、十萬大山、六韶山、大青山和公母山構(gòu)成的南弧山系；以及桂西喀斯特巖溶山地和沿海的三角洲、島嶼地區(qū)。這些地方山高路遠(yuǎn)、交通條件相對落后，給傳統(tǒng)地面調(diào)查帶來了相當(dāng)大的困難；且廣西降雨量豐富、全年降水季節(jié)長，高山地區(qū)常年云霧籠罩，傳統(tǒng)光學(xué)遙感影像輔助的遙感監(jiān)測效果不理想。

2 研究方法

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2.1.1主動雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)

歐洲空間局（ESA）哨兵一號（Sentinel-1）的Interferometric Wide Swath(IW)level-1模式的SLC（Single Look Complex） 和 GRD （Ground Range Detected）格式影像，空間分辨率為5~20 m。IW模式的影像因其分辨率適中、覆蓋范圍廣闊、較高頻率的重返周期得到了廣泛應(yīng)用[7]。

2.1.2被動光學(xué)遙感數(shù)據(jù)

包括高分一號到六號、資源三號、北京二號、高景等數(shù)據(jù)，空間分辨率0.8~2.5 m影像。

2.1.3矢量數(shù)據(jù)

包括48個林業(yè)自然保護(hù)區(qū)的范圍界線、功能區(qū)界，并對范圍界向外緩沖500 m的影響區(qū)界，坐標(biāo) 系 均 為 ：GCS_China_Geodetic_Coordinate_System_2000。

2.2 技術(shù)路線

對前后兩期雷達(dá)和光學(xué)遙感影像進(jìn)行變化檢測，獲取監(jiān)測區(qū)域范圍內(nèi)變化圖斑，建立遙感判讀疑似變化圖斑數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用《廣西自然保護(hù)區(qū)人類活動遙感監(jiān)測信息管理系統(tǒng)》（以下簡稱“信息管理系統(tǒng)”）發(fā)布遙感監(jiān)測疑似變化圖斑。各保護(hù)區(qū)通過網(wǎng)絡(luò)下載變化圖斑信息，開展實(shí)地核查，并將核查結(jié)果錄入信息管理系統(tǒng)，建立變化圖斑實(shí)地核查數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用信息管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)匯總分析、生成統(tǒng)計(jì)報表、編制監(jiān)測報告。見圖1。

圖1技術(shù)路線

2.3 人類活動類型

根據(jù)《自然保護(hù)區(qū)人類活動遙感監(jiān)測技術(shù)指南（試行）》，結(jié)合廣西實(shí)際，自然保護(hù)區(qū)人類活動類型分為林業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動和工程項(xiàng)目建設(shè)三大類。人類活動類型分類及土地種類分類指標(biāo)和定義如表1所示。

2.4 遙感判讀技術(shù)方法

2.4.1數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了消除遙感影像的扭曲、畸變和噪聲，在進(jìn)行多時相SAR影像變化檢測之前，應(yīng)用GAMMA等軟件對影像進(jìn)行單一影像預(yù)處理、配準(zhǔn)、輻射校正以及濾波等處理；對被動光學(xué)遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行波段組合、幾何校正、分辨率融合、影像鑲嵌等預(yù)處理。

2.4.2 計(jì)算機(jī)自動變化檢測

針對廣西多云霧覆蓋的特點(diǎn)，結(jié)合自然保護(hù)區(qū)管理的需求，采用聯(lián)合多時相SAR和光學(xué)影像，主、被動遙感聯(lián)合的變化監(jiān)測。主、被動協(xié)同遙感監(jiān)測能夠打破之前光學(xué)遙感監(jiān)測的局限性，特別是在云雨覆蓋較多的地區(qū)，可獲得連續(xù)、可靠的變化監(jiān)測結(jié)果，同時降低SAR遙感的虛檢率，降低高分光學(xué)遙感的漏檢率[8]。

表1自然保護(hù)區(qū)人類活動類型及土地種類分類

（1）基于高頻次成像的SAR影像林地變化信息提取。利用SAR不受天氣影響的優(yōu)勢，結(jié)合SAR數(shù)據(jù)的強(qiáng)度、紋理等信息，實(shí)現(xiàn)高頻次的林地變化信息初步提?。焕肧AR影像的升/降軌影像信息互補(bǔ)能力，重點(diǎn)解決由于山地地形造成的SAR影像的陰影以及疊掩區(qū)域無法進(jìn)行專題信息提取的問題。

（2）基于高分辨率多光譜影像的林地變化邊界信息提取。結(jié)合高頻次SAR影像的變化識別結(jié)果，以林地先驗(yàn)知識（林地“一張圖”、二類調(diào)查成果等）與高分辨率光學(xué)影像結(jié)構(gòu)信息的結(jié)合為核心，優(yōu)化林地變化識別結(jié)果，獲取完整的林地變化類型表達(dá)和準(zhǔn)確的邊界描述。

2.4.3人機(jī)交互檢查

將計(jì)算機(jī)自動變化檢測出的變化圖斑疊加到前后期高分率光學(xué)遙感影像上，根據(jù)高分率光學(xué)遙感影像的判讀標(biāo)志，如色調(diào)（顏色）、形狀、位置、大小、陰影、布局、紋理及其他間接標(biāo)志等，人工初步判定變化圖斑土地利用類型和變化類型等信息。遍覽高分率光學(xué)遙感影像，補(bǔ)繪計(jì)算機(jī)自動變化檢測遺漏的變化圖斑；刪除計(jì)算機(jī)自動變化檢測出的錯誤圖斑。

2.4.4變化圖斑檢測

人類活動變化圖斑最小判讀面積0.1 hm2。寬度小于10 m，面積達(dá)到最小判讀面積的線狀變化圖斑也需要檢測出來。保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)除農(nóng)業(yè)用地變更作物耕作可以不檢測出來外（例如上年度種甘蔗，本年度種玉米，不要求檢測出來），其他各種變化類型均需檢測出來；2018年保護(hù)區(qū)周邊500 m影響區(qū)只檢測工程建設(shè)變化圖斑，包括采石（砂）場、工礦用地、水電站、旅游設(shè)施、道路的圖斑等。

2.5 實(shí)地核查技術(shù)方法

2.5.1變化圖斑信息下載

技術(shù)支撐單位將根據(jù)遙感影像變化檢測得到的疑似變化圖斑導(dǎo)入信息管理系統(tǒng)，各保護(hù)區(qū)登入信息管理系統(tǒng)后即可查看、下載本保護(hù)區(qū)的變化圖斑信息。

2.5.2實(shí)地核查

實(shí)地核查主要是通過實(shí)地訪問、驗(yàn)證核查和檔案查詢等方式，記錄人類活動類型、現(xiàn)狀地類（設(shè)施類型）、土地權(quán)屬、發(fā)生時間、變化類型、設(shè)施名稱、設(shè)施現(xiàn)狀、采伐審批、林地審批和環(huán)評審批等相關(guān)文件、生態(tài)環(huán)境影響和破壞情況、違法查處情況等，并拍攝現(xiàn)場照片。

2.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與核查報告編制

信息管理系統(tǒng)允許各級用戶對本級數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，自動生成統(tǒng)計(jì)報表；各級用戶根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果編制核查報告。

3 監(jiān)測效果分析

3.1 人類活動遙感監(jiān)測總體情況

廣西已完成48個林業(yè)自然保護(hù)區(qū)2017、2018兩個年度人類活動遙感監(jiān)測工作。2017年對核心區(qū)、緩沖區(qū)、實(shí)驗(yàn)區(qū)、影響區(qū)進(jìn)行無差別遙感監(jiān)測；2018年影響區(qū)只監(jiān)測是否存在工程項(xiàng)目建設(shè)，不再監(jiān)測林業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動。

2017年共發(fā)現(xiàn)人類活動斑塊5 935處，面積3637.16 hm2，占48個林業(yè)自然保護(hù)區(qū)及其影響區(qū)面積的0.36%。由于自然保護(hù)區(qū)加強(qiáng)管理及監(jiān)測內(nèi)容的調(diào)整，2018年發(fā)現(xiàn)的人類活動明顯減少。2018年共發(fā)現(xiàn)人類活動斑塊964處，總面積1 379.78 hm2，占48個林業(yè)自然保護(hù)區(qū)及其影響區(qū)面積的0.14%。詳見表2。

從表2可知，兩個年度的人類活動均以采伐、造林等林業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動為主；2017年發(fā)現(xiàn)林業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動斑塊2 647處，面積3 288.00 hm2；2018年發(fā)現(xiàn)552處，面積849.70 hm2；所占人類活動總斑塊、總面積比重均超過了50.00%。這與保護(hù)區(qū)所處地理位置及社區(qū)居民的生產(chǎn)方式相關(guān)。大多數(shù)自然保護(hù)區(qū)位于大型山系中，社區(qū)居民受教育程度低，生產(chǎn)方式粗放，主要以對林地開發(fā)、森林資源的收集為主。林業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動對自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境影響相對較低[9]，但大面積森林采伐活動對生態(tài)環(huán)境和社會的影響大。在兩個年度的遙感監(jiān)測中，均發(fā)現(xiàn)有單個斑塊面積大于30.00 hm2采伐后新造林地，大面積采伐應(yīng)成為今后自然保護(hù)區(qū)管護(hù)重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容。同時，在兩個監(jiān)測年度內(nèi)，個別自然保護(hù)區(qū)人類活動斑塊數(shù)、面積雖然有所下降，但其絕對數(shù)量仍然較大。例如王子山，兩個年度人類活動面積均超過400.00 hm2，人類活動依然頻繁。加強(qiáng)對這些保護(hù)區(qū)的日常管護(hù)固然是重要的，同時也啟示，某些保護(hù)資源富集度低、人類活動頻繁的區(qū)域在未來重點(diǎn)自然保護(hù)區(qū)整合優(yōu)化工作中，可適當(dāng)調(diào)出。

表2 廣西48個林業(yè)自然保護(hù)人類活動遙感監(jiān)測總體情況統(tǒng)計(jì)

3.2 不同等級自然保護(hù)區(qū)人類活動情況

由圖2和圖3可知，國家級自然保護(hù)區(qū)2017、2018年分別發(fā)現(xiàn)人類活動斑塊1 449處、247處，分別占年度內(nèi)發(fā)現(xiàn)人類活動總斑塊數(shù)的24.41%、25.62%；面積992.83 hm2、348.68 hm2，分別占年度內(nèi)的人類活動總面積的27.30%、25.27%。自治區(qū)級自然保護(hù)區(qū)2017、2018年分別發(fā)現(xiàn)人類活動斑塊4 486處、717處，分別占年度內(nèi)發(fā)現(xiàn)人類活動總斑塊數(shù)的75.58%、74.37%；面積2 644.33 hm2、1 031.10 hm2，分別占年度內(nèi)的人類活動總面積的72.70%、74.73%。兩個監(jiān)測年度內(nèi)，不同等級保護(hù)區(qū)，人類活動均有較大降幅。同時，監(jiān)測的48個林業(yè)自然保護(hù)區(qū)中，19個國家級自然保護(hù)區(qū)，監(jiān)測面積為45.21萬hm2。29個自治區(qū)級自然保護(hù)區(qū)，監(jiān)測面積為55.01萬hm2，是國家級保護(hù)區(qū)監(jiān)測面積的1.18倍；但自治區(qū)自然保護(hù)區(qū)人類活動斑塊數(shù)、面積卻是國家級2.66~3.10倍。其原因一方面是國家級自然保護(hù)區(qū)選址更為合理；另一方面國家級自然保護(hù)區(qū)均設(shè)立有專門的管理機(jī)構(gòu)。而自治區(qū)級自然保護(hù)區(qū)僅部分有專門管理機(jī)構(gòu)，部分由市、縣林業(yè)局或者林場代管，極少部分由鄉(xiāng)鎮(zhèn)林業(yè)站管理，經(jīng)費(fèi)投入少，管護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施缺乏，管護(hù)力量薄弱，管護(hù)效能低[5]。

3.3 不同功能區(qū)人類活動情況

48個自然保護(hù)區(qū)有46個劃分了功能區(qū)，僅恩城、五福寶頂未劃，其保護(hù)區(qū)范圍均按核心區(qū)進(jìn)行管理。2017年核心區(qū)發(fā)現(xiàn)人類活動斑塊723處，面積462.23 hm2，分別占2017年人類活動總斑塊、總面積的12.18%、12.71%；緩沖區(qū)發(fā)現(xiàn)1 100處，面積593.60 hm2，分別占 18.53%、16.32%；實(shí)驗(yàn)區(qū)發(fā)現(xiàn)2 088處，面積1 127.16 hm2，分別占35.18%、30.99%；影響區(qū)發(fā)現(xiàn)2024處，面積1 454.17 hm2，分別占34.10%、39.98%。2018年核心區(qū)發(fā)現(xiàn)人類活動斑塊144處，面積217.57 hm2，分別占2018年人類活動總斑塊、總面積的14.94%、15.77%；緩沖區(qū)發(fā)現(xiàn)260處，面積470.99 hm2，分別占6.97%、34.14%；實(shí)驗(yàn)區(qū)發(fā)現(xiàn)420處，面積509.31 hm2，分別占43.57%、36.91%；影響區(qū)發(fā)現(xiàn)140處，面積181.91 hm2，分別占 14.52%、13.18%，詳見圖 4和圖5。兩個監(jiān)測年度內(nèi)，各功能區(qū)人類活動均有較大降幅，并且表現(xiàn)出核心區(qū)<緩沖區(qū)<實(shí)驗(yàn)區(qū)<影響區(qū)的趨勢（2018年影響區(qū)只檢測工程建設(shè)項(xiàng)目及養(yǎng)殖類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動，發(fā)現(xiàn)的人類活動較少，這一趨勢略有偏差）。

圖2不同等級保護(hù)區(qū)人類活動面積結(jié)構(gòu)

圖3不同等級保護(hù)區(qū)人類活動斑塊數(shù)結(jié)構(gòu)

圖4不同功能區(qū)人類活動面積結(jié)構(gòu)

圖5不同功能區(qū)人類活動斑塊數(shù)結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論與討論

SAR影像具有全天時、全天候的強(qiáng)穿透能力，可以有效彌補(bǔ)多云、多霧天氣對主動光學(xué)遙感數(shù)據(jù)在森林資源信息識別、提取中的不足[10-12]；同時，高分辨率光學(xué)影像結(jié)構(gòu)信息可以優(yōu)化SAR林地變化識別結(jié)果，獲取完整的林地變化類型表達(dá)和準(zhǔn)確的邊界描述[13-14]，互補(bǔ)優(yōu)缺。以此為數(shù)據(jù)源獲取自然保護(hù)區(qū)人類活動變化圖斑，以“信息管理系統(tǒng)”為管理平臺，構(gòu)建了監(jiān)測與地面監(jiān)測相結(jié)合的自然保護(hù)區(qū)生態(tài)與資源監(jiān)測體系。

（1）2018年與2017年相比較，人類活動斑塊減少了4 971處，面積減少了2 257.38 hm2。遙感監(jiān)測時效高、覆蓋廣、成本低，可以明顯提高自然保護(hù)區(qū)管護(hù)效率，應(yīng)作為一項(xiàng)常態(tài)化措施應(yīng)用于自然保護(hù)區(qū)管護(hù)中。

（2）自治區(qū)級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)人類活動較國家級的更為頻繁，有必要加大對自治區(qū)級自然保護(hù)區(qū)資金投入，建立專門管理機(jī)構(gòu)，提高管護(hù)效率。

（3）自然保護(hù)區(qū)人類活動頻次從高到低基本順序?yàn)橛绊憛^(qū)、實(shí)驗(yàn)區(qū)、緩沖區(qū)、核心區(qū)的趨勢，與自然保護(hù)區(qū)分區(qū)管理制度整體相符；同時，應(yīng)加強(qiáng)對核心區(qū)人類的活動的管控，避免對核心保護(hù)資源的破環(huán)。