TM/ETM+ & MODIS结合漓江流域生境变化动态监测

吴虹1 杨永德2 郭远飞1 郭建东1 张银桥1

（1 桂林工学院 遥感应用研究所 广西桂林市 541004
2 广西大学 广西南宁市 530000）

【摘　要】　为调查漓江流域近30年来及近期的生态环境变化，采用TM/ETM+和MODIS影像相结合开展了长、短周期遥感动态监测。通过80、90和2000年代3个时间段的Landsat-5/7 TM/ETM+影像的历史存档数据的信息提取和模式识别，结合实际调查，发现造成漓江生态环境退化的主要原因与漓江水源林持续遭到人为破坏有关。通过对MODIS-NDVI计算和基于像元的水体波谱分析，初步探明了流域区植被总量的季节变化规律和漓江水体遥感反射波谱特征，确定了监测水质变化的最佳MODIS波段。
【关键词】　漓江 生态环境 TM ETM+ MODIS

　　针对近30年来由于人类活动加剧而导致桂林漓江流域风景区出现的生态环境破坏，文献[1]曾采用Landsat-TM/ETM+遥感对漓江流域水源林面积变化开展了调查，得到该区生境状况自上世纪80年代以来处于退化状态结论。但由于Landsat重现周期长，而且TM/ETM+波段数少，无法开展及时动态监测和短期比较研究，为此，在采用TM/ETM+基础上，本文加入了采用中分辨率Terra/Aqua-MODIS影像。由于MODIS具有每天最少二次白天和二次晚上的更新数据，从而通过对TM/ETM+和MODIS两种数据的结合运用，使得对漓江流域开展长短周期结合遥感生态环境动态监测成为可能。
　　1 监测内容
　　1.1 植被覆盖
　　植被覆盖是反映生态环境状况的最为重要的信息之一，可以通过遥感植被指数给予测度。有多种计算遥感植被指数的算法。本研究对不同影像数据采用不同算法模型。具体而言，对于TM/ETM+影像，采用比值植被指数模型[1]：
　　RVI=TM4/TM2或者RVI=ETM+4/ ETM+　　（1）
　　式中，RVI比值植被指数，TM4和TM2为Landsat-5的第四和第二波段，ETM+4和 ETM+2分别为Landsat-7的第四和第二波段；而对MODIS影像，采用归一化植被指数模型[2]：
　　NDVI=（B2-B1）/（B2+B1）　　（2）
　　其中，NDVI为归一化植被指数，EVI为增强型植被指数，B1、B2、B3分别为MODIS第1、2、3波段。为直观反映植被指数与植被覆盖的同消长关系，采用如下的植被假彩色增强显示模型：
　　G=R{ ETM+4}⊕G{RVI}⊕B{ETM+2}，对于TM/ETM+影像　　（3）
　　G= R{ B1}⊕G{ NDVI }⊕B{B3}，对于MODIS影像　　（4）
　　1.2 城市化扩展面积
　　城市化扩展面积是反映人类干预、侵占和破坏自然生态环境的最直接依据和指标。本研究主要通过监督与非监督分类相结合的分类处理方法来提取这方面的信息。具体而言，是采用了非监督分类（Unsupervised Classification）处理的K-Means分类法和监督分类（Supervised Classification）处理的平行六面体法。因MODIS的空间分辨率相对城镇区域确定失之过粗，故此方法只限用于TM/ETM+数据。运用技术步骤：用K-Means分类法粗定出分类区→根据粗定分类区与实际情况吻合程度筛选出ROI，提取特征→平行六面体法监督分类→城市化区域模式识别结果。递进分类的结果，使得最终识别圈定出的城市化区域更加接近于实际情况。
　　1.3 水质变化
　　水质污染状况是反映漓江流域区生态环境质量的重要指标。由于漓江上游沿岸工业、农业、旅游业和城镇生活固体废弃物和废水排放增加的影响，漓江流域区水质受到了不同程度的污染。主要污染类型包括固体悬浮物（泥沙和垃圾等）污染、有害化学成分污染、油污染和“富营养化”污染等。随着污染程度增加，江水对太阳光电磁波反射、吸收和透射能力发生变化，导致江水遥感反射波谱特性改变。另外，叶绿素在水中的含量是衡量水体初级生产力和营养作用的指标，其存在和变化也对水环境有重要影响。通过对漓江流域区主要水体的MODIS影像像元作亮度Z-剖面——水体反射波谱特性曲线，进行水体反射波谱时间序列变化比较分析，可以快速获得漓江水质变化的宏观信息。
　　2 长、短周期结合动态监测
　　所谓长周期卫星遥感动态监测，是指以10年左右为时间间隔周期的遥感影像作为基本信息源开展环境监测。根据可获得卫星数据实际情况，以80、90和2000年代3个时间段的Landsat-5/7 TM/ETM+影像的历史存档数据作为长周期动态监测的基本感影像数据。所谓短周期卫星遥感动态监测，是指以月或者天为时间间隔周期的遥感影像作为基本信息源开展环境监测。由于EOS-MODIS可以获得每天最少二次白天和二次晚上的36个光谱波段、3种空间分辨率的更新数据，因而，MODIS影像数据可以作为短周期动态监测的基本感影像数据。
　　两种周期监测的关系是，短周期监测是对长周期监测的时间片断采样，长周期监测是对系列短周期变化信息的累积反映。两种监测结合，可以从发展角度审视流域区宏观生态环境变化。上述植被指数、城市化扩展面积和漓江水质污染监测在长、短周期监测两种监测中穿插运用，如图1所示。

图1 基于TM/ETM+和MODIS的漓江流域生态环境长、短周期遥感动态监测技术应用框图

　　2.1 长周期监测
　　2.1.1 植被总量变化分析[1]
　　根据（1）和（4）式的基于RVI的比值植被指数增强显示模型，高植被指数区域被增强显示为与植被相近的绿色，绿色度越强植被越发育。比较图像1、2和3可见，随着时间发展，高植被指数区域的绿色范围明显逐渐变小。具体而言，在上世纪80年代中期（图像1），对应高植被指数的绿色是全区的主色调，范围几乎覆盖整个图区，只在漓江两岸的冲击平原区才显示为紫红色调。表明当时漓江源头及上游小流域区的生态环境尚处于良性状态。但到了90年代末期，绿色范围明显缩小，只剩下北西和南东角存在两小片（图像2）。此外，在红色与绿色范围之间还存在一个较明显的色彩过度带，在位于青狮潭水库北北西的东江河两侧，以及位于猫儿山东南方向的华江河、黄柏江、洞河等漓江支流水系两侧的山脊上，也还存在少量零散的点状绿色区域。这表明此时漓江源头的原始林区已开始遭到了较大的破坏，但以猫儿山和海洋山为中心的保护区及其外围尚存较多未被破坏的原始林区。而到了2002年，绿色范围进一步缩小，只剩以猫儿山和海洋山为中心的两个孤立小绿洲，在90年代尚存的过度带已经消失，包括水源林区在内的整个漓江上游小流域区都处于了一片紫红色调覆盖之下，直观反映出漓江源头水源林和上游小流域区的植被——生态环境已经遭受更为严重的破坏，见图像3。

图2 漓江上游地区水源林面积变化图曲线图。 实线对应的纵坐标刻度为1986年时漓江林木植被区的覆盖面积（1584.1km2），虚线对应的纵坐标刻度为2001年时漓江林木植被区的覆盖面积（1222.95km2）。1997年曾达到最高值2543.2km2。

图3 漓江上游主要城镇区域面积变化柱状图

　　以上分析结论与笔者2004年4月到此进行实地考察所见到的实际情况是吻合的。图像中显示的高植被指数区域，正是猫儿山国家级自然保护区的中心区域，也即漓江水源林主要分布区。笔者亲见这里仍然保持着良好的典型高山湿地环境状态——茂密的沼泽地原始林，植被类型繁多，常年积水的腐质层平均厚度达1.6米，最厚处达5米左右，具有极好的储水保水功能。但在相邻不远的外围山坡和山头上，情况却不是这样了。明显可以看到有的山坡和山头已经林木稀少，甚至基本光秃。据保护区主管部门解释，那些地方已不属于护区范围内，而属于农民私人山地，出现乱砍乱伐他们已无权管理。然而遥感影像显示，这些植被遭受破坏的山地在地形上仍属于漓江源头汇水区，两者在地貌关系上是一体的。无疑这里的植被破坏会对整个源头的保水体系造成直接影响，而并不在乎其在地域划分上是否属于猫儿山国家级自然保护区的管辖范围。
　　2.1.2 植被分类变化分析[1]
　　根据实际资料和对TM/ETM+影像的非监督/监督分类，将研究区分为原始林区、针阔叶混交林区、灌木区、植被稀少区、农耕地区、城镇区和水体区7种不同的生态区域。通过这7种区域面积变化信息的定量分析，可以直接或间接反映出漓江水源林和上游小流域区环境的变化。采用GIS工具对TM/ETM+影像监督分类结果作测量，结果见表1。表1显示，漓江水源林区的原始林区面积出现了明显减少趋势。从1986年的1262km2，减到1998年的513.8km2，又进一步减到2002年的214.88km2。相应的，水源林占调查区面积的百分比，也由86%年的24.68%，降到1998年的8.86%和2002年的4.12%。如此之大的减少幅度应该是不可能的。造成偏差原因在于监督分类对原始林学习区的数据采集不够准确有关。为此，将原始林、针阔叶混交林和灌木林三种林区都统合为林木区归类，如此得到如图2的结果。由图可见，漓江水源林区的面积在近20多年来的时间里，曾经历了从小增大，再减小的变化过程。尽管造成这种起伏的原因尚有待研究，但漓江水源林区的面积从1986年的1584.1km2，减少2002年的1222.95 km2，面积总量减少了22.8%的事实，客观上表明了漓江源生态环境在退化。

表1 不同生态区监督分类统计表

　　2.1.3 城镇区域变化分析[1]
　　城镇作为人类侵占自然环境空间的产物，其面积的扩展变化直接反映了人类活动对生态环境影像的程度。由漓江上游小流域区的5个主要城镇面积变化的遥感调查数据可以清楚地说明这一问题。在1986、1998和2002三个年代时期的ETM+影像上，漓江上游小流域的五个主要城镇——灵川县、兴安县、潭下镇、三街镇和溶江镇区域显示为明显的灰蓝色影像特征，可见它们的面积随着年代的增加而增加，但由于混合像元效应影响，其边界不是很清楚。通过监督分类处理，城镇区域被准确识别出来，并被彩色编码为显眼的红色。此时5个城镇区域在三个时间年代的差异——变化关系顿时变得一目了然。可见它们都具有相同的变化规律，即随着时间增加面积越来越大，形态也越来越大复杂。这直观表明了桂北地区在改革开放20多年来经济和社会快速发展的事实。采用MAPGIS软件对这些区域作定量测算，得到该5个城镇在这三个年代时间段里的面积变化数据，见表2和图3。可见， 灵川县城区扩展速度较快，2002年城区面积比1986年扩大近4倍，而且近四年发展比前十年要快近13倍。其次为兴安县，从1986年到2002年，城区面积扩大近3倍，但近四年发展相对缓慢。其他三个镇区面积也在不同程度扩大，但以灵川县的扩大速度最慢和扩大规模最小。

表2 由陆地卫星Landsat影像测算的三个年代时间段的漓江上游主要城镇的面积

　　对整个调查区内城镇总面积的扩展变化也作了统计，见图4。可见该总面积由1986年的6.71 km2，经1998年的57.43 km2，猛增至2002年的140.2 km2！17年间增加了133.49 km2，近原来的21倍！在非监督分类图中的黄色区域是人类活动频繁区域。可见在1986年时，该区域内分布着较多的绿－蓝色斑块——针叶和阔叶林区，但到了1998年，这些绿－蓝色区域减少了。至于到了2002年，这些绿－蓝色区域几乎全部消失，几乎整体变成为了一块连续的黄土地。这最清楚不过地表明，人类沿漓江和湘江上游小流域区的经济活动在持续不断增加和强化。值得注意的是，非监督分类图像在1986年在小溶江、六洞河、华江河两侧，猫儿山东侧，黄色区域分布较均匀；到1998年有所减缩，到2002年只剩金石乡、华江瑶族乡等几块黄色区。这表明山区的村民在向城镇周围迁移，城镇面积在扩大，而乡村面积在相对减小。

图4 漓江上游地区城镇面积变化图

　　城镇的发展一方面标志着人民生活水平的提高；另一方面，城镇的过度发展将加重生态环境的承载力度，加重对资源的掠夺，破坏生态平衡。在遥感野外调查过程中，在沿灵川上游的各条支流，普见大规模采掘河沙造成的严重破坏漓江河道遗迹和正在进行机械化开采作业的场面。近乎疯狂的无情开采已使得漓江上游大部分河段遍体鳞伤，自然形态改变，河床底部的水草植物消失殆尽。其后果是导致河水非自然分流和潜流发生，河水大量漏失，加剧了漓江水位下降的灾难性后果。笔者已对此进行了大量的模型定量计算研究，将另文专述，在此不蔽。
　　3 短周期监测
　　3.1 MODIS数据
　　实现短周期监测分析的技术关键是必须有合乎要求的MODIS数据。这方面笔者拥有较好的条件，就是直接采用设在本单位的“中国科学院地理科学与资源研究所——桂林工学院EOS-MODIS数据共享网桂林工学院节点”（2004年11月建立）提供的Aqua/Terra-MODIS数据。这些数据由中科院遥感卫星地面站北京密云接收站接收。采用Cute FTP 6.0软件下载，下载速率30-100k/s，接收一景数据（36个波段）通常需90-240分钟。获得的下载数据经过如下预处理：消除BOW-TIE现象、根据MODIS自带的GEOLOCATION文件进行几何校正、根据MODIS自带的Solarzenith文件进行太阳高度角校正、将Scaled Integers值换算成反射率或者辐射值（Scaled_Integers* Reflectance_Scales+ Reflectance_Offsets或Scaled_Integers* Radiance_Scales+ Radiance_Offsets）。经过预处理的数据按时间刻录光盘存储（一般一天刻盘一至两张），然后入库保存。由于是24小时连续下载数据，从而可以确保连续监测所需的数据源（云层覆盖除外）。
　　3.2 植被总量变化分析
　　影像10-12是整个漓江流域MODIS影像的NDVI密度分割增强显示，从深绿色——绿色——浅绿色——黄色，依次为对应高（>0.63）——较高（0.41-0.63）——中等（0.25-0.41）——低（<0.25）四种程度的植被覆盖率分布区，直观反映了整个漓江流域区植被总量的分布概貌。影像10-12分别是2004.11.21、2004.12.11和2005.3.5的计算结果。可见影像10和11具有非常相似的特征，这与两者因观察时间非常接近，植被覆盖总量变化不大有关。而影像12中的高——较高程度绿色区域范围相对于影像10、11有缩小，并且，对应于低值的黄色区域变得零散和向下游地区扩散。这是由于成像时间2005.3.5正值冬末，大多数植物尚处落叶枯萎状态。这三幅MODIS比值合成密度分割图像揭示的植被总量空间分布变化规律，由表3数据得到定量反映。

表3 根据MODIS计算的三个时间段的漓江流域的NDVI统计结果

　　3.3 水质变化分析
　　MODIS具有36个成像光谱通道，分布在从可见光（0.415μm）—红外光（14.235μm）的电磁波段范围内。上述的4种主要污染类型——固体悬浮物（泥沙和垃圾等）污染、有害化学成分污染、油污染和“富营养化”污染的存在，无疑会改变水体的波谱特性曲线。通过ENVI软件的Z-剖面功可以提取MODIS影像的任意像元点的波谱特性曲线，快速发现水体的波谱特性曲线发生的改变，从而实现对漓江水质状态的及时动态监测。青狮潭水库是漓江上游最大的水库，漓江补水完全由其提供，因此，其水质基本可以代表漓江水质。图5是对上游青狮潭水库水体用2004.11.21、2004.12.11和2005.3.5三个时间的MODIS影像数据作的反射波谱曲线。分析得如下认识：

图5 从2004年11月21日、2004年12月11日和2005年3月5日的MODIS遥感影像数据提取的
漓江上游青狮潭水库水体反射波谱曲线（Z-剖面）。

　　第一，不同时间的MODIS波谱曲线一致反映出，总体上，漓江水体存在三个相对独立的辐射波峰/波谷谱段，即：0.415-0.92μm、0.92-3.929μm和3.929-14.235μm的波峰/波谷谱段，为讨论方便依次称为A（左）、B（中）、C（右）谱段。各谱段的形态和幅值各异。其中，A谱段以高值（>2*104）尖峰曲线形态为特征，主要是对水体可见光反射波谱特性的反映；B谱段以低值（<1*104）无峰的平缓曲线形态为特征，主要是对水体反射和发射混合近、中红外光之波谱特性的反映；C谱段以中值（1*104—2*104）宽缓峰形曲线形态为特征，主要是对水体反射和发射混合但以发射为主的中、远红外光反射波谱特性的反映。
　　第二，在A、B、C三个谱段中，时变最明显的是A谱段，而B、C谱段的波形基本无变化或变化迟钝。A谱段变化的主要表现在，位于该谱段内的0. 743-0.753μm（B15波段）和0.890-0.920μm（B17波段）两个波峰，在不同时间的幅度起伏变化很大。由2004.11.21曲线可见，B15的极大峰值>8*104，而其它两个时间的B15的极大峰值<6.5*104，表明在2004.11.21这段时间，漓江水中与B15相对应的污染物较多，水质较差。在2004.12.11的曲线中，B17波段出现了与B13和B15几乎等高度的峰值（≈7*104），而在其它时间里，B17只是很不起眼的低值峰值（≈2.2*104），也表明在2004.12.11这段时间，漓江水中与B17相对应的污染物较多，水质也较差。根据MODIS的波段功能/用途设计，B8-16的主要用途是对海洋水色、水体表层性质和生物化学观测，B17主要用途是对大气水份观测。先在青狮潭水库的应用表明，B15显示出了与设计完全一致的效果，而B17虽然原来是面向大气水份观测的设置的，但在对青狮潭水库水体观测的敏感性试验中，也显示出了特殊的效果。这些事实表明，B15和B17波段对于漓江水体变化引起的地物反射率变化具有的高度敏感性，因此，可以作为快速评价漓江水环境质量的指示波段。
　　4 小结
　　本试验研究主要获得如下成果：（1）通过长周期监测可以获得10年周期的植被覆盖和城市扩展变化信息，通过短周期监测可以获得天周期的植被覆盖和漓江水质变化信息。（2）长周期监测发现漓江水源林区的面积在近30多年来的时间里，面积总量减少了22.8%，城镇总面积的扩展了21倍，证明漓江流域区生态环境总体上出现了退化趋势；短周期监测发现漓江流域区植被覆盖总量的时间分布，具有从秋天到冬天，总量由高减低的规律。这表明以TM/ETM+作长周期环境动态监测、以MODIS作短周期环境动态监测的漓江流域生态环境遥感动态监测方案是行之有效的。（3）MODIS的B15和B17波段对于漓江水体变化引起的地物反射率变化具有的高度敏感性，可以作为快速评价漓江水环境质量的指示波段。
　　试验研究存在的主要问题是：（1）对于短周期监测，由于南方云覆盖日子比较多，不能确保MODIS短周期监测按照等日期获得可用影像。这是一个无法克服的难题。如果覆盖时间短，用最临近无云日期的影像替代，但若覆盖时间长，则只好空缺。（2）对于长周期监测，由于Landsat-7已失效，但可用Landsat-5的数据，除此而外，也可以用其它新一代卫星的数据，如CBERS、RESOURCESAT-1、ENVISAT-1、ASTER和SPOT等，当然能采用高分辨率卫星更好，但数据价格偏贵是一个问题。总之，可结合具体情况选择适合的卫星遥感数据类型。（3）MODIS短期监测的环境指标还有许多潜力可挖。

参 考 文 献
[1] 杨永德、吴虹、郭建东、张银桥.漓江源及上游生态环境变化遥感调查[J].桂林工学院学报，2005，25（1）：36-40
[2] 刘玉洁、杨忠东.MODIS遥感信息处理原理与算法[M].科学出版社，2001，第一版，2
[3] 马建文、赵忠民、布和敖斯尔.遥感数据模型与处理方法[M]，2001，第一版，4
[4] 胡如忠、王怀义、顾名澧等.中巴卫星及其应用[M]，2002，第一版，193-199
[5] 何观德.漓江洪涝与枯水问题的思考.广西水利水电.1998（2）
[6] 缪钟灵.漓江上游枯水成因及补水措施.桂林工学院学报.第5卷第2期.1995.4
[7] 桂林市年鉴2000--2003
[8] 戴新.对漓江是否会枯竭与断流的探讨.广西水利水电.1994年第2期

Experimentation study on dynamic monitor for long-term and short-term to the Ecological Environment Changing of the drainage area of Lijiang River through by using TM/ETM+ & MODIS
Wu Hong，Guo Yuanfei，Zhang Yinqiao，Peng Zhongqin
(Institute for Remote Sensing Application，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China)

【Abstract】　As the ecological environment ofthe drainage area of Lijiang River has been degenerating rapidly in the past 30 years，an Experimentation study on dynamic monitor for long-term and short-term to the Ecological Environment Changing of the drainage area of Lijiang River is completed by using the TM，ETM+ and MODIS. Rapid degenerating is due to two aspects relatively：the headwater forest in upper reaches of Lijiang River had been destroyed continually，and the riverbed sand layer in a large scale is mined out by information extracting，pattern analysis and recognition as well as comprehensive explanation to TM and ETM+ images of three periods of time----in 1986，1998 and 2002 and combined with the field investigation. The law of change for water quality of Lijiang River and the gross of the vegetation is discovery，and optimal monitor bands of MODIS is determined by spectrum analysis of water-boy basis on pixels and calculating NDVI of data of MODIS image data.