南岭山区红砂岭生态环境修复的遥感监测——以南雄市为例.pdf
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1、粤北南岭山区是华南地区重要的生态屏障和水源涵养区。其在南雄市特有的红砂岭地貌,在自然条件和人为活动的影响下生态风险日渐凸显。探索红砂岭生态环境的修复监测,对粤北山区的生态保护有着重要意义。文章结合无人机高分航拍影像,基于 卷积神经网络模型解译生态要素,并参照 年遥感影像进行历史变化分析,对研究区域的红砂岭地貌生态修复现状进行监测。结果表明:草地是和红砂岭地貌共存的典型生态要素类型,灌乔木的生长条件要求较高,难以在红砂岭地貌近距离生存;当前是研究区的生态修复改造的初期,生态修复的初步成效已经展现。在后续的工作中,需针对砂岭地貌周边植被生长情况,实施综合治理措施。关键词:红砂岭;生态修复;无人机;
2、南雄市中图分类号:文献标志码:,(,;,):,(),:,广州大学学报(自然科学版)第 卷 ;,:;生态安全是国家安全的重要组成部分,是经济社会持续健康发展的重要保障 。纵观世界发展史,保护生态环境就是保护生产力,改善生态环境就是发展生产力。良好生态环境是最公平的公共产品,是最普惠的民生福祉。为夯实国家生态安全格局,年财政部、生态环境部和自然资源部办公厅联合发布 关于组织申报第三批山水林田湖草生态保护修复工程试点的通知 。在此背景下,对生态系统薄弱区开展生态环境保护修复工作刻不容缓。粤北南岭山区作为北江和东江上游重要的水源涵养区 ,也是我国华南地区重要的生态屏障,对其进行生态保护尤为重要。粤北南
3、岭山区主要位于广东省韶关市行政区划范围内,涵盖了县、市和区 。由于山区特殊的自然条件和人为活动影响,其生态环境存在不同程度的破坏,环境问题日渐凸显,区域生态风险日益上升 。近年来,韶关市高度重视生态文明建设,在粤北南岭山区持续开展大规模整顿和规范土地退化和土地荒漠化治理工作 ,对丹霞地貌的治理收到了成效。丹霞地貌由盆地发育而来,在热带、亚热带湿润区,温带湿润 半湿润、半干旱 干旱区和青藏高原高寒区均有分布,但相对集中分布在东南、西南和西北地区 。一般大中型盆地的边缘地段都有洪积扇堆积所形成的粗碎屑岩类,岩性较硬,可发育丹霞地貌;而靠近盆地中心的部位,主要沉积粉砂质和泥质软岩,容易遭受风化破碎和
4、流水冲刷侵蚀。韶关南雄盆地因其气候湿润,加上人为活动干扰,使得区域中心的土壤侵蚀速度远大于成土速度,红层区发生快速土地退化过程,产生特有的红层荒漠化现象,即红砂岭地貌。红砂岭地貌发生的土地退化基本是不可逆的,形成红层荒漠意味着土地失去了基本的生产能力,无法加以开发利用 。因此,对南雄盆地的红砂岭生态环境进行修复和监测,有利于粤北南岭山区的生态保护和土地可持续利用,对于类似的丹霞地貌生态修复具有借鉴意义。本文将南雄市红砂岭地貌作为监测对象,结合高分辨率的无人机航拍影像,对研究区域的红砂岭地貌区进行详细调查,并结合地理信息手段对红砂岭区域及其周边地理要素等进行综合分析研究,为粤北红砂岭地貌地区的生
5、态环境保护提供科学依据。研究区概况和数据来源 南雄市及研究区域概况南雄市地处广东省北部,大庾岭南麓,毗邻江西,位置介于东经 ,北纬 。全市面积约 ,东西极限 ,南北极限 ,下辖 个镇和 个街道。地形上南北两面群山连绵,中部丘陵沿浈江伸展,形成一个狭长盆地,地学上称为“南雄盆地”。盆地以紫色砂页岩地层为主,俗称为“红砂岭”,其表面的页岩易风化,遇暴雨冲刷易流失,母质裸露,坚硬如石,侵蚀沟支离破碎。盆地区域生态要素主要包括灌乔木、红砂岭、草地和农用地,其中,红砂岭主要分布在古市镇、黄坑镇、湖口镇、油山镇和乌迳镇范围内。红砂岭地貌区的自然土壤属红壤土和紫色土壤,土壤侵蚀强度较高,其中,红壤区的土壤侵
6、蚀最为严重 。因为该地红砂岭地貌区域自然条件恶劣,所以植物生长环境差,只有少量的乔木林、灌木林和草本植物等,生态系统也较为脆弱,土地容易退化为红层荒漠。除了岩性自身较易风化和自然气候条件的影响之外 ,开垦林地、地表取土等人为活动是红层地貌发生荒漠化的最主要原因 。本研究在湖口镇、黄坑镇和油山镇 个镇中选取了个区域,分别为承平村、湖口村、长市村和油山片区(图 )。经过实地考察后,采用无人机航测技术生成研究区高分辨率 影像(图 )。图 南雄市地理位置及研究区域图 第 期蔡世荣等:南岭山区红砂岭生态环境修复的遥感监测 以南雄市为例图 研究区域高分航拍影像 图 中的 个区域分别代表了不同的红砂岭地貌环
7、境、不同的红砂岭治理控制阶段、不同的地貌景观分布格局。通过系统调查它们的生态现状,可以更准确、客观地反映各种自然和人为因素对红砂岭生态系统的干扰,同时了解红砂岭地貌区在治理措施下的生态环境变化过程。数据来源在南雄市红砂岭区域开展必要的野外实地调研活动,调查南雄市红砂岭特殊地貌区的不同地貌类型、地貌特征、地貌分布特征和纹理特征,同时标记典型地貌类型的分布位置以及周围环境分布状况等信息,为后期影像判读提供实地支撑信息。此外,利用无人机对研究区域地貌进行航拍,深入调查南雄市典型红砂岭地貌区环境状况,见图 。图 野外实地调研照片 图 的数据采集时间为 年 月上旬和 月上旬,植物和农作物生长状况良好,拍
8、摄高度约为 ,属于低空拍摄。拍摄时天气状况良好,太阳高度角较大,风力在 级左右,云量较少,所获取影像受大气因素影响较小,与实际情况基本一致。研究影像具有红、绿、蓝 个波段,空间分辨率为 。研究方法 研究路线将承平村、湖口村、长市村与油山片区的红砂岭地貌区作为研究对象,研究路线具体分为以下步骤:()红砂岭地貌识别:结合实地外业调查结果,创建红砂岭地貌区域的训练样本,构建研究区生态要素的深度学习遥感解译模型,并选取面积大于 的红砂岭区域作为典型类别区域。()生态要素分类:利用 卷积神经网络模型,结合训练样本将无人机 影像数据分为红砂岭、草地、水体、农用地和灌乔木 类。()统计分析:分析红砂岭地貌研
9、究区植被覆盖的空间特征,对红砂岭地貌研究区的生态环境特征进行评价。()对比分析:对 年 分辨率的遥感影像进行生态要素识别,采取支持向量机 分类方法监督分类。经过技术人员后期人工校正后得到 年生态要素分类情况,与上述分析结果进行对比分析,研究红砂岭地貌研究区的生态要素空间变化情况。基于 卷积神经网络遥感影像解译模型 等 在 年对全卷积神经网络(,)进行改进,提出了 型神经网络(,),因其较好的分割效果被广泛应用于遥感图像分割研究中。神经网络在卷积过程中特征图分辨率会逐层下降,进而导致分割图像边缘不够精确。对此,提出跳跃连接的思想,将深层特征与浅层特征相结合,使得分割边缘更加精确 。借鉴和发展了
10、这种高维特征和低维特征相结合的思想(图 ),在其基础上有两处改进:特征图上采样阶段进行多层卷积。会对小尺寸特征图进行多组卷积操作,将简单叠加的上下文特征通过多层卷积更好地进行融合,学习到更为关键的融合特征;这加深了网络的深度,使整个网络能够学习到更为复杂的特征;进一步贯彻将上下文特征融合广州大学学报(自然科学版)第 卷的思想。相比于 只连接到 低维特征图,把将上下文特征融合的思想进一步贯彻,一直连接到第一层特征图,保证最终的特征图尽可能包含原始输入各个尺度的特征,使得 的图像分割精度进一步提高。图 网络结构示意图 样本数据集制作根据外业调研成果,结合航拍影像特征在航拍影像上标记深度学习样本,生
11、成深度学习样本影像数据集,训练用于影像工作流的深度学习模型。样本采集选取遵循以下原则:每类生态要素的样本个数不少于 个,同时尽可能让样本均匀分布在影像上(图 )。图 训练样本设置示意图 注:红色为红砂岭,黄色为农用地,浅绿色为草地,深绿色为灌乔木。在创建训练样本后,使用导出训练数据进行深度学习的工具将无人机 影像和训练样本转换为深度学习训练数据。模型优化和人工矫正接着,使用训练深度学习模型工具,把上一步中生成的影像片训练深度学习模型使用 训练模型分类要素。在模型训练时,首先对收集的样本按 和 划分为训练样本和验证样本,并使用 训练模型获得分类模型参数,再用验证样本集验证对模型进行精度评价。另外
12、,不断根据精度评价结果增加和完善样本集,调整训练样本分布,再次使用 训练模型获得分类模型参数,如此反复多轮,直到获得比较满意的精度结果。然后,使用深度学习工具进行像素分类,运行上一步骤生成的输出栅格的训练深度学习模型,对生态要素进行分类,每个生态要素将会分配到一个类别。由于基于 深度学习方法的航拍影像分类是在完全无人工干预的情况下进行的,虽然可以不断调整样本数据,优化模型参数,进而提高模型精度,但仍然无法保证分类结果完全准确。因此,在分类完成后通过对比原始影像和分类结果的光谱特征、形状特征和纹理信息,结合实地调研经验,对初步分类结果进行人工目视核查和校准,包括删除错误分类结果、修正分类结果和补
13、充漏分要素,最终得到精准的研究区生态要素空间分布数据。生态要素统计分析红砂岭地貌的土层较薄,裸露岩石多,不利于植被生长,地貌周围只有少量的乔木林、灌木林和草本植物等,可见,红砂岭地貌对周围生态环境具有明显影响,但是这种影响又随距红砂岭地貌的距离逐步衰减,形成明显的梯度效应。这种梯度效应主要表现在距离红砂岭不同范围内的生态要素类型差异,距离红砂岭越近,植被生长环境越恶劣,能存活的植被就需要越强的环境适应能力。为调查这种梯度效应变化,选择面积大于 的红砂岭区域斑块作为典型红砂岭区域,对上述区域分别创建、以及 的缓冲区,通过统计不同层级缓冲区中各个生态要素的空间分布状况,由此把握红砂岭典型地貌区域的
14、生态空间,表明红砂岭在自然状态下对周围生态要素造成的干扰。此外,在对周边生态要素造成影响和干扰的同时,红砂岭地貌也受到人为活动的剧烈影响,主要表现为当地农民在短期经济利益的驱使下不断垦荒拓田,破坏了红砂岭地貌自然生态环境和要素结构布局。另外,地貌自然资源管理部门最近两年推行一系列红砂岭地貌治理项目,通过生态修复和工程治理方式改善红砂岭地貌。因此,最近几年南雄市红砂岭地貌经历了快速且剧烈的变化。为准确定量这种变化,利用 年遥感影像进行生态要素分类,并根据统计结果与上述得到的结果进行对比,分析生态要素的面积变化及空间分布变化情况,评价人为活动对红砂岭地貌造成的影响。第 期蔡世荣等:南岭山区红砂岭生
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