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1、基于遥感指数的嶂石岩省级自然保护区保护成效研究摘要本研究立足于研究保护区建立所产生的综合效益和保护成效，为保护区的未来规划提供合理建议，促进保护区的全面协调发展。本文选取河北嶂石岩省级自然保护区1995年、2005年和2017年遥感影像数据，首先介绍自然保护区概况，了解研究区的地理位置及气候条件等；其次，利用遥感信息提取的方法对研究区的地表覆盖类型、植被指数(NDVI)、和水体指数(NDWI)进行分析处理；最后通过对比分析研究区的变化结果，明白建立保护区的保护成效以及提出进一步提高保护成效的对策。研究结果显示：在保护区建立后，地表覆被变化向良性转化，建筑、农田和裸地向森林植被过渡，保护区西部和
2、西南部植被指数和水体指数明显增强，保护区保护成效效果显著。关键词：嶂石岩保护区；遥感指数；保护成效分析及对策；生态环境ABSTRACTThisstudyisbasedonthestudyofthecomprehensivebenefitsandprotectioneffectsofprotectedareas,toprovidereasonablerecommendationsforthefutureplanningofprotectedareas,topromotethecomprehensivecoordinateddevelopmentofprotectedareas.Inthispap
3、er,theremotesensingimagedataofZhangshiyanprovincialnaturereserveinHebeiProvincein1995,2005and2017areselected,thelandcovertype,vegetationindex(NDVI)andwaterbodyindex(NDWI)ofthestudyareawereanalyzedbyusingthemethodofremotesensinginformationextraction,understandtheprotectioneffectivenessofestablishingp
4、rotectedareasandputforwardcountermeasurestofurtherimprovetheprotectioneffectiveness.Theresultsshowedthataftertheestablishmentofthereserve,thechangeoflandcoverchangedtobenign,thearchitecture,farmlandandbarelandchangedtoforestvegetation,andthevegetationindexandwaterbodyindexintheWestandsouthwestofther
5、eserveincreasedobviously,theprotectioneffectoftheprotectedareaisremarkable.Keywords：Zhangshiyanreserve；RemoteSensingIndex；Analysisofprotectioneffectandcountermeasures；EcologicalEnvironment前言1第1章概述21.1 研究背景21.2 研究目的及意义21.3 研究内容2第2章数据源与研究方法41.1 研究区概述41.2 数据来源51.3 研究方法6第3章结果分析73. 1地表覆被类型转变分析73.2植被指数变化分
6、析113. 3水体指数变化分析12第4章保护成效分析144. 1保护状态方面成效144. 2保护压力方面成效144. 3保护应对措施方面成效14第5章提高保护成效的对策154.1 逐步完善保护区规章制度155. 2加强宣传教育155.3协调保护与经济发展的关系15结论16参考文献17致谢18河北嶂石岩省级自然保护区属于森林生态系统类型自然保护区，拥有独特的岩石地貌和丰富的生物多样性，保护区于2005年的九月份正式建立，其重点保护森林和地质景观。其中，樟石岩是最主要的保护方向。为研究保护区建立带来的综合效益和保护成效，为河北嶂石岩省级自然保护区的未来规划提供合理建议，促进保护区的全面协调发展，本
7、研究主要从地表覆被类型、植被指数和水体指数的对比方面来表现保护区建立所产生的保护成效。本研究利用遥感解译、遥感指数反演等技术，通过反映保护区建立前后的地表覆盖类型、植被指数和水体指数等生态保护成效的变化差异，综合体现出由于保护区的建立保护活动，退耕还林还草，保护植被、涵养水源，减少人为建设活动对保护区的影响，使保护区的植被覆盖率和水体指数大幅增加，保护区的整体生态系统及其服务功能得到了提高，为河北嶂石岩省级自然保护区未来规划提出合理建议，同时为其他保护区保护成效的评估和保护措施的改善提供一定的指导作用，促进保护区的全面协调可持续发展。1.1 研究背景自然保护区的建立是保护物种及其多样性的最重要
8、措施之一，主要表现在以下几方面：为生物保留栖息地，最大限度地减小人类活动、生态破坏等给物种及遗传多样性带来的影响；为各类相关研究活动保存一个相对完整的自然生态系统，便于连续、系统的长期观测，加强对稀有物种的繁殖和对其的破坏等；自然保护区的建立有很重要的生态作用：防止水土流失、修复被破坏的环境、使生态环境均衡等。同时也为科普教育、景观的旅游发展创造了良好的条件。我国十分重视自然保护区的发展，从1956年开始的近六十多年以来，成立了近三千个自然保护区，被冠以国家级的自然保护区占其中的六分之一。所成立的的自然保护区总面积占到我国国土面积的近六分之一，幅员辽阔。由此可以看出国家对自然保护区的重视程度。
9、现如今地理信息科学作为一门新兴学科，有着依托于高科技的发展趋势，其中被广泛应用的便有遥感技术。遥感技术目前发展的较为完善，可以通过它对于国土情况等进行检测，在不断发展的基础上形成了速度快、全方位的遥感解译数据。是一种已经完善的技信息提炼技术，对保护区的监测具有重要意义。张绘芳等利用2015年哨兵一号、2018年的高分一号和高分二号数据，对位于伊犁地区境内的西天山自然保护区进行了主被动观测，主要研究其环境资源的变化趋势。冯仕超等运用CLUE-S模型，借助于Landsat-5TM影像数据为黄河上游的资源统筹给予了重要的意见。邱成、胡金明等利用SPOT_VegetationNDVI数据对云南省国家级
10、、省级自然保护区的保护成效进行综合研究，最终得出1998-2015年保护区总体具有较好的保护成效的结论。本文基于LandsatTM数据对河北嶂石岩省级自然保护区建立前后1995年到2017年的生态保护成效进行对比、分析和评估。1.2 研究目的意义本课题立足于研究保护区建立所产生的综合效益和保护成效，通过对比研究河北嶂石岩省级自然保护区建立前后在地表覆盖类型、植被指数、水体指数等方面的变化，为保护区的未来规划提供合理建议，促进保护区的全面协调发展，同时也为其他保护区保护成效的评估和保护措施的改善提供一定的指导作用。文章选取嶂石岩省级自然保护区作为研究区域，采用遥感影像分析技术，选取LandSat
11、TM-5和LandSat8OLI数据，对保护区1995年、2005年和2017年三个年份的地表覆被类型、植被指数和水体指数的转变进行解译分析和要素提取，对保护区建立前后的整体生态保护成效进行分析评估，并对进一步提高保护区保护成效提出了相应的对策。第2章数据源与研究方法2.1研究区概述河北嶂石岩省级自然保护区分布在河北省石家庄市赞皇县西部太行山区，在太行山脉中是一道独特的风景线。经纬度位置为11413E-114022,E,3726,N-37o46,N,海拔高度2（XM733米，属暖温带半湿润大陆性季风气候，冬暖夏凉，雨量充足，气候宜人,平均气温U.5C,最热月均温22.1C,保护区内峡高湖平，溪
12、流分布，被称为防夏避暑的“凉岛”，总面积356580亩。保护区其中地层岩土性质主要为Pt石英砂岩为主，有根据不同地区变化的特点。保护区位于河北温度较低、雨量稀少的地区，在其中的嶂石岩所形成的地质景观和广袤的森林是主要的监测目标。保护区内有独特的地质构造，构造类型十分丰富，包括水平构造、倾斜构造、断裂等等。位于其中的栈壁、Q”形嶂谷、石柱、方山、峡谷、垂沟、岩茬、短墙、地口等众多的石英砂岩的经典，被地理学家叫做在“嶂石岩”地貌,一经发现，在全国乃至全世界地质学领域中引起轰动，被各国地质学家纷纷称奇，具有极高的地质科研研究价值。保护区内植物种类繁多，近一百科654种，是整个华北平原的纯生态植物王国
13、。生态环境良好，从山腰到山顶遍布着乔木、灌木等植物，是河北省的自然植物的宝库。保护区内还有被列入吉尼斯世界记录的“世界最大天然回音壁”。河北“析门笈级自然保护M动版K划现状置焚雨）河北第（光百俵O体保护区功能XH图图1河北省嶂石岩保护区功能区划现状图为了体现保护区建立前后生态环境的变化情况，数据源主要包括1995年、2005年和2017年3个年份的卫星遥感数据，1995年和2005年使用的影像数据是LandSat-5TM影，都是7个波段，日期分别为1995年6月19日和2005年6月14日；2017-6-15日所使用的卫星和传感器是Landsat8OLL表1数据源信息卫星Satellite传感
14、器Sensor分辨率Resolution影像获取时间Imageacquisitiontime条带号StripenumberLandsat5TM30m1995-06-19124/034Landsat5TM30m2005-06-14124/034Landsat8OLI30m2017-06-15124/034以上研允数据主要下载于地理空间数据云网站(http:/WWWjr4sxrjt3TMW 北3T3N 北3T3mrit3srr 东4II46X.r24r.II4WII45 东4xriII49I6PB 东Il492a3T4SXJt图2河北省嶂石岩保护区区位图1. 3.1查阅文献与分析数据法通过学习和查
15、阅相关文献资料，了解相关自然保护区与保护成效的知识，认真查阅并借鉴与本文主题有关的文献资料，分析文献资料内容，熟悉和了解文献资料的内容、结构、论述方法等。根据论文研究的区域，通过网络下载和实地考察获得第一手研究数据资料，并到研究区域的相关部门调查获取文字材料，对收集的所有材料进行分析、整理、归纳，去伪存真，做到资料和数据真实可靠、有效，作为论文的主要依据。2. 3.2植被指数植被指数主要包括比值植被指数、差值植被指数、归一化的植被指数。主要参数指标是依据植物自身的光学特征，利用Satenite与近红外光谱的波段相结合。它的作用主要是在某些条件下利用数据得到植物的发育状态。归一化植被指数(Nor
16、mal-izedDifferenceVegetationIndeX,NDVI),其表达式为NDVI=(NIR-R)(NIR+R),NIR是近红外波段反射率、R是红光波段反射率。对于Landsat卫星影像,近红外波段和红光波段的空间分辨率为三十米。分别属于第四波段(B4)与第三波段(B3)。NDVl的重要参数是NIR和R,它可以作为植物发育指数的重要指标，突出植被的重点特征。具体的反映单位像元内的植物种类、覆被形态等。同时也与地面覆盖率及生物数量有着紧密联系,是研究地表植被变化的重要指标。本设计利用NDVI为植物生长的情况进行可量化的分析，它的值越大便代表着植被覆盖度越高，植物生长状况越好。3.
17、 3.3水体指数水体指数是一种对于湿度的指标，根据Landsat影像中近红外波段和中红外波段继续进行分析。利用水的光学性质，在625-740纳米的阶段针对反射和吸收特点评估含水量的多少。本设计主要针对于植物的含水量进行研究，Gao在二十世纪九十年代发布了归一化水体指数(NormaIiZedDifferenceWaterIndex,NDWI),代表式是NDWI=(NIR-MIR)(NIR+MIR),NIR是近红外波段值;MIR是中红外波段值。并根据不同的数据源进行分析比较。NDWI取值-1,1,值越大,表明植被含水量和地表湿度越高。第3章结果分析3.1地表覆被类型转变分析结合河北嶂石岩省级自然保
18、护区功能区划图和实地调查可知，保护区主要保护对象为森林生态系统及典型的嶂石岩地质地貌景观，主要分布在西部和南部区域，人类主要活动在中东部沿河区域。通过了解保护区的生态系统和观察影像分辨率，可以得出本研究区的地表覆被类型主要分为建筑、裸地、农田、森林、水体五类。本研究对研究区分类使用监督不同种类的办法，裸眼观察过感影像，选取在研究区域的训练样本，分析判断目标的种类并统计各类地物信息，制作专题图和统计表。将1995年、2005年和2017年遥感数据采用上述监督分类和目视解译的方法进行管理：几何、配准、正射、融合、镶嵌和大气校正。ERDAS可以就缩短几何校正中观测值和实际值的差距。图像配准、正射校正
19、和图像融合通过GeOmatiC软件来减小图像的精度误差；图像镶嵌在PS软件中进行，将有需要的影像进行合并；而大气校正则是利用ENVI5.3软件消除因大气影响造成的辐射误差。最后分别得到1995年、2005年和2017年河北嶂石岩省级自然保护区地表覆被类型图，见下图。图3嶂石岩保护区1995年地表覆被分类图匚二椽地图4嶂石岩保护区2005年地表覆被分类图图5嶂石岩保护区2017年地表覆被分类图表21995、2005和2017年度自然保护区地面土地利用类型表年度单位田地建筑从林水资源裸地1995面积Zhnf385.29193.5719939.7549.36780.75比例/%1.800.9093.
20、40.233.672005面积/hn?376.72206.1720054.99187.31523.53比例/%1.770.9893.910.882.462017面积/hn?339.30213.9320161.01198.96435.51比例/%1.591.0094.440.932.04从嶂石岩保护区地表覆被分类图和表2可知,嶂石岩保护区主要地表覆被类型为森林,森林覆盖面积高达90%以上，人类主要活动在中东部和西南部沿河区域，农田和建筑也主要分布在河流沿岸。虽然水体相比之下所占比例较小，但其重要性却十分显著。根据解译结果来看，1995年到2017年之间保护区森林和水体面积不断增长，森林增长幅度1
21、.04%,水体增长0.7%,建筑面积也有了部分增长，而农田和裸地面积的减少，说明保护区整体的生态系统得到了恢复与完善。表319952005年自然保护区地面利用类型面积转移矩阵（喻2）1995/2005种类农田房屋森林水体裸地农田373.071.4210.8000建筑0192.011.5600森林08.0919928.771.461.44水体00049.360裸地3.664.65113.86136.49522.10总计376.73206.1720054.99187.31523.541995/2005地类农in建筑森林水体裸地农田96.83%0.37%2.80%0%0%建筑0%99.19%0.81
22、%0%0%森林0%0.04%99.94%0.01%0.01%水体0%0%0%100%0%裸地0.47%0.60%14.58%17.48%66.87%从表3和表4可知，19952005年保护区农田和建筑极少部分向森林转变，裸地部分向森林和水体转变相对较大，水体保持不变，整体来看保护区未建立前，保护区保护成效一般，保护当地生态还面临很多严峻的挑战。表520052017自然保护区地表覆被类型面积转移矩阵（hm?）2005/2017地类农田建筑森林水体裸地农田337.020.2639.4500建筑0203.842.3300森林05.3919978.001.8669.74水体000187.310裸地2.
23、294.42141.239.80365.78总计339.31213.9120161.01198.97435.52表620052017年嶂石岩保护区地表覆被类型转移概率矩阵2005/2017地类农田建筑森林水分裸壤农Ea89.46%0.07%10.47%0%0%建筑0%98.87%1.13%0%0%森林0%0.03%99.61%0.01%0.35%水体0%0%0%100%0%裸地0.44%0.84%26.98%1.87%69.87%从表5和表6可知，2005年一2017年保护区生态系统转化主要为农田和裸地转化为森林、水体和建筑，其中还是水裸地像森林转化概率最大，农田次之。农田和裸地面积的减少，森
24、林等植被面积的扩大，这表明经过10多年的保护，保护区实行退耕还林还草的政策取得了较好的效果，另外建筑面积也有了一定的增长，说明保护区的建立一定程度上带动了当地的经济发展，提高了人们的生活水平。保护区的整体生态系统及服务功能不断向前发展，保护区建立所取得的保护成效显著。3. 2植被指数变化分析根据NDVl计算公式分别计算1995年、2005年和2017年的NDVI图像，然后利用ArcGIS地图代数工具分别将1995年和2005年NDVk2005年和2017年NDVI进行计算（将后一年份NDVI值减去上个年份的NDVI值），得到NDVl变化图，见下图。图6嶂石岩保护区NDVl变化图从图6a（199
25、5年一2005年NDVI变化图）和图6b（2005年一2017年NDVI变化图）可以看出，保护区为建立前（19952005年）保护区大部分区域NDVl值呈现微弱上升状态，植被指数相对较低，尤其是西部、西南部核心区和东南缓冲区附近植被生长情况较差,植被的生长状况和保护状态无法得到有效地控制。中东部实验区下降较多，因为该地是片湖泊影响了NDVI值。但从总体来看，19952017年东部地区的NDVl呈大幅上升状态，保护区植被在逐渐恢复，可见保护区的建立取得了一定保护成效，尤其是东南部缓冲区小石门村附近植被生长状态有了较为明显的提高，而南部上大凡村、小花家沟局部区域NDVI值下降较多，云量遮挡和河流分
26、布对NDVl的影响是该部分NDVl指数偏低的主要原因。4. 3水体指数变化分析根据NDWI计算公式分别计算1995年、2005年和2017年的NDWI图像，然后分别将1995年和2005年NDWL2005年和2017年NDWI进行计算（同NDVl计算方法），得到NDWl变化图，见下图。图7嶂石岩保护区NDWI变化图从图7a（1995年一2005年NDWI变化图）和图7b（2005年一2017年NDWI变化图）可以看出，保护区未建立前保护区大部分区域NDWl值呈现微弱下降状态，而20052017年保护区建立后这一状况得到了很大改善，尤其是西部、西南部核心区和东南部缓冲区变化十分明显，上升幅度在0
27、.06-0.50之间。而在局部区域（西南部秦林村一嶂石岩镇沿河流域以及东南部小花家沟）NDWI值较低是因为6月份降水多，云量大所影响，使NDWl指数相对较低。总体来看，经过保护区建立10多年的努力，保护区的植被含水量得到了较好的提升。第4章保护成效分析4.1保护状态方面成效在保护状态方面，自然保护区的生态系统的功能得到有效的改善，地面利用情况发展良好，森林植被的面积不断增大，农田和裸地面积相应减少，保护区植被指数和水体指数有了明显提升。尤其是在西部、西南部核心人类活动区域表现特别突出，保护区整体生态系统和服务功能得到了提高，实现了人与自然的和谐相处、绿色可持续发展。4. 2保护压力方面成效在保
28、护压力方面，人类活动对保护区的干扰和破坏行为得到了有效的控制与缓解，主要表现在保护区的西部和西南部区域建筑、农田、裸地大幅减少，森林植被面积扩大，水体指数不断提高。但该部分区域仍有建筑、农田、裸地的分布，应继续注重该地区的生态变化。5. 3保护应对措施方面成效在保护应对措施方面，保护区在进行中着切实而有效的行动。在中西部地区还林还草、兴修水利，使该区域的水体湿度有着明显的提高，同时加强对东部地区的保护，丰富了东部地区的生物多样性，改变了单一的森林生态系统局面，提升保护区整体生态系统多样性和生态服务功能。第5章提高保护成效的对策5.1 逐步完善保护区规章制度法律规章制度是首当其冲的任务。当地环境
29、部门应该在现有的制度上继续进行完善，做到“保护好”“预防好”，完善相关领域的制度。“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。”不能只说不做，严格落实每项规章制度，做到有法可依，有法必依。承担起监理部门应该承担的责任，督促保护区要重视并有效落实生态保护工作，对于破坏生态环境的行为的进行严厉制止并处罚;最后要加强对公共监督制度的重视，生态环境保护离不开每位公民的监督与被监督，对于保护和制止生态破坏的行为可以采取一定的奖励措施。5.2 加强宣传教育保护生态环境是全民的事业，是所有人的责任与义务。因此必须在各地必须加强对生态环境保护重要性和紧急性的宣传，向各位公民普及相应的法律与环保知识，尤其是该地政府要针对
30、保护区当前存在的生态环境问题，制定相应的解决措施，并宣传当下生态环境问题的危害等，可以在保护区设立相关保护环境的宣传栏，介绍保护区内嶂石岩等动植物的生态价值，普及相关环保知识，同时要积极利用新媒体的优势，使人们意识到享受相应权利的同时也要承担对应的义务，破坏生态环境的行为必将受到制裁。6. 3协调保护与经济发展的关系协调保护与经济发展的关系就是保证经济持续、健康、高质量的增长，尽量的减少对于生态环境的伤害，消除潜在威胁。对于已被破坏的地区进行修复，增强其自我恢复的能力，做到可持续发展。保护区应该本着保护优先的原则，既不能破坏当地的自然生态系统和丰富的生物多样性，又要懂得利用保护区及周边地区丰富
31、而独特的资源优势，有限的开展旅游观光、休闲度假等活动，同时借以宣传、普及保护区的嶂石岩、野生动植物等知识，促进保护区的全面可持续发展。分析结果表明，河北嶂石岩省级自然保护区在1995年-2005年保护区未建立前保护成效一般，而在2005年一2017年保护成效较显著，在保护成效、保护压力和保护应对措施方面都取得了很好的效果。保护区整体生态系统和服务功能得到维持与提高,人类对保护区的破坏和干扰活动得到了有效的控制,这与保护区近十多年来积极开展保护措施息息相关：制定相关法律法规来制止和约束破环保护区的行为，同时大力推行退耕还林还草，保护植被与生物多样性，另外为了带动当地的经济发展，大力发展绿色旅游业
32、，让当地部分农民实现转型并增加了一定的经济收入。从上面的保护区覆被类型转变图、植被指数和水体指数变化图可观察到，保护区的植被面积和水体面积有了一定程度的增长，改善了保护区的生态系统及其服务生态功能，涵养了当地水源，增加了保护区的生物多样性，生物保护成效较为显著。河北嶂石岩省级自然保护区生态系统以常绿阔叶林森林生态系统为主,当地的嶂石岩地质地貌景观具有十分重要的价值，近十多年来保护区十分重视该地生态系统的复杂性与完整性，在保持保护区内生态系统及其服务功能良性发展以及自我恢复能力的基础上，适当地增加人工保护措施来促使保护区向着好的方向不断前进，今后保护区也应该沿着这条路线继续走下去，在实践中不断调
33、整对策，实现保护区的可持续发展。为了对比保护区建立前后的保护成效,本研究选取了保护区1995年、2005年和2017年这三年的遥感影像，相对时间跨度叫大，加上影像自身的分辨率不高，影响了研究结果的准确性。如确实需要，建议选取时间跨度小的高分辨率遥感影像进行精确的分析。参考文献翁涛,黄文琥,张静,朱自娟,荣月静，曹彦荣,王伟,马立广.基于遥感指数的赤水砂秽保护区保护成效研究J.环保科技,2018,24(05):11-16王伟，辛利娟，杜金鸿，等.自然保护地保护成效评估：进展与展望J.生物多样性，2016,24(10):1177-1188.张绘芳,冯鹏飞,高健,张景路,朱雅丽,张文革,文永志.20
34、15-2018年西天山国家级自然保护区自然资源保护成效监测J.林业科技通讯,2020(07):51-56.4冯仕超,高小红,顾娟,亢健,郭丽峰,吴国良,邹婵.基于CLUE-S模型的混水流域土地利用空间分布模拟J.生态学报,2013,33(03):985-997.5邱成，胡金明，杨飞龄.基于NDVI的云南省自然保护区保护成效分析JL生态学报，2020,40(20):7312-7322.6雷庆，刘定坤，李圣，季玮.太行山地貌特征及成因分析：进展与展望J.生物多样性,2016,24(10):1177-1188.荣月静，张慧，王岩松.基于Logistic-CA-Markov与InVEST模型对南京市土地利用与生物多样性功能模拟评价叮.水土保持研究，2016,23(3):82-89.8LauschA,PauseM,MerbachI,etal.Anewmulti-scaleapproachformonitoringvegetationusingremotesensing-basedindicatorsinlaboratory,field,andlandscapeJ.Environmentalmonitoringandassess-ment,2013,185(2):1215-1235.感谢指导教师汤占中的指导和教诲。
