基于RS和GIS技術(shù)的新生濕地與植被覆蓋度動(dòng)態(tài)分析

姜春玲， 曲春風(fēng)

(1.威海市第一中學(xué)，山東威海 264200；2.山東大學(xué)(威海)海洋學(xué)院，山東威海 264209)

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基于RS和GIS技術(shù)的新生濕地與植被覆蓋度動(dòng)態(tài)分析

姜春玲1， 曲春風(fēng)2*

(1.威海市第一中學(xué)，山東威海 264200；2.山東大學(xué)(威海)海洋學(xué)院，山東威海 264209)

利用RS和GIS技術(shù)對(duì)黃河三角洲的衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，研究了新生濕地面積及植被覆蓋度的動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果表明：1992～2004年黃河三角洲年均造陸面積126.88 hm2，2004～2014年年均造陸面積63.42 hm2，造陸速度有變緩的趨勢(shì)。新生濕地以低蓋度植被為主，1992、2004和2014年低蓋度植被面積占比分別為69.14%、70.98%和87.89%，呈增加趨勢(shì)。1992～2004和2004～2014年濕地凈造陸面積中低蓋度植被面積占比分別為92.97%和96.36%，2004～2014年新生濕地植被覆蓋度下降明顯，顯示了黃河三角洲新生濕地趨于退化。

黃河三角洲；新生濕地；植被覆蓋度；動(dòng)態(tài)分析

濕地破壞與退化造成濕地面積減少、生境喪失、水質(zhì)和底質(zhì)污染、生物多樣性下降等一系列生態(tài)問題[1-2]，因此及時(shí)準(zhǔn)確地掌握濕地現(xiàn)狀和動(dòng)態(tài)對(duì)于濕地資源的保護(hù)管理和合理開發(fā)利用具有重要意義。植被覆蓋度是植物群落覆蓋地表狀況的一個(gè)綜合量化指標(biāo)，在監(jiān)測(cè)濕地生態(tài)環(huán)境、分析植被蒸騰和土壤水分蒸發(fā)、研究濕地水土保持等方面具有重要作用[3]。利用衛(wèi)星遙感影像可以快速、連續(xù)地獲取大范圍的地表信息，通過GIS的空間分析，能夠快速、準(zhǔn)確地獲取研究區(qū)域植被覆蓋度、面積及其動(dòng)態(tài)變化情況。

黃河三角洲濕地位于渤海灣和萊州灣的交匯處，是我國(guó)暖溫帶最完整、最廣闊的新生濕地生態(tài)系統(tǒng)。黃河三角洲由黃河攜帶泥沙沖淤而成，是世界上成土最快的河口三角洲[4]。我國(guó)學(xué)者對(duì)黃河三角洲濕地的遙感監(jiān)測(cè)研究主要集中于濕地景觀格局分析、植被覆蓋度提取、濕地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)等方面[4-6]。然而，關(guān)于植被覆蓋度變化與濕地面積增長(zhǎng)、蝕退之間的關(guān)系研究較少，這直接影響對(duì)黃河三角洲濕地變化的正確評(píng)估。筆者利用RS和GIS技術(shù)分析了1992～2014年黃河三角洲的新生濕地蝕退和於進(jìn)變化，探討新生濕地植被覆蓋度的變化，以期為黃河三角洲濕地的植物群落演替正確評(píng)價(jià)及黃河三角洲濕地科學(xué)保護(hù)管理和開發(fā)利用提供基礎(chǔ)資料與參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況 黃河三角洲新生濕地位于現(xiàn)代黃河三角洲區(qū)域，北起挑河口，南至宋春榮溝，以墾利縣魚洼為頂點(diǎn)的扇形區(qū)域(118°30′～119°20′ E,37°35′～38°10′ N)[7]。由于黃河三角洲石油開采、農(nóng)業(yè)開發(fā)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、城市化等人類經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)活動(dòng)頻繁，加上近年來(lái)黃河來(lái)水減少、海水侵蝕等自然因素，該地面臨濕地退化、鹽堿化加劇等生態(tài)問題。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源 試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括Landsat TM(1992年5月20目、2004年5月21日)和Landsat OLI_TIRS(2014年5月1日)共3期衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)[8]。由于Landsat TM的使用年限已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其設(shè)計(jì)的工作年限，未能查詢到2011年之后研究區(qū)域的衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，因此選取Landsat OLI_TIRS(2014年5月1日)作為第3期的衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理 利用ENVI 5.0軟件對(duì)1992、2004年Landsat TM遙感影像數(shù)據(jù)及2014年Landsat OLI_TIRS遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正。利用Landsat TM衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)中的Band7(2.09～2.35 μm)進(jìn)行植被覆蓋和濕潤(rùn)土壤的辨識(shí)，利用Band5(1.55～1.75 μm)進(jìn)行道路、裸露土壤、水的分辨，利用Band1(0.45～0.52 μm)進(jìn)行水體穿透、分辨土壤與植被。選取751波段合成假彩色，合成影像出現(xiàn)明顯的陸水界面。Landsat OLI_TIRS遙感影像數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)波段選取872波段合成假彩色。利用ENVI軟件對(duì)3期遙感影像的研究區(qū)域進(jìn)行矢量化，得到1992、2004和2014年的黃河三角洲新生濕地區(qū)域矢量圖。

利用得到的黃河三角洲新生濕地區(qū)域矢量圖對(duì)3期遙感影像進(jìn)行裁剪，運(yùn)用ENVI軟件的Radiometric Calibration工具和FLAASH Atmospheric Correction工具分別對(duì)裁剪后的遙感影像進(jìn)行輻射校正和大氣校正。

1.4 植被覆蓋度的反演

1.4.1 像元二分模型。利用遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行植被覆蓋度估算的常用方法有回歸模型法和混合像元分解模型法[9]，其中，混合像元分解模型法以地物光譜混合模型估算植被在像元中所占的比例。像元二分模型是假設(shè)一個(gè)像元的信息可以分為土壤與植被兩部分[10]，通過遙感傳感器觀測(cè)到的信息S可以線性分解為由綠色植被成分所貢獻(xiàn)的信息Sv和由土壤成分所貢獻(xiàn)的信息Ss，即：

S=Sv+Ss

(1)

對(duì)于一個(gè)由土壤與植被兩部分組成的混合像元，像元中有植被覆蓋的面積比例即為該像元的植被覆蓋度Fc，而土壤覆蓋的面積比例為1-Fc。由植被所覆蓋的純像元所得的遙感信息為Sveg，由土壤所覆蓋的純像元所得的遙感信息為Ssoil，可表示為:

Sv=Fc·Sveg

(2)

Ss=(1-Fc)·Ssoil

(3)

將式(2)、(3)代入式(1)可得：

S=Fc·Sveg+(1-Fc)·Ssoil

(4)

對(duì)式(4)進(jìn)行變換可得:

Fc=(S-Ssoil)/(Sveg-Ssoil)

(5)

因此，只要確定了像元二分模型的2個(gè)參數(shù)Sveg和Ssoil，就可以通過觀測(cè)到的信息S來(lái)估算植被的覆蓋度Fc。

1.4.2 歸一化植被指數(shù)的計(jì)算。植被指數(shù)又稱光譜植被指數(shù)，是由遙感傳感器獲取的多光譜數(shù)據(jù)經(jīng)線性和非線性組合而構(gòu)成的對(duì)植被有一定指示意義的數(shù)值[11]。由于植物葉面在可見光紅光波段有很強(qiáng)的吸收特性，而在近紅外波段有很強(qiáng)的反射特性，通過這2個(gè)波段測(cè)值的不同組合可得到不同的植被指數(shù)。植被指數(shù)中最常用的是歸一化植被指數(shù)(NDVI)[9-10]，計(jì)算公式為：

NDVI=(ρNIR-ρRED)/(ρNIR+ρRED)

(6)

式中，ρNIR為近紅外波段(Landsat TM為Band4，Landsat OLI_TIRS為Band5)；ρRED為紅波段(Landsat TM為Band3，Landsat OLI_TIRS為Band4)。

1.4.3 植被覆蓋度反演。NDVI與植被覆蓋度之間具有良好的正相關(guān)性[11-12]。采用像元二分模型利用NDVI來(lái)反演植被覆蓋度，一個(gè)像元的NDVI可以表達(dá)為裸土所貢獻(xiàn)的信息NDVIsoil和綠色植被所貢獻(xiàn)的信息NDVIveg，將NDVI代入式(5)可得：

Fc=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(7)

式中，NDVIsoil為完全無(wú)植被裸地像元的NDVI值，NDVIveg為完全有植被覆蓋像元的NDVI值。

對(duì)于大多數(shù)裸地，NDVIsoil理論上接近于0。結(jié)合該研究區(qū)域的實(shí)際情況，區(qū)域中水體較多，水體區(qū)域NDVI值小于0，將小于0的NDVI值定義為0；NDVIsoil取值0，NDVIveg取值0.7。

1.5 植被覆蓋度分級(jí) 根據(jù)像元二分模型計(jì)算得到的植被覆蓋度Fc是一個(gè)[0,1]的灰度值。筆者利用GIS重分類方法，將研究區(qū)域植物覆蓋度按照分類標(biāo)準(zhǔn)劃分為5個(gè)等級(jí)(表1)。

表1 植被覆蓋度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 新生濕地面積變化 從圖1可以看出，1992～2014年黃河三角洲葉瓣體處于演化過程中。清水溝新河口[13]葉瓣有明顯的生長(zhǎng)過程，老河口[13]葉瓣由于海水侵蝕作用面積縮小。從圖2可以看出，1992～2004年黃河三角洲累計(jì)造陸面積8 634.02 hm2，蝕退面積7 111.42 hm2，平均每年凈增加面積126.88 hm2；2004～2014年黃河三角洲累計(jì)造陸面積6 778.91 hm2，蝕退面積6 144.72 hm2，平均每年凈增加面積63.42 hm2。因此，黃河三角洲的濕地在某些區(qū)域處于由于蝕退導(dǎo)致的面積減小和由于於進(jìn)導(dǎo)致的面積增加的動(dòng)態(tài)變化過程中。

圖1 1992～2014年黃河三角洲新生濕地遙感影像Fig.1 Remote sensing image of the Yellow River delta’s new wetland during 1992-2014

圖2 1992～2014年黃河三角洲新生濕地蝕退、於進(jìn)變化情況Fig.2 Erosion and deposition variations of the Yellow River delta’s new wetland during 1992-2014

2.2 新生濕地植被覆蓋度變化 從圖3可以看出，1992年黃河三角洲新生濕地植被中由裸露和低覆蓋度組成的低蓋度植被面積占69.14%，2004年占70.98%，2014年占87.89%，呈逐步增加趨勢(shì)。從圖4可以看出，1992～2004年黃河三角洲新生濕地的中覆蓋度面積減少8 863.11 hm2，裸露面積增加445.95 hm2，低覆蓋度面積增加5 064.90 hm2，較高覆蓋度面積增加13.23 hm2，高覆蓋度面積增加4 857.66 hm2；2004～2014年裸露面積增加62 220.11 hm2，低覆蓋度面積減少20 746.60 hm2，中覆蓋度面積減少16 595.20 hm2，較高覆蓋度面積減少15 710.70 hm2，高覆蓋度面積減少8 530.47 hm2。以上結(jié)果說(shuō)明，1992～2014年黃河三角洲新生濕地低蓋度植被面積占比較高，且隨著濕地面積的增加，呈現(xiàn)逐步增加趨勢(shì)。

圖3 1992～2014年黃河三角洲新生濕地植被覆蓋度分級(jí)Fig.3 Vegetation coverage classification of the Yellow River delta’s new wetland during 1992-2014

圖4 1992～2014年黃河三角洲新生濕地植被覆蓋度變化情況Fig.4 Vegetation coverage variations of the Yellow River delta’s new wetland during 1992-2014

2.3 濕地面積變化對(duì)植被覆蓋度的影響 從圖4可以看出，1992～2004年黃河三角洲濕地蝕退、於進(jìn)變化對(duì)植被覆蓋度的影響為裸露面積減少1 139.76 hm2，低覆蓋度面積增加2 556.36 hm2，即由裸露和低覆蓋度組成的低蓋度植被面積增加1 415.60 hm2，占凈造陸面積的比例為92.97%；2004～2014年黃河三角洲濕地蝕退、於進(jìn)變化對(duì)植被覆蓋度的影響為裸露面積增加366.84 hm2，低覆蓋度面積增加244.26 hm2，即由裸露和低覆蓋度組成的低蓋度植被面積增加611.10 hm2，占凈造陸面積的比例為96.36%。

1992～2004年黃河三角洲由于濕地蝕退、於進(jìn)變化導(dǎo)致的低蓋度植被面積增加占總低蓋度面積變化的比例為25.69%；2004～2014年由于濕地蝕退、於進(jìn)變化導(dǎo)致的低蓋度面積增加占總低蓋度面積變化的比例為2.52%。

以上結(jié)果說(shuō)明，黃河三角洲濕地凈造陸面積中以低蓋度植被面積占比很高，面積凈增加對(duì)低蓋度植被面積增加有一定影響。

3 討論

3.1 新生濕地發(fā)育的驅(qū)動(dòng)力 黃河三角洲的演變受黃河來(lái)沙和海洋動(dòng)力共同作用的影響。一方面，由于黃河含沙量高、輸沙量大，受水海域淺，巨量黃河泥沙在河口附近淤積，使得海岸線向海洋推進(jìn)。另一方面，由于海洋動(dòng)力作用使得海岸線受到侵蝕向陸地推進(jìn)。1992～2004和2004～2014年，黃河三角洲年均凈造陸面積分別為126.88和63.42 hm2。說(shuō)明1992～2014年黃河三角洲處于活躍造陸進(jìn)程中，但造陸速度有變緩的趨勢(shì)。原因是隨著我國(guó)中西部經(jīng)濟(jì)開發(fā)，各地經(jīng)濟(jì)建設(shè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展導(dǎo)致用水量上升。再者，由于黃河流域降水量的減少與氣溫升高導(dǎo)致的蒸發(fā)量增大[14]，使近年來(lái)黃河上游來(lái)水持續(xù)減少、斷流時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)[15]，輸沙量的減少使造陸速度下降。1996年在清水溝實(shí)施人工出汊之后[16]，由于清水溝老河口葉瓣失去了來(lái)沙，在海浪的侵蝕作用下，海岸出現(xiàn)凈侵蝕，造成海岸后退。

3.2 新生濕地植被覆蓋度變化分析 3期黃河三角洲新生濕地低蓋度植被占比都很高，說(shuō)明濕地植被以低蓋度植被為主，這與張高生的研究結(jié)果一致[17]。

如果不考慮新生濕地面積變化對(duì)植被覆蓋度的影響，對(duì)圖4進(jìn)行分析，結(jié)果是1992～2004年中覆蓋度面積減少8 863.11 hm2，低蓋度面積增加5 510.85 hm2，高蓋度面積增加4 870.89 hm2。由于覆蓋度減少的面積與覆蓋度增加的面積不對(duì)應(yīng)，難以對(duì)覆蓋度實(shí)際變化面積進(jìn)行討論，只能對(duì)覆蓋度面積百分比的變化進(jìn)行討論。中覆蓋度面積占比下降3.78%，低蓋度面積占比增加1.84%，高蓋度面積占比增加1.94%。高蓋度面積占比增加的原因是在黃河三角洲濕地植被演替的初級(jí)階段，由于土壤含鹽量較高，只有一些耐鹽植物作為先鋒種存在，隨著演替的進(jìn)行，生態(tài)環(huán)境的逐步改善，優(yōu)勢(shì)種覆蓋度增加，植物群落由低蓋度群落向較高蓋度群落演替；低蓋度占比的增加，如果不考慮新生濕地面積變化對(duì)植被覆蓋度的影響，只能理解為部分濕地發(fā)生退化，植物群落發(fā)生逆行演替，使得植被覆蓋率下降。2004～2014年低蓋度面積占比增加16.91%，中覆蓋度面積占比減少6.88%，高蓋度面積占比減少10.02%。這主要是由于近10 a來(lái)，該區(qū)域?yàn)榱思涌旖?jīng)濟(jì)發(fā)展，加大城市開發(fā)及水產(chǎn)養(yǎng)殖力度，再加上近年來(lái)黃河斷流時(shí)間變長(zhǎng)，斷流使得土壤鹽堿化程度加重，使得濕地退化，生態(tài)惡化。

通過分析濕地面積變化對(duì)植被覆蓋度的影響可知，1992～2004年凈造陸面積中92.97%為低蓋度植被，2004～2014年凈造陸面積中96.36%為低蓋度植被。由于黃河三角洲濕地蝕退、於進(jìn)區(qū)域集中在海岸線區(qū)域，該區(qū)域鹽堿化程度高，植物分布主要為裸露的灘涂或者鹽生植被，植物群落處于演替的初級(jí)階段。因此，黃河三角洲凈造陸面積中低蓋度植被面積占比很高。

由于黃河三角洲濕地凈造陸面積中低蓋度植被面積占比很高，因此不考慮濕地面積變化對(duì)植被覆蓋度的影響，而通過植被覆蓋度來(lái)表征濕地植物群落的演替變化是不全面的。1992～2004年黃河三角洲濕地面積變化使得低蓋度植被面積增加占總低蓋度面積增加的比例為25.69%，因此除了濕地退化的因素外，濕地面積增加也是低蓋度植被面積增加的重要因素。2004～2014年黃河三角洲濕地面積變化使得低蓋度植被面積增加占總低蓋度植被面積增加的比例為2.52%，濕地面積增加不是植被覆蓋度變化的主要影響因素。

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Analysis of New Wetland and Vegetation Coverage Dynamics of the Yellow River Delta Based on RS and GIS

JIANG Chun-ling1,QU Chun-feng2*

(1.The First Senior High School at Weihai,Weihai,Shandong 264200; 2.Weihai Marine College,Shandong University,Weihai,Shandong 264209)

Remote sensing satellite image data of the Yellow River delta was analyzed by using RS and GIS technology,the dynamic change of the new wetland area and vegetation coverage was studied.The results showed that the trend and speed of land building of the delta is slowing down,the formed land area in the delta is 126.88 hm2during 1992-2004 and 63.42 hm2during 2004-2014.The new wetland is based on low coverage vegetation,the area ratio is 69.14%,70.98% and 87.89% separately in 1992,2004 and 2014.The low coverage vegetation area to net land building area of the delta ratio is 92.97% and 96.36% separately during 1992-2004 and 2004-2014.The vegetation coverage of the new wetland is decline sharply during 2004-2014,indicating the degradation of the Yellow River delta’s new wetland.

The Yellow River delta; New wetland; Vegetation coverage degree; Dynamic analysis

威海市海洋研究院資助課題(0000413421003,1070413421103,1070413421129)。

姜春玲(1981- )，女，山東榮成人，中學(xué)一級(jí)教師，碩士，從事自然地理教學(xué)與研究。*通訊作者，實(shí)驗(yàn)師，碩士，從事環(huán)境生態(tài)學(xué)研究。

2016-08-12

S 181

A

0517-6611(2016)28-0077-04