基于Landsat 8 OLI衛(wèi)星數(shù)據(jù)的入侵植物互花米草遙感監(jiān)測(cè)與分析
——以山東黃河三角洲國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)為例

路 峰,楊俊芳

（1.山東黃河三角洲國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū),山東 東營(yíng) 257000；2.國(guó)家海洋局第一海洋研究所,山東 青島 266061）

濕地素有“地球之腎”和“天然物種庫(kù)”的美譽(yù)，是地球上綜合價(jià)值最高的生態(tài)系統(tǒng)，在維護(hù)自然生態(tài)平衡方面具有重大的作用。山東黃河三角洲國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)是以保護(hù)新生濕地生態(tài)系統(tǒng)和珍稀瀕危鳥(niǎo)類為主的國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，很多珍禽，如黑嘴鷗和丹頂鶴等，主要棲息于蘆葦、堿蓬和檉柳群落中，而這些原生的濕地生態(tài)系統(tǒng)如今受到了外來(lái)入侵物種互花米草的威脅?；セ撞荩⊿partina alterniflora Loisel）是一種適宜生活在潮間帶的多年生草本植物，原生于美洲大西洋沿岸和墨西哥灣[1-2]。由于互花米草具有地下根莖發(fā)達(dá)的特點(diǎn)，自20世紀(jì)初，許多國(guó)家紛紛引種其來(lái)促進(jìn)泥沙淤積[3-4]。在黃河三角洲地區(qū)，出于固岸護(hù)堤的考慮，1990年前后相關(guān)管理部門在五號(hào)樁附近開(kāi)始引種互花米草[5]?；セ撞菥哂谐瑥?qiáng)的繁殖能力和入侵性，引種后短短20年間已遍布黃河三角洲特別是保護(hù)區(qū)的潮間帶區(qū)域[6-7]，侵占大量沿海灘涂，對(duì)保護(hù)區(qū)的本地植物物種的生態(tài)健康造成威脅，并有研究指出互花米草的生長(zhǎng)已導(dǎo)致保護(hù)區(qū)內(nèi)鳥(niǎo)類種數(shù)減少[8-10]。2003年初，國(guó)家環(huán)保總局將互花米草列為首批入侵我國(guó)的外來(lái)入侵物種[11-12]。

濱海濕地處于海陸交錯(cuò)地帶，地形復(fù)雜，大多數(shù)情況下難以進(jìn)入，這給常規(guī)專業(yè)調(diào)查帶來(lái)很大的困難。遙感技術(shù)具有大面積同步、高效、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)，是監(jiān)測(cè)濱海濕地植被信息的重要手段，大大彌補(bǔ)了常規(guī)地面觀測(cè)手段的不足。對(duì)于黃河三角洲地區(qū)的互花米草監(jiān)測(cè)，任廣波[6]和楊俊芳[7]等已對(duì)其空間分布和監(jiān)測(cè)方法方面進(jìn)行了研究，但時(shí)間都是在2015年以前，鑒于研究區(qū)互花米草延速度快，開(kāi)展互花米草的管理和治理需要現(xiàn)勢(shì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的支撐，本文利用2016年拍攝獲取的Landsat 8 OLI衛(wèi)星影像，配合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)，開(kāi)展山東黃河三角洲國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)互花米草分布現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)和分析。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

山東黃河三角洲國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)是以保護(hù)新生濕地生態(tài)系統(tǒng)和珍稀瀕危鳥(niǎo)類為主的濕地類型自然保護(hù)區(qū)，位于山東省東營(yíng)市的黃河入海口處，地處渤海之濱，北臨渤海灣，東靠萊州灣，介于東北亞內(nèi)陸和江淮平原之間，地理坐標(biāo)為118°30′E-119°20′E，37°35 ′N-38 °20′N，設(shè)一千二、黃河口、大汶流三個(gè)管理站，總面積約15.3萬(wàn)hm2，其中陸地面積 8.3萬(wàn)hm2，潮間帶面積3.8萬(wàn)hm2。研究區(qū)分布范圍如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域范圍Fig1.Location of study area

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.2.1 遙感數(shù)據(jù)

本文采用的遙感數(shù)據(jù)是覆蓋山東黃河三角洲國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)范圍的Landsat8 OLI衛(wèi)星影像，成像時(shí)間為2016年8月26日，有9個(gè)波段，其中全色波段分辨率15m，多光譜波段分辨率30m，圖像成像清晰，無(wú)云霧遮擋。數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)（http://www.gscloud.cn）。

1.2.2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)

應(yīng)用無(wú)人機(jī)技術(shù)于2014年6月份獲取了黃河入?？诒眰?cè)部分區(qū)域的互花米草分布位置等信息，用于對(duì)互花米草遙感信息提取結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。無(wú)人機(jī)航拍照片如圖2所示。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

應(yīng)用ENVI 5.0軟件，將Landsat 8 OLI全色（空間分辨率15m）和多光譜影像（空間分辨率30m）進(jìn)行融合，融合方法選擇Gram-Schmidt變換方法，該方法在提高空間信息的同時(shí)又能保證高保真的光譜信息，融合后的影像空間分辨率為15m；而后，基于地面控制點(diǎn)，采用多項(xiàng)式模型對(duì)融合后的影像進(jìn)行幾何精校正，校正后圖像定位中誤差小于1個(gè)像元，滿足監(jiān)測(cè)互花米草的精度要求。配準(zhǔn)過(guò)程中以WGS84地理坐標(biāo)系和UTM 50N投影作為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

1.4 研究方法

圖2 無(wú)人機(jī)航拍照片F(xiàn)ig2.UAV Aerial Photographs

影像成像時(shí)間為互花米草生長(zhǎng)旺盛的夏季，在遙感影像上特征明顯，基于互花米草遙感影像解譯標(biāo)志（表1），在ArcGIS10.1軟件中采用目視解譯的方法對(duì)保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的互花米草信息進(jìn)行提取，獲得互花米草分布矢量層，目視解譯使用的假彩色波段組合為 R5，G4，B3。

表1 互花米草遙感解譯標(biāo)志Table 1 Remote sensing interpretation symbols of Spartina alterniflora

2 結(jié)果與分析

2.1 互花米草空間特征分析

通過(guò)對(duì)2016年Landsat 8 OLI影像進(jìn)行遙感解譯，獲得山東黃河三角洲國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的互花米草分布結(jié)果（圖3）。

由圖3可知，整個(gè)山東黃河三角洲國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的互花米草主要分布于孤東油田東南側(cè)和黃河現(xiàn)行入海口兩側(cè)三個(gè)區(qū)域，這三個(gè)區(qū)域均位于黃河口管理站和大汶流管理站內(nèi)，一千二管理站區(qū)域未發(fā)現(xiàn)互花米草分布。區(qū)域A自1990年引種至今都有互花米草分布[13]，區(qū)域B為2002年之后出現(xiàn)的新生互花米草區(qū)域[6]。

圖3 互花米草分布示意圖Fig.3 The Spartina alterniflora distribution monitoring results

2.2 互花米草面積監(jiān)測(cè)分析

經(jīng)過(guò)GIS分析和統(tǒng)計(jì)，得到保護(hù)區(qū)互花米草分布面積現(xiàn)狀（表2）。

由表2可知，整個(gè)山東黃河三角洲國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的互花米草總面積約有3692.07 hm2，其中黃河現(xiàn)行入?？趦蓚?cè)互花米草面積最廣，占保護(hù)區(qū)互花米草總面積的94.39%，入?？诒眰?cè)有1689.78 hm2，占互花米草總面積的45.77%，而南側(cè)也達(dá)到了1795.20 hm2，占互花米草總面積的48.62%；孤東油田東南側(cè)互花米草面積最小，約為207.09 hm2。相比于楊俊芳等[7]2015年對(duì)該區(qū)域的監(jiān)測(cè)工作，2016年保護(hù)區(qū)內(nèi)互花米草總面積增長(zhǎng)了492.20 hm2，其中黃河入?？谀蟼?cè)的互花米草變化最劇烈，一年內(nèi)增長(zhǎng)388.63 hm2，成為互花米草面積最大的區(qū)域；黃河入海口北側(cè)和孤東油田東南側(cè)變化較小，分別增長(zhǎng)了 100.23 hm2和 3.34 hm2。

表2 互花米草分布面積統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistics of Spartina alterniflora distribution areas

3 結(jié)論與討論

利用Landsat 8 OLI衛(wèi)星影像，配合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)，采用人機(jī)交互解譯方法對(duì)山東黃河三角洲國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的互花米草信息進(jìn)行了提取，并從空間分布特征角度上對(duì)保護(hù)區(qū)互花米草分布情況進(jìn)行了遙感監(jiān)測(cè)，為保護(hù)區(qū)管理部門有效治理互花米草提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支持。結(jié)果表明，（1）整個(gè)山東黃河三角洲國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的互花米草總面積約有3692.07 hm2，主要分布于孤東油田東南側(cè)和黃河現(xiàn)行入?？趦蓚?cè)；（2）黃河現(xiàn)行入?？趦蓚?cè)互花米草面積最廣，占保護(hù)區(qū)互花米草總面積的94.39%，入?？诒眰?cè)有1689.78 hm2，占互花米草總面積的45.77%，而南側(cè)也達(dá)到了1795.20 hm2，占互花米草總面積的48.62%；孤東油田東南側(cè)互花米草面積最小，約為 207.09 hm2。（3）據(jù)楊俊芳等[7]的工作，整個(gè)現(xiàn)代黃河三角洲范圍內(nèi)，互花米草主要分布于黃河故道西側(cè)、五號(hào)樁、孤東油田東南側(cè)和現(xiàn)行黃河入?？趦蓚?cè)5個(gè)區(qū)域，其中有3個(gè)區(qū)域位于保護(hù)區(qū)內(nèi)，且保護(hù)區(qū)內(nèi)互花米草面積占整個(gè)黃河三角洲互花米草面積的97.61%。這表明互花米草目前已經(jīng)在山東黃河三角洲國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的潮間帶快速蔓延，對(duì)濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生了較大的影響，形成大面積單優(yōu)勢(shì)種群落，侵占大量沿海灘涂，將對(duì)山東省東營(yíng)市沿海灘涂和海洋漁業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重的后果，若不加以控制將會(huì)嚴(yán)重危害到本地生態(tài)平衡，引發(fā)生態(tài)危機(jī)。

參考文獻(xiàn)：

［1］劉海華,李玉寶.1993-2003年間溫州沿海互花米草變遷［J］.溫州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,(05):19-24.

［2］王卿,安樹(shù)青,馬志軍,等.入侵植物互花米草——生物學(xué)、生態(tài)學(xué)及管理［J］.植物分類學(xué)報(bào),2006,(05):559-588.

［3］袁紅偉,李守中,鄭懷舟,等.外來(lái)種互花米草對(duì)中國(guó)海濱濕地生態(tài)系統(tǒng)的影響評(píng)價(jià)及對(duì)策［J］.海洋通報(bào),2009,(06):122-128.

［4］歐健,盧昌義.廈門外來(lái)植物入侵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立——以互花米草入侵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)為例［J］.臺(tái)灣海峽,2006,(03):437-444.

［5］張帆，劉長(zhǎng)安，姜洋.灘涂鹽沼濕地退化機(jī)制研究［J］.海洋開(kāi)發(fā)與管理，2008，（08）：99-101.

［6］任廣波，劉艷芬，馬毅，等.現(xiàn)代黃河三角洲互花米草遙感監(jiān)測(cè)與變遷分析［J］.激光生物學(xué)報(bào)，2014，（06）:596-603+608.

［7］楊俊芳，馬毅，任廣波，等.基于國(guó)產(chǎn)高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)的現(xiàn)代黃河三角洲入侵植物互花米草遙感監(jiān)測(cè)方法［J］.海洋環(huán)境科學(xué)，2017，36（4）：596-602.

［8］CROSS-CUSTARD J D，CLARKE R T，DURELL S E，et al.Population consequences of winter habitat loss in a migratory shore bird Ⅱ Model prediction［J］.Journal of Applied Ecology，1995，32（2）：337-351.

［9］DAEHLER C C，STRONG D R.Status，prediction and prevention of introduce cord grass Spartina spp.invaisions in pacific estuaries，USA［J］.Biological Conservation，1996，78：51-58.

［10］田佳怡，于祥，申保忠，等.黃河三角洲外來(lái)入侵物種大米草對(duì)灘涂鳥(niǎo)類的影響［J］.中國(guó)環(huán)境管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，18（3）：87-90.

［11］中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部.關(guān)于發(fā)布中國(guó)第一批外來(lái)入侵物種名單的通知［EB/OL］.2003-01-10.

［12］方民杰.福建沿岸海域互花米草的分布［J］.臺(tái)灣海峽,2012,(01):100-104.

［13］于祥，田家怡，李建慶，等.黃河三角洲外來(lái)入侵物種米草的分布面積與擴(kuò)展速度［J］.海洋環(huán)境科學(xué)，2009，06：684-686+709.