時(shí)序遙感影像滇池鳳眼蓮時(shí)空動(dòng)態(tài)變化分析

蔣明，郭云開，2，朱佳明，2，劉海洋，2

(1.長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，長沙 410014；2.長沙理工大學(xué) 測(cè)繪遙感應(yīng)用技術(shù)研究所，長沙 410076)

0 引言

鳳眼蓮(eichhornia crassipes)屬雨久花科、鳳眼蓮屬，俗名水葫蘆[1]，被認(rèn)為是世界上危害最為嚴(yán)重的十大惡性雜草之一[2]。它生命力頑強(qiáng)，即便是河水干涸，種子存活力仍可以保持15—20年[3]。在我國國家環(huán)?？偩?003年公布的首批16種外來入侵物種名單中，水生植物鳳眼蓮就名列其中[4]。我國政府每年投資數(shù)百億元用于治理并打撈鳳眼蓮[5]。云南省作為受到鳳眼蓮入侵危害最為嚴(yán)重的六省市之一，其中最嚴(yán)重最為引人注目的是昆明市滇池。滇池是昆明市的“母親湖”，它的水體水質(zhì)惡劣，富營養(yǎng)化嚴(yán)重，被國務(wù)院列為重點(diǎn)治理的“三湖三河”之一[6-7]。

目前，國內(nèi)外對(duì)于入侵物種鳳眼蓮的監(jiān)測(cè)研究較少。Albright等人對(duì)非洲維多利亞湖泊地區(qū)1994—2001年間鳳眼蓮的分布及擴(kuò)散情況進(jìn)行了研究[8]；Idawo C等人利用遙感數(shù)據(jù)對(duì)肯尼亞維南灣的鳳眼蓮進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和制圖研究[9]；Verma等利用衛(wèi)星遙感系統(tǒng)研究了印度班加羅爾城北部6條河流中鳳眼蓮種群覆被的變化[10]。高雷對(duì)上海的鳳眼蓮種群的分布現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查研究[11]；章瑩等對(duì)鳳眼蓮入侵現(xiàn)狀的遙感監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展進(jìn)行了介紹[12]。然而，目前暫未有學(xué)者用遙感手段對(duì)國內(nèi)鳳眼蓮進(jìn)行連續(xù)長時(shí)間序列時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究。

傳統(tǒng)的入侵物種鳳眼蓮監(jiān)測(cè)主要基于野外調(diào)查，并綜合歷史資料建立擴(kuò)散模型，進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。本文利用2000—2017年長時(shí)間序列的Landsat ETM+和少量Landsat OLI 遙感影像數(shù)據(jù)，采用影像拼接技術(shù)，利用監(jiān)督分類方法，估算滇池鳳眼蓮的面積，提取近18年來其空間分布上的年際變化特征，對(duì)滇池鳳眼蓮近18年的時(shí)空變化進(jìn)行分析，較傳統(tǒng)方法更具經(jīng)濟(jì)性，較大量的滇池鳳眼蓮2011—2013年人工控養(yǎng)期間的監(jiān)測(cè)研究更具動(dòng)態(tài)性、現(xiàn)勢(shì)性。本文以期為滇池如何監(jiān)測(cè)和控制鳳眼蓮提供理論依據(jù)，同時(shí)為國內(nèi)外其他湖泊鳳眼蓮研究、監(jiān)測(cè)提供理論和方法借鑒。

1 研究區(qū)域概況

選取滇池作為研究區(qū)。滇池位于云南省昆明市西南端，地理坐標(biāo)為102°29′E～103°1′E，24°29′N～25°28′N，是中國西南地區(qū)最大的湖泊，也是中國第六大淡水湖。滇池呈南北向分布，湖體形狀略呈弓形，弓背向東(圖1)。滇池湖泊面積約300 km2，入湖河渠二十余條，北面海埂大壩將其隔為南北兩區(qū)，中間僅有一航道相通，南部為滇池主體稱外海，面積約290 km2，風(fēng)浪較大，水質(zhì)劣V類，中度富營養(yǎng)化；北部支體稱草海，面積約10 km2，水面平穩(wěn)，水質(zhì)劣 V類，為滇池污染最嚴(yán)重的水域，重度富營養(yǎng)化，富營養(yǎng)化的水體使鳳眼蓮在滇池外海和草海瘋狂生長，過去情況嚴(yán)重時(shí)幾乎可以覆蓋全部的水面。

圖1 滇池區(qū)域影像

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)主要選用2000—2017年長時(shí)間序列Landsat ETM+遙感影像，輔助數(shù)據(jù)為少量Landsat OLI遙感影像，每年選用一景可以覆蓋全部滇池水域的影像，影像成像日期集中，均成像于鳳眼蓮生長期后期11月份，影像云覆蓋少，成像清晰，所有影像數(shù)據(jù)下載自USGS(https：//earthexplorer.usgs.gov/)。

2.2 研究方法

遙感技術(shù)具有宏觀、動(dòng)態(tài)和低成本等特點(diǎn)，既可以滿足大范圍鳳眼蓮監(jiān)測(cè)的需要還可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[13]。遙感時(shí)間序列具有季節(jié)性、多尺度性、時(shí)空自相關(guān)性、高維度和數(shù)據(jù)量巨大等特點(diǎn)，持續(xù)變化的檢測(cè)是當(dāng)前遙感時(shí)間序列影像變化檢測(cè)的主要問題與類型，它可在面向土地利用/覆蓋類型相對(duì)緩慢的變化檢測(cè)中發(fā)揮重要作用[14-15]。本文探討的利用遙感時(shí)間序列影像和遙感監(jiān)督分類方法動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)滇池入侵物種鳳眼蓮的技術(shù)路線如圖2所示。本文僅研究鳳眼蓮，因此這里只定義鳳眼蓮、水面和其他三類訓(xùn)練樣本，接著在纓帽變換和假彩色增強(qiáng)以及研究區(qū)高分辨率影像的基礎(chǔ)上目視解譯創(chuàng)建出感興趣區(qū)，下一步確定最佳的分類器，執(zhí)行監(jiān)督分類，對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)錯(cuò)分和漏分的像元進(jìn)行剔除更正。研究中使用的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)主要有ENVI 5.3和ArcGIS 10.2。

1)圖像增強(qiáng)。對(duì)預(yù)處理后的影像進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理。經(jīng)過纓帽變換后，滇池主要植物種類微囊藻、紅線草、微齒眼子菜在前3個(gè)數(shù)據(jù)軸即亮度、綠度和濕度軸上均有較大的差別，在綠度軸上表現(xiàn)尤為明顯。這為影像中鳳眼蓮群落的解譯分類提供了一定的精度保證[16]。歸一化植被指數(shù)NDVI是植物生長狀態(tài)和群落蓋度的最佳指示因子，與群落蓋度呈線性相關(guān)。NDVI值越大，表示有植被覆蓋且植被覆蓋度越大[17-18]。不同的波段合成顯示可以增強(qiáng)不同地物，通過實(shí)驗(yàn)，4波段與2波段相關(guān)性較小，為了讓鳳眼蓮與背景形成很大的反差，加入植被指數(shù)NDVI作為第3波段。本研究對(duì)融合裁剪后的所有影像進(jìn)行4、3、2假彩色增強(qiáng)處理(4波段為NIR波段，2波段為Green波段)。

圖2 技術(shù)路線圖

2)影像拼接。連續(xù)長時(shí)間序列時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究會(huì)遇到單一數(shù)據(jù)源未覆蓋整體研究區(qū)、云層遮蓋部分觀測(cè)區(qū)等問題，而影像拼接可以解決這些問題。以2015年影像數(shù)據(jù)為例，滇池區(qū)域2015年11月的Landsat ETM+數(shù)據(jù)存在少量云遮蓋研究區(qū)問題，對(duì)2015年數(shù)據(jù)應(yīng)用影像拼接技術(shù)，即利用2015年11月的Landsat ETM+和Landsat OLI數(shù)據(jù)拼接后的影像監(jiān)測(cè)滇池鳳眼蓮。2015年滇池鳳眼蓮提取影像拼接技術(shù)應(yīng)用示意圖和應(yīng)用前、后結(jié)果對(duì)比如圖3和圖4所示。

3)實(shí)地觀測(cè)驗(yàn)證。本文選取2013年和2017年進(jìn)行鳳眼蓮提取實(shí)地驗(yàn)證，實(shí)地驗(yàn)證觀測(cè)時(shí)間為與當(dāng)年遙感影像“星地同步”時(shí)間前后的11月份10—14日和11月份13—16日。調(diào)查主要采取沿湖踏查的方式，目測(cè)鳳眼蓮在滇池內(nèi)各區(qū)域的面積和空間分布。然后，結(jié)合部分高分辨率影像資料，計(jì)算滇池內(nèi)總的鳳眼蓮覆蓋面積和統(tǒng)計(jì)種群位置。2013年和2017年實(shí)地踏查得出滇池當(dāng)年鳳眼蓮估算面積分別為633.4 hm2和727.8 hm2，2013年鳳眼蓮空間分布主要位于滇池外海西北部和草海中部，2017年主要位于滇池外海北部和草海北部。

注：圖中綠線、黃線分別為拼接邊界線、滇池范圍線。圖3 2015年影像拼接(ETM+波段組合順序?yàn)?32，OLI為543)

注：圖中四邊形邊框?yàn)橥怀銎唇忧昂篪P眼蓮提取變化。圖4 2015年拼接前、后鳳眼蓮提取結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)果與分析

通過采用影像拼接技術(shù)和監(jiān)督分類方法解譯分析滇池2000—2017年長時(shí)間序列遙感影像，并結(jié)合部分高分辨率影像資料，得出近18年來的滇池鳳眼蓮覆蓋面積(表1)和其空間分布的的年際動(dòng)態(tài)變化(圖5)。

表1 鳳眼蓮提取面積

圖5 鳳眼蓮空間分布位置變化

由表1可得，本文2013年鳳眼蓮提取面積為實(shí)地觀測(cè)驗(yàn)證鳳眼蓮估算面積的81.4%，2017年鳳眼蓮提取面積與實(shí)地觀測(cè)驗(yàn)證鳳眼蓮估算面積存在9.0%的偏差。從圖5可以看出，2013和2017年鳳眼蓮空間分布與實(shí)地觀測(cè)驗(yàn)證大致相符；2000—2017年中，滇池鳳眼蓮空間分布呈現(xiàn)分散-集中-再分散的變化，其主要分布在滇池沿岸地區(qū)，特別是滇池外海北部區(qū)域。滇池出現(xiàn)鳳眼蓮空間分布集中的現(xiàn)象是由于規(guī)?；仞B(yǎng)鳳眼蓮的影響，出現(xiàn)再分散的情況可能是因?yàn)榭仞B(yǎng)鳳眼蓮的圍網(wǎng)年久失修，導(dǎo)致鳳眼蓮逃逸。

3.1 鳳眼蓮提取面積逐年迭代統(tǒng)計(jì)值分析

本文采用最大值、最小值、極差、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差5種統(tǒng)計(jì)特征因子對(duì)鳳眼蓮提取面積進(jìn)行逐年迭代統(tǒng)計(jì)和分析。由表1和圖6可知，鳳眼蓮提取面積從2000—2012年整體處于波動(dòng)變化，2012年以后整體變化處于平緩。由表2和圖6可知，鳳眼蓮提取面積逐年迭代統(tǒng)計(jì)值中：最大值和極差從2000—2006年不斷增大，2006年達(dá)到最大，此后不再變化；最小值從2000—2005年不斷減小，2005年達(dá)到最小，此后不再變化；平均值從2000—2006年處于波動(dòng)變化，2006年以后處于平穩(wěn)變化；標(biāo)準(zhǔn)差從2000—2006年不斷增大，2006年達(dá)到最大，此后緩慢變小。此外，5種統(tǒng)計(jì)特征因子在2006年的增長率值都達(dá)到了最大，并且與其他年份的統(tǒng)計(jì)特征因子增長率值相比均相差較大。

表2 鳳眼蓮提取面積逐年迭代統(tǒng)計(jì)值 hm2

圖6 鳳眼蓮面積變化及其逐年迭代統(tǒng)計(jì)值變化

綜合以上分析可得，2000—2017年中，滇池鳳眼蓮覆蓋面積前期2000—2011年整體呈現(xiàn)波動(dòng)性變化，后期2012—2017年整體變化趨于平緩，期間2006年滇池鳳眼蓮覆蓋面積出現(xiàn)陡然上升變化，說明2006年滇池鳳眼蓮覆蓋面積發(fā)生了劇烈變化，表明預(yù)防鳳眼蓮失控后肆虐生長刻不容緩，同時(shí)也說明了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)滇池入侵物種鳳眼蓮的重要性。從2012年開始，鳳眼蓮提取面積整體變化趨于平緩，這是由于從2011年開始，在滇池人工控制性種養(yǎng)鳳眼蓮減緩了其鳳眼蓮覆蓋面積的變化趨勢(shì)。

3.2 鳳眼蓮覆蓋區(qū)域NDVI統(tǒng)計(jì)值分析

歸一化植被指數(shù)(NDVI)是反映土地覆蓋植被狀況的一種重要的遙感指標(biāo)。本文采用平均值、標(biāo)準(zhǔn)差2種統(tǒng)計(jì)特征因子對(duì)鳳眼蓮提取面積區(qū)域的NDVI值進(jìn)行逐年統(tǒng)計(jì)和分析。從圖7可以看出，鳳眼蓮提取面積區(qū)域的NDVI值逐年統(tǒng)計(jì)值中：平均值從2000—2017年整體變化較小，標(biāo)準(zhǔn)差從2000—2006年處于波動(dòng)變化，2006年以后處于平穩(wěn)變化。此外，2種統(tǒng)計(jì)特征因子在2006年的增長率值都達(dá)到了最大，并且與其他年份的統(tǒng)計(jì)特征因子增長率值相比均差別較大。

圖7 鳳眼蓮覆蓋區(qū)域NDVI統(tǒng)計(jì)值變化

綜合以上分析可得，2000—2017年中，滇池鳳眼蓮生長狀態(tài)和群落蓋度大致相似；2006年，NDVI值標(biāo)準(zhǔn)差增長率值達(dá)到最大，出現(xiàn)陡然上升變化，說明2006年滇池鳳眼蓮植被狀況發(fā)生了顯著變化。

4 結(jié)束語

連續(xù)長時(shí)間序列遙感影像監(jiān)測(cè)可以動(dòng)態(tài)分析滇池鳳眼蓮時(shí)空變化，基于時(shí)間序列的統(tǒng)計(jì)特性的變化檢測(cè)方法可以發(fā)現(xiàn)異常變化的發(fā)生及其發(fā)生的時(shí)刻。本文通過研究，得出以下結(jié)論：2013年、2017年鳳眼蓮提取面積精度分別達(dá)到了81.4%和91%，2年監(jiān)測(cè)的鳳眼蓮空間分布與實(shí)際大致相符。2000—2017年中，滇池鳳眼蓮覆蓋面積由前期2000—2011年整體波動(dòng)性變化到后期2012—2017年整體平緩變化發(fā)展，其中2006年波動(dòng)較大，空間分布呈現(xiàn)分散-集中-再分散的變化，其主要分布在滇池沿岸地區(qū)，特別是滇池外海北部區(qū)域。2000—2017年中，滇池鳳眼蓮生長狀態(tài)和群落蓋度大致相似，但是，2006年滇池鳳眼蓮植被狀況發(fā)生了顯著變化。本研究分析了滇池鳳眼蓮年際的動(dòng)態(tài)變化，下一步可以研究其月際的動(dòng)態(tài)變化。