基于遙感反演的鴨綠江河口濕地植被覆蓋度變化分析

張春鵬，李富祥

(遼東學(xué)院 城市建設(shè)學(xué)院，遼寧 丹東 118003)

植被是物質(zhì)和能量交換的重要媒介，連接著地球上的陸地、水體以及大氣，在整個(gè)陸地能量交換、水分循環(huán)和生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用[1]。植被覆蓋度可定義為單位面積內(nèi)植被的垂直投影面積，它是衡量地表植被狀況的一個(gè)最重要的指標(biāo)，也是許多學(xué)科的重要參數(shù)，對(duì)于生態(tài)環(huán)境的評(píng)估非常重要。在區(qū)域大面積植被覆蓋度調(diào)查中，同步觀測(cè)取得的數(shù)據(jù)非常寶貴，遙感技術(shù)可以綜合反映區(qū)域內(nèi)植被、地貌、水文等多方面信息，為植被覆蓋度研究提供持久有效的技術(shù)支撐，目前已形成以遙感技術(shù)為主要手段的植被覆蓋度研究技術(shù)路線。顧羊羊等[2]基于MOD13Q1影像數(shù)據(jù)，采用像元二分法模型計(jì)算植被覆蓋度，分析2000—2015年黔西南州植被覆蓋時(shí)空變化特征及未來(lái)變化趨勢(shì)，以及氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)植被覆蓋變化的影響。龐家泰等[3]基于MODIS-NDVI數(shù)據(jù)，結(jié)合像元二分法模型計(jì)算植被覆蓋度，利用趨勢(shì)分析、Hurst指數(shù)進(jìn)行渭河流域2000—2019年植被覆蓋度的空間演變特征及變化進(jìn)行趨勢(shì)分析。龍爽等[4]利用2000—2017年250 m分辨率MODIS-EVI長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)，采用像元二分模型定量估算中國(guó)自2000年來(lái)植被覆蓋度的時(shí)空變化,并從省域尺度分析中國(guó)植被覆蓋度近18年以及未來(lái)趨勢(shì)變化的時(shí)空分異特征。

從國(guó)土空間規(guī)劃的角度來(lái)看，2019年5月，中央印發(fā)關(guān)于建立國(guó)土空間規(guī)劃體系并監(jiān)督實(shí)施的若干意見(jiàn)，強(qiáng)調(diào)對(duì)于海岸帶等各專項(xiàng)規(guī)劃的指導(dǎo)約束作用，指出加強(qiáng)自然岸線的環(huán)境整治和生態(tài)修復(fù)，減少圍填海項(xiàng)目，限制近岸養(yǎng)殖種類和規(guī)模，逐步恢復(fù)遭到破壞的海洋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。濕地生態(tài)系統(tǒng)的形成與演變漫長(zhǎng)而復(fù)雜，其環(huán)境特殊、敏感、脆弱，植被覆蓋度與人為活動(dòng)密切相關(guān)，建設(shè)區(qū)域擴(kuò)展、填海造陸、鹽堿地再利用、新區(qū)開發(fā)等活動(dòng)對(duì)植被覆蓋度都有較大影響。鴨綠江河口濕地的植被覆蓋度指標(biāo)是表征地區(qū)地表植被狀況的重要參數(shù),也是影響土壤侵蝕與水土流失的主要因素,對(duì)區(qū)域環(huán)境變化和監(jiān)測(cè)具有重要作用。鴨綠江河口濕地保護(hù)區(qū)所代表的生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)于溫帶濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能等方面的研究具有重要意義，近年來(lái)相關(guān)研究逐步增多[5-7]。本研究以鴨綠江河口濕地為研究區(qū)域，利用遙感影像對(duì)研究區(qū)域植被覆蓋度進(jìn)行反演，為以后的濕地治理、保護(hù)、持久利用及生態(tài)恢復(fù)等方面提供數(shù)據(jù)支持。

1 數(shù)據(jù)源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

遼寧鴨綠江河口濕地國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)地處中國(guó)海岸線的最北端，建立于1987年，1997年晉升為國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，并對(duì)鴨綠江口濱海濕地劃分了功能區(qū)[8]，區(qū)內(nèi)陸地、灘涂、海洋3大生態(tài)系統(tǒng)交匯過(guò)渡，濕地土壤主要有濱海鹽土、潮灘鹽土、草甸土、鹽化沼澤土、水稻土及棕壤。保護(hù)區(qū)位于東北及華北植物區(qū)系的交匯處，區(qū)內(nèi)野生植物共337種，其中野大豆為國(guó)家Ⅱ級(jí)重點(diǎn)保護(hù)植物。保護(hù)區(qū)可視為一座巨大的天然基因庫(kù)，以被子植物、雙子葉植物為主，優(yōu)勢(shì)科的現(xiàn)象明顯，單種屬和少種屬占據(jù)比率較高，表現(xiàn)出一定殘遺性[9]。

1.2 遙感數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

采用的遙感數(shù)據(jù)為1981、1989、1995、2000、2006、2009、2015及2019年共8期陸地衛(wèi)星Landsat TM影像。空間分辨率1981年為60 m，其他時(shí)相為30 m，數(shù)據(jù)獲取時(shí)間均為9月。分析之前對(duì)遙感影像進(jìn)行裁剪、輻射校正等預(yù)處理，處理軟件為ERDAS IMAGINE和ArcGIS。

1.3 植被覆蓋度反演模型

1.3.1 像元二分模型

根據(jù)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)掃描成像原理，單個(gè)像元所代表的實(shí)際地面信息為多個(gè)地物的混合信息，即混合像元的分析數(shù)據(jù)。像元二分模型把像元信息P分解為由植被覆蓋產(chǎn)生的信息Pv和無(wú)植被覆蓋產(chǎn)生的信息Ps，即

P=Pv+Ps。

(1)

假設(shè)某像元中植被覆蓋度是f，無(wú)植被覆蓋的覆蓋度則為1-f。如果單個(gè)像元中被植被全部覆蓋得到的信息為Pveg，則植被覆蓋產(chǎn)生的信息Pv可以表示為

Pv=Pveg×f。

(2)

同理，如果單個(gè)像元中完全沒(méi)有植被覆蓋得到的信息為Psoll，無(wú)植被的土壤覆蓋產(chǎn)生的信息Ps可以表示為

Ps=Psoll×(1-f)。

(3)

將公式(2)與公式(3)代入公式(1)可知

P=Pveg×f+Psoll×(1-f)。

(4)

再經(jīng)變換后，得到該像元植被覆蓋度f(wàn)的公式為

f=(P-Psoll)/(Pveg-Psoll)，

(5)

公式中，Pveg和Psoll為二分模型的具備實(shí)際含義的2個(gè)參數(shù)，可用來(lái)計(jì)算植被覆蓋度。

1.3.2 植被指數(shù)模型應(yīng)用與評(píng)價(jià)

植被指數(shù)作為用來(lái)表征地表植被覆蓋和生長(zhǎng)狀況的度量參數(shù)，具有各自的優(yōu)勢(shì)和局限性。研究中選擇了4種植被指數(shù)：比值植被指數(shù)RVI、土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)SAVI、改進(jìn)型土壤大氣修正植被指數(shù)EVI和歸一化差值植被指數(shù)NDVI進(jìn)行比較[10]，4種植被指數(shù)的計(jì)算統(tǒng)計(jì)值如表1所示。結(jié)果中，NDVI指數(shù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差都大于其他3種指數(shù)，說(shuō)明鴨綠江河口濕地的NDVI指數(shù)能夠以更多的層次反映植被的狀況。

表1 植被指數(shù)統(tǒng)計(jì)值

對(duì)于植被全部覆蓋得到的信息Pveg和完全沒(méi)有植被覆蓋的信息Psoll來(lái)說(shuō)，其植被指數(shù)VIveg和VIsoll理論上應(yīng)為1和0，但由于遙感影像中的其他因素及噪聲影響，實(shí)際值會(huì)有所偏差，因此，計(jì)算時(shí)選擇置信度為5%，在置信區(qū)間(5%～95%)內(nèi)取值。在此基礎(chǔ)上，選擇研究期中段2000年9月的TM(主題成像儀)數(shù)據(jù)，采用空間插值法計(jì)算4種植被覆蓋度(圖1)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 植被覆蓋度統(tǒng)計(jì)值對(duì)比

由反演結(jié)果(圖1)及統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2)可知，利用不同植被指數(shù)估算的覆蓋度均值差異在2.5%之內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)差差異在0.1%之內(nèi)，無(wú)顯著差異。結(jié)果表明，4種植被指數(shù)模型反演覆蓋度均能夠較為準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)鴨綠江口濕地植被覆蓋度的反演。

執(zhí)行植被指數(shù)反演之后，需要對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。采用研究區(qū)域劃分分區(qū)的方式，隨機(jī)產(chǎn)生200個(gè)評(píng)價(jià)樣點(diǎn)，用QuickBird高空間分辨率影像驗(yàn)證估算得到植被覆蓋度的真實(shí)值，同時(shí)利用均方根誤差函數(shù)定量評(píng)價(jià)植被覆蓋度的精度。植被指數(shù)反演準(zhǔn)確度比較如表3所示，統(tǒng)計(jì)結(jié)果中NDVI植被指數(shù)準(zhǔn)確度要高于其他植被指數(shù)，最終選擇該指數(shù)作為研究區(qū)植被覆蓋度反演提取的模型。

表3 植被指數(shù)反演準(zhǔn)確度比較

2 結(jié)果與分析

2.1 植被覆蓋度遙感反演

將鴨綠江河口濕地植被覆蓋度分為5級(jí)：0～20%為極低植被覆蓋度；20%～40%為低植被覆蓋度；40%～60%為中等植被覆蓋度；60%～80%為高植被覆蓋度；80%～100%為極高植被覆蓋度。通過(guò)ERDAS軟件Modeler模塊將NDVI指數(shù)反演為植被覆蓋度，反演結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，研究區(qū)域整體植被覆蓋度以高和極高覆蓋度為主，中等覆蓋度主體位于城鎮(zhèn)周邊，低和極低覆蓋度主體為沿海灘涂與近岸養(yǎng)殖。

2.2 植被覆蓋度年際與級(jí)別變化分析

1981—2019年鴨綠江口濕地植被覆蓋度年際 變化過(guò)程如圖3所示。8次反演覆蓋度平均值為0.62，1989年植被覆蓋度最高值為0.69，2019年植被覆蓋度最低值為0.56，研究區(qū)域植被覆蓋度整體呈短暫上升后再下降趨勢(shì)。

對(duì)研究區(qū)1981—2019年的植被覆蓋度等級(jí)進(jìn)行類別統(tǒng)計(jì)分析，得到不同等級(jí)植被覆蓋度占比年度變化柱狀圖，如圖4所示。研究區(qū)域內(nèi)植被覆蓋等級(jí)以80%～100%為主，總體覆蓋度較高，占土地總面積的50.57%，但其占比呈下降趨勢(shì)。其他等級(jí)中，0～20%、20%～40%、40%～60%年度占比在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，但變化不大。60%～80%等級(jí)則呈上升趨勢(shì)。整體來(lái)看，鴨綠江口濕地在研究期間內(nèi)還保持著較高的植被覆蓋度，但已從極高覆蓋度向高覆蓋度進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

2.3 植被覆蓋度時(shí)空變化分析

分別以前后相鄰兩期影像為基礎(chǔ)，在ArcGIS軟件平臺(tái)中進(jìn)行空間疊加分析，計(jì)算出研究期間植被覆蓋度的分時(shí)段面積變化(表4)和空間變化規(guī)律(圖5)。1981—1989年，植被覆蓋度增加的區(qū)域主要分布在研究區(qū)東北部、北部及西北部，大部分位于濕地緩沖區(qū)，覆蓋度減少的區(qū)域主要分布在沿江地區(qū)，占研究區(qū)總面積的4.88%，與這一時(shí)期的灘涂養(yǎng)殖開發(fā)有關(guān)；1989—1995年，植被覆蓋度增加的面積為10.02 km2，分布在大洋河沿岸，減少的面積為36.69 km2,大部分位于東港市及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)，與大東港港口區(qū)的建設(shè)密切相關(guān)；1995—2000年，植被覆蓋度增加的區(qū)域分布在研究區(qū)東部東港市周邊，與這一時(shí)期的標(biāo)準(zhǔn)化農(nóng)田建設(shè)有關(guān)，而減少的區(qū)域分布在沿江灘涂區(qū)，覆蓋度減少面積占總面積的2.33%；2000—2006年，增加區(qū)域分布在大洋河口及沿岸地區(qū)，減少區(qū)域分布在大洋河西部、大孤山及東港市周邊；2006—2009年，這一期間植被覆蓋度明顯改善，植被覆蓋度增加的面積為47.93 km2，占研究區(qū)總面積的3.34%，主要位于沿大洋河兩岸及沿江灘涂，是填海造陸與鹽堿地再利用的集中區(qū)域，其植被狀況的好轉(zhuǎn)與人類開發(fā)綠化建設(shè)活動(dòng)密不可分，而減少的區(qū)域在研究區(qū)東部，與丹東新區(qū)的開發(fā)建設(shè)有關(guān)；與上一時(shí)段相反，2009—2015年，植被覆蓋度減少情況較明顯，面積減少76.99 km2，狀況變差的主要地區(qū)是城市周邊，這些區(qū)域中大量耕地被轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地，同時(shí)在部分濕地周邊也存在著覆蓋度減少的情況，增加的區(qū)域在研究區(qū)東部部分區(qū)域；2015—2019年，覆蓋度變化趨于平緩，增加與減少的區(qū)域零星分布，反映出無(wú)大規(guī)模建設(shè)與開發(fā)活動(dòng)。

表4 1981—2019年各時(shí)段植被覆蓋度面積變化情況 單位：km2

通過(guò)上述的時(shí)空變化分析來(lái)看，研究區(qū)植被覆蓋度較低的區(qū)域主要集中于東港市及各鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)用地、大東港港口。其中，濕地核心區(qū)域由于人類活動(dòng)干擾少，植被覆蓋度基本保持不變，而緩沖區(qū)變化劇烈。除灘涂與近海區(qū)域外，西部大洋河流域、大鹿島、獐島及大孤山地區(qū)和中部、東部山地植被覆蓋度較高，其他區(qū)域次之。濕地岸線附近的近海養(yǎng)殖區(qū)水域面積較大，植被覆蓋度也較低。

3 結(jié)論

1)1981—2019年，鴨綠江河口濕地保護(hù)區(qū)內(nèi)植被覆蓋度呈下降趨勢(shì)，整體雖保持較高的植被覆蓋度，但已由極高覆蓋度向較高覆蓋度進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

2)根據(jù)空間演進(jìn)結(jié)果來(lái)看，濕地核心區(qū)植被覆蓋變化比較平穩(wěn)。東部港口區(qū)、城市區(qū)域、大洋河兩岸及南部灘涂區(qū)域的波動(dòng)變化較高，與人類開發(fā)活動(dòng)、水體水位等因素密切相關(guān)。

3)自然植被占比較少，多集中于大洋河兩岸、保護(hù)區(qū)、海島等區(qū)域，其余多為人工種植的水稻田等農(nóng)業(yè)植被。人為活動(dòng)對(duì)濕地植被覆蓋度有較大影響，若不及時(shí)保護(hù)，典型的鴨綠江河口濕地植被環(huán)境將遭到不可逆的破壞，加重水土流失，減少水源涵養(yǎng)，降低其應(yīng)有的保護(hù)價(jià)值，對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響。