基于多源數(shù)據(jù)的濱海濕地調(diào)查及演變分析

朱曉靜（上海泓源建筑工程科技股份有限公司，上海 201707）

近年來，隨著我國(guó)對(duì)環(huán)境生態(tài)保護(hù)的重視，濕地資源的面積削減逐步減緩，生態(tài)資源逐步趨于穩(wěn)定，借助 3 S（Remote sensing、Geographical information system、Global position system）先進(jìn)技術(shù)對(duì)濕地科學(xué)及生態(tài)方面的研究成為目前研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。目前濕地的研究，內(nèi)陸濕地有較多研究資料，如周成新[1]對(duì)盤錦市濕地進(jìn)行調(diào)查及動(dòng)態(tài)變化分析；盧曉寧[2]對(duì)黃河三角洲濕地景觀格局演變規(guī)律及驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行了分析等，但對(duì)濱海濕地的研究分析相對(duì)較少。在國(guó)家高度重視發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)的背景下，研究濱海濕地資源動(dòng)態(tài)變化，合理利用沿海資源，對(duì)國(guó)家及地方的發(fā)展具有重要的意義。

本文以杭州灣北岸濱海濕地為例，以衛(wèi)星遙感影像、土地外業(yè)矢量圖斑及無人機(jī)正射影像為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，通過ArcGIS 空間疊置分析，探討杭州灣濱海濕地類型、面積以及演變分析，為科學(xué)管理海洋資源、加強(qiáng)濱海濕地保護(hù)、開展近岸海域整治修復(fù)類項(xiàng)目提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

杭州灣為喇叭口型河口灣形態(tài)，西接錢塘江，東瀕舟山群島通東海，北臨杭嘉湖平原與長(zhǎng)江口毗鄰，南岸為三北平原。杭州灣北岸研究區(qū)主要是指上海境內(nèi)段，包括浦東新區(qū)（臨港）、奉賢、金山三區(qū)，西起金山區(qū)西界東抵南匯新城的沿海區(qū)域，研究區(qū)長(zhǎng)度 79 km。杭州灣北岸以上海市為腹地，受經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響，眾多港口及大型工程紛紛落建于此，對(duì)沿海環(huán)境造成較大的影響。

2 數(shù)據(jù)源及研究路線

2.1 數(shù)據(jù)源

本文數(shù)據(jù)主要包括土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)（2021 年）、2021 年衛(wèi)星影像（精度優(yōu)于 1 m 的影像圖）、2021 年無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)以及 2019 年杭州灣北岸濕地成果數(shù)據(jù)。

2.2 濕地分類體系

目前土地分類體系根據(jù)利用方式、用途等因素存在不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，濕地分類體系也根據(jù)不同的土地分類標(biāo)準(zhǔn)存在較大的差異。本研究旨在查清濕地資源的數(shù)量、分布、結(jié)構(gòu)等多維度信息，在研究初期選擇《全國(guó)濕地資源調(diào)查技術(shù)規(guī)程（試行）》濕地分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，濕地劃分 5 類34 型，將土地變更調(diào)查矢量成果中的濕地類型進(jìn)行轉(zhuǎn)換銜接，形成本研究濕地分類體系。

2.3 基于多源數(shù)據(jù)的處理方法

收集各類影像數(shù)據(jù)及外業(yè)矢量數(shù)據(jù)，制作 2021 年度杭州灣北岸濕地?cái)?shù)據(jù)，套合 2019 年數(shù)據(jù)進(jìn)行 GIS（Geographical Information System ）空間數(shù)據(jù)分析，研究路線如圖 1 所示。

圖1 研究路線

3 多源數(shù)據(jù)分析處理

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

將多源數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)及高程系統(tǒng)。利用 ArcGIS 平臺(tái)套合 2021 年土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)、2019 年杭州灣北岸濕地成果數(shù)據(jù)、2021 年衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加分析，以 2019 年杭州灣北岸濕地?cái)?shù)據(jù)為基準(zhǔn)，確定濕地類型變化及濕地圖斑密集區(qū)域，進(jìn)行無人機(jī)外業(yè)航攝數(shù)據(jù)采集。對(duì)未變化區(qū)域，以土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)為底圖，導(dǎo)入濕地調(diào)查類型模型，進(jìn)行外業(yè)實(shí)地核查并采集影像信息。

3.2 無人機(jī)外業(yè)航攝

無人機(jī)外業(yè)航攝主要基于無人機(jī)遙感技術(shù)，即利用無人機(jī)搭載遙感傳感器，結(jié)合遙測(cè)遙控技術(shù)、邊緣計(jì)算技術(shù)、無線通信技術(shù)、GIS 地理信息技術(shù)和 GPS 定位技術(shù)等獲取影像數(shù)據(jù)，并對(duì)影像實(shí)行同步傳輸，完成影像數(shù)據(jù)的處理、建模及分析[3]。本次采用“大疆精靈 4”無人機(jī)進(jìn)行外業(yè)影像采集，依據(jù)研究區(qū)域地形、地貌、自然氣候設(shè)計(jì)航拍方案，設(shè)置航攝比例尺、重疊度、航攝時(shí)間、航拍高度等因子進(jìn)行外業(yè)航攝，內(nèi)業(yè)采用 PIX 4 軟件進(jìn)行處理生成正射影像圖。本次研究共計(jì)飛行面積約 9.97 km2。

3.3 分析處理

以研究區(qū)范圍內(nèi) 2021 年土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)為底圖，在GIS 中套合 2021 年衛(wèi)星影像、無人機(jī)正射影像，結(jié)合外業(yè)數(shù)據(jù)資料及本研究濕地分類標(biāo)準(zhǔn)，利用人工目視解譯法對(duì)研究區(qū)濕地類型進(jìn)行修正更新，形成 2021 年杭州灣北岸濕地圖斑，因文章幅面有限，選取杭州灣北岸東部及中部部分區(qū)域效果圖如圖 2、圖 3 所示。

圖2 2021 年杭州灣北岸濕地圖斑（東部）

圖3 2021 年杭州灣北岸濕地圖斑（中部）

3.4 變化檢測(cè)

在 ArcGIS 平臺(tái)中以 2019 年杭州灣北岸濕地圖斑為基準(zhǔn)，標(biāo)識(shí)分析 2019 年與 2021 年杭州灣北岸濕地調(diào)查結(jié)果，檢測(cè)出發(fā)生變化區(qū)域及具體變化的類別信息，得出 2021 年杭州灣北岸濕地變化圖斑，直觀顯示區(qū)域變化情況。

4 空間演變分析

4.1 數(shù)量變化分析

將 2019 年、2021 年杭州灣北岸各濕地類型在 ArcGIS中進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)見表 1。

表1 杭州灣北岸各濕地類型面積表

由表 1 可知，2019 年杭州灣北岸的濕地面積為55.150 0 km2，2021 年濕地面積為 53.409 8 km2，濕地總數(shù)減少1.740 2 km2，其中自然濕地面積減少 1.184 2 km2，人工濕地減少 0.556 0 km2。從數(shù)據(jù)上看，自然濕地中面積增加部分以淺海水域、草本沼澤面積變化為主，分別增加6.316 0 km2、1.104 2 km2，減少部分以淤泥質(zhì)海灘、潮下水生層面積變化為主，分別減少 6.715 0 km2、1.184 2 km2，其次是三角洲/沙洲/沙島面積減少 0.285 1 km2、森林沼澤面積減少 0.253 5 km2，其余面積變化不超過 0.200 0 km2；人工濕地各類型均呈面積減少的情況，稻田/冬水田及水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)面積減少較多，分別為 0.300 7 km2、0.250 9 km2，其余變化量 ＜1 km2。

4.2 動(dòng)態(tài)變化分析

對(duì)杭州灣北岸濕地進(jìn)行土地利用動(dòng)態(tài)變化分析，得出在研究期內(nèi)各濕地的動(dòng)態(tài)變化，可清楚了解各類濕地的變化速度及規(guī)模。結(jié)合調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì) 2019 - 2021 年杭州灣北岸濕地進(jìn)行土地利用變化幅度及土地利用類型動(dòng)態(tài)度分析。土地利用變化幅度是指土地利用類型在研究期內(nèi)面積的變化幅度，可反映區(qū)域土地利用變化總態(tài)勢(shì)和土地利用結(jié)構(gòu)變化信息；土地利用類型動(dòng)態(tài)度指在一定時(shí)期內(nèi)某種類型土地利用的變化量情況[4]。表達(dá)式如式（1）、式（2）。

其中Ua、Ub分別為土地利用類型初期、末期數(shù)量，T為研究時(shí)間。表 2 為杭州灣北岸濕地動(dòng)態(tài)變化情況。

表2 杭州灣北岸濕地動(dòng)態(tài)變化情況

由表 2 可知，以土地利用變化幅度及動(dòng)態(tài)度指標(biāo)來分析，人工濕地變化最大，變化幅度及動(dòng)態(tài)度值分別為-47.51%及-23.75%，面積減少 0.556 0 km2；建設(shè)用地變化幅度為 11.47%，年均增加速度為 5.74%，雖近些年對(duì)沿海區(qū)域濕地及用海嚴(yán)加控制，面積仍增加了 0.468 2 km2；沼澤濕地變化幅度為 10.37%，年均增加速度為 5.18%，面積增加 0.850 7 km2；河流濕地變化幅度為-9.95%，年均減少4.97%，面積減少 0.122 3 km2；近海與海岸濕地面積減少量為 1.912 6 km2，從濕地類型量上變化最大，但由于基礎(chǔ)基數(shù)較大，變化幅度及動(dòng)態(tài)度相對(duì)較小，分別為-4.29%、-2.15%。

4.3 位置轉(zhuǎn)換分析

為直觀分析濕地空間位置的變化情況，將杭州灣北岸2019 年、2021 年濕地矢量數(shù)據(jù)利用 ArcGIS 進(jìn)行空間相交疊加分析，得到兩個(gè)時(shí)期濕地面積的空間轉(zhuǎn)移矩陣見表 3。

表3 2019—2021 濕地面積轉(zhuǎn)移矩陣單位：km2

由表 3 可知，2019—2021 年杭州灣北岸濕地中近海與海岸濕地面積變化最大，向沼澤濕地轉(zhuǎn)變 1.735 7 km2，向河流濕地轉(zhuǎn)變 0.151 0 km2，向建設(shè)用地轉(zhuǎn)變 0.116 9 km2，向人工濕地轉(zhuǎn)變 0.051 4 km2；其次為沼澤濕地，向河流濕地轉(zhuǎn)變 0.634 5 km2，向建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)?0.281 4 km2，向人工濕地轉(zhuǎn)變 0.102 3 km2；人工濕地向河流濕地轉(zhuǎn)變0.250 2 km2，向建設(shè)用地轉(zhuǎn)變 0.043 1 km2，向沼澤濕地轉(zhuǎn)變 0.343 5 km2；建設(shè)用地轉(zhuǎn)變相對(duì)較少，分別向河流濕地轉(zhuǎn)變 0.001 3 km2，向近海與海岸濕地轉(zhuǎn)變 0.058 5 km2，向沼澤濕地轉(zhuǎn)變 0.011 4 km2。

4.4 景觀格局分析

景觀格局指大小和形狀各異的景觀要素在空間上的排列和組合，景觀格局指數(shù)能高度濃縮景觀格局的信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些方面特征的簡(jiǎn)單定量指標(biāo)，通過對(duì)景觀格局指數(shù)的分析，可在一定程度上從空間格局反應(yīng)景觀系統(tǒng)功能的變化和空間結(jié)構(gòu)的度量化[5]?？紤]杭州灣北岸濕地從斑塊數(shù)量形狀及鑲嵌結(jié)構(gòu)等因素進(jìn)行分析，同時(shí)借鑒往期學(xué)者研究資料[1,5-7]，選取7個(gè)景觀水平指標(biāo)，運(yùn)用 Fragstats 4.2 軟件進(jìn)行分析，計(jì)算得出景觀水平指數(shù)見表 4。

表4 2019年、2021 年杭州灣北岸濕地景觀水平指數(shù)

由表 4 可知，2019 年至 2021 年杭州灣北岸濕地空間格局變化情況：斑塊密度指數(shù)（PD）增加，說明斑塊破碎化提升，景觀空間的異質(zhì)性增加；最大斑塊指數(shù)（LPI）減少，說明杭州灣北岸最大斑塊近海與海岸濕地面積有所減少；景觀形狀指數(shù)（LSI）增大，表明在人類活動(dòng)的影響下，斑塊形狀更加復(fù)雜化；蔓延度指數(shù)（CONTAG）下降，表明斑塊的團(tuán)聚程度和延展趨勢(shì)下降，斑塊趨于破碎化；散布與并列指數(shù)（IJI）增加，說明景觀各斑塊相鄰類型增加，相鄰景觀類型豐富度提升；香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）與香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）均略有增加，表明各類型斑塊趨于均衡化分布，所占比率也趨均勻化，但整體變化不大。

5 結(jié) 語

本文借助現(xiàn)代遙感影像和 GIS 技術(shù)，采用土地利用結(jié)構(gòu)變化、構(gòu)建空間位置轉(zhuǎn)換模型及景觀格局指數(shù)等方式，在時(shí)空序列及空間尺度上進(jìn)行演變分析，總體展現(xiàn)杭州灣北岸濕地變化情況，為杭州灣北岸濕地資源景觀動(dòng)態(tài)分析提供數(shù)據(jù)資料。數(shù)據(jù)分析顯示，2021 年比 2019 年杭州灣濕地面積總體趨于減少，近海與海岸濕地類型減少量最大，近海與海岸濕地向沼澤濕地變化，自然濕地間相互轉(zhuǎn)化較為密切，杭州灣北岸濕地呈現(xiàn)斑塊破碎化及景觀空間異質(zhì)性增加、景觀各類型呈均衡化分布的趨勢(shì)。

由于研究區(qū)濕地資源數(shù)據(jù)有限，研究時(shí)間跨度較短，在時(shí)空序列及空間演變分析方面存在一定的局限性，后期積累一定時(shí)期的數(shù)據(jù)資料、改善研究方法以獲取更加精準(zhǔn)專業(yè)數(shù)據(jù)，為合理利用濱海資源、有效保護(hù)濱海生態(tài)提供有價(jià)值的參考。