基于無人機遙感監(jiān)測的互花米草破碎斑塊分布特征研究

岳英潔,朱玉玲,畢永坤,賀志鵬*

(1.山東省淡水漁業(yè)研究院，山東 濟南 250013；2.山東省海洋工程咨詢協(xié)會，山東 濟南 250013)

引 言

互花米草是海岸帶鹽沼生態(tài)系統(tǒng)中入侵性最強的生物之一，被列入我國第一批入侵物種名冊，被認(rèn)為是我國濱海濕地中影響最大的入侵植物[1]。互花米草的空間分布監(jiān)測和入侵模式研究[2-12]、環(huán)境影響[13-21]、治理方法和效果[22-25]等也成為研究熱點。

王娟等[12]的研究表明，互花米草的入侵?jǐn)U張模式分為外部隔離式擴張、邊緣式擴張和潮溝引領(lǐng)式擴張。其中，外部隔離擴張模式是互花米草在早期入侵潮灘時開拓新生境的主要方式，即成熟的互花米草種子隨海流、潮汐飄散開拓新生境，逐步成長為近似圓形的破碎斑塊，再通過分蘗繁殖逐步連接成帶狀斑塊。破碎斑塊由于局部面積小，米草分散，生長稀疏，是治理的優(yōu)先選擇區(qū)域，但一旦錯過擴張初期，斑塊發(fā)展至規(guī)?；螅卫黼y度和治理成本將大幅增長，給生態(tài)環(huán)境和地方財政帶來巨大壓力。因此，相較于目前較熱的互花米草覆蓋度研究，開展破碎斑塊的精準(zhǔn)監(jiān)測和分布特征研究更有針對性和實用性，可以及時發(fā)現(xiàn)新生株苗，盡早采取合理應(yīng)對措施，降低大面積爆發(fā)風(fēng)險。

衛(wèi)星遙感是獲取地面現(xiàn)實數(shù)據(jù)的有效方法，但受灘涂區(qū)氣候條件的影響，高分辨率衛(wèi)星影像獲取難度較大，中低分辨率的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反映的植被光譜特性差異度不足，植被信息提取時存在一定局限，因此衛(wèi)星遙感比較適合開展大范圍、長時間序列監(jiān)測[2-6]。野外調(diào)查經(jīng)驗表明，互花米草至少入侵三年以后，才能從遙感影像上解譯出來，遙感解譯結(jié)果有一定的滯后效應(yīng)[8]。與衛(wèi)星相比，無人機具有空間分辨率更高、執(zhí)行任務(wù)靈活、可有效避開云層遮擋、自主性強等特點，在精準(zhǔn)識別和有效提取碎小斑塊植被信息方面具有明顯優(yōu)勢[7]。

本次研究以山東省互花米草分布范圍為研究區(qū)，以低空無人機航攝獲取的2020年7月精度優(yōu)于0.1 m的可見光影像為數(shù)據(jù)源，提取山東省互花米草植被覆蓋信息，據(jù)此進(jìn)行破碎斑塊分布特征研究，為互花米草分區(qū)治理和海洋生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)提供技術(shù)依據(jù)。

1 研究方法及信息提取

1.1 研究區(qū)

山東省位于我國東部沿海，海岸線長度約占全國海岸線長度總和的1/6，沿海灘涂面積約占全國總面積的15%。

本次研究區(qū)涉及山東省互花米草入侵的18個沿?？h海岸帶灘涂濕地部分，具體位置和范圍根據(jù)2019年山東省互花米草衛(wèi)星遙感解譯結(jié)果確定，主要包括：東營市黃河口保護區(qū)、套爾河口、挑河口、小清河口、支脈河口、萊州灣沿海灘涂、乳山灣沿海灘涂、丁字灣沿海灘涂、膠州灣沿海灘涂、安家河口河道、付疃河口沿岸等。研究區(qū)位置和范圍見圖1。

1.2 研究方法

本次研究的技術(shù)路線見圖2。

1.2.1 無人機航攝和影像處理

對省內(nèi)互花米草覆蓋范圍廣、常規(guī)航空攝影面積較大的區(qū)域選用奮斗者固定翼無人機航攝系統(tǒng)進(jìn)行常規(guī)航空攝影，載荷索尼A7R相機，配置35 mm定焦鏡頭。對互花米草覆蓋較零散的區(qū)域選用大疆精靈4RTK旋翼無人機航攝系統(tǒng)進(jìn)行航空攝影，載荷FC6310R型號相機，配置8.8 mm定焦鏡頭。

本研究各測區(qū)位于沿海區(qū)域，地形相對平坦，海拔高度均在10 m以下，最大高差低于5 m。根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》，本著有利于縮短成圖周期，降低成本，提高測繪綜合效益的原則進(jìn)行飛行規(guī)劃設(shè)計，飛行航攝指標(biāo)見表1。

表1 飛行規(guī)劃設(shè)計

對外業(yè)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和質(zhì)量檢查，利用Pix4D mapper軟件進(jìn)行像控點加密、空三平差、特征點匹配、數(shù)據(jù)拼接等操作，生成正射影像圖。生成的正射影像圖和數(shù)字高程模型能夠完全覆蓋測區(qū)矢量，正射影像圖無明顯鑲嵌線痕跡，地物無扭曲、變形和色彩不均勻等現(xiàn)象。

1.2.2 互花米草斑塊信息提取

本次研究利用計算機分類和人工解譯相結(jié)合的方法進(jìn)行互花米草斑塊信息的提取。對于航攝處理后得到的無人機正射影像，選擇具有代表性的最大似然分類方法，進(jìn)行互花米草的分類識別。為了增強植被信息，提高解譯質(zhì)量，計算可見光波段差異植被指數(shù)等，來突出分類特征，對于互花米草和蘆葦混合交錯地帶，參考使用了高分辨率遙感影像的互花米草和蘆葦混合交錯帶提取方法[3]?；セ撞莸奶崛》诸惤Y(jié)果中常常含有非常細(xì)碎的小斑塊，這些小斑塊的存在會影響分類結(jié)果的實用性和美觀度。本次研究在互花米草斑塊信息的提取過程中，利用ENVI和Arcgis等專業(yè)圖像處理軟件對分類結(jié)果中的碎斑和矢量空洞進(jìn)行了后處理。首先，刪除提取結(jié)果中過于破碎化的斑塊，主要是判定和剔除掉一些除互花米草斑塊之外的錯誤信息，根據(jù)互花米草實際生長過程中單個植株最小面積，判定分類結(jié)果中面積有誤的碎斑進(jìn)行刪除。然后對于互花米草信息提取矢量結(jié)果中的空洞，進(jìn)行填充和合并處理，得到了最終互花米草圖斑的分布信息。另外，為保障斑塊信息提取結(jié)果精度，對研究區(qū)內(nèi)存疑斑塊信息進(jìn)行了現(xiàn)場核實驗證，驗證結(jié)果表明，斑塊信息提取結(jié)果精度良好，可以作為本次研究的基礎(chǔ)資料。

1.2.3 評價指標(biāo)建立和統(tǒng)計分析

以沿海各縣作為研究的區(qū)域單元。選取單個面積小于10 m2和小于1 m2的斑塊作為代表性破碎斑塊，根據(jù)系統(tǒng)性和層次性原則、指標(biāo)與目標(biāo)相關(guān)性原則以及簡明和可操作原則設(shè)置破碎斑塊分布特征三級評價指標(biāo)，見表2。

表2 互花米草破碎斑塊分布特征評價指標(biāo)

三級指標(biāo)中D10和D1表示互花米草斑塊的破碎化程度，數(shù)值越大表明該單元的互花米草破碎斑塊占比越大、入侵時間越短、入侵成熟度越低；S10和S1表示破碎化斑塊規(guī)模大小，數(shù)值越大表明該縣的破碎斑塊數(shù)量占全省同類斑塊數(shù)的比重越大，潛在的爆發(fā)擴散性越強。根據(jù)各縣的指標(biāo)情況，判別當(dāng)前所處的入侵階段，預(yù)測下一步擴張趨勢。

2 結(jié)果分析

2020年7月，利用固定翼無人機航攝系統(tǒng)完成73個有效架次飛行，獲取像片9 860張，航攝面積146 km2。利用旋翼無人機航攝系統(tǒng)完成240個有效架次飛行，獲取像片33 324張，航攝面積132 km2。本研究共獲取像片43 184張，總航攝面積278 km2。

2.1 山東省互花米草分布和斑塊破碎化情況

根據(jù)無人機遙感監(jiān)測結(jié)果，山東省互花米草的覆蓋范圍北至濱州市套爾河口岸灘，南至日照市付疃河口，主要生長在海灣和河口區(qū)域。山東黃河三角洲國家級自然保護區(qū)仍為山東省互花米草覆蓋范圍最集中的區(qū)域，在黃河入?？谀媳眱蓚?cè)成密集的連片分布。萊州灣、膠州灣、丁字灣、乳山灣內(nèi)的互花米草均大量覆蓋生長，其中以萊州灣互花米草的分布較為廣泛，從西側(cè)的支脈河口、小清河口、橫跨到昌邑市濰河河口，最東至萊州市的太平灣附近。除了主要的海灣河口，在高潮時海水可到達(dá)的小河溝里也遍布生長著互花米草群落，如萊州市的朱旺港、龍王河等河道，破碎斑塊主要散布在已成片互花米草的周邊區(qū)域或者河溝河汊處。

山東省互花米草斑塊總數(shù)為88 849個，其中單個面積小于10 m2的斑塊有71 462個，占全省總數(shù)的80.43%；單個面積小于1 m2的斑塊有32 887個，占全省總數(shù)的37.01%。山東省內(nèi)互花米草入侵的18個沿?？h的破碎斑塊分布特征指標(biāo)中，D10最小值為47.73%、最大值為93.39%，D1最小值為0.03%、最大值為78.27%，有14個沿?？h的D10值超過了70%?？傮w上看，山東省互花米草破碎化程度較高，潛在的擴散性較強，多處區(qū)域存在大規(guī)模爆發(fā)的可能。本文對各沿?？h的互花米草破碎斑塊分布情況進(jìn)行了整理，對于落在縣界邊緣線上的互花米草斑塊歸入兩臨界縣中占用面積較大的縣域內(nèi)，詳見表3。

表3 各縣互花米草破碎斑塊分布情況

2.2 不同入侵階段的代表縣破碎斑塊特征分析

2.2.1 以F縣為代表的入侵成熟期

入侵成熟期的指標(biāo)特征為D10和D1數(shù)值偏小。F縣互花米草斑塊總數(shù)為3 258個，其中單個面積<10 m2的斑塊數(shù)量不足F縣斑塊總量半數(shù)，D10值僅為47.73%；單個面積<1 m2的斑塊僅有1個，D1值0.03%。S10和S1表示破碎斑塊在全省的規(guī)模比重，主要用以預(yù)測下一階段的爆發(fā)強度，F(xiàn)縣S10值僅為2.18%，S1值為0.00%，下一階段的爆發(fā)強度相對較小。

根據(jù)本次無人機遙感監(jiān)測結(jié)果，F(xiàn)縣互花米草覆蓋面積占全省總面積的57.44%，超過全省半數(shù)，區(qū)域內(nèi)互花米草長勢密集，除個別區(qū)域呈現(xiàn)出外部隔離式擴張?zhí)匦酝?，總體上屬于典型的邊緣擴散式增長。F縣在1990年前后開始引種互花米草[26]，引種時間較早，入侵時間較長，也驗證了本研究觀點。F縣互花米草分布情況見圖3。

根據(jù)評價指標(biāo)特征，E縣、K縣等也具備部分入侵成熟期特點，說明縣域內(nèi)已有部分互花米草斑塊進(jìn)入或即將進(jìn)入入侵成熟期。

圖3 F縣互花米草分布范圍

2.2.2 以J縣為代表的快速擴張期

快速擴張期的指標(biāo)特征為D10和D1在全省中等值附近，S10和S1值較大。J縣互花米草斑塊總數(shù)為8 657個，D10值為79.82%，D1值為35.43%，從全省來看D10和D1值位列中等；J縣的S10值為9.67%，S1值為9.33%，破碎斑塊規(guī)模占比較大。

根據(jù)本次無人機遙感監(jiān)測結(jié)果，J縣有部分互花米草已經(jīng)集中連片，以邊緣擴散式向斑塊外緣方向增長。大部分互花米草呈現(xiàn)出外部隔離式擴張?zhí)卣?，破碎斑塊數(shù)量較多，呈離散分布狀態(tài)，且有向海一側(cè)擴張的趨勢。對比2019年衛(wèi)星遙感解譯結(jié)果，J縣2019—2020年互花米草擴散速度在全省屬于較快的區(qū)域[8]。J縣互花米草總體分布和破碎斑塊分布情況見圖4。

圖4 J縣互花米草分布范圍

根據(jù)評價指標(biāo)特征，G縣、H縣、L縣和P縣等也具備快速擴張期特點。

2.2.3 以A縣為代表的潛在爆發(fā)期

潛在爆發(fā)期的指標(biāo)特征為D10、D1、S10、S1數(shù)值均較大。A縣的互花米草斑塊總數(shù)為7 670個，其中單個面積<10 m2的斑塊數(shù)量達(dá)到7 163個，D10值為93.39%；單個面積<1 m2的斑塊達(dá)5 807個，D1值為75.71%。處于潛在爆發(fā)期的區(qū)域破碎斑塊規(guī)模也較大，S10值達(dá)到為10.02%，S1值達(dá)到17.66%。

根據(jù)本次無人機遙感監(jiān)測結(jié)果，A縣除個別區(qū)域的互花米草集中連片外，大部分互花米草呈現(xiàn)出典型的外部隔離式擴張?zhí)卣?，碎小斑塊數(shù)量眾多，特別是S1值較大，說明A縣出現(xiàn)了很多面積<1 m2的小斑塊，其中多數(shù)為新生斑塊。如果A縣具備良好的互花米草生境條件，又未能及時治理，新生互花米草進(jìn)一步擴散爆發(fā)的潛力是非常大的，需要盡快加強治理并進(jìn)行持續(xù)性關(guān)注。A縣互花米草總體分布和破碎斑塊分布情況見圖5。

圖5 A縣互花米草分布范圍

從全省范圍來看，B縣和D縣也具備一定的潛在爆發(fā)型指標(biāo)特征，兩縣的D10和D1值位于90%左右，S10和S1值位于10%～15%。

3 討論

(1)根據(jù)朱玉玲等[8]，1989年以來山東省互花米草的面積符合多項式的增長模式，可分成3個階段：1989—1999年緩慢潛伏階段、2000—2009年逐漸增速階段、2010—2019年全面爆發(fā)階段?；セ撞莅邏K的破碎化程度2000—2014年逐年降低，在此期間互花米草主要在黃河三角洲國家級自然保護區(qū)附近連片生長，2014—2020年破碎化程度逐年加深。為降低治理難度和治理成本，應(yīng)采取無人機航拍和現(xiàn)場調(diào)查相結(jié)合的方法進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測，識別互花米草入侵先鋒區(qū)域，將破碎斑塊集中分布的區(qū)域列入優(yōu)先治理區(qū)，及時發(fā)現(xiàn)新生株苗并采取措施，降低大面積爆發(fā)風(fēng)險。

(2)本研究主要從破碎斑塊分布特征的角度來分析互花米草的擴散潛力。除此之外，當(dāng)?shù)氐纳硹l件也是非常重要的擴散影響因素?；セ撞輧?yōu)秀的生境條件包括：寬闊的砂質(zhì)和淤泥質(zhì)潮灘、適量的淡水補給、海草床分布和營養(yǎng)物質(zhì)排放等。山東省互花米草分布面積較大，不同區(qū)域環(huán)境存在差異，萊州灣海岸線較長，其中支脈河口到黃河三角洲保護區(qū)具有廣闊的淤泥質(zhì)潮灘，此處黃河口快速向海推進(jìn)，使泥沙堆積，海岸變寬，是互花米草大面積生長的理想?yún)^(qū)域；東側(cè)龍口市到萊州市的海岸為沙質(zhì)海岸，乳山灣和膠州灣多為淤泥質(zhì)海岸，丁字灣潮間能帶為粉砂質(zhì)泥灘涂，以上均能滿足互花米草的生長環(huán)境要求；而煙臺的芝罘灣至威海的桑溝灣一側(cè)多為基巖海岸，互花米草不適宜在此生長。下一步擬從斑塊之間的空間距離的分析分析研究互花米草擴散潛力，研究結(jié)果可與本次結(jié)果互相驗證。

(3)本研究旨在為縣級互花米草分區(qū)治理工作提供參考，因此以沿?？h作為研究區(qū)域單元。從表3所示的各縣互花米草破碎斑塊分布特征上看，部分縣的指標(biāo)值非常具有代表性，比如A縣、F縣、J縣等；部分縣的指標(biāo)值特征不明顯，可能縣域內(nèi)有多處海岸帶分布有互花米草，并且處于不同的入侵時期，導(dǎo)致綜合統(tǒng)計分析后沒有呈現(xiàn)出明顯特征。另外，互花米草在優(yōu)秀的生境條件下擴散繁殖速度極快，單獨某一地區(qū)開展治理后，極容易受到其他臨近區(qū)域互花米草種子漂流入侵，或者本區(qū)域殘留種子、植株殘體等萌發(fā)造成的重復(fù)入侵。因此，除了要針對本縣域的互花米草入侵特征積極開展治理工作以外，更需建立全省甚至全國的聯(lián)防聯(lián)控機制，切斷區(qū)域外源性互花米草入侵途徑和內(nèi)源性重新萌發(fā)蔓延途徑。