溼地受損遙感識別方法及其在天津濱海新區的應用

【能源人都在看，點擊右上角加'關注'】

北極星環境修復網訊:摘要

城市化進程的加快及對溼地資源的不合理開發利用造成溼地嚴重受損,開展溼地資源的時空變化監測對於溼地的合理開發和可持續發展具有重要作用。基於多時期土地利用數據和長時間序列的Landsat影像數據,利用馬爾科夫轉移矩陣和GIS空間分析法分析溼地類型受損狀況,利用趨勢分析法分析長時間序列和不同階段的溼地植被、水體和土壤溼度要素受損狀況,構建了溼地受損遙感識別方法,綜合溼地類型和溼地要素受損狀況,分析溼地受損模式,並在天津濱海新區進行案例研究。結果顯示:濱海新區溼地類型受損主要分為3個時期(1980s—2000年、2000—2009年、2009—2015年),期間溼地經歷了從受損到恢復的過程,1980s—2015年濱海新區溼地面積增加了41.40 km 2;1984—2015年溼地要素均呈退化趨勢,植被、水體和土壤顯著退化的面積分別為364.66、221.28和253.94 km 2。在不同時間段內,影響溼地面積受損的主導因素不同,3個時期濱海新區溼地受損分別是植被、水體和植被佔主要地位。

關鍵詞： 濱海溼地; 受損識別 ; 遙感 ; 天津濱海新區

編者按:為及時報導京津冀城市群生態安全保障技術的研究與實踐成果,本刊組織策劃了「溼地與關鍵生物棲息地生態修復技術專題」,並邀請生態環境部土壤與農業農村生態環境監管技術中心王文杰研究員和北京師範大學地理科學學部蔣衛國教授作為本專題的執行主編,對京津冀城市群典型溼地景觀變化及溼地生態修復技術進行梳理和總結。本專題由5篇文章組成,重點介紹了基於診斷京津冀溼地演變特徵和溼地受損情況,評估溼地演變對區域生態安全的影響及受損溼地可修復潛力,重構鳥類等關鍵生物棲息地的景觀空間和生態要素等方面,研發的京津冀地區溼地景觀空間優化配置與生態重構、廊道連通、生境修復等技術。

王文杰,研究員,碩士生導師。曾任中國環境科學研究院環境信息研究所、土壤與固體廢物環境研究所所長,現為生態環境部土壤與農業農村生態環境監管技術中心綜合業務部負責人。主要從事區域生態評價與規劃、土壤環境監管技術等研究。目前,主持國家重點研發計劃課題1項,國家自然科學重點基金子課題1項,中國工程院平臺項目1項。發表中英文論文近百篇,出版專著、圖集10餘部,獲國家科技進步獎2項,省部級獎項10項。

蔣衛國,北京師範大學地理科學學部教授,博士生導師。主要從事遙感時空大數據挖掘與生態水文遙感應用研究。主持國家自然科學基金項目3項,參加國家重點研發計劃、科技支撐計劃、863計劃等課題20多項。發表SCI論文50多篇,主編《遙感衛星導論》,參加編寫《環境遙感監測與應用》《長江流域生態系統評估》等8部專著,獲得省部級科技進步特等獎1項、二等獎5項和三等獎3項,獲得計算機軟體著作權6項,申請國家發明專利4項,提交諮詢報告10餘項。

溼地具有地球之腎的美譽,是地球上的三大生態系統之一,對人類的生存和發展起到至關重要的作用。此外,溼地可以提供廣泛的生態系統服務功能,如蓄水、防洪、灌溉、氣候調節和維持區域生態平衡等[1,2,3]。近30年來,隨著全球人口數量的快速增加和城市化進程的加快,對溼地資源的一系列不合理的開發利用,造成溼地嚴重受損,尤其是天然溼地面積日益減少[2]。對溼地變化和受損情況進行識別與分析顯得尤為重要。

自1972年美國發射第一顆陸地衛星以來,遙感技術在溼地變化分析中得到了較為廣泛的應用。國內外學者對溼地受損識別進行了較多的研究。Mondal等[4]利用3期Landsat影像及馬爾科夫轉移矩陣分析了1990—2016年溼地受損與城市發展的關係;Gong等[5]利用目視解譯方法,基於Landsat衛星影像,對全中國的溼地進行了分類提取,並對其1970—2008年的變化進行了監測和分析;劉子瀟等[6,7]基於Landsat影像,提取和分析了天津濱海新區溼地信息和動態變化過程;Pekel等[8]使用300萬張Landsat影像,定量分析了1984—2015年全球地表水的變化特徵;Tang等[9]利用長時間序列的Landsat數據,結合Google Earth Engine評估了1985—2015年布拉斯加州的溼地淹沒分布圖;Petus等[10]基於MODIS歸一化植被指數(NDVI)數據產品,分析了2002—2010年澳大利亞大自流盆地溼地植被覆蓋度的退化狀態;劉迪[11]利用光譜解混技術對溼地水體、土壤和植被綜合變化進行監測。

以往研究中,主要從溼地生態系統種類和分布受損及溼地要素受損2個方面進行溼地面積及範圍的受損研究。在溼地類型及景觀格局變化監測中,主要利用溼地類型的分類數據,對比溼地面積和景觀格局變化特徵以獲取溼地受損特徵,往往注重不同溼地類型之間的變化(如湖泊與沼澤溼地類型的變化),而忽略了同種溼地類型之間要素的變化分析(如沼澤溼地內部含水量的變化)。溼地要素受損遙感識別可以獲取溼地在長時間序列上的變化特徵,補充在同種類型溼地之間變化的不足,但已有研究往往注重溼地水、土壤、生物等單一指標在時間序列的變化,對綜合要素分析較少,且缺少與溼地類型和景觀格局的對比分析。

筆者基於土地利用數據和Landsat影像數據,利用轉移矩陣方法和趨勢分析法,綜合分析了溼地類型和要素的變化特徵,構建「溼地類型-溼地要素」綜合受損遙感識別方法,分析溼地受損的時空變化特徵。通過對溼地受損情況進行遙感識別,可以從宏觀上監測溼地資源的時空變化特徵,並對溼地的恢復與重建進行有效的評估,對溼地的合理開發和可持續發展具有重要的作用。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

天津濱海新區位於天津市東部沿海地區、環渤海經濟圈的中心地帶,地處華北平原北部(117°20'E~118°00'E,38°40'N~ 39°00'N),屬於暖溫帶季風型大陸氣候,一年之中四季分明[12]。

天津濱海新區面積為2 270 km2,其2015年土地利用類型如圖1所示。該地區溼地資源豐富,包括北大港溼地自然保護區、天津市海洋牧場示範區、薊運河營城段蘆葦溼地、天然淤泥灘涂溼地,以及黃港一庫、黃港二庫、北塘水庫等溼地[13]。濱海新區是天津國家級綜合配套改革試驗區和國家級新區,是國務院批准的第一個國家綜合改革創新區,自成立以來,城市化進程加快,經濟快速發展,區域內溼地迅速被城鎮建設用地侵佔,同時溼地生態景觀發生了很大的轉變。研究該區域溼地受損的定量變化情況,對濱海新區溼地生態系統安全和天津市可持續發展具有重要意義。

圖1 天津濱海新區土地利用類型(2015年)

1.2 數據來源與研究技術路線

基於中國科學院地理科學與資源研究所劉紀遠團隊的土地利用數據,獲取了天津濱海新區1980s、1995、2000、2005、2007、2009和2015年7期的土地利用空間分布圖(空間解析度為30 m),對該數據利用Landsat影像數據進行解譯判讀和野外驗證,分類精度達91.2%,符合製圖要求[14];基於美國地質勘探局(USGS)Landsat數據(包括Landsat 5和Landsat 8 OLI數據),獲取了天津濱海新區1984—2015年植被生長季6—9月且雲含量小於10%的影像,影像經過輻射校正,得到大氣層頂反射率數據(TOA)。基於土地利用數據,通過馬爾科夫轉移矩陣和GIS空間分析法分析溼地類型受損狀況;利用趨勢分析法分析長時間序列和不同階段溼地要素的受損狀況;對溼地類型受損和溼地要素受損進行定量評價,綜合其評價結果分析濱海新區溼地受損模式(圖2)。

圖2 研究技術路線

1.3 溼地受損遙感識別方法

1.3.1 溼地類型受損識別法

選取馬爾科夫轉移矩陣法定量揭示溼地類型在不同時期的動態變化特徵。馬爾科夫轉移矩陣由俄國數學家馬爾科夫提出,該矩陣可以描述土地利用變化的結構和特徵,可以反映研究階段的初始和結束時期的土地利用結構,還可以反映研究階段內土地利用的來源、組成和動態轉移情況[14]。其數學表達式為:

式中:k、l分別為研究期初與研究期末的溼地利用類型數;Pkl為第l類溼地轉化為第k類溼地的轉移概率。

1.3.2 溼地要素趨勢分析法

將Theil-Sen Median趨勢分析和Mann-Kendall檢驗方法結合,用作判斷長時間序列數據趨勢[15]。利用該方法可以分析溼地要素中NDVI[16]、歸一化水體指數(NDWI)[17]和土壤溼度指數(SMMI)[18]在長時間序列上的變化趨勢。作為一種統計學常用的方法,其優點在於數據分布不需要服從特定的分布規律,可以抵抗數據誤差,顯著性檢驗的結果具有可信度。其中,Theil-Sen Median趨勢分析是一種穩健的非參數統計的趨勢計算方法,可以減少數據異常值的影響。該趨勢計算n(n-1)∕2個數據組合的斜率的中位數,計算公式為:

將Theil-Sen Median趨勢分析和Mann-Kendall檢驗結果結合起來,可以反映溼地要素的受損趨勢。SNDVI和SNDWI以0為界限,<0定義為退化區域,≥0定義為改善區域。由於SNDVI基本不存在等於0的區域,所以本文按照實際情況,將SNDVI為-0.005~0.005的區域劃分為穩定不變的區域,<-0.005定義為退化區域,≥0.005定義為改善區域。將Mann-Kendall檢驗在0.05置信水平上的顯著性結果劃分為顯著(Z≥1.96和 Z<-1.96)和不顯著(-1.96≤Z<1.96),進行分級結果疊加,得到溼地要素綜合受損趨勢的5個等級(表1)。

2 結果與討論

2.1 溼地面積變化

1980s—2015年濱海新區溼地面積變化如圖3所示。由圖3可知,濱海新區溼地面積呈先減少後緩慢增長再加快增長趨勢。1980s—2000年,溼地面積呈減少趨勢,從1980s年的1 018.76 km2減至2000年的687.51 km2,減少了331.25 km2,年增長為-2.98%;2000—2009年,溼地面積呈增長趨勢,從2000年的687.51 km2增至2009年的846.64 km2,增加了159.13 km2,年增長率為2.10%;2009—2015年,溼地面積呈增長趨勢,從2009年的846.64 km2增至2015年1 060.15 km2,增加了213.52 km2,年增長率為3.27%。總體上,1980s—2015年溼地面積增加了41.40 km2,年增長率為0.13%。

免責聲明：以上內容轉載自北極星環保網，所發內容不代表本平臺立場。全國能源信息平臺聯繫電話：[phone]，郵箱：[e-mail]，地址：北京市朝陽區金臺西路2號人民日報社