濕地受損遙感識(shí)別方法及其在天津?yàn)I海新區(qū)的應(yīng)用

環(huán)境修復(fù)網(wǎng)訊:摘要

城市化進(jìn)程的加快及對(duì)濕地資源的不合理開發(fā)利用造成濕地嚴(yán)重受損,開展?jié)竦刭Y源的時(shí)空變化監(jiān)測(cè)對(duì)于濕地的合理開發(fā)和可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。基于多時(shí)期土地利用數(shù)據(jù)和長(zhǎng)時(shí)間序列的Landsat影像數(shù)據(jù),利用馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣和GIS空間分析法分析濕地類型受損狀況,利用趨勢(shì)分析法分析長(zhǎng)時(shí)間序列和不同階段的濕地植被、水體和土壤濕度要素受損狀況,構(gòu)建了濕地受損遙感識(shí)別方法,綜合濕地類型和濕地要素受損狀況,分析濕地受損模式,并在天津?yàn)I海新區(qū)進(jìn)行案例研究。結(jié)果顯示:濱海新區(qū)濕地類型受損主要分為3個(gè)時(shí)期(1980s—2000年、2000—2009年、2009—2015年),期間濕地經(jīng)歷了從受損到恢復(fù)的過程,1980s—2015年濱海新區(qū)濕地面積增加了41.40 km 2;1984—2015年濕地要素均呈退化趨勢(shì),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(shí)間段內(nèi),影響濕地面積受損的主導(dǎo)因素不同,3個(gè)時(shí)期濱海新區(qū)濕地受損分別是植被、水體和植被占主要地位。

關(guān)鍵詞： 濱海濕地 ; 受損識(shí)別 ; 遙感 ; 天津?yàn)I海新區(qū)

編者按:為及時(shí)報(bào)道京津冀城市群生態(tài)安全保障技術(shù)的研究與實(shí)踐成果,本刊組織策劃了“濕地與關(guān)鍵生物棲息地生態(tài)修復(fù)技術(shù)專題”,并邀請(qǐng)生態(tài)環(huán)境部土壤與農(nóng)業(yè)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境監(jiān)管技術(shù)中心王文杰研究員和北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部蔣衛(wèi)國(guó)教授作為本專題的執(zhí)行主編,對(duì)京津冀城市群典型濕地景觀變化及濕地生態(tài)修復(fù)技術(shù)進(jìn)行梳理和總結(jié)。本專題由5篇文章組成,重點(diǎn)介紹了基于診斷京津冀濕地演變特征和濕地受損情況,評(píng)估濕地演變對(duì)區(qū)域生態(tài)安全的影響及受損濕地可修復(fù)潛力,重構(gòu)鳥類等關(guān)鍵生物棲息地的景觀空間和生態(tài)要素等方面,研發(fā)的京津冀地區(qū)濕地景觀空間優(yōu)化配置與生態(tài)重構(gòu)、廊道連通、生境修復(fù)等技術(shù)。

王文杰,研究員,碩士生導(dǎo)師。曾任中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境信息研究所、土壤與固體廢物環(huán)境研究所所長(zhǎng),現(xiàn)為生態(tài)環(huán)境部土壤與農(nóng)業(yè)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境監(jiān)管技術(shù)中心綜合業(yè)務(wù)部負(fù)責(zé)人。主要從事區(qū)域生態(tài)評(píng)價(jià)與規(guī)劃、土壤環(huán)境監(jiān)管技術(shù)等研究。目前,主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題1項(xiàng),國(guó)家自然科學(xué)重點(diǎn)基金子課題1項(xiàng),中國(guó)工程院平臺(tái)項(xiàng)目1項(xiàng)。發(fā)表中英文論文近百篇,出版專著、圖集10余部,獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)2項(xiàng),省部級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)10項(xiàng)。

蔣衛(wèi)國(guó),北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部教授,博士生導(dǎo)師。主要從事遙感時(shí)空大數(shù)據(jù)挖掘與生態(tài)水文遙感應(yīng)用研究。主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目3項(xiàng),參加國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、科技支撐計(jì)劃、863計(jì)劃等課題20多項(xiàng)。發(fā)表SCI論文50多篇,主編《遙感衛(wèi)星導(dǎo)論》,參加編寫《環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)與應(yīng)用》《長(zhǎng)江流域生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估》等8部專著,獲得省部級(jí)科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)5項(xiàng)和三等獎(jiǎng)3項(xiàng),獲得計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)6項(xiàng),申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利4項(xiàng),提交咨詢報(bào)告10余項(xiàng)。

濕地具有地球之腎的美譽(yù),是地球上的三大生態(tài)系統(tǒng)之一,對(duì)人類的生存和發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。此外,濕地可以提供廣泛的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,如蓄水、防洪、灌溉、氣候調(diào)節(jié)和維持區(qū)域生態(tài)平衡等[1,2,3]。近30年來,隨著全球人口數(shù)量的快速增加和城市化進(jìn)程的加快,對(duì)濕地資源的一系列不合理的開發(fā)利用,造成濕地嚴(yán)重受損,尤其是天然濕地面積日益減少[2]。對(duì)濕地變化和受損情況進(jìn)行識(shí)別與分析顯得尤為重要。

自1972年美國(guó)發(fā)射第一顆陸地衛(wèi)星以來,遙感技術(shù)在濕地變化分析中得到了較為廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)濕地受損識(shí)別進(jìn)行了較多的研究。Mondal等[4]利用3期Landsat影像及馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣分析了1990—2016年濕地受損與城市發(fā)展的關(guān)系;Gong等[5]利用目視解譯方法,基于Landsat衛(wèi)星影像,對(duì)全中國(guó)的濕地進(jìn)行了分類提取,并對(duì)其1970—2008年的變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和分析;劉子瀟等[6,7]基于Landsat影像,提取和分析了天津?yàn)I海新區(qū)濕地信息和動(dòng)態(tài)變化過程;Pekel等[8]使用300萬(wàn)張Landsat影像,定量分析了1984—2015年全球地表水的變化特征;Tang等[9]利用長(zhǎng)時(shí)間序列的Landsat數(shù)據(jù),結(jié)合Google Earth Engine評(píng)估了1985—2015年布拉斯加州的濕地淹沒分布圖;Petus等[10]基于MODIS歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)產(chǎn)品,分析了2002—2010年澳大利亞大自流盆地濕地植被覆蓋度的退化狀態(tài);劉迪[11]利用光譜解混技術(shù)對(duì)濕地水體、土壤和植被綜合變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

以往研究中,主要從濕地生態(tài)系統(tǒng)種類和分布受損及濕地要素受損2個(gè)方面進(jìn)行濕地面積及范圍的受損研究。在濕地類型及景觀格局變化監(jiān)測(cè)中,主要利用濕地類型的分類數(shù)據(jù),對(duì)比濕地面積和景觀格局變化特征以獲取濕地受損特征,往往注重不同濕地類型之間的變化(如湖泊與沼澤濕地類型的變化),而忽略了同種濕地類型之間要素的變化分析(如沼澤濕地內(nèi)部含水量的變化)。濕地要素受損遙感識(shí)別可以獲取濕地在長(zhǎng)時(shí)間序列上的變化特征,補(bǔ)充在同種類型濕地之間變化的不足,但已有研究往往注重濕地水、土壤、生物等單一指標(biāo)在時(shí)間序列的變化,對(duì)綜合要素分析較少,且缺少與濕地類型和景觀格局的對(duì)比分析。

筆者基于土地利用數(shù)據(jù)和Landsat影像數(shù)據(jù),利用轉(zhuǎn)移矩陣方法和趨勢(shì)分析法,綜合分析了濕地類型和要素的變化特征,構(gòu)建“濕地類型-濕地要素”綜合受損遙感識(shí)別方法,分析濕地受損的時(shí)空變化特征。通過對(duì)濕地受損情況進(jìn)行遙感識(shí)別,可以從宏觀上監(jiān)測(cè)濕地資源的時(shí)空變化特征,并對(duì)濕地的恢復(fù)與重建進(jìn)行有效的評(píng)估,對(duì)濕地的合理開發(fā)和可持續(xù)發(fā)展具有重要的作用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

天津?yàn)I海新區(qū)位于天津市東部沿海地區(qū)、環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)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),屬于暖溫帶季風(fēng)型大陸氣候,一年之中四季分明[12]。

天津?yàn)I海新區(qū)面積為2 270 km2,其2015年土地利用類型如圖1所示。該地區(qū)濕地資源豐富,包括北大港濕地自然保護(hù)區(qū)、天津市海洋牧場(chǎng)示范區(qū)、薊運(yùn)河營(yíng)城段蘆葦濕地、天然淤泥灘涂濕地,以及黃港一庫(kù)、黃港二庫(kù)、北塘水庫(kù)等濕地[13]。濱海新區(qū)是天津國(guó)家級(jí)綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)和國(guó)家級(jí)新區(qū),是國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的第一個(gè)國(guó)家綜合改革創(chuàng)新區(qū),自成立以來,城市化進(jìn)程加快,經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,區(qū)域內(nèi)濕地迅速被城鎮(zhèn)建設(shè)用地侵占,同時(shí)濕地生態(tài)景觀發(fā)生了很大的轉(zhuǎn)變。研究該區(qū)域濕地受損的定量變化情況,對(duì)濱海新區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)安全和天津市可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

圖1 天津?yàn)I海新區(qū)土地利用類型(2015年)

1.2 數(shù)據(jù)來源與研究技術(shù)路線

基于中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所劉紀(jì)遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)的土地利用數(shù)據(jù),獲取了天津?yàn)I海新區(qū)1980s、1995、2000、2005、2007、2009和2015年7期的土地利用空間分布圖(空間分辨率為30 m),對(duì)該數(shù)據(jù)利用Landsat影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯判讀和野外驗(yàn)證,分類精度達(dá)91.2%,符合制圖要求[14];基于美國(guó)地質(zhì)勘探局(USGS)Landsat數(shù)據(jù)(包括Landsat 5和Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)),獲取了天津?yàn)I海新區(qū)1984—2015年植被生長(zhǎng)季6—9月且云含量小于10%的影像,影像經(jīng)過輻射校正,得到大氣層頂反射率數(shù)據(jù)(TOA)?；谕恋乩脭?shù)據(jù),通過馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣和GIS空間分析法分析濕地類型受損狀況;利用趨勢(shì)分析法分析長(zhǎng)時(shí)間序列和不同階段濕地要素的受損狀況;對(duì)濕地類型受損和濕地要素受損進(jìn)行定量評(píng)價(jià),綜合其評(píng)價(jià)結(jié)果分析濱海新區(qū)濕地受損模式(圖2)。

圖2 研究技術(shù)路線

1.3 濕地受損遙感識(shí)別方法

1.3.1 濕地類型受損識(shí)別法

選取馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣法定量揭示濕地類型在不同時(shí)期的動(dòng)態(tài)變化特征。馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣由俄國(guó)數(shù)學(xué)家馬爾科夫提出,該矩陣可以描述土地利用變化的結(jié)構(gòu)和特征,可以反映研究階段的初始和結(jié)束時(shí)期的土地利用結(jié)構(gòu),還可以反映研究階段內(nèi)土地利用的來源、組成和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移情況[14]。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中:k、l分別為研究期初與研究期末的濕地利用類型數(shù);Pkl為第l類濕地轉(zhuǎn)化為第k類濕地的轉(zhuǎn)移概率。

1.3.2 濕地要素趨勢(shì)分析法

將Theil-Sen Median趨勢(shì)分析和Mann-Kendall檢驗(yàn)方法結(jié)合,用作判斷長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)趨勢(shì)[15]。利用該方法可以分析濕地要素中NDVI[16]、歸一化水體指數(shù)(NDWI)[17]和土壤濕度指數(shù)(SMMI)[18]在長(zhǎng)時(shí)間序列上的變化趨勢(shì)。作為一種統(tǒng)計(jì)學(xué)常用的方法,其優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)據(jù)分布不需要服從特定的分布規(guī)律,可以抵抗數(shù)據(jù)誤差,顯著性檢驗(yàn)的結(jié)果具有可信度。其中,Theil-Sen Median趨勢(shì)分析是一種穩(wěn)健的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)的趨勢(shì)計(jì)算方法,可以減少數(shù)據(jù)異常值的影響。該趨勢(shì)計(jì)算n(n-1)∕2個(gè)數(shù)據(jù)組合的斜率的中位數(shù),計(jì)算公式為:

將Theil-Sen Median趨勢(shì)分析和Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果結(jié)合起來,可以反映濕地要素的受損趨勢(shì)。SNDVI和SNDWI以0為界限,<0定義為退化區(qū)域,≥0定義為改善區(qū)域。由于SNDVI基本不存在等于0的區(qū)域,所以本文按照實(shí)際情況,將SNDVI為-0.005~0.005的區(qū)域劃分為穩(wěn)定不變的區(qū)域,<-0.005定義為退化區(qū)域,≥0.005定義為改善區(qū)域。將Mann-Kendall檢驗(yàn)在0.05置信水平上的顯著性結(jié)果劃分為顯著(Z≥1.96和 Z<-1.96)和不顯著(-1.96≤Z<1.96),進(jìn)行分級(jí)結(jié)果疊加,得到濕地要素綜合受損趨勢(shì)的5個(gè)等級(jí)(表1)。

2 結(jié)果與討論

2.1 濕地面積變化

1980s—2015年濱海新區(qū)濕地面積變化如圖3所示。由圖3可知,濱海新區(qū)濕地面積呈先減少后緩慢增長(zhǎng)再加快增長(zhǎng)趨勢(shì)。1980s—2000年,濕地面積呈減少趨勢(shì),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(zhǎng)為-2.98%;2000—2009年,濕地面積呈增長(zhǎng)趨勢(shì),從2000年的687.51 km2增至2009年的846.64 km2,增加了159.13 km2,年增長(zhǎng)率為2.10%;2009—2015年,濕地面積呈增長(zhǎng)趨勢(shì),從2009年的846.64 km2增至2015年1 060.15 km2,增加了213.52 km2,年增長(zhǎng)率為3.27%?？傮w上,1980s—2015年濕地面積增加了41.40 km2,年增長(zhǎng)率為0.13%。