基于RS和GIS技術的新生濕地與植被覆蓋度動態分析

姜春玲， 曲春風

(1.威海市第一中學，山東威海 264200；2.山東大學(威海)海洋學院，山東威海 264209)

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基于RS和GIS技術的新生濕地與植被覆蓋度動態分析

姜春玲1， 曲春風2*

(1.威海市第一中學，山東威海 264200；2.山東大學(威海)海洋學院，山東威海 264209)

利用RS和GIS技術對黃河三角洲的衛星遙感影像數據進行了分析，研究了新生濕地面積及植被覆蓋度的動態變化。結果表明：1992～2004年黃河三角洲年均造陸面積126.88 hm2，2004～2014年年均造陸面積63.42 hm2，造陸速度有變緩的趨勢。新生濕地以低蓋度植被為主，1992、2004和2014年低蓋度植被面積占比分別為69.14%、70.98%和87.89%，呈增加趨勢。1992～2004和2004～2014年濕地凈造陸面積中低蓋度植被面積占比分別為92.97%和96.36%，2004～2014年新生濕地植被覆蓋度下降明顯，顯示了黃河三角洲新生濕地趨于退化。

黃河三角洲；新生濕地；植被覆蓋度；動態分析

濕地破壞與退化造成濕地面積減少、生境喪失、水質和底質污染、生物多樣性下降等一系列生態問題[1-2]，因此及時準確地掌握濕地現狀和動態對于濕地資源的保護管理和合理開發利用具有重要意義。植被覆蓋度是植物群落覆蓋地表狀況的一個綜合量化指標，在監測濕地生態環境、分析植被蒸騰和土壤水分蒸發、研究濕地水土保持等方面具有重要作用[3]。利用衛星遙感影像可以快速、連續地獲取大范圍的地表信息，通過GIS的空間分析，能夠快速、準確地獲取研究區域植被覆蓋度、面積及其動態變化情況。

黃河三角洲濕地位于渤海灣和萊州灣的交匯處，是我國暖溫帶最完整、最廣闊的新生濕地生態系統。黃河三角洲由黃河攜帶泥沙沖淤而成，是世界上成土最快的河口三角洲[4]。我國學者對黃河三角洲濕地的遙感監測研究主要集中于濕地景觀格局分析、植被覆蓋度提取、濕地生態環境質量評價等方面[4-6]。然而，關于植被覆蓋度變化與濕地面積增長、蝕退之間的關系研究較少，這直接影響對黃河三角洲濕地變化的正確評估。筆者利用RS和GIS技術分析了1992～2014年黃河三角洲的新生濕地蝕退和於進變化，探討新生濕地植被覆蓋度的變化，以期為黃河三角洲濕地的植物群落演替正確評價及黃河三角洲濕地科學保護管理和開發利用提供基礎資料與參考依據。

1 材料與方法

1.1 區域概況 黃河三角洲新生濕地位于現代黃河三角洲區域，北起挑河口，南至宋春榮溝，以墾利縣魚洼為頂點的扇形區域(118°30′～119°20′ E,37°35′～38°10′ N)[7]。由于黃河三角洲石油開采、農業開發、水產養殖、城市化等人類經濟生產活動頻繁，加上近年來黃河來水減少、海水侵蝕等自然因素，該地面臨濕地退化、鹽堿化加劇等生態問題。

1.2 數據來源 試驗數據包括Landsat TM(1992年5月20目、2004年5月21日)和Landsat OLI_TIRS(2014年5月1日)共3期衛星遙感影像數據[8]。由于Landsat TM的使用年限已遠遠超過其設計的工作年限，未能查詢到2011年之后研究區域的衛星遙感影像數據，因此選取Landsat OLI_TIRS(2014年5月1日)作為第3期的衛星遙感影像數據。

1.3 數據預處理 利用ENVI 5.0軟件對1992、2004年Landsat TM遙感影像數據及2014年Landsat OLI_TIRS遙感影像數據進行幾何校正。利用Landsat TM衛星遙感影像數據中的Band7(2.09～2.35 μm)進行植被覆蓋和濕潤土壤的辨識，利用Band5(1.55～1.75 μm)進行道路、裸露土壤、水的分辨，利用Band1(0.45～0.52 μm)進行水體穿透、分辨土壤與植被。選取751波段合成假彩色，合成影像出現明顯的陸水界面。Landsat OLI_TIRS遙感影像數據對應波段選取872波段合成假彩色。利用ENVI軟件對3期遙感影像的研究區域進行矢量化，得到1992、2004和2014年的黃河三角洲新生濕地區域矢量圖。

利用得到的黃河三角洲新生濕地區域矢量圖對3期遙感影像進行裁剪，運用ENVI軟件的Radiometric Calibration工具和FLAASH Atmospheric Correction工具分別對裁剪后的遙感影像進行輻射校正和大氣校正。

1.4 植被覆蓋度的反演

1.4.1 像元二分模型。利用遙感影像數據進行植被覆蓋度估算的常用方法有回歸模型法和混合像元分解模型法[9]，其中，混合像元分解模型法以地物光譜混合模型估算植被在像元中所占的比例。像元二分模型是假設一個像元的信息可以分為土壤與植被兩部分[10]，通過遙感傳感器觀測到的信息S可以線性分解為由綠色植被成分所貢獻的信息Sv和由土壤成分所貢獻的信息Ss，即：

S=Sv+Ss

(1)

對于一個由土壤與植被兩部分組成的混合像元，像元中有植被覆蓋的面積比例即為該像元的植被覆蓋度Fc，而土壤覆蓋的面積比例為1-Fc。由植被所覆蓋的純像元所得的遙感信息為Sveg，由土壤所覆蓋的純像元所得的遙感信息為Ssoil，可表示為:

Sv=Fc·Sveg

(2)

Ss=(1-Fc)·Ssoil

(3)

將式(2)、(3)代入式(1)可得：

S=Fc·Sveg+(1-Fc)·Ssoil

(4)

對式(4)進行變換可得:

Fc=(S-Ssoil)/(Sveg-Ssoil)

(5)

因此，只要確定了像元二分模型的2個參數Sveg和Ssoil，就可以通過觀測到的信息S來估算植被的覆蓋度Fc。

1.4.2 歸一化植被指數的計算。植被指數又稱光譜植被指數，是由遙感傳感器獲取的多光譜數據經線性和非線性組合而構成的對植被有一定指示意義的數值[11]。由于植物葉面在可見光紅光波段有很強的吸收特性，而在近紅外波段有很強的反射特性，通過這2個波段測值的不同組合可得到不同的植被指數。植被指數中最常用的是歸一化植被指數(NDVI)[9-10]，計算公式為：

NDVI=(ρNIR-ρRED)/(ρNIR+ρRED)

(6)

式中，ρNIR為近紅外波段(Landsat TM為Band4，Landsat OLI_TIRS為Band5)；ρRED為紅波段(Landsat TM為Band3，Landsat OLI_TIRS為Band4)。

1.4.3 植被覆蓋度反演。NDVI與植被覆蓋度之間具有良好的正相關性[11-12]。采用像元二分模型利用NDVI來反演植被覆蓋度，一個像元的NDVI可以表達為裸土所貢獻的信息NDVIsoil和綠色植被所貢獻的信息NDVIveg，將NDVI代入式(5)可得：

Fc=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(7)

式中，NDVIsoil為完全無植被裸地像元的NDVI值，NDVIveg為完全有植被覆蓋像元的NDVI值。

對于大多數裸地，NDVIsoil理論上接近于0。結合該研究區域的實際情況，區域中水體較多，水體區域NDVI值小于0，將小于0的NDVI值定義為0；NDVIsoil取值0，NDVIveg取值0.7。

1.5 植被覆蓋度分級 根據像元二分模型計算得到的植被覆蓋度Fc是一個[0,1]的灰度值。筆者利用GIS重分類方法，將研究區域植物覆蓋度按照分類標準劃分為5個等級(表1)。

表1 植被覆蓋度分級標準

2 結果與分析

2.1 新生濕地面積變化 從圖1可以看出，1992～2014年黃河三角洲葉瓣體處于演化過程中。清水溝新河口[13]葉瓣有明顯的生長過程，老河口[13]葉瓣由于海水侵蝕作用面積縮小。從圖2可以看出，1992～2004年黃河三角洲累計造陸面積8 634.02 hm2，蝕退面積7 111.42 hm2，平均每年凈增加面積126.88 hm2；2004～2014年黃河三角洲累計造陸面積6 778.91 hm2，蝕退面積6 144.72 hm2，平均每年凈增加面積63.42 hm2。因此，黃河三角洲的濕地在某些區域處于由于蝕退導致的面積減小和由于於進導致的面積增加的動態變化過程中。

圖1 1992～2014年黃河三角洲新生濕地遙感影像Fig.1 Remote sensing image of the Yellow River delta’s new wetland during 1992-2014

圖2 1992～2014年黃河三角洲新生濕地蝕退、於進變化情況Fig.2 Erosion and deposition variations of the Yellow River delta’s new wetland during 1992-2014

2.2 新生濕地植被覆蓋度變化 從圖3可以看出，1992年黃河三角洲新生濕地植被中由裸露和低覆蓋度組成的低蓋度植被面積占69.14%，2004年占70.98%，2014年占87.89%，呈逐步增加趨勢。從圖4可以看出，1992～2004年黃河三角洲新生濕地的中覆蓋度面積減少8 863.11 hm2，裸露面積增加445.95 hm2，低覆蓋度面積增加5 064.90 hm2，較高覆蓋度面積增加13.23 hm2，高覆蓋度面積增加4 857.66 hm2；2004～2014年裸露面積增加62 220.11 hm2，低覆蓋度面積減少20 746.60 hm2，中覆蓋度面積減少16 595.20 hm2，較高覆蓋度面積減少15 710.70 hm2，高覆蓋度面積減少8 530.47 hm2。以上結果說明，1992～2014年黃河三角洲新生濕地低蓋度植被面積占比較高，且隨著濕地面積的增加，呈現逐步增加趨勢。

圖3 1992～2014年黃河三角洲新生濕地植被覆蓋度分級Fig.3 Vegetation coverage classification of the Yellow River delta’s new wetland during 1992-2014

圖4 1992～2014年黃河三角洲新生濕地植被覆蓋度變化情況Fig.4 Vegetation coverage variations of the Yellow River delta’s new wetland during 1992-2014

2.3 濕地面積變化對植被覆蓋度的影響 從圖4可以看出，1992～2004年黃河三角洲濕地蝕退、於進變化對植被覆蓋度的影響為裸露面積減少1 139.76 hm2，低覆蓋度面積增加2 556.36 hm2，即由裸露和低覆蓋度組成的低蓋度植被面積增加1 415.60 hm2，占凈造陸面積的比例為92.97%；2004～2014年黃河三角洲濕地蝕退、於進變化對植被覆蓋度的影響為裸露面積增加366.84 hm2，低覆蓋度面積增加244.26 hm2，即由裸露和低覆蓋度組成的低蓋度植被面積增加611.10 hm2，占凈造陸面積的比例為96.36%。

1992～2004年黃河三角洲由于濕地蝕退、於進變化導致的低蓋度植被面積增加占總低蓋度面積變化的比例為25.69%；2004～2014年由于濕地蝕退、於進變化導致的低蓋度面積增加占總低蓋度面積變化的比例為2.52%。

以上結果說明，黃河三角洲濕地凈造陸面積中以低蓋度植被面積占比很高，面積凈增加對低蓋度植被面積增加有一定影響。

3 討論

3.1 新生濕地發育的驅動力 黃河三角洲的演變受黃河來沙和海洋動力共同作用的影響。一方面，由于黃河含沙量高、輸沙量大，受水海域淺，巨量黃河泥沙在河口附近淤積，使得海岸線向海洋推進。另一方面，由于海洋動力作用使得海岸線受到侵蝕向陸地推進。1992～2004和2004～2014年，黃河三角洲年均凈造陸面積分別為126.88和63.42 hm2。說明1992～2014年黃河三角洲處于活躍造陸進程中，但造陸速度有變緩的趨勢。原因是隨著我國中西部經濟開發，各地經濟建設和農業發展導致用水量上升。再者，由于黃河流域降水量的減少與氣溫升高導致的蒸發量增大[14]，使近年來黃河上游來水持續減少、斷流時間越來越長[15]，輸沙量的減少使造陸速度下降。1996年在清水溝實施人工出汊之后[16]，由于清水溝老河口葉瓣失去了來沙，在海浪的侵蝕作用下，海岸出現凈侵蝕，造成海岸后退。

3.2 新生濕地植被覆蓋度變化分析 3期黃河三角洲新生濕地低蓋度植被占比都很高，說明濕地植被以低蓋度植被為主，這與張高生的研究結果一致[17]。

如果不考慮新生濕地面積變化對植被覆蓋度的影響，對圖4進行分析，結果是1992～2004年中覆蓋度面積減少8 863.11 hm2，低蓋度面積增加5 510.85 hm2，高蓋度面積增加4 870.89 hm2。由于覆蓋度減少的面積與覆蓋度增加的面積不對應，難以對覆蓋度實際變化面積進行討論，只能對覆蓋度面積百分比的變化進行討論。中覆蓋度面積占比下降3.78%，低蓋度面積占比增加1.84%，高蓋度面積占比增加1.94%。高蓋度面積占比增加的原因是在黃河三角洲濕地植被演替的初級階段，由于土壤含鹽量較高，只有一些耐鹽植物作為先鋒種存在，隨著演替的進行，生態環境的逐步改善，優勢種覆蓋度增加，植物群落由低蓋度群落向較高蓋度群落演替；低蓋度占比的增加，如果不考慮新生濕地面積變化對植被覆蓋度的影響，只能理解為部分濕地發生退化，植物群落發生逆行演替，使得植被覆蓋率下降。2004～2014年低蓋度面積占比增加16.91%，中覆蓋度面積占比減少6.88%，高蓋度面積占比減少10.02%。這主要是由于近10 a來，該區域為了加快經濟發展，加大城市開發及水產養殖力度，再加上近年來黃河斷流時間變長，斷流使得土壤鹽堿化程度加重，使得濕地退化，生態惡化。

通過分析濕地面積變化對植被覆蓋度的影響可知，1992～2004年凈造陸面積中92.97%為低蓋度植被，2004～2014年凈造陸面積中96.36%為低蓋度植被。由于黃河三角洲濕地蝕退、於進區域集中在海岸線區域，該區域鹽堿化程度高，植物分布主要為裸露的灘涂或者鹽生植被，植物群落處于演替的初級階段。因此，黃河三角洲凈造陸面積中低蓋度植被面積占比很高。

由于黃河三角洲濕地凈造陸面積中低蓋度植被面積占比很高，因此不考慮濕地面積變化對植被覆蓋度的影響，而通過植被覆蓋度來表征濕地植物群落的演替變化是不全面的。1992～2004年黃河三角洲濕地面積變化使得低蓋度植被面積增加占總低蓋度面積增加的比例為25.69%，因此除了濕地退化的因素外，濕地面積增加也是低蓋度植被面積增加的重要因素。2004～2014年黃河三角洲濕地面積變化使得低蓋度植被面積增加占總低蓋度植被面積增加的比例為2.52%，濕地面積增加不是植被覆蓋度變化的主要影響因素。

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Analysis of New Wetland and Vegetation Coverage Dynamics of the Yellow River Delta Based on RS and GIS

JIANG Chun-ling1,QU Chun-feng2*

(1.The First Senior High School at Weihai,Weihai,Shandong 264200; 2.Weihai Marine College,Shandong University,Weihai,Shandong 264209)

Remote sensing satellite image data of the Yellow River delta was analyzed by using RS and GIS technology,the dynamic change of the new wetland area and vegetation coverage was studied.The results showed that the trend and speed of land building of the delta is slowing down,the formed land area in the delta is 126.88 hm2during 1992-2004 and 63.42 hm2during 2004-2014.The new wetland is based on low coverage vegetation,the area ratio is 69.14%,70.98% and 87.89% separately in 1992,2004 and 2014.The low coverage vegetation area to net land building area of the delta ratio is 92.97% and 96.36% separately during 1992-2004 and 2004-2014.The vegetation coverage of the new wetland is decline sharply during 2004-2014,indicating the degradation of the Yellow River delta’s new wetland.

The Yellow River delta; New wetland; Vegetation coverage degree; Dynamic analysis

威海市海洋研究院資助課題(0000413421003,1070413421103,1070413421129)。

姜春玲(1981- )，女，山東榮成人，中學一級教師，碩士，從事自然地理教學與研究。*通訊作者，實驗師，碩士，從事環境生態學研究。

2016-08-12

S 181

A

0517-6611(2016)28-0077-04