基于Landsat 8 OLI衛星數據的入侵植物互花米草遙感監測與分析
——以山東黃河三角洲國家級自然保護區為例

路 峰,楊俊芳

（1.山東黃河三角洲國家級自然保護區,山東 東營 257000；2.國家海洋局第一海洋研究所,山東 青島 266061）

濕地素有“地球之腎”和“天然物種庫”的美譽，是地球上綜合價值最高的生態系統，在維護自然生態平衡方面具有重大的作用。山東黃河三角洲國家級自然保護區是以保護新生濕地生態系統和珍稀瀕危鳥類為主的國家級自然保護區，很多珍禽，如黑嘴鷗和丹頂鶴等，主要棲息于蘆葦、堿蓬和檉柳群落中，而這些原生的濕地生態系統如今受到了外來入侵物種互花米草的威脅。互花米草（Spartina alterniflora Loisel）是一種適宜生活在潮間帶的多年生草本植物，原生于美洲大西洋沿岸和墨西哥灣[1-2]。由于互花米草具有地下根莖發達的特點，自20世紀初，許多國家紛紛引種其來促進泥沙淤積[3-4]。在黃河三角洲地區，出于固岸護堤的考慮，1990年前后相關管理部門在五號樁附近開始引種互花米草[5]。互花米草具有超強的繁殖能力和入侵性，引種后短短20年間已遍布黃河三角洲特別是保護區的潮間帶區域[6-7]，侵占大量沿海灘涂，對保護區的本地植物物種的生態健康造成威脅，并有研究指出互花米草的生長已導致保護區內鳥類種數減少[8-10]。2003年初，國家環保總局將互花米草列為首批入侵我國的外來入侵物種[11-12]。

濱海濕地處于海陸交錯地帶，地形復雜，大多數情況下難以進入，這給常規專業調查帶來很大的困難。遙感技術具有大面積同步、高效、經濟等優勢，是監測濱海濕地植被信息的重要手段，大大彌補了常規地面觀測手段的不足。對于黃河三角洲地區的互花米草監測，任廣波[6]和楊俊芳[7]等已對其空間分布和監測方法方面進行了研究，但時間都是在2015年以前，鑒于研究區互花米草延速度快，開展互花米草的管理和治理需要現勢監測數據的支撐，本文利用2016年拍攝獲取的Landsat 8 OLI衛星影像，配合現場調查數據，開展山東黃河三角洲國家級自然保護區范圍內互花米草分布現狀監測和分析。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

山東黃河三角洲國家級自然保護區是以保護新生濕地生態系統和珍稀瀕危鳥類為主的濕地類型自然保護區，位于山東省東營市的黃河入海口處，地處渤海之濱，北臨渤海灣，東靠萊州灣，介于東北亞內陸和江淮平原之間，地理坐標為118°30′E-119°20′E，37°35 ′N-38 °20′N，設一千二、黃河口、大汶流三個管理站，總面積約15.3萬hm2，其中陸地面積 8.3萬hm2，潮間帶面積3.8萬hm2。研究區分布范圍如圖1所示。

圖1 研究區域范圍Fig1.Location of study area

1.2 數據來源

1.2.1 遙感數據

本文采用的遙感數據是覆蓋山東黃河三角洲國家級自然保護區范圍的Landsat8 OLI衛星影像，成像時間為2016年8月26日，有9個波段，其中全色波段分辨率15m，多光譜波段分辨率30m，圖像成像清晰，無云霧遮擋。數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺（http://www.gscloud.cn）。

1.2.2 現場調查數據

應用無人機技術于2014年6月份獲取了黃河入海口北側部分區域的互花米草分布位置等信息，用于對互花米草遙感信息提取結果進行驗證。無人機航拍照片如圖2所示。

1.3 數據預處理

應用ENVI 5.0軟件，將Landsat 8 OLI全色（空間分辨率15m）和多光譜影像（空間分辨率30m）進行融合，融合方法選擇Gram-Schmidt變換方法，該方法在提高空間信息的同時又能保證高保真的光譜信息，融合后的影像空間分辨率為15m；而后，基于地面控制點，采用多項式模型對融合后的影像進行幾何精校正，校正后圖像定位中誤差小于1個像元，滿足監測互花米草的精度要求。配準過程中以WGS84地理坐標系和UTM 50N投影作為數學基礎。

1.4 研究方法

圖2 無人機航拍照片Fig2.UAV Aerial Photographs

影像成像時間為互花米草生長旺盛的夏季，在遙感影像上特征明顯，基于互花米草遙感影像解譯標志（表1），在ArcGIS10.1軟件中采用目視解譯的方法對保護區范圍內的互花米草信息進行提取，獲得互花米草分布矢量層，目視解譯使用的假彩色波段組合為 R5，G4，B3。

表1 互花米草遙感解譯標志Table 1 Remote sensing interpretation symbols of Spartina alterniflora

2 結果與分析

2.1 互花米草空間特征分析

通過對2016年Landsat 8 OLI影像進行遙感解譯，獲得山東黃河三角洲國家級自然保護區的互花米草分布結果（圖3）。

由圖3可知，整個山東黃河三角洲國家級自然保護區的互花米草主要分布于孤東油田東南側和黃河現行入海口兩側三個區域，這三個區域均位于黃河口管理站和大汶流管理站內，一千二管理站區域未發現互花米草分布。區域A自1990年引種至今都有互花米草分布[13]，區域B為2002年之后出現的新生互花米草區域[6]。

圖3 互花米草分布示意圖Fig.3 The Spartina alterniflora distribution monitoring results

2.2 互花米草面積監測分析

經過GIS分析和統計，得到保護區互花米草分布面積現狀（表2）。

由表2可知，整個山東黃河三角洲國家級自然保護區的互花米草總面積約有3692.07 hm2，其中黃河現行入海口兩側互花米草面積最廣，占保護區互花米草總面積的94.39%，入海口北側有1689.78 hm2，占互花米草總面積的45.77%，而南側也達到了1795.20 hm2，占互花米草總面積的48.62%；孤東油田東南側互花米草面積最小，約為207.09 hm2。相比于楊俊芳等[7]2015年對該區域的監測工作，2016年保護區內互花米草總面積增長了492.20 hm2，其中黃河入海口南側的互花米草變化最劇烈，一年內增長388.63 hm2，成為互花米草面積最大的區域；黃河入海口北側和孤東油田東南側變化較小，分別增長了 100.23 hm2和 3.34 hm2。

表2 互花米草分布面積統計表Tab.2 Statistics of Spartina alterniflora distribution areas

3 結論與討論

利用Landsat 8 OLI衛星影像，配合現場調查數據，采用人機交互解譯方法對山東黃河三角洲國家級自然保護區范圍內的互花米草信息進行了提取，并從空間分布特征角度上對保護區互花米草分布情況進行了遙感監測，為保護區管理部門有效治理互花米草提供技術和數據支持。結果表明，（1）整個山東黃河三角洲國家級自然保護區的互花米草總面積約有3692.07 hm2，主要分布于孤東油田東南側和黃河現行入海口兩側；（2）黃河現行入海口兩側互花米草面積最廣，占保護區互花米草總面積的94.39%，入海口北側有1689.78 hm2，占互花米草總面積的45.77%，而南側也達到了1795.20 hm2，占互花米草總面積的48.62%；孤東油田東南側互花米草面積最小，約為 207.09 hm2。（3）據楊俊芳等[7]的工作，整個現代黃河三角洲范圍內，互花米草主要分布于黃河故道西側、五號樁、孤東油田東南側和現行黃河入海口兩側5個區域，其中有3個區域位于保護區內，且保護區內互花米草面積占整個黃河三角洲互花米草面積的97.61%。這表明互花米草目前已經在山東黃河三角洲國家級自然保護區的潮間帶快速蔓延，對濱海濕地生態系統的結構和功能產生了較大的影響，形成大面積單優勢種群落，侵占大量沿海灘涂，將對山東省東營市沿海灘涂和海洋漁業生產帶來嚴重的后果，若不加以控制將會嚴重危害到本地生態平衡，引發生態危機。

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