基于無人機遙感的“莫蘭蒂”臺風前后植被變化分析—以鼓浪嶼為例

李淵 嚴澤幸 王德

自中華人民共和國成立以來襲擊閩南地區的最強臺風“莫蘭蒂”給世界文化遺產地鼓浪嶼造成了嚴重的破壞和巨大的經濟損失。快速有效的災情監測與評估是開展損失情況統計與風險管理的前提，也是實施科學防災減災決策的重要基礎。以往災后的受災情況調研主要通過野外現場調查，耗費人力物力。隨著遙感技術的逐步成熟，遙感影像在災情監測和評估中發揮了不可替代的作用，且能夠滿足實時性與準確性的要求[1-2]。由于衛星影像空間分辨率與時間分辨率的局限性，時常難以滿足對突發性災害的應急監測需求，無人機低空遙感系統以其成本低、機動靈活、高空間分辨率、高危地區探測等優勢，成為為突發災害提供應急救援和災后評估服務的有效信息采集手段[3-4]。

植被是最容易受到臺風災害直接影響的環境要素，在國內外利用遙感對臺風災害進行植被監測的研究中，主要利用衛星遙感的多光譜信息計算歸一化植被指數（Normalized Difference Vegetation Index，簡稱NDVI）值，通過臺風前后NDVI的變化判斷臺風（颶風）對植被等土地覆被的破壞程度[5-8]，并進行NDVI變化與臺風風眼的相關關系研究[9]，分析滑坡、植被和河流顆粒物排放變化的相關特征[10]，以及災害損失等級的劃分[11]等。雖然無人機影像克服了傳統衛星遙感的空間分辨率與實時性的局限，但無人機遙感數據大多僅含可見光波段信息，難以通過計算NDVI實現定量遙感分析與災害評估，因此研究希望在植被信息獲取的基礎上進行定性分析，并引入景觀格局指數進行定量研究，通過定性定量分析相結合的方式來支撐結果的科學性。景觀格局指數是景觀生態學中分析景觀格局的主要手段，已得到較為廣泛的應用，能客觀地描述區域景觀格局的特征和規律。目前對景觀格局變化的研究多集中于對演變規律的長時段時序解析或事件前后較大時間跨度的宏觀景觀變化特征分析[12-13]，且現有研究較少關注景觀格局演變對生態環境及其區域生態安全的影響[14]。隨著景觀生態學領域的擴展，研究對象逐漸由宏觀大尺度區域轉向城市這一人類活動中心[15-16]，開始關注更為微觀的公園、景區、鐵路段等小尺度區域[17-18]。當前對小尺度區域景觀在突發性災害發生后的景觀格局變化研究較少。無人機遙感提供了持續關注與快速監測小尺度空間差異的有效途徑，以景觀格局指數為依據的分析也將加深我們對斑塊內部生境結構、動植物群落結構之間相互關系在受到外部擾動后改變程度的理解，有助于構建更加穩定的城市植被景觀并進一步指導能夠應對突發風險的景觀規劃設計。

鼓浪嶼依托自然環境，伴隨著獨特的歷史發展變遷形成了如今“城在景中、景在城中”的特殊風貌與格局，體現了人與自然和諧共處的理想景象。以鼓浪嶼為案例地點，以在“莫蘭蒂”臺風登陸前后的兩期無人機遙感影像為數據源，提取各自植被覆蓋信息，在劃分植被與非植被景觀的基礎上，通過計算景觀格局指數，分析臺風影響后植被分布格局的變化，并通過對比圖斑差異和計算受災圖斑的景觀格局指數，分析鼓浪嶼受災圖斑的分布情況與受災細節，以提出有效的臺風災害防范與應對策略。

1 “莫蘭蒂”臺風概況與案例地介紹

1614號超強臺風“莫蘭蒂”于2016年9月10日14：00在西北太平洋洋面生成，11日14：00成為強熱帶風暴，次日08：00加強為強臺風。9月15日03：00在福建廈門登陸，登陸時中心最大風力達52m/s，為超強臺風，7級大風范圍半徑200km，10級大風范圍半徑80km（圖1）。臺風“莫蘭蒂”不僅是2016年全球海域最強的臺風，也是繼1917年以來登陸廈門的最強臺風，對中國東南沿海地區特別是臺風從正面登陸的廈門地區的社會經濟和生態環境造成了嚴重的破壞。

鼓浪嶼地處中國東南沿海福建省廈門市，距廈門本島西南海岸僅500m，地理坐標為118°3′9″～118°4′24″E，24°26′18″～24°27′32″N，面積1.88km2，植被覆蓋率48.5%。鼓浪嶼四面環海，屬亞熱帶海洋性季風氣候，溫暖濕潤。鼓浪嶼常受到海霧、雷暴、臺風等災害天氣的影響，其中臺風影響最為劇烈，多集中在7～9月，平均每年受影響5～6次。

鼓浪嶼歷史國際社區于2017年7月8日獲批準被列入世界文化遺產名錄，“莫蘭蒂”臺風登陸的后一天，原定國際專家對鼓浪嶼申遺項目進行現場考察，這次臺風帶來的嚴重損失無疑是檢驗鼓浪嶼應對突發災害能力的一次考驗。島上植被受損嚴重，樹木枝干普遍折損，共計倒伏3 000余株，其中包括名木古樹19棵。

2 研究數據和方法

2.1 研究數據

臺風登陸一個月后拍攝影像，此時鼓浪嶼島上倒伏占道樹木已清理完成，避免獲取到的植被覆蓋區域由于植物倒伏或散落而造成偏移，能夠清晰真實地反映鼓浪嶼植被損失狀況。另外，研究區內溫暖濕潤的氣候條件決定了影像拍攝時間的差異對植被的影響不大，不影響整體研究結果的合理性。

2.2 研究方法

研究主要關注植被受臺風影響的變化，因此將研究區域分為植被和非植被兩類景觀。利用監督分類最大似然法對“莫蘭蒂”臺風前后影像進行劃分，分類精度分別達99.03%、99.92%，Kappa系數在0.9以上，能夠反映真實的植被覆蓋信息，進而獲取矢量數據。利用ArcGIS疊加分析提取臺風登陸前后的差異圖斑，判別臺風后相較于臺風前減少的圖斑為植被受災圖斑。

1 “莫蘭蒂”臺風路徑與鼓浪嶼區位圖The typhoon track of “Meranti” and the Gulangyu location map

2 鼓浪嶼植被布局Vegetation distribution in Gulangyu

表1 研究采用的景觀指數及說明Tab.1 Landscape indices and descriptions used in this study

為了詳細描述與分析植被斑塊的空間格局特征及臺風后的變化狀態，文中引入了景觀生態學概念對臺風前后的植被景觀空間格局變化進行研究。通常用景觀指數作為景觀格局的定量度量方法，景觀指數能夠高度濃縮景觀格局信息,反映其組成結構和空間配置[19]。研究選擇了9個景觀格局指數（表1）：景觀/斑塊類型面積（TA/CA）、景觀類型面積百分比（PLAND）、斑塊個數（NP）、斑塊密度（PD）、最大斑塊指數（LPI）、斑塊平均面積（AREA_MN）、相似鄰接百分比（PLADJ）、斑塊結合度（CHOEISION）及Shannon均勻度指數（SHEI）[19-20]。將矢量結果導出為1m×1m柵格文件，該尺度能夠清晰反映植被分布狀態，利用Fragstats4.2進行景觀指數的計算。

3 臺風前植被分布特征與景觀格局指數

根據“莫蘭蒂”臺風登陸前的植被分布狀態（圖2），統計得到植被覆蓋面積為0.988 132km2，植被覆蓋率達52%。鼓浪嶼植被的整體分布格局在北部、西部、南部沿海區域呈現“半環狀”分布和中部沿燕尾山、筆架山、雞母山、英雄山的縱向分布。

大型綠地斑塊在城市綠地系統中處于相對重要的位置，對全島環境的改善和溫室效應的緩解有至關重要的作用，而小型植被斑塊則作為大型植被斑塊的有益補充，在豐富城市景觀方面發揮重要作用[21]。臺風前研究區域景觀總面積為186.38hm2，斑塊數共計20 613個，平均斑塊面積為90m2，最大斑塊比例面積39.19%，斑塊密度大小為110.60個/hm2，說明研究區內小面積斑塊比例較大，景觀破碎化程度高（表2）。景觀均勻度指數很高且趨近于1，為0.998 1，說明景觀中沒有明顯的優勢類型，且各斑塊類型在景觀中均勻分布，意味著研究區內植被景觀與非植被景觀比例大致相等，幾乎各占一半。整體景觀的相似鄰接百分比與斑塊結合度指數均較大，說明鼓浪嶼景觀整體呈集聚分布。一般認為在自然景觀中斑塊數量較小、平均斑塊面積較大，生態連續性較高、系統也更穩定。研究區域斑塊數量多，斑塊密集，整體區域內植被與其他類型景觀比例均衡，說明是以人工修飾為主的景觀特征。

植被景觀約97.98hm2，占52.57%，其他類型景觀約88.40hm2，占47.43%，植被最大斑塊指數為39.19%，大于其他類型的31.83%（表3），因此植被是全島的優勢景觀類型，超過非植被的其他類地物。其他類景觀斑塊個數和斑塊密度相對植被景觀較大，但斑塊平均面積和最大斑塊指數則相對較小，說明其他類景觀中小面積斑塊數量居多，斑塊分布較為分散，景觀破碎化程度高，主要是因為其他類地物主要是建筑、道路及沙灘，建筑周圍種植樹木、草地，致使斑塊相對破碎。相似鄰接百分比與斑塊結合度有顯著的正相關關系，兩類地物景觀的斑塊結合度都趨近于100，顯示斑塊間較高的聚集程度，植被景觀體現了相對更高的相似鄰接百分比，說明植被聚集程度更高，景觀斑塊大，形狀簡單。

表2 臺風前鼓浪嶼景觀格局總體特征Tab.2 The general features of Gulangyu landscape pattern before the typhoon attack

表3 臺風前鼓浪嶼景觀類型指數Tab.3 Landscape index of Gulangyu before the typhoon attack

表4 臺風后鼓浪嶼景觀格局總體特征Tab.4 The general features of Gulangyu landscape pattern after the typhoon attack

表5 臺風后鼓浪嶼景觀類型指數Tab.5 Landscape index of Gulangyu after the typhoon attack

4 臺風前后植被變化分析

4.1 臺風后景觀格局指數與變化分析

受臺風影響景觀指數發生了一定的變化。臺風后相較于臺風前在相同的景觀面積下,斑塊數共計15 730個，減少了4 883個，平均斑塊面積為118m2，增加了28m2,最大斑塊比例面積47.99%，增加了8.80%，斑塊密度大小為84.40個/hm2，減少了26.20個/hm2，說明研究區內小面積斑塊比例仍然較大，景觀破碎化程度高，但有所緩解（表4）。可能是由于臺風災害導致的小斑塊植被缺失以及樹木倒伏、樹冠偏移現象導致部分原本割裂的斑塊相互連續，同時也存在一定季節變化因素的影響。景觀均勻度指數為0.628 9，說明景觀中存在優勢類型，受臺風影響各斑塊類型在景觀中分布呈現一定程度的不均勻，主要是研究區植被受損導致了其他類景觀分布大于植被景觀分布。整體景觀的相似鄰接百分比和斑塊結合度指數依然較大，說明鼓浪嶼景觀的整體格局仍然呈現集聚分布。

通過以下例句，學生可以歸納出先行詞是“物”的時候，如何用關系代詞that和which實現對其的照應，再次體會和比較限制性定語從句和非限制性定語從句的區別，并且總結關系代詞何時可被省略。

全島的優勢景觀類型由臺風前的植被景觀轉變為臺風后的非植被景觀，表現了植被受臺風影響而減少的情況，植被景觀面積由臺風前的97.98hm2減少為臺風后的84.25hm2，減少了13.73hm2，植被比例由臺風前的52.57%減少為臺風后的44.67%，減少了7.90%（表5）。臺風后數據顯示了與臺風前完全相反的現象，植被景觀斑塊個數和斑塊密度比非植被景觀更大，但斑塊平均面積和最大斑塊指數則相對較小，反映了植被景觀中小面積斑塊數量居多，斑塊分布較為分散，景觀破碎化程度高，說明臺風襲擊直接導致植被斑塊相對破碎的現象，其他類景觀的斑塊密度由臺風前61.11個/hm2，減少為37.83個/hm2，主要由于臺風對分布在非植被地物間的部分小面積植被斑塊造成損害，引起部分植被的缺失，導致非植被景觀連接成片。斑塊結合度都趨近于100，斑塊間聚集程度依舊較高，植被景觀的相似鄰接百分比在臺風后小于非植被，說明植被聚集程度有所減小，但從整體看景觀斑塊依舊較大，形狀簡單，體現了鼓浪嶼景觀良好的風險抵御能力。

4.2 受災圖斑分析

4.2.1 受災圖斑景觀格局指數

利用同樣方法計算受災圖斑的景觀格局指數，受災斑塊總面積為26.71hm2，占全島總面積14.33%、全島植被面積27.26%，斑塊個數26 738個，說明受災面積較大，且受災地點較多，在全島各處均有分布（表6）。斑塊密度大小為1 002.70個/hm2，平均受災斑塊面積為10m2，最大斑塊比例面積1.13%，說明受災區域以破碎的小斑塊形式分布。斑塊結合度指數較大，為89.52，說明受災區域的連通性較高，相對較為集聚，受災比較嚴重。受災斑塊的相似鄰接百分比為61.06，說明受災區域呈現一定的集聚特征，但相比植被分布較為分散。

表6 受災圖斑格局總體特征Tab.6 The general features of disaster plaques pattern

3 “莫蘭蒂”臺風受災斑塊圖The disaster plaques map of the Typhoon “Meranti”

4 典型受災情景對比Comparison of typical disaster situations

4.2.2 受災圖斑分類

將受災斑塊按照面積大小進行分類，有利于清晰地認識研究區的受災特征。受臺風影響的斑塊大小，反映了棲息在該景觀要素中生物種群數量和生態過程的受影響程度。利用自然斷點法將受災斑塊按面積大小劃分為3類（圖3），分別代表大面積受災區、中等受災區和小面積受災區。不同受災區域在空間中呈現一定的規律分布，可以對產生這種差異的原因做進一步解釋。大面積受災區反映出受災面積較大的區域主要分布于鼓浪嶼南部，以日光巖、菽莊花園、皓月園等景區及沿海區域的植被為主，主要是海拔較高的山體和臺風迎風面區域，且臨海空間開敞沒有遮擋，因此受臺風災害影響最大；中等面積受災區主要分布于鼓浪嶼西南部和北部，以燕尾山公園、兆禾山公園、筆架山、駱駝山等區域為主，此區域多為大面積植被覆蓋的林地公園，相對空曠，因此樹木受損較為嚴重，東部鋼琴碼頭、海天堂構、音樂廳周圍的部分地區，這些區域位于迎風位置且植被相對較多，因此也受臺風影響較大；小面積受災區則主要分布在龍頭路商業街片區和內厝澳社區此類建筑密集處，以及內厝澳碼頭區域和東部鹿礁路附近區域，這一區域的植被分布多集中于建筑間隙，體現了沿街特質，能夠反映鼓浪嶼生態廊道的受災特征，內厝澳碼頭區域受到東南部山體阻擋，因此植被受災程度較輕。

4.2.3 受災典型細節分析

臺風主要影響樹木，對草地的影響較小。全島樹木倒伏3 000余株，其中169棵名木古樹，有19棵古榕樹倒伏，占全島名木古樹的11%，樹木枝干受損，樹冠稀疏現象普遍。通過無人機影像對受災前后相同區域的比對，植被的受災情況主要為樹木倒伏、樹冠稀疏和植被缺失（圖4）。

強勁的風力是導致樹木倒伏的直接原因，但對倒伏古木的調查中發現，許多樹木在臺風前就受到較明顯的病蟲害影響，部分樹木生長土壤較為疏松，這些因素是造成樹木倒伏的內在原因。島上倒伏樹木在災后得到迅速有效的清理，由于鼓浪嶼全島沒有機動車輛通行，且街巷交錯，運輸車輛和外部吊裝起重設備無法使用，少數較粗大的倒伏樹木難以得到扶正處理，針對部分無條件扶正的古榕樹，進行修剪并加以穩固支撐，在排除險情的同時保障道路暢通。這些長期倒伏的樹木，成為具有災害記憶特征的特殊藝術景觀被保留下來，吸引旅游者駐足觀賞。雖然樹冠稀疏現象普遍，但散落的樹木枝干在災后一個月內得到有效清理，街道中已然沒有臺風后的狼藉景象。植被損失主要包括倒伏樹木被清理后露出底層草地植被和露出底層裸土或道路這兩種情況，這兩種現象在植被的受災評估中反映了一定的差異，前者樹木冠層的損失對植被覆蓋的提取結果沒有影響或影響很小，致使評估結果顯示植被損失偏小，后者則能夠較為合理地反映樹木損失情況，因此若從數量上評估全島的植被受損情況將更為嚴重。另外，樹木倒伏和枝干掉落會對周邊建筑、院墻造成嚴重的連帶損傷，受損枝干在臺風后得到及時有效的修剪，避免次生災害。

5 結論與討論

1）鼓浪嶼植被分布與建筑布局體現了良好的相依交融格局，山體形態基本決定植被的主要分布，島上景觀中小面積斑塊比例較大，景觀破碎化程度高，但整體格局呈現集聚分布。

2）“莫蘭蒂”臺風未影響植被的整體分布特征，臺風前鼓浪嶼植被景觀與非植被景觀比例大致相等，分布均衡，臺風后植被減少使非植被景觀成為鼓浪嶼優勢景觀。

3）鼓浪嶼受臺風影響景觀格局發生了較大改變，由臺風前的非植被景觀小面積斑塊數量居多，斑塊分布較為分散，景觀破碎化程度高轉變為臺風后的植被斑塊景觀破碎程度高，植被聚集程度有所減小。

4）按植被受災面積大小劃分的受災區域呈現規律性分布，位于山體之上及周邊無遮擋的開敞地區受災更為嚴重，建筑密集區和受山體遮擋的區域受災相對較輕。植被的主要受災情況是樹木倒伏、樹冠稀疏和植被缺失。

當前研究還較少利用無人機遙感手段關注小尺度區域在受到臺風災害后的景觀格局變化。低空無人機遙感已經成為可靠的災情勘查方式，通過無人機影像結合景觀格局指數分析臺風干擾下鼓浪嶼文化遺產地景觀格局的變化，將有助于更為科學客觀地認識災害所造成的影響，是災情評估分析過程的有益拓展，為管理者在宏觀分析其他自然災害造成的景觀格局變化方面提供借鑒。差異圖斑分析結果將深化我們對斑塊生境結構變化的理解，為植被布局的優化與管理提供依據。對受災程度不同的區域，可采取差異化的植被恢復措施與管理方式，針對性地通過改善植被生長環境、更替植被種群等方式提高其抵御災害能力。

本文還存在一定的局限：由于無人機影像僅有可見光波段，對一些色彩與植被近似的地物提取存在一定誤差，比如出現水體、陰影的誤分。影像拍攝時間的差異、不同時段的光照差異均會對植被提取的精度造成一定影響。上述不足還將在后續研究中加以改進。

注釋：

① 文中圖1～3由作者自繪，其中，圖1所用矢量行政邊界數據為國家1∶400萬基礎地理數據，臺風數據來源于中央氣象臺臺風網（http://typhoon.nmc.cn/），圖2、3 所用矢量行政邊界數據由廈門城市規劃設計研究院提供；圖4為作者航拍。

② 文中表格根據遙感影像和軟件計算而來。