濕地生態系統質量遙感監測研究進展

摘 要：【目的】濕地作為地球三大生態系統之一，是生態環境中不可或缺的一部分，其環境狀況與自然及人類息息相關。【方法】通過搜集分析相關文獻，總結出不同遙感平臺在濕地生態系統監測中的應用現狀及當前濕地生態系統質量遙感評估的主要方法。【結果】監測濕地環境、評估濕地質量為確定濕地生態狀況及其保護工作開展提供可靠的數據支撐，而蓬勃發展的遙感技術在此過程中扮演著十分重要的角色。【結論】遙感技術已經融入濕地研究的方方面面，為諸多學者在濕地方面的研究提供良好的數據基礎。

關鍵詞：濕地；多平臺遙感監測；生態系統質量；綜合評價

中圖分類號：X87" " " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2023）21-0013-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.21.003

Research Progress of Wetland Ecosystem Quality Monitoring by Remote Sensing

WANG Zhe1，2 YUAN Zhanliang1 WANG Chao2

（1.School of Surveying and Land Information Engineering， Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454003，China; 2.Institute of Geographical Sciences， Henan Academy of Sciences， Zhengzhou 450052，China）

Abstract： [Purposes] As one of the three ecological systems of the earth， wetland is an indispensable part of the ecological environment， and its environmental condition is closely related to both nature and human. [Methods] By collecting and analyzing relevant literature， the application status of different remote sensing platforms in wetland ecosystem monitoring and the main methods of remote sensing assessment of wetland ecosystem quality were summarized. [Findings] Monitoring wetland environment and assessing wetland quality provide reliable data support for determining wetland ecological status and protection work， and the booming remote sensing technology plays a very important role in this process. [Conclusions] Remote sensing method has been integrated into all aspects of wetland research， providing a good data basis for many scholars in wetland research.

Keywords： wetland; multi-platform remote sensing monitoring; ecosystem quality; comprehensive evaluation

0 引言

濕地是地球表層獨特且重要的生態系統，與森林、草地、農田、海洋等生態系統共同維系著地球表層的生物多樣性和生態平衡^［1］。濕地一般發育在水、陸系統交界處，但又與水、陸系統有著本質差異。正因為這種特性，濕地與森林、海洋并稱為地球三大生態系統。

《濕地分類》（GB/T 24708—2009）對國內濕地系統進行分類，分類結果見表1。其中，1級分類是按照成因進行分類的；2級分類中的自然濕地是按照地貌特征進行分類的，人工濕地是按照主要功能用途進行分類的。

我國濕地面積占世界濕地面積的10%，位居亞洲第一、世界第四^［2］。近年來，在全球變暖、降水形態變化等環境因素與城鎮化、污水排放及對生態系統不合理經營等人類活動因素的雙重影響下，部分濕地的生態質量下降，出現萎縮退化或轉為旱地、水田等，濕地生態系統健康正面臨著巨大威脅，定期對濕地資源和環境進行調查與監測，對保護和管理濕地生態系統具有重要意義^［3］。生態系統質量體現出生態系統的優劣程度，主要表現為在特定時空范圍內，生態系統對人類及社會發展的適宜程度。

近年來，隨著對地觀測技術的不斷發展，遙感技術已成為濕地生態監測的重要手段之一。由于遙感的時空連續性、尺度多樣性等特點，其所獲取到的數據比采樣監測數據更具綜合性和全局性，在數量上比傳統數據獲取手段有著極大提升，在質量上更能體現濕地與周圍環境空間的相互關系。因此，利用遙感影像來監測濕地生態系統狀況，在節省資源的同時，還能提高作業效率，是一種經濟有效的技術方法。此外，利用遙感影像來監測濕地，能客觀了解濕地生態系統的質量狀況，對當地政府濕地管理部門合理制定發展規劃和濕地保護政策具有十分重要的意義。

1 多平臺遙感在濕地監測中的應用

遙感平臺是指搭載不同遙感傳感器的載體工具。按平臺距地面的高度，其可分為地面平臺、航空平臺和航天平臺。3種平臺在濕地生態質量監測中分別有著不同應用，但相輔相成，主要區別在所使用的設備、監測要素、空間尺度等。

1.1 地面遙感平臺在濕地監測中的應用

地面遙感以塔、車、船等平臺為載體來搭載傳感器進行遙感監測，此外包括各種便攜式的遙感設備（如手持光譜儀、波譜儀、高光譜相機等），主要用于采集濕地的地面信息（如地物光譜等）。凌成星等^［4］使用成像光譜儀、地物光譜儀來采集濕地苔草光譜反射信息，并對比在不同水分環境下的二者光譜特征及典型植被指數結果。章文龍等^［5］利用FieldSpec2500來測定土壤反射光譜，從而構建了閩江口濕地土壤TP含量估算模型。劉衛華等^［6］使用便攜式光譜儀，以水面之上觀測法測量了巴音布魯克濕地河流的水體光譜，并計算出水體遙感反射率。王莉雯等^［7］使用ASD光譜儀實測出盤錦濕地土壤光譜數據，并模擬了高光譜數據和多光譜數據。王樂等^［8］在TLS點云數據的基礎上，結合無人機影像進行試驗，結果表明，在以植被遮擋指數（VOI）篩選數據源的情況下，可用地面激光雷達來精確估測紅樹林濕地葉面積指數（LAI）。

1.2 航空遙感平臺在濕地監測中的應用

航空遙感平臺包括飛機、飛艇、氣球、無人機等航空器。近年來，由于無人機迅速發展，使其成為航空遙感中最常用的手段。無人機遙感的優勢在于其具有高分辨率和高時效性，并且有較高的機動性能，其在云層下成像的特點也使得觀測過程可以避開云層遮擋所帶來的干擾。在生態監測方面，無人機遙感同樣具有高效、便捷、成本低和監測范圍廣等優勢，能夠為環境監測提供實時準確的數據支持^［9］。

杜保佳等^［10］基于無人機獲取的植物群落冠層高光譜影像，在最優分類基礎上，利用最優反演模型，繪制出植物群落冠層氮素含量的遙感反演制圖，完善了我國內陸濕地植物群落氮含量的研究。周在明等^［11］基于四旋翼無人機來獲取福建寧德三沙灣灘涂濕地的ADC多光譜影像，利用NDVI來監測濕地互花米草的植被覆蓋度，為灘涂濕地保護提供了數據支撐。高燕等^［12］基于無人機紅光波段建立的回歸模型能較好地反演濕地地上生物量，通過將無人機和衛星影像結合，進一步提高濕地地上生物量反演精度。左萍萍^［13］利用無人機和衛星多光譜影像，結合3種回歸算法，實現了濕地植被群落的冠層葉綠素含量的反演，并發現采用無人機影像的反演精度略高于采用衛星影像反演的精度。

1.3 航天遙感平臺在濕地監測中的應用

航天遙感平臺是指搭載各類傳感器的衛星，按照工作方式的不同，可分為重力衛星、激光測高衛星、光學衛星、雷達衛星。憂思科學家聯盟（UCS）數據顯示，截至2022年1月1日，全球在軌運行的人造衛星數量共計4 852顆，其中在軌衛星中遙感衛星有1 033顆，占比達21%。在489顆商業遙感衛星中，光學衛星數量最多，有249顆，占比達51%^［14］。幾種常見遙感衛星部分參數見表2。

在濕地生態系統監測方面，眾多學者選擇最多的數據源是光學衛星影像，而雷達衛星影像則更多應用于濕地分類等生態格局的研究。李楠^［15］基于杭州灣區域1973—2015年的Landsat系列影像及GF-1號衛星的高分辨率遙感影像，對杭州灣濱海濕地進行信息提取和動態變化監測研究，并分析其演變特征和驅動機制。吳春瑩等^［16］針對北京野鴨湖濕地、漢石橋濕地和密云水庫這3處濕地的狀況，結合實地采樣結果和Landsat TM影像，以水環境指標、土壤指標等指標構建生態系統評價體系，并進行對比評價，其中，野鴨湖濕地的生態質量要明顯優于漢石橋濕地和密云水庫。梁冬坡等^［17］基于Landsat影像，從濕地水體面積變化方面出發，分析了天津市七里海濕地等6處水庫濕地從1984年到2017年的變化情況。

2 濕地生態系統質量遙感評價方法

按照所選指標不同，對生態系統質量的評價方法可分為指示物種法、基于生態環境特征的綜合評價法。指示物種法主要是借助生態系統中某些物種的數量、生產力等指標來反映生態系統質量處于何種狀態，是生態系統常用的評價方法之一。而綜合評價法能反映出生態系統多尺度、多方面的特征，有利于全方位揭示生態系統中存在的問題。此外，綜合評價法也可在一定程度上彌補指示物種法的不足。

2.1 指示物種法

生態系統是一個復雜的自然系統，包括物種、生境、環境和人類活動等方面。正因為生態系統的復雜性、多樣性，在實際監測中，很難同時對研究區域的所有生態指標進行監測和評估。同時，自然界中不同物種對環境的適應性各不相同，有些物種對生態系統的變化比較敏感，其數量、分布和狀態等會隨著生態系統的變化而發生明顯變化，這意味著可通過監測這些物種的狀態變化來分析環境污染的程度和生態系統的質量，這些物種被稱為指示物種。指示物種法正是通過監測反映物種狀態的指標，從而實現對生態系統進行監測的目的。

目前，在濕地生態系統質量監測中，主要監測指標有植被覆蓋度、生物量、凈初級生產力等。王金爽^［18］以2013年盤錦濱海濕地的多光譜遙感影像為基礎，利用NDVI計算出蘆葦生物量和翅堿蓬覆蓋度，評價了盤錦濱海濕地的生態系統質量。張弨^［19］以植被覆蓋度、植被覆蓋度年變異系數為指標，選取2000年、2010年、2015年沈陽市的30 m Landsat TM/HJ—1影像和250 m MODIS NDVI數據，對沈陽市濕地生態系統質量變化情況進行分析。么旭陽^［20］從生物量和植被覆蓋度兩方面出發，對2000—2015年遼寧沿海區域的濕地生態系統質量及變化做出評價，并提出建議。

2.2 綜合指標法

綜合指標法是廣泛應用于生態監測的方法之一，是在物種指標的基礎上，再從物理生境、水質狀況和生物等方面選取復數指標，來搭配構建指標體系，并對各項指標進行加權求和，從而完成對生態系統質量的評價。由于綜合指標法結合了不同方面的指標，因此可從宏觀層面來反映生態系統的整體狀況。 綜合指標法可針對不同生態系統和不同環境進行選擇和調整，這意味著其對包括濕地在內的多種生態系統質量進行評價。在應用綜合指標法過程中，應盡量選取具有代表性、易于測量的指標，根據各指標對綜合指標的貢獻程度進行加權。常用的設權法有經驗判別法、熵值權重法、層次分析法等。此外，評價結果的準確性和可靠性依賴所采集的數據，因此應當選擇合適的數據來源、采樣方法、頻率等，以確保數據質量。

由于綜合指標法在指標選取上較為靈活，不同學者在使用綜合指標法進行評價時，所選取的指標也不盡相同。陳強等^［21］結合遙感數據、基礎地理數據和社會經濟數據，以植被凈初級生產力的年均值和變異系數、植被覆蓋度、斑塊密度等構建生態系統生產力指數、穩定性指數和承載力指數，在此基礎上，結合熵值權重法來構建生態系統質量遙感綜合評價模型，以此來實現對洞庭湖區域濕地等各類生態系統的綜合評價。梁變變等^［22］從生態系統生產力、穩定性和承載力3個方面出發，以石羊河流域的MODIS和Landsat TM遙感影像為基礎，采用NDVI、人類干擾指數、土壤侵蝕度等指標構建了生態系統質量評價體系，除熵值法外，還引入非參數K-Wχ2檢驗來確定權重指標，以此評價2000年、2005年、2010年、2015年石羊河流域的五大生態系統質量。Jing等^［23］通過分析艾比努爾湖濕地的Landsat5 TM和Landsat8 OLI影像，利用遙感生態指數評價了當地的生態環境質量，發現高綠度和高濕度對生態有積極影響，而高熱度和高干度對生態環境有消極影響，且濕度比其他3個指標對生態環境的影響更大。歐業寧^[24]利用壓力-狀態-響應（PSR）模型結合層次分析法，從壓力指標、狀態指標、相應指標這3方面選取水文調節指數、濕地退化指數等構建綜合評價指標體系，對大風江河口濕地進行單項指標因子評價和綜合評價，評價結果顯示，大風江河口濕地處于相對良好的狀態。

3 結語

隨著對環境問題的關注度日益提高，對濕地監測方法的研究也逐漸增多，遙感方法融入了濕地研究的方方面面。來自空、天、地平臺的遙感信息也使濕地數據的獲取擺脫地面實地采集的束縛，為諸多學者在濕地方面的研究提供良好的基礎數據。

空天地遙感平臺在濕地生態系統質量監測中分別扮演著不同角色，相輔相成。地面平臺主要以波譜儀采集地物反射波譜為主，用于濕地樣點采樣，也常作為輔助手段配合空、天遙感平臺。空、天遙感平臺獲取的遙感影像可提取濕地面積、植被覆蓋度、生物量、凈初級生產力和水體富營養程度等遙感監測指標。中小尺度的濕地監測可采用中高分辨率的衛星影像或無人機影像，大尺度的濕地監測則以航天平臺的遙感衛星影像為主，且由于遙感衛星成像穩定，可進行長時序觀測，因此可用來監測濕地的動態變化。但要注意的是，由于無法在大區域水面布設控制點，很難進行無人機影像拼接，這也導致水面會出現大面積數據空白，因此監測具有較大水面的湖泊濕地等應當選擇衛星遙感作為主要監測手段。

在評價方法上，相較于綜合法，指示物種法具有以點代面的特點，能在一定程度上反映濕地生態系統的質量，但很多指示物種具有很強的移動能力，對脅迫的耐受程度較低，與生態系統變化的相關性較弱^［25］。因此，指標選擇得恰當與否在很大程度上影響最終評價結果。綜合評價法雖通過增加指標數量及涵蓋內容，能減小單方面指標評價帶來的偏差，但這會使評價工作變得更加復雜。此外，由于不同地理區域的生態系統結構差異較大，很難采用同一套評價方法和指標。如何選取能反映濕地生態系統質量的合適指標仍需仔細研究，評價方法的準確性和適用范圍等仍是亟待解決的問題，要在后續研究中進一步完善。

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收稿日期：2023-04-05

基金項目：河南省科學院劉先林院士工作經費（231701004）；河南省科學院基本科研業務費項目（220601003）。

作者簡介：王哲（1999—），男，碩士生，研究方向：攝影測量與遙感。