森林与环境学报  2016, Vol. 36 Issue (04): 455-460   PDF    
http://dx.doi.org/10.13324/j.cnki.jfcf.2016.04.012
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王俊杰, 刘珏, 石铁柱, 邬国锋
WANG Junjie, LIU Jue, SHI Tiezhu, WU Guofeng
1990-2015年广西廉州湾红树林遥感动态监测
Remotely dynamic monitoring of mangrove in Lianzhou Gulf, Guangxi during between 1990 and 2015
森林与环境学报,2016, 36(04): 455-460.
Journal of Forest and Environment,2016, 36(04): 455-460.
http://dx.doi.org/10.13324/j.cnki.jfcf.2016.04.012

文章历史

收稿日期: 2015-12-27
修回日期: 2016-01-25
1990-2015年广西廉州湾红树林遥感动态监测
王俊杰1, 刘珏2, 石铁柱1, 邬国锋1,3     
1. 深圳大学海岸带地理环境监测国家测绘地理信息局重点实验室, 广东 深圳 518060;
2. 国营北海防护林场, 广西 北海 536000;
3. 武汉大学资源与环境科学学院, 湖北 武汉 430079
摘要: 结合遥感与地理信息系统技术,采用多时相遥感卫星影像提取广西廉州湾1990、1998、2004、2008和2015年红树林空间分布信息,并从整体景观尺度(面积变化)、像元尺度(多时相信息二进制编码)以及斑块尺度(景观指数与景观分布质心)定量分析红树林的时空变异特征。结果表明,1990-2015年红树林面积呈“增长-下降-增长”特征,2015年达到734.36 hm2;1998-2015年红树林呈消长分布,时空变异程度大;近25 a来红树林斑块数不断增加,平均斑块面积减少,景观破碎化加剧,景观分布质心向研究区东南部偏移。基于多时相遥感影像能快速获取红树林的时空变异特征,有助于红树林调查的科学安排及其保护与管理。
关键词红树林     遥感     动态监测     时空变异     廉州湾    
Remotely dynamic monitoring of mangrove in Lianzhou Gulf, Guangxi during between 1990 and 2015
WANG Junjie1, LIU Jue2, SHI Tiezhu1, WU Guofeng1,3     
1. Key Laboratory for Geo-Environmental Monitoring of Coastal Zone of the National Administration of Surveying, Mapping and Geo-information, Shenzhen University, Shenzhen, Guangdong 518060, China;
2. State-owned Beihai Protection Forest Farm, Beihai, Guangxi 536000, China;
3. School of Resource and Environmental Sciences, Wuhan University, Wuhan, Hubei 430079, China
Abstract: With remote sensing and geographical information system techniques, multi-temporal remote sensing images were employed to extract the spatial distribution of mangrove in Lianzhou Gulf, Guangxi in 1990, 1998, 2004, 2008 and 2015. The temporal and spatial variations of mangrove were quantitatively analyzed at the scales of landscape (area change), pixel(multi-temporal binary coding method) and patch (landscape indices and center-of-mass coordinate of landscape). The results showed that the area of mangrove tended to "increase-decline-increase" from 1990 to 2015, and the area was 734.36 hm2 in 2015. The spatial distribution of mangrove expanded and shrank over 1998-2015 with fluctuant temporal and spatial variations. During 1990-2015, the total patches of mangrove tended to increase, the average patch area declined, the landscape fragmentation intensified, and the center-of-mass of mangrove landscape tended to shift to the southeast of Lianzhou Gulf. The temporal and spatial variation of mangrove can be quickly acquired with multi-temporal remote sensing images, facilitating the scientific arrangement of mangrove investigation as well as protection and management of mangrove.
Key words: mangrove     remote sensing     dynamic monitoring     temporal and spatial variation     Lianzhou Gulf    

红树林是生长在热带和亚热带海滩潮间带的木本植物群落[1]。红树林植株繁茂,传统野外调查工作量大、效率低,难以满足红树林资源实时监测的需求。近年来,凭借观察范围广、信息量大、更新时间短、空间分辨率高等显著优势,遥感技术已广泛用于红树林资源调查研究[2-3],为实时动态监测红树林状况提供重要的技术手段和方法。目前,研究者主要采用多光谱(如Landsat 、 SPOT 、 MODIS 、中巴资源卫星)和高分辨率(如IKONOS 、 QuickBird 、 WorldView 、资源三号卫星)遥感卫星影像监测红树林湿地动态、种间分类和景观格局动态等信息[2-6]。应用多时相遥感卫星影像可快速有效获取不同时期红树林空间分布信息,进而了解红树林湿地动态变异状况。红树林时空变异分析方法以面积[7]和景观格局变化(如斑块数、平均斑块面积、破碎化指数)[8]为主。但是,这类方法主要用于整体景观和斑块尺度的定量分析,不能实现像元尺度的时空变异分析。李天宏等[9]在红树林面积变化基础上,利用多时相信息二进制编码方法分析了深圳湾红树林在6个时期内的空间消长状况,获取了在像元尺度上的时空变异信息。目前,较少研究同时结合整体景观、像元和斑块尺度定量分析红树林的时空变异状况。

廉州湾是广西沿海重要的红树林分布区之一,近几十年来,廉州湾近海及沿岸的海水养殖业迅速发展,对当地的红树林造成一定威胁。文中旨在结合遥感与地理信息系统技术,采用多时相遥感卫星影像提取1990-2015年广西廉州湾红树林空间分布信息,从整体景观尺度(面积变化) 、像元尺度(多时相信息二进制编码)以及斑块尺度(景观指数与景观分布质心)定量分析红树林的时空变异特征,为实时动态监测当地红树林状况提供一种方法,并对当地红树林保护和管理提供必要的信息。

1 数据与方法 1.1 研究区概况

研究区位于广西廉州湾,东经108°59′-109°10′,北纬21°33′-21°40′(图 1),地处北海市西北侧,是一个开敞型基岩侵蚀堆积湾。气候为亚热带海洋性季风气候,年平均气温22.4 ℃,年平均降雨量1 663 mm。近岸的南流江三角洲是广西最大的三角洲,三角洲向外堆积旺盛,外缘洲岛较多,存留大面积的红树林湿地,具有重要的物质生产、景观美学与环境生态功能。

图 1 研究区示意图 Fig. 1 Map of study area
1.2 数据与预处理

利用5个不同时期的遥感卫星影像(图 2)提取1990-2015年广西廉州湾红树林空间分布信息:1990年12月5日Landsat-5影像(Path/Row:125/45,空间分辨率30 m) 、 1998年10月2日SPOT-4影像(Path/Row:307/276,空间分辨率20 m) 、 2004年10月12日SPOT-2影像(Path/Row:307/276,空间分辨率20 m) 、 2008年11月27日ALOS影像(Path/Row:119/3160,空间分辨率10 m)以及2015年4月14日Landsat-8影像(Path/Row:125/45,空间分辨率30 m)。

图 2 广西廉州湾遥感卫星影像假彩色合成图(1990-2015年) Fig. 2 False color composite maps of remote sensing images in Lianzhou Gulf, Guangxi in 1990-2015

借助覆盖研究区1 : 50 000地形图,利用ERDAS软件对ALOS(2008年)影像进行几何精校正,以校正好的ALOS影像为基准,对其它4个时期的SPOT和Landsat影像分别进行几何配准。基于研究区地形及影像数据的分辨率,采用二元多项式校正方法,几何配准的均方根误差在0.5个像素之内(校正精度为98.5%),采用最近邻点法进行影像重采样(分辨率为30 m)。

由于红树林与陆地上的植被光谱信息相近,因此,在提取红树林信息之前,先利用人工勾绘海岸线的方法对近海与陆地部分进行分离,然后利用最大似然法对近海区域影像进行监督分类(红树林、滩涂、海水及其它地物4大类)。基于野外调查资料以及广西第2次湿地资源调查矢量图(2011年)随机选取100个点对红树林的分类结果进行精度评价,精度评价采用通用的混淆矩阵方法。

1.3 基于像元的多时相信息二进制编码

采用多时相信息二进制编码方法[9]描述5个不同时期像元尺度上的红树林动态变化特征。一个字节有8位(Bit0至Bit7),Bit0 、 Bit1 、 Bit2 、 Bit3和Bit4分别代表一个像元在2015 、 2008 、 2004 、 1998和1990年覆盖有红树林,Bit5 、 Bit6和Bit7为空。对于5个时期的红树林空间分布图(空间分辨率均重采样至30 m),隶属于红树林的像元灰度值(Vi, j, i=0 、 1 、 2 、 3和4分别代表 2015 、 2008 、 2004 、 1998和1990年;j代表像元序号)设置为“1”,隶属于其它地物的像元灰度值为“0”,通过波段之间的数学计算(Vdyna, j=∑2iVi, j),得到各个像元(j)5个时相叠加之后的灰度值(Vdyna, j)。如果一个像元的灰度值为22(对应的二进制为“10110”),表明该像元在1990年有红树林覆盖,而在1998年红树林消失,在2004年和2008年又有红树林覆盖,而在2015年红树林消失。因此,统计多时相叠加影像图的灰度值分布,可以快速准确地得到红树林在不同时期的变化信息。

1.4 基于斑块的景观格局变化

目前,反映景观格局变化的特征指数非常多,选取常用的斑块数、平均斑块面积、边界密度、平均斑块形状指数和破碎化指数对红树林景观格局变化进行分析,这些景观指数的计算方法及代表的意义详见文献[10]。另外,利用红树林景观质心变化反映红树林景观的空间变化,按照如下公式计算t年(t=1990 、 1998 、 2004 、 2008和2015)红树林景观分布质心坐标[11]

$ {{X}_{t}}=\frac{\sum{{{S}_{t,i}}{{X}_{t,i}}}}{\sum{{{X}_{t,i}}}},{{Y}_{t}}=\frac{\sum{{{S}_{t,i}}{{Y}_{t,i}}}}{\sum{{{Y}_{t,i}}}} $ (1)

式中:XtYt分别表示t年红树林景观分布质心的经度和纬度坐标;St, i表示t年第i个斑块的面积;Xt, iYt, i分别表示t年第i个斑块的质心经度和纬度坐标。通过比较不同时期红树林的景观分布质心坐标,可得出红树林景观的时空变异特征。

2 结果与分析 2.1 红树林整体景观尺度时空变异特征

通过目视解译和监督分类,得到1990-2015年5个不同时期的红树林空间分布信息(图 3),基于野外调查资料以及广西第2次湿地资源调查矢量图(2011年),1990 、 1998 、 2004 、 2008和2015年红树林的分类精度分别为86.7% 、 92.3% 、 91.5% 、 92.6%和93.1%,能够达到遥感解译的精度要求。5个时期的红树林面积分别为255.66 、 395.01 、 361.40 、 493.20和734.36 hm2,呈现“增长—下降—增长”特征。2015年红树林湿地面积是1990年的2.87倍,年均增长达4.31%。1990年的影像处于涨潮期,会掩盖部分红树林幼苗,因此通过影像得到的红树林面积小于真实值。2015年的影像处于退潮期,滩涂显露出海草,而海草与红树林具有类似的植被光谱特征,在光谱和空间分辨率不高的情况下,少量海草可能被归为红树林。

图 3 廉州湾红树林空间分布图(1990-2015年) Fig. 3 Distribution map of mangrove in Lianzhou Gulf in 1990-2015
2.2 红树林像元尺度时空变异特征

5个时相的红树林空间分布图(空间分辨率均重采样至30 m)叠加之后,灰度值为1 、 2 、 3 、 7 、 8 、 9 、 15 、 16以及31具有最多的像元数,图 4是对应灰度值的叠加影像假彩色合成图。灰度值为1(二进制编码为“00001”)表明只有2015年覆盖红树林的像元共3 097个(面积为278.73 hm2,一个像元对应的实际面积为30 m×30 m);灰度值为2(二进制编码为“00010”)表明只有2008年覆盖红树林的像元共604个(面积为54.36 hm2);灰度值为3(二进制编码为“00011”)表明2008-2015年都有红树林覆盖的面积为64.35 hm2(共715个像元);灰度值为7(二进制编码为“00111”)表明2004-2015年都有红树林覆盖的面积为66.78 hm2(共742个像元);灰度值为8(二进制编码为“01000”)表明只有1998年覆盖红树林的像元为816个(共73.44 hm2);灰度值为9(二进制编码为“01001”)表明1998年和2015年都有红树林覆盖的面积为59.85 hm2(共665个像元);灰度值为15(二进制编码为“01111”)表明1998-2015年都有红树林覆盖的面积为117.90 hm2(共1 310个像元);灰度值为16(二进制编码为“10000”)表明1990年有红树林覆盖而其他年份消失的面积为1 536个像元(共138.24 hm2),灰度值为31(二进制编码为“11111”)表明每个时期都有红树林覆盖的面积为48.96 hm2(共544个像元)。灰度值为1-16的像元数变化波动较大,而值为17-30的像元数几乎没有变化且数量较少,这说明1998-2015年间红树林呈消长分布,时空变异程度大。图 4显示1990年之后,位于西北部(西场镇)的红树林大面积消失(图例为16,红色部分),这可能是由于1990-1998年期间,大量红树林湿地被改造成养殖水塘,土地利用方式发生改变;2015年,东南部(党江镇)的红树林得到进一步扩张(图例为1,蓝色部分),这得益于当地政府对红树林的保护及人工种植。

图 4 叠加影像假彩色合成图 Fig. 4 False color composite map of overlapping image 注:图例为灰度值。 Note: the value in the legend is gray value.
2.3 红树林斑块尺度时空变异特征

表 1显示1990-2015年红树林斑块数呈“增长—下降—增长”趋势,1990年斑块数为154,8 a后,斑块数增长了93.51%;1998-2004年,斑块数减少了34.56%,这与大范围的虾塘养殖、工程建设与围垦有关;随后4 a,斑块数平稳增长,2008-2015年斑块数大幅增长,2015年斑块数达560,是2008年的2.7倍,这得益于红树林的人工种植。李春干等[2]发现自然过程与人工造林活动是1960-2010年间广西北部湾红树林斑块数量增加的驱动因子。1990-2008年平均斑块面积和平均斑块形状指数呈增加趋势,说明其斑块越来越集中,斑块的形状趋于复杂化,景观整体结构趋于稳定,但2015年平均斑块面积和平均斑块形状指数分别急剧减少至1.31 hm2和1.20,说明这一时期斑块趋于分散,形状趋于简单,整体结构处于不稳定期。1998-2004年间,边界密度由0.127下降到0.110,破碎化指数由0.017略微下降至0.016,但整体来看,1990-2015年间边界密度和破碎化指数呈增长趋势。这说明近25 a来,廉州湾红树林斑块被边界分割的程度逐渐增强,景观破碎化程度不断加剧,主要原因与人工种植红树林有关,致使斑块数增加,其它原因可能是红树林保护区污染程度减轻,红树林在无人为破坏的情况下,能够依靠自身力量迅速成长,往外不断扩张,导致破碎化程度加剧。

表 1 1990-2015年红树林景观指数 Table 1 Landscape indices of mangrove in 1990-2015
年份
Year
斑块数
Number of patch
平均斑块面积
Mean patch area/hm2
边界密度
Perimeter density
平均斑块形状指数
Mean shape index
破碎化指数
Fragmentation index
1990 154 1.66 0.094 1.23 0.011
1998 298 1.33 0.127 1.30 0.017
2004 195 1.85 0.110 1.32 0.016
2008 210 2.35 0.131 1.54 0.022
2015 560 1.31 0.133 1.20 0.032

表 2揭示了1990-2015年红树林景观分布质心坐标的变化。从表 2中可得出,1990-1998年分布质心向东偏移了1′46.9″,向南偏移了29.3″,整体上向东南方向偏移3 204.67 m;在1998年的基础上,2004年的分布质心向西北部偏移1 218.64 m;在2004年的基础上,2008年的分布质心坐标向北边偏移80 m;在2008年的基础上,2015年的分布质心向东南方向偏移915.14 m。近25 a来的红树林景观分布质心变化,在一定程度上揭示出红树林分布的空间演变轨迹,这与人类活动的介入紧密相关。

表 2 1990-2015年红树林景观分布质心坐标 Table 2 Center-of-mass coordinate of mangrove landscape in 1990-2015
年份
Year
东经
East longitude
北纬
North latitude
1990 109°3′45.5″ 21°35′48.4″
1998 109°5′32.4″ 21°35′19.1″
2004 109°4′51.0″ 21°35′27.3″
2008 109°4′50.3″ 21°35′29.8″
2015 109°5′19.3″ 21°35′17.7″
3 结论与讨论

通过多时相遥感卫星影像的整体景观、像元和斑块尺度的动态分析,能快速获取不同时期红树林空间分布和面积变化演变规律;整体景观尺度上,近25 a来红树林面积呈“增长—下降—增长”特征,主要得益于红树林的保护和管理力度的增强;像元尺度上,1998-2015年红树林空间分布呈消长分布,时空变异程度大,这种空间演变与土地利用方式的改变有关;斑块尺度上,近25 a来红树林斑块数不断增加,平均斑块面积减少,景观破碎化加剧,景观分布质心往研究区东南部偏移,变化的主要驱动因子与人工种植红树林和养殖鱼塘的增加有关。

总体而言,本研究与李春干等[2]的研究都表明广西廉州湾红树林的面积近25 a来呈现“增长—下降—增长”趋势,且斑块数呈增长趋势,为当地红树林湿地保护管理提供了一定科学依据。值得注意的是,使用的1990年影像成像时潮位较高,淹没了大部分低矮红树林,致使红树林面积出现一定误差,因此与李春干等[2]报道的面积有一定出入。解决方法之一是使用退潮之后、相同季节和相似空间分辨率的成像影像提取不同时期的红树林空间分布信息。多时相信息二进制编码方法要求各影像的空间分辨率以及像元的空间位置保持一致,但由于使用了4种类型的遥感卫星影像,在重采样的过程中可能会使少量像元位置不能保持一致,从而导致像元尺度上的红树林时空变异信息提取出现一定误差。另外,遥感卫星影像的空间分辨率及分类方法是影响红树林空间分布信息精确提取的重要因素,因此,未来研究可利用星载(如WorldView和资源三号卫星)[4]或无人机平台高分辨率遥感影像[12]提高红树林的提取精度,为精准的时空变异分析提供可靠的数据基础。

从整体景观、斑块和像元尺度综合分析红树林时空变异特征,对红树林的空间演变机理及变异的驱动因子分析具有重要参考价值,有助于红树林资源调查的科学安排以及红树林保护与管理。基于红树林空间分布图,设立红树林保护核心区以及缓冲区,减少养殖污水和工业污水对红树林健康的不利影响,一定程度上可促进红树林的生态恢复与科学管理。

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