广西北部湾海岸带红树林变化的遥感监测

张　威,陈正华,王纪坤

(1.广西大学环境学院， 广西南宁530004; 2.广西大学海洋学院， 广西南宁530004)



广西北部湾海岸带红树林变化的遥感监测

张威1,陈正华2,王纪坤1

(1.广西大学环境学院， 广西南宁530004; 2.广西大学海洋学院， 广西南宁530004)

摘要：广西北部湾沿海是中国重要的红树林分布区，掌握广西北部湾红树林的动态变化趋势对红树林生态系统的保护与利用具有重要意义。为了定量分析广西北部湾红树林的变化情况，选取了美国Landsat卫星数据，以广西山口红树林自然保护区作为研究区域，收集了1978年至2014年间的遥感影像，结合实地调查以及各项资源调查数据的整理和分析,解译并统计了广西山口红树林保护区的红树林面积变化。结果表明：从1978年至1989年，广西山口红树林面积急剧减少；1989年至2014年，广西山口红树林面积逐渐恢复。

关键词：红树林；遥感监测；广西北部湾；Landsat卫星

红树林湿地是一种自然分布在热带、亚热带海岸、海湾、河口的重要海岸带湿地类型，是国际上生物多样性保护和湿地生态保护的主要对象，有着重要的生态和经济价值[1]。红树林湿地作为海岸湿地生态系统唯一的木本植物群落，具有防风减浪、固岸护堤等功能，是抵御风暴及海啸的天然屏障。同时，红树林又是多种鱼、虾、蟹和海鸟等海洋动物栖息、生长和繁殖的场所，在维持生物多样性、净化水质、美化生态环境等方面功能显著，具有明显的生态效益和社会效益[2-3]。

红树林是中国东南沿海关键生态系统之一，对维护近海生态安全、维持当地社会经济的可持续发展具有不可替代的作用。全面调查了解红树林面积及其分布是研究、保护和管理红树林的基础。由于红树林分布于地势开阔平坦的潮间带浅滩、淤泥以及每日的涨落潮妨碍了研究人员的实地调查，采用常规手段难以对其边界进行准确的定位和勾绘，且工作量和劳动强度大、效率低[4-7]。而卫星遥感具有覆盖面积广、时效性高、节省成本等优势，利用卫星图像来提取红树林变化信息可以取得较好的效果[8]。传统的红树林遥感识别的方法主要有目视解译方法、遥感图像的监督和非监督分类方法、主成分分析等光谱变换方法[9-11]。

广西北部湾沿海是中国重要的红树林分布区，截至2010年，拥有红树林面积约7 000多公顷，占全国红树林面积的38%[12]。掌握广西北部湾红树林的动态变化趋势对红树林生态系统的保护与利用具有特殊意义。随着北部湾经济区的发展，北部湾经济区开发将对广西北部湾红树林生态系统构成威胁[13]。为了定量分析广西北部湾红树林的状况，笔者利用美国Landsat卫星遥感数据，选择广西山口红树林自然保护区为研究区域，利用目视解译和监督分类方法，并结合地理信息、光谱特征以及红树林纹理等多种特征，建立多特征融合的红树林遥感信息提取方法。着重分析了广西山口红树林保护区红树林面积从1978年至2014年间的变迁，期许能为广西北部湾红树林的保护、恢复或重建、合理利用资源，恢复或维持红树林生态系统的整体性和可持续性提供一定的科学依据。

1研究区域概况

广西山口国家级红树林生态自然保护区地处广西合浦县东南部沙田半岛的东西两侧，在东经109°37′00″～109°47′00″，北纬21°28′22″～21°37′00″(如图1)。由该半岛东侧和西侧的海域、陆域及全部滩涂组成，属南亚热带湿润气候，年平均气温22.9 ℃，年降水量1 573 mm，年平均相对湿度80%。距合浦县城77 km，北海市105 km，距湛江市93 km，保护类型为海洋和海岸生态系统，主要保护对象为红树林生态系统。该区域为河口红树林，平均潮差2.31~2.59 m。

图1　研究区位置

山口红树林保护区是1990年经国务院批准的国家级自然保护区，是目前保存的比较完好的自然保护区之一。保护区在2000年加入了“联合国教科文组织世界生物圈”，于2002年加入了国际重要湿地名录，在国际红树林保护信息交流方面起到很重要的作用。山口红树林保护区包括丹兜海和英罗港两个红树林生境。其中丹兜海的红树植物主要以斑块状或成带状生长，白骨壤是该区域红树林的优势种。而英罗港的红树物种较为丰富多样，其连片生长，枝叶茂密，以红海揽、木榄以及秋茄等种群为主，此外，周边还有农田和陆地森林等生境[13-14]。

2数据来源与处理方法

2.1　数据来源

本文以1978年至2014年的遥感影像为主要数据源如表1，结合广西山口国家级红树林生态自然保护区的地形图、基础地理底图等各项资源调查数据的整理和分析，解译了8个具有代表性时间节点的红树林遥感影像。对8个时期的广西山口国家级红树林生态自然保护区的红树林生长区域进行评估，收集整理了与广西山口国家级红树林生态自然保护区相关的自然、社会经济资料与调查报告，力求对影响红树林变化的驱动因子进行分析与解释，为广西北部湾红树林的管理、保护和利用提供一定的科学依据。

表1　遥感影像数据列表

2.2　遥感图像的选取与预处理

为了准确提取红树林的遥感信息，选择遥感影像时主要遵循二个原则：第一，选择研究区域云覆盖度小的遥感影像，尽量避免由于云层的遮挡干扰导致出现对红树林信息的误分漏分现象。第二，选择秋冬季的图像。在春夏季，生长在潮间带上以互花米草等为主的植物生长旺盛，叶片叶绿素含量较高，其光谱反射率和红树林的比较接近，在光谱曲线中难以找到区分的波段，因此容易引起两者的混淆。而在秋冬季，以互花米草等为主的植物叶片枯黄，其光谱反射率和红树林有着较大的差异，能够较准确地将两者区分开来[15]。因此本文选取的遥感图像主要集中在每年的秋冬季节，利用秋冬季的图像可以较好的区分红树林和互花米草等其他植被。

遥感图像的预处理，首先是进行遥感图像的筛选，选择使用云覆盖度小同时图像数据没有损失的遥感图像，通过ENVI4.4软件对选择下载的多个波段图像进行合并，形成可视化的图片输出。由于使用的遥感图像分辨率不高，一景图像覆盖的面积范围比较大，难以着重突出广西山口国家级红树林生态自然保护区的红树林状况，因此进行了遥感图像的裁剪，按照东经109°37′～109°47′，北纬21°25′～21°39′进行裁剪，使图像的大小适合采用GIS9.3软件支持下的目视解译及屏幕矢量化。

利用ENVI4.4软件对8个时期的遥感影像进行校正。基于广西山口国家级红树林生态自然保护区功能区划地形图对每一年的Landsat卫星遥感影像进行大气校正、辐射校正，并依次对8个时期的卫星影像进行几何校正，误差控制在0.5个像元以内。

2.3　红树林遥感信息提取方法

分类解译遥感图像的方法中，较为常用的方法是基于光谱特征的分类，即通过选择多光谱遥感数据的一个或几个光谱波段对比直接参与分类。但是在光谱特征上，红树林与其他的绿色植被非常相似，仅仅从光谱特征来区分，会造成错分漏分，影响分类精度。综合分析了红树林的景观特征和它生长的环境特点，通过对遥感图像的对比分析，发现红树林的景观纹理特征及周围环境的地学特征有利于区别红树林与其他绿色植被，因此在利用多光谱特征进行分类时，融合植物景观纹理和地学等多种特征，多特征的融合可以有效提高分类精度[16]。

本文采用多特征融合的目视解译和监督分类相结合的方法对8个时期的红树林区域进行提取。监督分类主要采用目前应用最为广泛的最大似然法，最大似然法具有多特征融合、错误分类概率低等特点[10]。

①在GIS9.3软件中，以经过预处理的遥感图像为底图，进行研究区海陆边界的勾划。红树林通常生长在水陆交界面的潮滩上，和其他陆地植被相比，海拔高度比较低。根据这一辅助地学特征，进行目视解译和屏幕矢量化，划分水陆交界面。在确保地物清晰可辨的前提下，尽可能将图像放大，并在矢量化过程中严格做到矢量线与图像上水陆分界线重合。

②在遥感识别分类中，由于同物异谱和同谱异物现象的存在，红树林和其他陆地植被有时会产生混淆的现象，需要借助植被分布的坡度、向阳面、高程等地学特征予以区分[17]。使用ENVI4.4软件进行监督分类，通过红树林的纹理特征与其他陆地植被有着一些明显的区别。红树林呈片状分布，纹理细腻，分布均匀、连续，相邻像元间相似性高。而其他陆地植被生长相对比较粗糙、离散，在图像纹理上缺乏连续性。通过这些特征，在图像中提取红树林信息进行监督分类，实现红树林与农作物、陆地植被、养殖池等周边环境地物的区分以及红树林面积的统计。

3广西北部湾红树林面积变化及驱动力分析

3.1　红树林面积变化分析

从8个时期的遥感影像提取结果进行分析解译，得到了各个时期红树林的生长范围与分布，并对不同时期红树林的面积进行统计，结果如表2和图2所示。

表2　广西山口红树林面积变化表

1.代表数据缺失。

从表2和图2可以看出从1978年至2014年间，广西山口国家级红树林生态自然保护区红树林的面积演变过程呈现出由70-80年代末的急剧减少到90年代持续增长的趋势。1978年至1983年间，保护区红树林面积由513.05 hm2减少了27.65 hm2，减少5.39%，年平均变化率达-1.08%；1983年至1989年，保护区红树林面积减少到467.07 hm2，减少了3.78%，年平均变化率为-0.63%。这一时期面积减少最明显的是位于丹兜海东岸的红树林区域，该区域在70年代曾经有成片红树林种植，到1989年，原本一整片的红树林缩小成若干块小片红树林；英罗港海域原本沿南北走向的一片红树林生长区也收缩成若干块小片区域。

从1990年广西山口国家级红树林生态自然保护区正式成立起，山口红树林才得到有效的关注和保护。1989年至1995年，保护区面积从467.07 hm2增长到577.23 hm2，增长了110.16 hm2，年平均变化率为3.93%。从遥感图像中看出，这一时期最明显的变化是丹兜海区域内红树林面积显著增加，1989年消失的红树林区域在一些浅滩上开始成片的生长，并向潮滩外扩张；英罗港区域红树林面积也有较大幅度的增加，之前被分割成的小片区域又连成了一个大面积的整体。1995年至2014年，保护区红树林面积增加到743.10 hm2，年平均变化率为1.3%左右，可以看出保护区红树林的面积已经趋于稳定增长。

图2　广西山口红树林动态分布

从图3可以看出，丹兜海东岸一块区域在1983年前还是滩涂，生长着红树林；到1989年，成为了养殖的鱼塘；从2005年开始，鱼塘的面积逐步减小；到2014年，基本上又恢复了浅滩红树林的生长。这一变化趋势与国家和地方颁布的政策法规是吻合的，国家在1999年颁布实施了《海洋环境保护法》，从法律的形式上明文规定对海洋湿地类型的保护区进行保护；广西在2004年对《广西壮族自治区山口红树林生态自然保护区管理办法》进行了修订，对破坏保护区的行为进行更为严厉的处罚。各项法律法规的实施，使得从事破坏红树林保护区的违法成本越来越高，有效遏制了破坏山口保护区红树林的行为，从而使保护区的红树林面积持续增加。

图3　丹兜海红树林动态变化图Fig.3　Dynamic distribution of mangrove in Dandou Bay

总体来看，山口红树林保护区的红树林面积经历了20世纪70年代和80年代大量砍伐、圈海养殖的毁灭性灾难期；到80年代末，亦被砍伐殆尽，才慢慢认识到红树林生态系统的价值，开始建立国家级自然保护区，对其进行有效的保护与恢复；经过十多年不懈的努力，红树林面积已经恢复到70年代末的水平，后恢复速度趋于稳定，红树林生态系统的生态服务价值也逐渐体现。

3.2　红树林面积变化驱动力分析

红树林的动态变化受自然因素和人类活动的双重影响。自然环境因素包括海潮、极端天气、病虫害、海平面上升等对红树林的破坏，其中海平面上升对红树林的影响近年来引起人们的广泛关注。海平面上升对红树林的影响取决于海平面上升速率和红树林潮滩沉积速率的对比关系。当海平面上升速率小于红树林潮滩沉积速率时，海平面上升不会对红树林产生显著的直接影响。此时红树林的促淤功能会导致红树林面积不断扩张。相反，当海平面上升速率大于红树林潮滩沉积速率时，红树林可能出现向内陆迁移或者被淹没的情况。病虫害对红树林的影响也不容小视。红树林的叶片受到病虫害的侵蚀后，容易变黄枯萎脱落，大部分的枯枝不能萌发出新叶，导致无法进行光合作用而死亡；一部分枯枝虽尚存活力，但是萌发新叶的能力较差，长出的新叶跟正常的新叶相比小而稀疏，无法恢复原来的树冠状。

人类活动是影响红树林面积变化的主要原因。20世纪70年代和80年代，由于围塘养殖和围海造田等活动，使得红树林遭受灭顶之灾，导致红树林生长面积的锐减。这与本文所得到这个阶段70年代-80年代间，红树林面积急剧减少的结果相符。受经济利益驱动和政策影响，靠近河流和海岸线附近的水田也被转化为养殖塘，这是红树林分布区的普遍现象，也是我国海岸红树林减少的根本原因。1990年经国务院批准设立了广西山口国家级红树林生态自然保护区。国家和地方层面从政策制定、保护性规划等方面着手，遏制了红树林快速减少的趋势。保护区开展的各级红树林湿地恢复工程使红树林面积增加、质量提升，一方面有效保护了红树林资源，另一方面扩大了红树林的覆盖面积。保护区成立以后，人工造林活动开始恢复，开始对红树林进行大力保护，红树林面积稳步增加。

在自然因素和人为破坏的双重影响下，红树林的面积呈下降趋势；由于保护区的建立，红树林面积开始逐步增加。可见，建立保护区是保护红树林的有效手段。同时，应该积极开展红树林的人工培育研究，完善法律制度、提高保护红树林的生态环保意识，增强红树林保护管理能力建设，使红树林生态系统健康生长，有效发挥其生态功能。

4总结与讨论

本文利用8个时期的遥感影像，结合广西山口国家级红树林生态自然保护区的地形图、基础地理底图等资源调查数据，对广西山口红树林进行了信息提取和结果分析，获得了近40年来广西山口红树林的变化情况。广西山口红树林面积由1978年的513.05 hm2锐减到1989年的467.07 hm2；1990年国务院批准成立广西山口国家级红树林生态自然保护区，红树林资源得到有效的保护，红树林面积开始有所增长，到2014年，保护区内红树林面积恢复到743.10 hm2。分析表明，广西山口红树林在1978年到2014年间经历了面积锐减，然后通过人工种植，面积缓慢恢复的过程。

本文在利用遥感影像获得红树林信息时采用了Landsat卫星影像。由于“异物同谱”现象的存在，以及解译工作者对红树林状况的掌握程度和实际经验的因素，计算的红树林面积可能存在一定误差，今后利用高空间分辨率遥感数据与雷达遥感数据进行多源数据融合，通过大量的现场踏勘、调访和阅读其他相关资料，可以获得更为准确的结果。本文的研究结果反应了1978到2014年间广西山口红树林的面积变化情况，为政府有关部门加强红树林管理和保护，更好地发挥红树林的经济效应和生态价值提供了参考数据。

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(责任编辑张晓云)

Monitoring the areal variation of mangrove in Beibu Gulf coast of Guangxi China with remote sensing data

ZHANG Wei1, CHEN Zheng-hua2, WANG Ji-kun1

(1.College of Environment, Guangxi University, Nanning 530004, China;

2. College of Marine Sciences, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Abstract:Guangxi Beibu Gulf is an important mangrove area in China. It is important to grasp the variation tendency of mangrove for protecting and using the mangrove ecosystem. In order to quantitatively analyses the change of mangrove area in Guangxi Beibu Gulf, Guangxi Shankou mangrove nature conservation area was chosen as the study case. The variation of mangrove area in Guangxi Shankou were interpreted and statistically counted based on the data of remote sensing images obtained from American Landsat Satellite between 1978 and 2014, and the analysis of the materials obtained from field investigation as well as various resources survey. The results indicated that the mangrove area was decreased dramatically during 1978 to 1989 while that was gradually restored from 1989 to 2014.

Key words:mangrove; remote sensing monitoring; Guangxi Beibu Gulf; Landsat satellite

中图分类号：X87

文献标识码：A

文章编号：1001-7445(2015)06-1570-07

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2015.1570

通讯作者：陈正华(1980),女,重庆人,广西大学副教授,博士; E-mail: chen.zhenghua@163.com。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(41001271)

收稿日期：2015-09-01；

修订日期：2015-10-21