盘锦湿地翅碱蓬景观变化的遥感监测与分析

郝向磊 邓磊 贺英

（首都师范大学资源环境与旅游学院，北京 100048）

盘锦湿地翅碱蓬景观变化的遥感监测与分析

郝向磊 邓磊*贺英

（首都师范大学资源环境与旅游学院，北京 100048）

近年来由于各种因素的干扰，盘锦红海滩的翅碱蓬出现了严重的退化现象。为分析翅碱蓬的空间分布特征及消长规律，利用2013—2016年高分1号卫星影像提取了盘锦湿地翅碱蓬空间分布特征信息，结合景观指数定量分析翅碱蓬的动态变化过程，同时结合近10年的气象资料以及人类活动状况综合分析翅碱蓬退化消失的原因。结果表明：①利用GF-1号卫星遥感影像对盘锦湿地进行动态监测，可以清楚地表达地物目标的纹理特征及细节变化信息，快速实现大面积湿地的遥感信息提取；②4年间盘锦湿地的翅碱蓬群落面积明显减少，2016年总面积已不足9 km2，景观破碎程度随时间的变化在不断增大，呈现严重的破碎化和退化萎缩趋势；③近10年的气象数据总体呈气温升高、降雨量减少的态势，改变了翅碱蓬的生存环境，频繁的人为活动使翅碱蓬的生长环境进一步遭到破坏。

高分一号；翅碱蓬；景观指数；遥感动态监测

盘锦湿地是我国和亚洲最大的暖温带滨海湿地，地处松辽平原南部的辽河三角洲核心地带（肖笃宁等, 2001），其间有大凌河、辽河和大辽河3条主要河流汇入渤海。辽河入海口地区的沿岸滩涂生长着一种耐碱植物—翅碱蓬，每年四五月长出地面，开始为绿色，慢慢变红，到了9月便形成浓烈的红，铺满整个海滩，因此该地区也被称为红海滩。作为滨海湿地的典型植被，翅碱蓬Suaeda salsa不仅具有很大的旅游开发价值，同时它还是改良土壤盐碱化的优势物种，具有一定的经济价值（李建国扽,2006)；与此同时，还对滨海地区的碳循环具有巨大作用，具有维持湿地生态系统正常演替、防风固堤等多种重要功能（傅新等,2012)。但最近十几年来，随着各种干扰因素的增加，红海滩的翅碱蓬出现了严重的退化现象，特别是2001年以后，大面积的翅碱蓬死亡，使区域的旅游经济开发面临着严峻的挑战，湿地生态系统面临着严重的威胁，保护湿地及其生物多样性已刻不容缓（殷康前等,1998)。

由于湿地通常被水淹没或有水覆盖、难以进入等原因，利用遥感技术对盘锦湿地动态变化进行监测（解佳宁等,2010; Frohn et al,2012)，有助于更加合理地保护盘锦湿地。在湿地变化遥感监测研究中，国内应用较广的是基于MSS、TM/ETM、SPOT、MODIS卫星等（张树文等,2013;蒋卫国等,2005;顾丽等,2010;武晋雯等,2010; 温庆可等,2011)。随着对地观测技术以及计算机技术的发展，国产高分辨率卫星不仅在高空间分辨率和光谱分辨率上有很大发展，而且在时间分辨率上也能满足短时间范围内湿地动态变化检测。高分1号卫星（以下简称“GF-1”)是国家高分辨率对地观测系统重大专项天基系统中的首发星，其特点是增加了高分辨率多光谱相机，重复周期只有4 d，GF-1号卫星实现了高空间分辨率和高时间分辨率的完美结合。与传统的中、低空间分辨率的遥感影像相比，GF-1号卫星影像空间信息更加丰富(陈利等,2015)，地物纹理、形状和相邻地物的关系等方面得到较好的反映(宋军伟等,2016)；重访周期短，对于因有云或其他因素影响影像质量的情况下也有同时相的其他影像可以替代，能满足盘锦湿地翅碱蓬动态检测对时间分辨率的要求。

图1 研究区地理位置Fig. 1 Location map of the study area

本次研究选择自GF-1号卫星发射至今，翅碱蓬物候期明显的时期（2013年9月—2016年10月）为研究期，目的在于充分利用国产GF-1号卫星遥感数据在环境动态监测中的优势,提取不同年份盘锦湿地翅碱蓬的空间分布，结合景观指数定量分析翅碱蓬的动态变化过程，同时，综合近10年的降水量、年平均气温等气象资料以及人类活动状况等方面分析翅碱蓬退化消失的原因，为湿地发展和环境保护提供一定的理论依据。

1 研究区概况

盘锦市位于辽宁省西南部，辽河三角洲的中心地带，辽河冲积平原的最南端，辖2个区、2个县，即双台子区、兴隆台区、盘山县和大洼县。盘锦地区分布最广的是湿地，其中芦苇、水稻占绝大部分。研究区选择临近海岸翅碱蓬生长茂盛的区域作为研究区，其范围为 121°40′～ 121°56′E，40°46′～41°57′N。覆盖大洼县和盘山县的部分区域，位于渤海湾东北岸的辽河入海口，地面高程为2～4 m，最大高程为18.20 m(图1)。

2 监测数据与方法

2.1 数据源选取及处理

GF-1号卫星于2013年4月26日发射，配置了2台2 m全色/8 m多光谱相机，4台16 m多光谱宽幅相机，其中16 m空间分辨率的相机包含蓝、绿、红、近红外4个波段信息。根据研究区内秋季基本无降雨且又天气晴朗无云，地面覆盖类型处于相对稳定阶段的气候特点，同时翅碱蓬每年9—11月变成棕红色的物候特点，选取和收集了2013年9月、2014年10月、2015年10月和2016年10月4个时相的GF-1号卫星16 m分辨率的多光谱遥感影像作为盘锦湿地动态变化监测的数据源。通过中国资源卫星应用中心官网公布的GF-1号卫星绝对辐射定标系数实现对影像的绝对辐射定标，将像元DN值转化为辐射亮度；采用ENVI软件FLAASH模块对影像进行大气校正，有效地消除了大气、光照等因素对地物反射的影响，还原了地物的地表反射率；以2013年GF-1号卫星影像为基准，对其他影像进行几何校正，经检验影像几何纠正误差在0.5个像元以内。

此外还收集了研究区内2006—2016年的平均气温、降水量数据资料进行统计分析。

2.2 空间信息提取

在预处理得到的影像上可以看出芦苇、翅碱蓬、河流滩涂、人工养殖场等影像特征清晰，易于区分。根据研究区内的地物类型特点和研究目的，将研究区的土地利用类型分为翅碱蓬、芦苇、水稻、水体、河道滩涂、人工建筑（房屋及道路等）、人工养殖场（鱼虾池等）7个类别，其中河道滩涂包括河流河道、沿岸滩涂以及入海口淤积的泥沙，因其在影像上光谱相似，将其归为一类进行识别。对研究区内的分类类别分别选取训练样方，根据影像特征建立解译标志，利用监督分类的方法，采用人机交互式解译的方式，进行不同地物的分类识别。不同年份的遥感信息提取结果可以得出研究区不同年份间的土地利用类型变化、湿地变迁等结果。

2.3 景观指数的选取

20世纪80年代开始，为了测定景观格局对生态过程的影响，提出了景观格局指数（Tischendorf,2001; 布仁仓等, 2005）。景观指数是景观生态学最常用的定量化研究方法（陈文波等, 2002），能描述景观格局及变化，揭示区域生态状况及空间变化特征，建立景观结构与过程或现象的联系，更好地解释与理解景观功能。本文初步选取斑块类型面积（CA）、斑块所占景观面积比例（PLAND）、斑块数（NP）、斑块密度（PD）、最大斑块占景观面积比例（LPI）、香农多样性指数（SHDI）6个指标进行湿地变化评价。其中，CA制约着以此类型斑块作为聚居地的物种的丰度、数量、食物链及其次生种的繁殖等。PLAND是判断景观中优势景观元素的依据之一。NP反映景观的空间格局，常被用来描述整个景观的异质性，其值的大小与景观的破碎度也有很好的正相关性，一般规律是NP大，破碎度高；NP小，破碎度低。PD指单位面积上的斑块数量，景观格局分析的基本指数，有利于不同大小景观间的比较。LPI指某一斑块类型中的最大斑块占据整个景观面积的比例，有助于确定景观的优势类型等，其值的大小决定着景观中的优势种、内部种的丰度等生态特征。SHDI=0表明整个景观仅由一个拼块组成；SHDI增大，说明拼块类型增加或各拼块类型在景观中呈均衡化趋势分布。

图2 2013—2016年GF-1号卫星影像土地利用分类图Fig. 2 The land use classif i cation map of GF-1 satellite from 2013 to 2016

表1 2013—2016年盘锦湿地动态变化Table 1 The comparison of Panjin wetland dynamic change in 2013-2016

3 结果与分析

3.1 湿地动态变化和面积统计

综合分析2013—2016年4个年份的空间分布，从图2可以看出翅碱蓬群落主要分布在盘锦市大洼县三角洲围海大坝外的滩涂上，即双台河口东岸北起接官厅、南至二界沟拦海大坝的狭长地带，西岸鸳鸯沟、人工养殖场附近也有成片的翅碱蓬分布。利用混淆矩阵的分类精度检验方法对4个年份的监督分类结果进行精度评价，总体分类精度均不低于87%，Kappa系数平均为0.86，其中各类别的分类精度均达到80%以上。

图3 盘锦湿地翅碱蓬不同区域动态变化时空分布Fig. 3 Temporal and spatial distribution of dynamic changes in dif f erent regions of Panjin suaeda salsa

表2 翅碱蓬景观生态学指数比较Table 2 The comparison of landscape ecologyindex of suaeda salsa

表1为2013—2016年研究区内所有地物类型计算得到的斑块类型面积（CA）和斑块所占景观面积比例（PLAN），可以定量分析翅碱蓬的消长情况，可知：① 研究区内主要的地物类型依次为河道滩涂、芦苇、水稻、养殖场、水体、翅碱蓬和人工建筑；② 近4年的景观类型面积中，翅碱蓬的面积除2014年的面积稍有增加外，萎缩态势逐年加剧，尤其是2016年，翅碱蓬面积仅8.918 km2，已不足2013年22.807 km2的一半；③ 研究区内的芦苇沼泽、水稻、人工建筑的面积变化不大，约占研究区总体面积的40%，养殖场的面积在前3年基本保持不变，而2016年的面积减少11 km2，大部分转变为水体和河道滩涂。

3.2 翅碱蓬空间格局和景观指数

从图2来看，二界沟拦海大坝附近的翅碱蓬由2013年的连续成片分布，到2016年时已几乎消失殆尽，接官厅以南的翅碱蓬也呈大面积的退化；河道的西岸，除鸳鸯沟附近的大片翅碱蓬仍然茂盛，其他区域尤其是养殖场附近的翅碱蓬退化非常严重。

盘锦湿地3个不同区域的翅碱蓬时空分布如图3所示。其中图3(a)、3(b)、3(c)、3(d)为2013—2016年区域1的翅碱蓬分布，图3(e)、3(f)、3(g)、3(h)为2013—2016年区域2的翅碱蓬分布，图 3(i)、3(j)、3(k)、3(l)为 2013—2016年区域3的翅碱蓬分布。

综合图1、图2、图3可以发现：在盘锦湿地翅碱蓬的识别过程中，利用GF-1号卫星影像可以清晰地识别不同的地物类型，不仅可以识别大面积的翅碱蓬群落信息，也可以目视判读细节信息，有效识别小范围、零星分布的翅碱蓬植株。空间分辨率的提高，使得土地覆盖类型的纹理特征明显增强，图斑边界更加清晰；GF-1号卫星只需4 d即可绕地球一圈，重访周期短，可以获取大量的影像数据，实现在较短时间内的连续监测和较长时间内的动态观测。GF-1号卫星同时具有高空间分辨率和高时间分辨率这一优势，为湿地的动态监测提供了强大的数据支持。

2013—2016年，盘锦湿地翅碱蓬群落的景观格局（图3）及数量（表1、表2）发生了极大的变化。整个研究区内的翅碱蓬群落面积由2013年的22.807 km2退化为2016年的8.918 km2，斑块总数由792个增加到1 623个，翅碱蓬的斑块密度由1.713上升至3.508，翅碱蓬面积的减少、斑块数和斑块密度的增加，说明翅碱蓬呈明显的萎缩退化趋势，区域2的翅碱蓬几乎消失殆尽，区域1、区域3的翅碱蓬也呈现大面积的退化。2013—2016年，最大斑块占景观面积的比例从2013年的0.878下降到2016年的0.3，说明翅碱蓬逐渐失去在景观中的优势地位，整个群落的生长状况变差。香农多样性指数从2013年的1.609增长到1.637，后又减小到2016年的1.524，说明盘锦湿地翅碱蓬景观的破碎程度在不断增大，随着人类活动干扰的日益加剧，景观异质性在逐渐增加，景观趋向不稳定。

3.3 变化因素分析

3.3.1 气候因素 全球气候变暖、区域降雨量减少以及农业灌溉用水的持续增加导致盘锦红海滩碱蓬出现大面积退化（徐玲玲等, 2009），根据研究区内气象站点地面气候资料日值数据，可以统计出年降水量和年平均气温，如图4所示。

图4 2006—2016年研究区的年平均气温和年降水量变化Fig. 4 Annual average temperature and annual precipitation change in the study area from 2006 to 2016

从图4可以看出：① 近10年来，盘锦地区年平均气温呈上升趋势，平均每年的上升幅度为0.0394℃，尤其是2012年以后，气温上升更加明显；② 2006—2016年年平均降水量为629.2 mm，除2010、2012年出现明显高于平均值的情况外，其他年份的降水量均低于平均水平或与年平均降水量持平，2013—2015年连续3年的年降水量均低于平均值。

综合气温和降水数据可以看出，2013—2015年，研究区气温升高，降水减少，虽然2016年气温有所下降、降水增多，但依然不能满足湿地水量的补给。与此同时，降水的减少造成了河流上游淡水资源减少，海水盐度升高，加快滩涂土壤盐分的积累，使得土壤盐度超标，从而导致翅碱蓬枯萎甚至死亡。

3.3.2 人为因素 近年来人为干扰活动越来越剧烈，大量天然水域、滩涂逐渐被开垦为经济效益较大的人工湿地—水产养殖场和水稻田，天然湿地面积不断减少。拦海大坝的修建、高速公路的兴建、石油钻井的增多等直接蚕食着宝贵的天然湿地，致使沼泽湿地面积不断缩小。这不仅对翅碱蓬的质量和面积造成很大影响，而且由此导致的湿地破碎化也会对湿地内动植物的生存造成极大的破坏。

4 结论

本文以连续4年的GF-1号卫星遥感影像为数据源，对盘锦湿地的翅碱蓬群落进行动态变化检测，并对其变化原因进行分析，可以得出如下结论：

（1）GF-1号卫星遥感影像可以清楚地表达地物目标的纹理特征及细节变化信息，地物边缘及线性地物也更加清晰，为有效地地物识别分析提供了条件和基础，利用GF-1遥感影像对盘锦湿地进行动态监测，可以快速实现大面积湿地的遥感信息提取，使遥感技术在湿地研究的有效性大大提高，定量提取和分析湿地信息的能力大大增强。

（2）根据景观指数可知，2016年翅碱蓬的面积为8.918 km2，不足2013年的一半，翅碱蓬群落的斑块数、斑块密度增加，斑块面积、最大斑块占景观面积比例呈下降趋势，说明盘锦湿地翅碱蓬景观的破碎程度随时间的变化在不断增大，景观异质性在逐渐增加，景观趋向不稳定。

（3）近10年的气象数据总体呈气温升高、降雨量减少的态势，湿地开垦、石油开发等各种人为干扰活动频繁，导致翅碱蓬的生长环境遭到破坏，红海滩景观退化严重，生态系统遭受破坏。

为保护自然资源和生态环境，盘锦市于2015年开展“退养还滩”湿地修复工程，收回位于双台子河自然保护区实验区和缓冲区及保护区南侧的围海养殖滩涂，种植芦苇和碱蓬草，将鱼虾池恢复为碱蓬湿地和芦苇沼泽湿地。从图2可以看出2016年的部分养殖场已经完成拆除工作，逐步恢复为滩涂，但并不意味着翅碱蓬的生存环境得到改善，群落得到恢复。由于湿地资源的不合理利用，盘锦湿地环境已十分脆弱，保护湿地生态环境是一项迫在眉睫且长期坚持的工程。

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An Analysis of Dynamic Monitoring and Landscape Pattern Change of Suaeda salsa Wetlands in Panjin Using Remote Sensing Technology

HAO Xiang-Lei DENG Lei*HE Ying
(College of Resources Environment and Tourism, Capital Normal University, Beijing 100048)

Suaeda salsa, a typical coastal wetland vegetation, plays a very signif i cant role in environmental regulation and ecological balance. Recently, the phenomenon of serious degradation has caused a wide attention of the public. To analyze the spatial distribution characteristics of suaeda salsa, GF-1 satellite imager from 2013 to 2016 was selected due to its high spatial resolution and high temporal resolution. Combined with landscape indices, this paper quantitatively analyzes its dynamic change process. At the same time, according to the precipitation, temperature factors and human activities in recent ten years, various factors responsible for its changes have been analyzed. The results showed that: (1) the area of suaeda salsa was signif i cantly reduced from 2013 to 2016, and it was less than 9 km2in 2016. Furthermore, the number of patches increased, which meant serious fragmentation and shrinking trend; (2) with the upward trend in average temperatures and downward trend in rainfall, in recent ten years, the living condition of Suaeda salsa was changed. Additionally, the frequent human activities have exacerbated destruction of the growing condition of the Suaeda salsa.

GF-1; Suaeda salsa; Landscape index; Remote sensing dynamic monitoring

10.3969/j.issn.1673-3290.2017.04.08

2017-07-19

郝向磊（1988—），女，河北唐山人，硕士研究生，研究方向：GIS与遥感。E-mail:578377773@qq.com

*通讯作者：邓磊（1976—），男，山东烟台人，副教授，博士，研究方向：无人机遥感。E-mail: edenglei@qq.com