基于遥感反演的鸭绿江河口湿地植被覆盖度变化分析

张春鹏，李富祥

(辽东学院 城市建设学院，辽宁 丹东 118003)

植被是物质和能量交换的重要媒介，连接着地球上的陆地、水体以及大气，在整个陆地能量交换、水分循环和生物地球化学循环过程中起着至关重要的作用[1]。植被覆盖度可定义为单位面积内植被的垂直投影面积，它是衡量地表植被状况的一个最重要的指标，也是许多学科的重要参数，对于生态环境的评估非常重要。在区域大面积植被覆盖度调查中，同步观测取得的数据非常宝贵，遥感技术可以综合反映区域内植被、地貌、水文等多方面信息，为植被覆盖度研究提供持久有效的技术支撑，目前已形成以遥感技术为主要手段的植被覆盖度研究技术路线。顾羊羊等[2]基于MOD13Q1影像数据，采用像元二分法模型计算植被覆盖度，分析2000—2015年黔西南州植被覆盖时空变化特征及未来变化趋势，以及气候变化和人类活动对植被覆盖变化的影响。庞家泰等[3]基于MODIS-NDVI数据，结合像元二分法模型计算植被覆盖度，利用趋势分析、Hurst指数进行渭河流域2000—2019年植被覆盖度的空间演变特征及变化进行趋势分析。龙爽等[4]利用2000—2017年250 m分辨率MODIS-EVI长时间序列数据，采用像元二分模型定量估算中国自2000年来植被覆盖度的时空变化,并从省域尺度分析中国植被覆盖度近18年以及未来趋势变化的时空分异特征。

从国土空间规划的角度来看，2019年5月，中央印发关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见，强调对于海岸带等各专项规划的指导约束作用，指出加强自然岸线的环境整治和生态修复，减少围填海项目，限制近岸养殖种类和规模，逐步恢复遭到破坏的海洋生态系统的结构和功能。湿地生态系统的形成与演变漫长而复杂，其环境特殊、敏感、脆弱，植被覆盖度与人为活动密切相关，建设区域扩展、填海造陆、盐碱地再利用、新区开发等活动对植被覆盖度都有较大影响。鸭绿江河口湿地的植被覆盖度指标是表征地区地表植被状况的重要参数,也是影响土壤侵蚀与水土流失的主要因素,对区域环境变化和监测具有重要作用。鸭绿江河口湿地保护区所代表的生态系统，对于温带湿地生态系统的结构、功能等方面的研究具有重要意义，近年来相关研究逐步增多[5-7]。本研究以鸭绿江河口湿地为研究区域，利用遥感影像对研究区域植被覆盖度进行反演，为以后的湿地治理、保护、持久利用及生态恢复等方面提供数据支持。

1 数据源与研究方法

1.1 研究区概况

辽宁鸭绿江河口湿地国家级自然保护区地处中国海岸线的最北端，建立于1987年，1997年晋升为国家级自然保护区，并对鸭绿江口滨海湿地划分了功能区[8]，区内陆地、滩涂、海洋3大生态系统交汇过渡，湿地土壤主要有滨海盐土、潮滩盐土、草甸土、盐化沼泽土、水稻土及棕壤。保护区位于东北及华北植物区系的交汇处，区内野生植物共337种，其中野大豆为国家Ⅱ级重点保护植物。保护区可视为一座巨大的天然基因库，以被子植物、双子叶植物为主，优势科的现象明显，单种属和少种属占据比率较高，表现出一定残遗性[9]。

1.2 遥感数据源及预处理

采用的遥感数据为1981、1989、1995、2000、2006、2009、2015及2019年共8期陆地卫星Landsat TM影像。空间分辨率1981年为60 m，其他时相为30 m，数据获取时间均为9月。分析之前对遥感影像进行裁剪、辐射校正等预处理，处理软件为ERDAS IMAGINE和ArcGIS。

1.3 植被覆盖度反演模型

1.3.1 像元二分模型

根据卫星遥感数据扫描成像原理，单个像元所代表的实际地面信息为多个地物的混合信息，即混合像元的分析数据。像元二分模型把像元信息P分解为由植被覆盖产生的信息Pv和无植被覆盖产生的信息Ps，即

P=Pv+Ps。

(1)

假设某像元中植被覆盖度是f，无植被覆盖的覆盖度则为1-f。如果单个像元中被植被全部覆盖得到的信息为Pveg，则植被覆盖产生的信息Pv可以表示为

Pv=Pveg×f。

(2)

同理，如果单个像元中完全没有植被覆盖得到的信息为Psoll，无植被的土壤覆盖产生的信息Ps可以表示为

Ps=Psoll×(1-f)。

(3)

将公式(2)与公式(3)代入公式(1)可知

P=Pveg×f+Psoll×(1-f)。

(4)

再经变换后，得到该像元植被覆盖度f的公式为

f=(P-Psoll)/(Pveg-Psoll)，

(5)

公式中，Pveg和Psoll为二分模型的具备实际含义的2个参数，可用来计算植被覆盖度。

1.3.2 植被指数模型应用与评价

植被指数作为用来表征地表植被覆盖和生长状况的度量参数，具有各自的优势和局限性。研究中选择了4种植被指数：比值植被指数RVI、土壤调节植被指数SAVI、改进型土壤大气修正植被指数EVI和归一化差值植被指数NDVI进行比较[10]，4种植被指数的计算统计值如表1所示。结果中，NDVI指数的均值和标准差都大于其他3种指数，说明鸭绿江河口湿地的NDVI指数能够以更多的层次反映植被的状况。

表1 植被指数统计值

对于植被全部覆盖得到的信息Pveg和完全没有植被覆盖的信息Psoll来说，其植被指数VIveg和VIsoll理论上应为1和0，但由于遥感影像中的其他因素及噪声影响，实际值会有所偏差，因此，计算时选择置信度为5%，在置信区间(5%～95%)内取值。在此基础上，选择研究期中段2000年9月的TM(主题成像仪)数据，采用空间插值法计算4种植被覆盖度(图1)，数据统计结果见表2。

表2 植被覆盖度统计值对比

由反演结果(图1)及统计结果(表2)可知，利用不同植被指数估算的覆盖度均值差异在2.5%之内，标准差差异在0.1%之内，无显著差异。结果表明，4种植被指数模型反演覆盖度均能够较为准确地实现鸭绿江口湿地植被覆盖度的反演。

执行植被指数反演之后，需要对反演结果进行评价。采用研究区域划分分区的方式，随机产生200个评价样点，用QuickBird高空间分辨率影像验证估算得到植被覆盖度的真实值，同时利用均方根误差函数定量评价植被覆盖度的精度。植被指数反演准确度比较如表3所示，统计结果中NDVI植被指数准确度要高于其他植被指数，最终选择该指数作为研究区植被覆盖度反演提取的模型。

表3 植被指数反演准确度比较

2 结果与分析

2.1 植被覆盖度遥感反演

将鸭绿江河口湿地植被覆盖度分为5级：0～20%为极低植被覆盖度；20%～40%为低植被覆盖度；40%～60%为中等植被覆盖度；60%～80%为高植被覆盖度；80%～100%为极高植被覆盖度。通过ERDAS软件Modeler模块将NDVI指数反演为植被覆盖度，反演结果如图2所示。

由图2可知，研究区域整体植被覆盖度以高和极高覆盖度为主，中等覆盖度主体位于城镇周边，低和极低覆盖度主体为沿海滩涂与近岸养殖。

2.2 植被覆盖度年际与级别变化分析

1981—2019年鸭绿江口湿地植被覆盖度年际 变化过程如图3所示。8次反演覆盖度平均值为0.62，1989年植被覆盖度最高值为0.69，2019年植被覆盖度最低值为0.56，研究区域植被覆盖度整体呈短暂上升后再下降趋势。

对研究区1981—2019年的植被覆盖度等级进行类别统计分析，得到不同等级植被覆盖度占比年度变化柱状图，如图4所示。研究区域内植被覆盖等级以80%～100%为主，总体覆盖度较高，占土地总面积的50.57%，但其占比呈下降趋势。其他等级中，0～20%、20%～40%、40%～60%年度占比在一定范围内波动，但变化不大。60%～80%等级则呈上升趋势。整体来看，鸭绿江口湿地在研究期间内还保持着较高的植被覆盖度，但已从极高覆盖度向高覆盖度进行转化。

2.3 植被覆盖度时空变化分析

分别以前后相邻两期影像为基础，在ArcGIS软件平台中进行空间叠加分析，计算出研究期间植被覆盖度的分时段面积变化(表4)和空间变化规律(图5)。1981—1989年，植被覆盖度增加的区域主要分布在研究区东北部、北部及西北部，大部分位于湿地缓冲区，覆盖度减少的区域主要分布在沿江地区，占研究区总面积的4.88%，与这一时期的滩涂养殖开发有关；1989—1995年，植被覆盖度增加的面积为10.02 km2，分布在大洋河沿岸，减少的面积为36.69 km2,大部分位于东港市及周边乡镇地区，与大东港港口区的建设密切相关；1995—2000年，植被覆盖度增加的区域分布在研究区东部东港市周边，与这一时期的标准化农田建设有关，而减少的区域分布在沿江滩涂区，覆盖度减少面积占总面积的2.33%；2000—2006年，增加区域分布在大洋河口及沿岸地区，减少区域分布在大洋河西部、大孤山及东港市周边；2006—2009年，这一期间植被覆盖度明显改善，植被覆盖度增加的面积为47.93 km2，占研究区总面积的3.34%，主要位于沿大洋河两岸及沿江滩涂，是填海造陆与盐碱地再利用的集中区域，其植被状况的好转与人类开发绿化建设活动密不可分，而减少的区域在研究区东部，与丹东新区的开发建设有关；与上一时段相反，2009—2015年，植被覆盖度减少情况较明显，面积减少76.99 km2，状况变差的主要地区是城市周边，这些区域中大量耕地被转换为建设用地，同时在部分湿地周边也存在着覆盖度减少的情况，增加的区域在研究区东部部分区域；2015—2019年，覆盖度变化趋于平缓，增加与减少的区域零星分布，反映出无大规模建设与开发活动。

表4 1981—2019年各时段植被覆盖度面积变化情况 单位：km2

通过上述的时空变化分析来看，研究区植被覆盖度较低的区域主要集中于东港市及各乡镇建设用地、大东港港口。其中，湿地核心区域由于人类活动干扰少，植被覆盖度基本保持不变，而缓冲区变化剧烈。除滩涂与近海区域外，西部大洋河流域、大鹿岛、獐岛及大孤山地区和中部、东部山地植被覆盖度较高，其他区域次之。湿地岸线附近的近海养殖区水域面积较大，植被覆盖度也较低。

3 结论

1)1981—2019年，鸭绿江河口湿地保护区内植被覆盖度呈下降趋势，整体虽保持较高的植被覆盖度，但已由极高覆盖度向较高覆盖度进行转化。

2)根据空间演进结果来看，湿地核心区植被覆盖变化比较平稳。东部港口区、城市区域、大洋河两岸及南部滩涂区域的波动变化较高，与人类开发活动、水体水位等因素密切相关。

3)自然植被占比较少，多集中于大洋河两岸、保护区、海岛等区域，其余多为人工种植的水稻田等农业植被。人为活动对湿地植被覆盖度有较大影响，若不及时保护，典型的鸭绿江河口湿地植被环境将遭到不可逆的破坏，加重水土流失，减少水源涵养，降低其应有的保护价值，对区域生态环境产生严重影响。