辽河河口湿地动态变化监测与分析

高 翔，袁希平，甘淑，2*

（1.昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093；2.云南省高校高原山区空间信息测绘技术应用工程研究中心，云南 昆明 650093；3.滇西应用技术大学，云南 大理 671000）

0 引言

湿地是地球生态系统重要的组成部分，被誉为“地球之肾”。它在净化污染、涵养水源、调节气候方面有着重要的意义[1]。湿地属于水、陆生生态系统之间的过渡带区域[2]。环境方面，湿地可以有效地减少洪水的危害，阻止土壤沙漠化，保护海岸不受海浪侵蚀。经济方面除了湿地中的各种动植物带来的经济效益，在旅游方面也能提供很高的收益。由于人类对自然的不断开发，湿地在全球范围内呈现出退化和消失的趋势[3]。保护湿地成为一个十分重要的任务。

早期湿地监测多采用湿地考察，但由于湿地较为复杂的环境，采取实地观测等常规方法对湿地水体进行监测难度巨大，容易出现遗漏。随着科技的发展，卫星遥感作为一门新的检测技术出现在大众视野当中[4]。遥感卫星成像技术的出现为人类在短时间内大幅度异地动态管理和研究地球上的资源提供了一个全新的自动化手段[5]。

国外近些年利用卫星遥感做了大量的湿地研究，Beeri 等[6]利用陆地卫星对美国密苏里州沼泽湿地水体在不同季节年份变化进行了研究；Whyte 等[7]利用Sentinel-1和Sentinel-2 卫星数据，建立一种新的基于对象的图像分析方法来绘制湿地区域图像；Moser L[8]利用2000 年到2012 年的MODIS 影像，通过纬度阈值梯度法来监测西非半干旱地区的湿地水体的动态变化；Kayastha[9]利用1985 年到2009 年的陆地卫星数据绘制了美国弗吉尼亚州北部湿地生态系统的变化图，通过计算Z-分数方法来推导变化阈值。通过变化图验证，该方法能够检测出湿地的细微变化，我国该方面起步较晚。任玉环等[10]利用环境与灾害监测预报小卫星（HJ-1）提取了滨海湿地的分布情况；张文燕[11]利用多源影像，通过决策树和特征知识结合的面向对象分类技术对闽江下游湿地进行了研究；刘源[12]通过多源影像对嫩江源区南瓮河湿地分布及面积转移进行了监测；徐振田[13]利用CA-Markov 模型对黄河三角洲湿地变化进行了预测；游佩佩[14]采用机器学习算法，利用多源影像数据结合实地数据，对盐城滨海湿地进行了分类研究。

辽河河口湿地是我国最大的芦苇滨海湿地，湿地内部拥有亚洲第一大芦苇荡。在河口处翅碱蓬（又名碱蓬草）相连成片，形成奇观“红海滩”。近些年由于环境变化以及人类活动，对湿地造成了一定破坏。湿地受损不但影响当地的生物多样性，“红海滩”作为景观，对旅游观光产业也造成了一定影响。通过对湿地内部水体及其中的主要植被芦苇和翅碱蓬面积进行监测，有助于了解湿地的变化情况，便于当地有关部门做出相应政策与调整。

1 研究区与研究数据

1.1 研究区概况

辽河河口湿地位于辽东湾北部，辽宁省盘锦市与营口市交界处，坐标40°45′～41°10′N，121°30′～122°00′E，生态类型以芦苇湿地、翅碱蓬湿地、河流滩涂以及海域为主[15]。辽河携带大量上游带来的泥沙沉积物，在此处流入渤海。在辽河与渤海潮汐的相互作用下，形成世界上保存最完好、湿地类型最多、湿地最完整的生态系统[16]。图1 为辽河河口湿地的遥感影像。

图1 辽河河口湿地Landsat 8 遥感影像

1.2 研究数据选取

由于每年的7 月份后辽河地区进入雨季，有一定几率出现洪水灾害，为了避免洪水与潮汐对湿地水体及翅碱蓬带来的影响，选取5 月末到6 月初的Landsat 8 遥感数据作为数据源。图2 为受到潮汐影响下同年不同月份遥感图像对比。可以明显看出沿海部分受到潮汐影响，翅碱蓬被大面积淹没。

图2 2018 年6 月与10 月遥感图像对比

2 研究路线及方法

2.1 数据预处理

在ENVI 5.3 中对原始影像数据进行辐射校正，大气校正处理，进行裁剪，得到辽河三角洲湿地区域的遥感影像图。图3 为预处理结果图。

图3 预处理结果图

2.2 水与芦苇提取

水提取方面选择改进的归一化差异水体指数（MNDWI）。MNDWI 是根据水体在中红外波段反射率依然较低而土壤建筑在该波段反射率较高的差异，从而突出水体。计算公式如下：

Green、MIR 分别为绿光波段、中红外波段。芦苇采用归一化植被指数（NDVI）进行提取，NDVI 原理是根据叶绿素在红光波段的色素吸收率和植被在近红外波段的反射率高的特点进行计算。公式为：

NIR、R 分别为近红外波段、红光波段。提取芦苇时对研究区影像进行二次裁剪，得到包含芦苇田范围的遥感图像。图4 为苇田裁剪图像。将根据指数提取得到的水体与芦苇结果图进行二值化，导入ArcGIS 中转换为矢量图，通过叠加对应二值化图，进行目视解译删除多余部分，留下水体与芦苇区域。

图4 苇场影像图

2.3 翅碱蓬提取

翅碱蓬通过监督分类中的Para（平行六面体）、Min D（最小距离）、Mah D（马氏距离）、Max Like（最大似然）、Net（神经网络）、SVM（支持向量机）进行提取，表1 为六种监督分类方法原理。

表1 六种监督分类方法原理说明

对结果采用Majorit/Minority、Clump、Sieve 三种分类后处理方法，结合谷歌地球高精度影像数据与实地勘测，通过建立地表真实地物兴趣点的方法，利用混淆矩阵对后处理结果精度进行评价，选出最佳的提取结果。图5 为2014 年5 月Max Like 的三种分类后处理结果。

图5 Max Like 方法的三种后处理结果

3 结果与分析

3.1 提取结果

根据ArcGIS 中的几何计算功能统计出三种地物的面积数值，制作出地物面积变化情况，见表2。图6为水体、芦苇田、翅碱蓬在2014 年、2016 年、2017 年、2019 年、2020 年5 月提取结果图。图7 为根据表2 做出三者的面积变化折线图。从中可以得出水体在2019年面积最大，2014 年最小；芦苇2016 年面积最大，2020 年面积最小；翅碱蓬2014 年面积最大，2020 年面积最小。其中2014 年到2017 年翅碱蓬的变化趋势与温广玥[17]所得出的翅碱蓬面积变化基本相同，面积也近似。

图6 五年数据提取结果

图7 三种地物五年面积变化图

表2 三种地物面积变化表

3.2 变化分析

湿地三类地物变化的原因，要结合自然环境与人类活动进行分析。水体方面，从自然环境看，通过收集到的盘锦气象站降水数据，做出四年5 月份降水变化折线图。变化图如图8 所示。

图8 降水量月变化折线图

结合水体变化折线图与降水年月折线图可以看出降水与水体面积变化之间无明显关联。人类活动方面，图9 为湿地沿海地区水体面积变化遥感影像图。2015 年修建了两个人工养鱼池，2016 年其中一个已经投入使用。结合降水变化数据，可知：2016 年5 月与2014 年5 月相比，因修建的养鱼池其中一个投入使用，降水量较2014 年5 月有所增加，水体面积增长5.6 平方千米。2017 年5 月降雨量减少，但由于另一个养鱼池投入使用，加上湿地内部由于降雨减少，芦苇生长较慢，部分地表水漏出，水体面积增加3.1 平方千米。2019 年5 月降雨增加，使部分在2017 年5 月干涸的水体得到补充，但由于芦苇生长较2017 年5 月偏多，使部分裸露地表水消失。总体上水体面积只略微增加0.2 平方千米。因此，得出结论，水体变化是降雨量变化与人类活动共同影响的结果。

图9 三年沿海地区影像图

芦苇田面积变化原因，从自然环境方面看，苇田面积变化折线图结合降水变化折线图，能够发现苇田变化趋势与降雨量变化趋势相一致。2016 年5 月降雨相比2014 年5 月增多，苇田在2016 年5 月的面积增长13.1 平方千米。2017 年5 月降雨相比2016 年5 月减少，苇田面积较2016 年5 月减少85.3 平方千米。2019 年5 月降雨多于2017 年5月，苇田面积也相比2017 年5 月面积增加20.8 平方千米。人类活动方面由于辽宁省盘锦市当地政府对湿地采取了“退耕还苇”的政策，部分耕地被退还为苇田，图10 可以看出部分耕地变成了苇田。但由于变化面积较小，不足以对苇田整体面积变化产生巨大影响。可以得到结论：“退耕还苇”虽然会改变苇田的面积变化，但降雨量是影响苇田面积变化的主要原因，两者具有一定的正相关性。

图10 耕地转化图

从降水量看，可以看出降水量变化趋势与翅碱蓬面积变化趋势并不一致，说明翅碱蓬面积变化与降水没有明显相关性。人为活动方面，根据盘锦市兴安站的水质报告得到2014 年、2016 年、2019 年、2020 年5月水质质量数据。水质信息如下：2014 年5 月水质1类2 类3 类水占21%、4 类5 类占79%。2016 年5 月水质4 类69.2%、5 类15.4%、劣5 类15.4%、无1、2、3类。2019 年5 月水质3 类30%、4 类40%、5 类10%、劣5 类20%。2020 年5 月水质3 类14.3%、4 类64.3%、5类14.3%、劣5 类7.1%。

通过水质变化趋势可以得出翅碱蓬面积变化趋势与其有一定负向关联性。2016 年5 月水质质量较2014年5 月有所降低，翅碱蓬2016 年5 月面积较2014 年5 月减少24.4 平方千米。2020 年5 月水质质量低于2019 年5月，2020 年5 月翅碱蓬面积较2019 年5 月减少11.3 平方千米。其他人类活动影响方面，图11 为沿海地区影像图，由于沿海地区人工养鱼池的修建，对附近区域的生态环境造成了影响，使原本在其中生长的翅碱蓬面积减小，但受影响的翅碱蓬区域的面积较小。

图11 人工建筑对翅碱蓬面积影响

通过上述图表可以得到以下结论：翅碱蓬面积变化与降水量无明显关联，与水质有一定联系。水体质量降低，翅碱蓬面积减小。人工建筑对翅碱蓬面积也有一定负相关影响，但不是主要因素。

4 总结与讨论

根据提取结果数据，结合降水量数据与水质数据可以得出：湿地内水体面积变化是降雨量与人类活动共同影响的结果。降水量与苇田面积变化有一定正相关性，是影响苇田面积的主要因素，人类活动是次要因素。翅碱蓬面积变化与水质和人工建设活动有关。水质为主要因素，与翅碱蓬面积变化呈一定负相关性，水质较差时，翅碱蓬面积较小，人工建设为次要因素。虽然通过分析降雨量与水质数据，并结合遥感影像图地物变化得出了湿地水体、苇田、翅碱蓬面积变化的原因，但仍有一些不足之处。首先年份较少，时间跨度只有7年，植被变化并不十分明显；水体与苇田提取依赖于指数提取精度；对影响翅碱蓬面积变化的水中物质类别分析也较少。下一步采用分类精度更高的方法来提取目标地物，加入更多因素并增加研究年限跨度，对苇田、翅碱蓬面积变化原因进行更加全面的分析。