基于遥感影像的湿地资源的变化监测与结果分析——以罗源湾为例

郑慧钦

(福建省地质测绘院,福建 福州 350011)

0 引言

湿地是自然界重要的自然资源和生态系统,在调节气候、涵养水源、分散洪水、净化环境和保护生物多样性等方面起着重要的作用[1-2]。罗源湾湿地具有水产养殖、海洋生物繁育、濒危生物繁殖栖息等重要的生态功能和经济价值。但是,随着人类活动和区域经济的发展,湿地资源面积也随之发生变化。传统上,湿地资源面积的获取是通过野外实地调查方法,费时、费力,且往往受人为因素的影响,而遥感技术可实时、快速、动态、准确高效地获取湿地变迁情况。随着遥感技术的发展,尤其是国产卫星的分辨率和精度不断提高,为湿地资源调查,分析湿地资源变化提供了新的途径。本文利用1986年的TM数据、2002年的ETM数据、2012年的资源一号02C(简称ZY1-02C)数据及2021年的资源三号(简称ZY3)数据开展罗源湾湿地信息动态监测,并结合分形分析方法对其变化情况和因素进行分析,为湿地资源的合理利用与可持续发展提供决策依据。

1 研究区概况

罗源湾位于福建省东北部沿海,北邻三沙湾,南隔黄岐半岛与闽江口连接,海湾总面积152.80 km2,范围在26°18′～26°31′N,119°34′～119°51′E之间。地层主要为晚侏罗世中酸性—酸性火山岩地层,腹地以南园组地层为主,东北面为石帽山群为主,侵入岩主要为丹阳岩体,即二长花岗岩体,黄岐半岛为浅肉红色花岗斑岩。整个海湾被罗源半岛和黄岐半岛环抱,仅东北角经可门口与东海相通,口门宽仅1.6 km,是半封闭的海湾(见图1),镶嵌在海峡西岸岸线上,风光旖旎,水天一色,拥有碧海“鱼仓”和“闽东夏威夷”的美誉。罗源湾是全国少有的天然深水港湾,可全天候靠泊30万吨轮船,具备建造东方大港的条件[3-4]。从“十一五”期间开始,罗源湾成为福建省重点建设的港口。

图1 罗源湾地理位置示意图Fig.1 Location map of Luoyuan Bay

2 研究方法

2.1 Sobel算子边缘检测法

边缘检测即检测图像的边缘,通过标识图像中灰度变化明显的点来确定图像的边缘信息,一般用幅值和方向属性来描述。Sobel算子不仅算法简单、处理速度快,而且可以在一定程度上抑制图像中的噪声,在图像边缘检测上具有一定的优势。因此,本文采用Sobel算子[5-6]进行边缘检测,其幅值和方向的计算公式为：

(1)

(2)

以一幅图像的3×3区域(见图2(a))为例,Sobel算子通过水平和垂直两个方向的卷积模板与图像进行卷积运算,Sobel算子水平和垂直模板如图2(b)和(c)所示。

图2 图像3×3区域和Sobel算子模板Fig.2 Image 3 × 3 regions and Sobel operator templates

通过Sobel算子水平和垂直模板卷积后,对应的水平和垂直方向梯度计算公式为：

gx=(z3+2z6+z9)-(z1+2z4+z7)

(3)

gy=(z1+2z2+z3)-(z7+2z8+z9)

(4)

代入式(1)可得到梯度图像在(x,y)的灰度值。最后,通过设定合适的阈值,对梯度图像进行二值化处理,即得到边缘图像。

2.2 分形分析方法

分形理论是了解湿地动态变化的一个良好的研究工具[7]。分形理论广泛应用于地貌学、土壤学、气候学、水文学等领域,将其应用于湿地的科学研究中可量化一些难以定量的问题,并取得不错的效果。

董连科[8-9]的二维欧氏空间分形维数可以用来描述分形图像的复杂程度,因此本文采用该分形维数来表征湿地资源的动态变化。分形维数的实质是封闭多边形图斑的周长和面积的比例关系,具体公式为：

lnA(r)=2/D×lnP(r)+C

(5)

式中：A(r)表示以r为量测尺度的某一图斑的面积;P(r)表示同一图斑的周长;C表示截距;D表示图斑的分形维数,取值范围为[1,2]。D值越大表示图形形状越复杂;当D=1.5时,表示图形处于布朗随机运动状态,是稳定性的临界点,越接近该值,稳定性越差[10]。

稳定性指数的公式为：

SK=|1.5-D|

(6)

式中：SK为稳定性指数;D为分形维数。

3 数据来源及预处理

本研究采用的遥感数据主要为1986年的TM数据、2002年的ETM数据、2012年的资源一号02C数据及2021年的资源三号数据(见表1)。

表1 卫星遥感影像数据

首先,利用ERDAS软件,以1∶5万地形图为参照进行几何精校正,并进行融合、镶嵌、裁切等一系列影像处理。然后,通过分析影像数据光谱信息结构,根据各波段特征及相关性关系选择合适的波段进行假彩色合成。最后,在保持影像数据原始光谱特征的前提下,对影像进行拉伸、增强和滤波等图像增强处理,以利于对研究区岸线信息提取和湿地信息提取。

4 岸线信息提取与变迁分析

4.1 岸线信息提取

罗源湾海岸线主要为人工岸线、基岩岸线和泥质岸线3种基本类型。海岸线具有水陆边界的特征,且水、陆的波谱特性之间的过渡差异在影像上变化明显。因此,在提取海岸线时可供选择的方法较多,除目视解译和多光谱分类外,还有阈值法、边缘检测算子法、主动轮廓模型法、马尔科夫法、面向对象法等[11-13]。根据区域情况及影像资料运用边缘检测算子法与人机交互方法迅速完成海岸线的提取、修正和岸线分类,并利用Subtractive等变化检测提取海岸线变迁信息,其中边缘检测算子法以Sobel、Roberts为经典,经比较应用Sobels算子结果对后期进行的阈值分割以及栅格转矢量效果较好(见图3)。岸线信息提取总体工作流程见图4。

图3 海岸线提取效果示意图Fig.3 Schematic diagram of coastline extraction effect

图4 海岸线信息提取技术路线Fig.4 Technical route for extracting coastline information

4.2 岸线变迁分析

通过四期遥感影像数据解译,对岸线数据进行统计(见表2、图5)。由于四期采用的遥感数据不同,采样间隔不一致：TM 30 m、ETM 30 m、ZY1-02C 2.5 m、ZY3 2 m,导致数据统计上存在一定差异与误差,高分数据在岸线类型和解译精度上数据更精确,故数据精度由2021年至1986年递减。

表2 罗源湾海岸线变迁统计表

图5 不同类型海岸线各时段长度对比图Fig.5 Comparison of lengths of different types of coastline at different time periods

对数据统计分析如下：

1)罗源湾作为半封闭的海湾,海水对岸线的侵蚀较弱,岸线变迁整体是向湾内推进(见图6),海湾面积逐年缩小[14];

图6 罗源湾岸线变迁遥感解译成果Fig.6 Remote sensing interpretation results of changes in coastal line of Luoyuan Bay

2)罗源湾岸线变迁速度以泥质海岸线的变化最大,其次为人工岸线,而基岩岸线后期相对稳定,这反映了区域水产养殖和海岸工程建设等占用了大量的滩涂资源,泥质岸线不断减少,人工海岸的长度随着城镇建设和港口工业的发展而增长;

3)从影像及以上几点分析,1986年至2002年岸线变迁主要为乡镇建设用地和养殖开发用地并存,2002年至2021年岸线变迁主要表现为港口建设用地,以狮岐港码头、可门港等港口建设为主。

5 湿地信息提取与分析

5.1 湿地信息提取与动态变化研究

根据不同地类的色调(色彩)、形状、大小、纹理、几何图案特征、通过已知地物和现有的土地利用图与有关图件上同类地物进行对比分析,找出各地物影像特征基本规律,作为判读依据,结合已有的专业知识,分析其性质、特点、质量,建立起初步的解译标志,通过野外调查,实地验证、修正,最后确定解译标志。利用人机交互的方法判读得到四期的湿地类型解译图(见图7),并与土地利用现状图进行叠加,验证其准确性和可靠性。

图7 罗源湾湿地类型分布图Fig.7 Distribution map of wetland types in Luoyuan Bay

利用分形理论来研究罗源湾湿地的动态变化。统计研究区各湿地类型斑块的面积和周长数据(见表3),然后,借助统计分析软件SPSS,用最小二乘法拟合各湿地类型面积与周长的对数关系的直线,进行分形计算,得出不同湿地类型的分形维数D值和稳定性指数SK值(见表4)。

表3 罗源湾各湿地类型属性信息

表4 不同湿地类型的分形维数

5.2 湿地变化分析

从图7和表3可以看出,罗源湾湿地类型包括水田、河流、水库、养殖场、滩涂、坑塘6大类。其中,滩涂面积占比最大,其次是养殖场和水田,三者的总面积占各年份湿地总面积的比例均达90%以上。

从1986年到2021年间罗源湾湿地总面积呈逐年减少的趋势,共减少面积43.8 km2,其中,2002年至2012年期间变化最大,减少面积20.42 km2。除了水库基本没有变化外,其它各类湿地面积均有不同程度增减。其中,水田和滩涂面积一直在减少,滩涂面积减少幅度最大;河流虽然有所增减,但变化幅度不大;养殖场1986年至2012年面积增加17.44 km2,增幅达67.89%,2012年至2021年呈现下降趋势;坑塘1986年至2002年面积增加13.76 km2,增幅为36.37%,2002年至2021年呈现下降趋势。

表4分形结果表明,罗源湾不同湿地类型的回归效果是显著的,不同时期湿地类型的面积对数与周长对数确实存在着一元线性回归关系。利用分形维数可以解释不同类型湿地稳定程度和复杂程度的情况。

1)水田的分形维数在1.34～1.42之间,是所有湿地类型中最不稳定的因素。1986年到2002年期间,水田分形维数增大,到2002年最接近1.5,稳定性最差,这与城镇的扩张相关,居民地、交通用地等建设用地占用了大面积的水田湿地,使得水田的形态不断遭到破坏。2002年到2021年,水田分形维数呈现减少的趋势,说明城镇的发展趋于稳定,水田的减少幅度逐渐变小,水田趋于稳定。

2)河流的分形维数呈现先减少后增加的趋势。1986年到2002年期间,分形维数有稍许减少,都在1.2左右,说明河流开发程度较小,复杂程度较低,在一定程度上具有较大的稳定性。而2002年到2021年期间,河流分形维数呈现上升趋势,尤其是2002年至2012年间,分形指数增加了0.145 2,稳定性指数发生了较大的变化。经调查,2002年到2021年期间,地方进行了水利建设,新建了混凝土斗渠、混凝土农渠、排灌混凝土渠、砌石沟等灌溉系统,导致河流分形维数发生变化。

3)养殖场在1986年到2002年间分形维数变化不大,其值分别为1.068 5和1.099 5,均远离临界值1.5,说明养殖场是人类按一定规则形状开挖而成,形状规整,复杂程度较小。而2002年至2012年,分形维数增加了0.146,变化幅度相对较大,养殖场稳定性变差,这与近几年养殖业经济飞速发展密切相关,养殖业的过度发展影响了其稳定性。2012年至2021年,分形维度略有下降,下降0.007 9,说明养殖业发展有趋于稳定的趋势。

4)滩涂在1986年至2002年期间,分形维数分别为1.236 1和1.372 3,上升趋势明显,分形维数增加了0.136 2,说明1986年至2002年期间,滩涂变化大,面积大量减少,从影像分析,其多开发为水产养殖。而2002年到2012年期间,分形维数呈现明显的下降趋势,分形维数减少了0.160 9。2012年至2021年分形维数略有下降,说明养殖业的发展趋于稳定,对滩涂的开发占用大幅减少,滩涂趋于稳定。

5)水库和坑塘的分形维数基本上没有变化,水库的分形维度在1.28左右,坑塘的分形维度在1.1左右,说明两者的形状均比较规整,复杂程度较小,且受人为的干扰较小,稳定性没有发生大的变化。

6 结论

本文应用TM、ETM、ZY1-02C、ZY3遥感数据,利用边缘算子、分形理论来研究罗源湾湿地的动态变化,分析了近35年来湿地及海岸的变迁情况,发现其主要为人为因素引起。1986至2002年,罗源湾湿地变迁相对平缓,变化集中于罗源县县城与连江县马鼻镇的水田和滩涂减少,养殖场增加;2002至2021年,罗源湾湿地变迁相对明显,因滨海城市建设、可门港等港口工业用地,占用了湿地资源,使泥质岸线不断减少,人工岸线不断增加,湿地面积大幅减少。近年来,地方政府加强了湿地资源保护,包括灌溉系统建设、水田耕地保护等,但城镇与工业建设仍将进一步影响湿地资源。

由于前两期数据采用分辨率较低的Landsat数据,在解译精度上有所下降,2012年数据采用融合后的ZY1-02C和ZY3遥感数据,采样分辨率达2.5 m和2 m,精度较高。

利用多时相遥感卫星数据监测不同时期的湿地和岸线状况,能迅速、高效、实时完成其监测变化,研究成果可为决策部门开展罗源湾湿地资源及海洋环境保护提供参考。