基于Landsat卫星影像...黄河三角洲盐地碱蓬变化监测_范璞然.pdf

第 卷 第 期 年 月测绘与空间地理信息 ，收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（）；泰山学者青年专家项目（）资助作者简介：范璞然（），女，山东济宁人，测绘工程专业硕士研究生，主要研究方向为资源与环境遥感。通信作者：蔡玉林（），男，山东高密人，副教授，博士，年毕业于中国科学院遥感应用研究所地图学与地理信息系统专业，主要从事资源与环境遥感方向的研究与教学工作。基于 卫星影像的黄河三角洲盐地碱蓬变化监测范璞然，蔡玉林，柳 佳，吴 楠，郭晓红，（山东科技大学 测绘与空间信息学院，山东 青岛；鲁东大学 资源与环境工程学院，山东 烟台；烟台市滨海生态水文过程与环境安全重点实验室，山东 烟台）摘要：盐地碱蓬是滨海植被类型，了解其动态变化对于海滨湿地生态系统至关重要。本文基于 年间的 期陆地卫星影像数据，利用决策树分类方法提取了黄河三角洲地区的盐地碱蓬信息，进而对该时段盐地碱蓬的动态变化进行了分析。结果表明：）年间黄河三角洲地区盐地碱蓬覆盖面积变化情况为先减少后增多，研究区域范围内盐地碱蓬面积在 年减少约 ，年减少约 ，年增加约 ；）可以利用陆地卫星数据进行盐地碱蓬的变化监测，有利于盐地碱蓬的动态监测研究；）盐地碱蓬面积变化不仅受海岸线迁移、泥沙淤积等自然因素的影响，同时也与围填海活动、开垦耕地等人类活动密切相关。关键词：盐地碱蓬；陆地卫星；决策树分类；黄河三角洲；变化监测中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，）：，：（），；（），；（），：；引 言湿地是地球上重要的生存环境和生态系统，具有稳定环境、物种基因保护及资源利用功能。黄河三角洲湿地是黄河携带大量泥沙填充渤海凹陷形成的新生湿地，位于山东省东营市黄河入海口处，是世界少有的河口湿地生态系统，也是中国暖温带地区最完整、最广阔、最年轻的新生湿地生态系统。黄河三角洲自然保护区内各类型植被形成了中国沿海最大的海滩植被，盐地碱蓬就是重要的海滩植被之一，各种海滩植由于生长环境的水深、土壤盐度及高程差异而分布不同。盐地碱蓬（）学名翅碱蓬，是海滨湿地的先锋植物之一，是一种适宜在盐碱土质上存活的草。每年 月份开始生长，颜色由浅红逐渐变为深红，月份之后会由红色向紫色转变。李营等利用了盐地碱蓬的红色特征，基于 影像构建并研究盐地碱蓬植被指数。为保护盐地碱蓬生态群落，从而保护湿地植被、海岸带生态，遥感监测盐地碱蓬空间分布及动态变化有着重要意义。目前，通过遥感手段开展的湿地植被的研究主要以光学手段为主，如张晓斌等利用 数据基于决策树方法提取了不同时间的湿地类型；焉恒琦等基于 数据采用面向对象的分类方法定量解析人类活动对湿地景观变化的影响；张舒昱等基于多时相无人机遥感数据采用面向对象与决策树相结合的方法进行湿地景观分类；张猛基于多源遥感数据对洞庭湖流域湿地时空格局与变化及生态环境影响进行了多尺度的分析研究。而在湿地遥感的研究中对于盐地碱蓬的研究较少，尤其对于盐地碱蓬的动态变化研究较为缺乏，如任广波等基于 高光谱数据对碱蓬生物量估测指数进行评价，后又根据线性光谱分解法基于 高光谱影像建立碱蓬反演模型；李微等基于 进行碱蓬生物量反演；赵建顺等基于 模型分析盐地碱蓬植被指数与盐地碱蓬叶面积指数的响应关系，讨论了不同植被指数的饱和问题。由此可见，国内外对盐地碱蓬的研究多数在盐地碱蓬植被指数构建及生物量反演的范畴，对于盐地碱蓬动态变化监测的研究较为缺乏。本文使用多时相陆地卫星数据，开展盐地碱蓬提取以及动态监测的研究，陆地卫星数据周期短且易于获取，有利于盐地碱蓬的监测和变化研究。数据与研究区 研究区黄河三角洲国家级自然保护区位于山东省东北部，濒临渤海，是黄河携带泥沙在入海口凹陷处沉积形成的冲积平原。黄河三角洲主要指东营市，还包括滨州市的全部，潍坊市、德州市、淄博市和烟台市的部分地区，面积约 。黄河三角洲地处中纬度，背陆面海，受欧亚大陆和太平洋的共同影响，属于暖温带半湿润大陆性季风气候区。因为盐地碱蓬多分布于潮间带，故选取最典型的黄河三角洲东部湿地区域作为研究区。遥感影像数据数据选取 年 月的 景陆地卫星影像。）影像数据 为光学对地观测卫星，是美国陆地卫星系列（卫星）的第 颗卫星。选取 年 月 日、年 月 日和 年 月 日 幅 影像。）影像数据 上携带有 个主要载荷：（全称：，陆地成像仪）和（全称：，热红外传感器）。选取 年 月 日 影像。遥感影像数据源见表。表 遥感影像数据源信息 获取日期传感器分辨率（）时间（）轨道号云量：预处理获取的研究数据质量较好，云量均低于。利用 对影像进行辐射定标，使用 大气校正模块对 数据进行大气校正。需要传感器类型、高度、影像获取时间、太阳方位角和高度角以及影像的空间分辨率、影像中心经纬度、区域平均海拔等参数，其中区域平均海拔可以通过统计工具利用全球 数据获得。还需要对大气模式和气溶胶类型以及天气状况较好情况下的能见度值进行选择，黄河三角洲地处北纬 且研究数据的获取时间为 月，所以大气模式选择 ，气溶胶模式选择。研究方法 特征波段选择为了区分盐地碱蓬与其他地物，需要绘制地物波谱曲线，选取可以区分出盐地碱蓬的特征波段。通过对特征波段的取值提取盐地碱蓬。盐地碱蓬与部分地物的光谱剖线显示，盐地碱蓬在红光波段的辐亮度值相对于其他植被比绿光波段的高，另外在可见光波段、近红外波段和短波红外波段盐地碱蓬与其他地物的反射率均有明显差别，可以通过上述波段将盐地碱蓬与其他植被进行划分。指数可以很好地区别植被与非植被，可以先通过 去除水体、建筑、裸土等地物。之后再根据特征波段来去除其他地物。决策树提取盐地碱蓬决策树是一种归纳式分类方法，由分类已知的条件第 期范璞然等：基于 卫星影像的黄河三角洲盐地碱蓬变化监测来建立树状结构，充分利用遥感数据的光谱信息等，对输入数据循环二分形成二叉树形式进行分类。这里的已知条件即特征波段的取值范围，通过对盐地碱蓬与其他地物的光谱曲线分析，首先对以下变量设定阈值作为决策规则，对盐地碱蓬进行分类提取：（）；（）红波段；（）绿波段；（）红波段绿波段；（）近红外波段；（）短波红外波段。以 年数据为例，绘制决策树如图 所示。图 决策树分类（以 年为例）（）分别对、年预处理后的数据进行决策树分类，由于受到时间、气候、环境等因素的影响，期影像的像元值有所差别，所以对每一期影像进行决策树分类的时候都要对各个特征的阈值进行调整，运行决策树可以得到每年的盐地碱蓬提取结果。提取结果如图 所示，大部分盐地碱蓬均分布在河道两侧。图 盐地碱蓬提取结果 精度验证为进一步评估决策树提取盐地碱蓬的结果，以 年数据为例，采用目视解译的方法选取 个采样点，获取盐地碱蓬空间分布信息，以此对决策树提取的盐地碱蓬进行精度评估。引入混淆矩阵与精确率（）、召回率（）、准确率（）作为分类评价指标来分析决策树提取盐地碱蓬的分类精度。以 年提取结果为例验证混淆矩阵见表。表 年精度验证混淆矩阵 精确率公式如式（），即真正属于盐地碱蓬类别的样本数 提取为盐地碱蓬类别的样本数。（）召回率公式如式（），即真正属于盐地碱蓬类别的样本数 所有属于盐地碱蓬类别的样本数。（）准确率公式如式（），即提取为正确类别的样本数所有样本数。（）由式（）至式（）可以看出，精确率和召回率相互影响，理想情况下两者都高，但一般情况下准确率高，召回率就会低，反之亦然。通常 个指标越高说明分类精度就越高。期数据的分类精确率、召回率和准确率见表。表 提取结果精度验证 数据年份精确率召回率准确率 变化监测受到土地变更、林地改造、黄河淤积与侵袭的影响，黄河三角洲的生态环境和土地利用情况每年都在发生改变，由于自然条件变化和人为干扰的影响，生态系统各种类型之间发生频繁的相互转化。进行基于图像分类结果的分类后，利用比较法对、和 年的盐地碱蓬空间分布信息进行动态变化监测，结果显示：年盐地碱蓬减少较多，增加较少，变化主要分布在河道两侧；年河道向东北方向延伸，延伸河道两侧的盐地碱蓬面积明显增加，原河道两侧的盐地碱蓬面积有所减少；年河道继续向东北方向延伸，延伸河道两侧的盐地碱蓬面积明显增加，原河道两侧的盐地碱蓬面积有所减少，小部分盐地碱蓬面积未发生变化。结果与分析三角洲的淤长使河流河道发生改变，又由于盐地碱 测绘与空间地理信息 年蓬多生长在河岸潮间带，随着河道延伸，盐地碱蓬的生长区域也随之发生改变。统计 期影像中盐地碱蓬所占像元面积，结果显示：研究区内 年盐地碱蓬面积为，年盐地碱蓬面积为 ，年盐地碱蓬面积为 ，年盐地碱蓬面积为 。黄河三角洲湿地植被变化不仅受到人类活动的干扰，同时受自然环境的影响。首先，由于海岸线迁移、黄河淤积与侵袭，使得湿地基底流失，潮间带变窄，盐地碱蓬生存环境遭到破坏，是盐地碱蓬面积呈现下降趋势的重要原因。其他湿地植被的生长及退化也影响着盐地碱蓬的生存。其次，年，围填海活动和人为开垦耕地使得海岸线受到人为干扰，因而盐地碱蓬面积缩小。近年来，随着围垦减少与海岸淤长，政策驱动影响以及人们对湿地生态环境保护的重视程度提高，使得 年盐地碱蓬面积有所上升。因此，年间盐地碱蓬呈现出先减少后增多的变化趋势，相较于 年，年盐地碱蓬面积减少约 。结束语本文选取了 与 数据对黄河三角洲部分地区的盐地碱蓬进行了提取与长时间序列变化监测的实验。充分利用目标地物与其他地物的光谱差异，分析找到特征波段，使用决策树分类的方法对盐地碱蓬进行提取，提取准确率达到。通过分类后比较的方法对 年的盐地碱蓬空间分布进行变化监测。结果表明，利用多光谱陆地卫星提取盐地碱蓬的方法可行，能够较为准确地提取多时相盐地碱蓬植被类型，进行变化监测，有利于及时监测盐地碱蓬的空间分布以及动态变化。但此方法也存在着局限性：由于遥感在监测盐地碱蓬的应用中会受到环境和传感器参数的影响，不同时期和不同传感器的影像数据的光谱范围存在着差异，因此，各个特征的阈值不具有普适性。参考文献：孙广友中国湿地科学的进展与展望地球科学进展，（）：高云芳，郭芳芳，张媛媛，等黄河三角洲滨海湿地经济生态社会功能综述安徽农业科学，（）：谢旭，李晓文，白军红，等黄河三角洲湿地中 种典型植物地上生物量随地表高程的变化规律湿地科学，（）：卢霞，王晓静，孙华，等海滨湿地碱蓬地上鲜生物量高光谱估算研究海洋湖沼通报，（）：王丹丹辽河红海滩湿地的保护研究 黑龙江水利科技，（）：李营，陈云浩，陈辉，等 影像的翅碱蓬植被指数构建武汉大学学报（信息科学版），（）：张晓斌，石佳，欧明武，等基于 遥感数据的东洞庭湖湿地变化监测与分析上海国土资源，（）：焉恒琦，朱卫红，毛德华，等长江三角洲国际重要湿地人为胁迫遥感解析中国环境科学，（）：张舒昱，李兆富，徐锋，等基于多时相无人机遥感影像优化河口湿地景观分类生态学杂志，（）：张猛基于多源遥感数据的洞庭湖流域多尺度湿地研究测绘学报，（）：任广波，张杰，马毅基于 高光谱的黄河口碱蓬和柽柳盖度反演模型研究海洋学报，（）：任广波，张杰，汪伟奇，等基于 高光谱影像的黄河口芦苇和碱蓬生物量估测模型研究海洋学研究，（）：李微，牟蒙，陈官滨，等基于 的 模拟数据翅碱蓬生物量反演研究光谱学与光谱分析，（）：赵健顺，李微，王文硕，等基于 模型的盐地碱蓬植被指数饱和问题分析华中师范大学学报（自然科学版），（）：王书玉，于振华，于丹丹基于决策树方法的遥感影像分类哈尔滨师范大学自然科学学报，（）：王海梅，李政海，韩国栋，等黄河三角洲土地利用及景观格局的动态分析 水土保持通报，（）：于淼，栗云召，屈凡柱，等黄河三角洲滨海湿地退化过程的时空变化及预测分析农业资源与环境学报，（）：谷东起，付军，闫文文，等盐城滨海湿地退化评估及分区诊断湿地科学，（）：王永财，侯鹏，万华伟，等黄河流域湿地状况监测与分析环境生态学，（）：李昱蓉，武海涛，张森，等互花米草入侵和持续扩张下黄河三角洲滨海湿地潮沟的形态特征及其变化湿地科学，（）：钟尊倩，邱彭华，杨星海口市近 年来湿地变化及其驱动力分析海南师范大学学报（自然科学版），（）：刘康，闫家国，邹雨璇，等黄河三角洲盐地碱蓬盐沼的时空分布动态湿地科学，（）：孙姝博，孙虎，徐崟尧，等运城黄河湿地景观空间格局变化及其驱动因