崇明东滩湿地植被遥感监测研究

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●中国资源综合利用
China Resources Comprehensive Utilization
崇明东滩湿地植被遥感监测研究
翟新源1,杨苏新2
(1.徐州市山石矿业服务有限公司,江苏徐州,221000;2.江苏师范大学测绘学院,江苏
徐州221116)
摘要:以多时相TM 遥感影像数据为基础,借助ERDAS 和ArcGIS 等专业软件进行遥感图像的预处理和特征提取,在此基础上采用修正土壤调节植被指数进行海三棱藨草、芦苇和互花米草3种优势植被的检测。

通过植被分类图和各类型植被的统计数据表明,随着滩涂的淤涨,东滩湿地植被的面积大大增加,而互花米草的增加速率显著高于土著种芦苇和海三棱藨草,并且已在东滩保护区相当区域内形成单优势种群落。

互花米草的快速增长严重影响了湿地的生物群落结构,如不加以控制和治理,会对崇明东滩保护区的生态系统造成较大的影响。

关键词:湿地植被;修正土壤调节植被指数;植被分类图;多时相遥感图像中图分类号:X87
文献标识码:A
文章编号:1008-9500(2013)07-0046-03
崇明东滩是中国濒海湿地生物多样性的关键地区。

作为上海市最大的滩涂湿地之一,它在调节气候、净化水质、抵御风暴潮等自然灾害等方面均发挥着重要的作用。

因此开展滩涂湿地遥感检测具有十分重要的意义。

目前,研究的重点是湿地植被的特征及演化,特别是在湿地植被信息的有效提取方面,国内外学者都进行了较多的探索[1]。

以多时相卫星遥感图像为基础,借助ERDAS
和GIS ArcGIS 遥感软件进行处理和分析,研究崇明东滩近年来的动态发展变化,并简单预测其发展趋势,以期为可持续开发、利用和保护崇明东滩湿地提供帮助。

1研究区域概况与数据选择
1.1
研究区域概况
崇明岛是我国最大的河口低位冲积沙岛。

崇明
东滩自然保护区位于崇明岛的最东端,南起奚家港,北至北八滧港,西以1968年建成的围堤为界限,东以吴凇标高零米线外侧3000m 水线为界。

仿半圆形航道线内属于崇明岛的水域、陆地和滩涂,位于东经121°50′~122°05′,北纬31°25′~31°38′之间,面积为32600公顷。

另外,它还是一个河口淤涨型湿地,处于不断的成长发展中,目前仍以每年150~200m 的淤涨速度向东海推进。

由于滩面高程以及滩涂的各区域浸水时间不同,由此形成不同的植物群落—滩涂湿地植被,比较典型的植被带分布是:藻类盐渍带—海三棱蕉草
带—芦苇带。

外来种互花米草自出现在崇明东滩,面积在不断扩大,表现出明显的竞争优势。

在高潮滩,主要生长有芦苇、糙叶苔草、互花米草;低潮滩生长有蕉草、海三棱蕉草;光泥滩上生长有盐渍藻类。

目前东滩主要存在3种优势植被群落:海三棱藨草群落、芦苇群落、互花米草群落[2]。

海三棱藨草是我国特有种,仅分布于长江口及
杭州湾沿江或沿海滩涂上。

该种群是滩涂上的先锋种群,一般高度为0.4~0.8m。

芦苇生长迅速,地下根茎发达,蔓延力强,生长3年以上就可成为整齐、繁茂、均一的背景化群落,优势种芦苇高1.5~2.5m。

互花米草是外来种,原产北美大西洋沿岸。

是一种典型的耐盐草滩植物,通常分布在中潮带下缘(海拔0.5~2m),具有较强的保滩促淤能力,生长十分迅速。

互花米草密度极高,不但影响当地植被的
生长,也影响着动物群落的发展。

1.2
数据资料
由于湿地是一个动态变化的生态系统,所以利用多期遥感数据可以产生多点信息,增强湿地的区分能力,有助于湿地的识别和提取,提高分类的精度。

因此在选择影像时将植被生长状态和潮位结合起来,综合比较最终采用的遥感影像数据为覆盖研究区的包括1996年12月20日,2000年9月2日,2006年4月20日,2011年4月26日较低潮位、无云时的Landsat-5TM 和Landsat-7ETM+多光谱卫星遥感影像。

数据涵盖崇明东滩演变各个阶段的植
收稿日期:2013-04-11
作者简介:翟新源(1982-),男,江苏灌南人,工程师,主要从事测绘及GPS 工程项目的研究工作。

Vol.31,No.72013年7月
环境保护
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●被信息。

2
植被信息的提取
植被信息的提取采用修正土壤调节植被指数(MSAVI)法。

植被指数是由多光谱数据经线性和非线性组
合而形成的能反映绿色植被生长状况和分布的特征指数。

当遥感器测量地面反射光谱时,不仅能测得地面植物的反射光谱,还能测得土壤的反射光谱。

当光照射在植物上时,近红外波段的光大部分被植物反射回来,可见光波段的红光则大部分被植物吸收。

通过对近红外和红波段反射率的线性或非线性组合,可以消除土地光谱的影响。

归一化植被指数(NDVI)是目前应用最广泛的植被指数之一。

不足之处是NDVI 用非线性拉伸的方式增强了近红外波段和红波段的反射率的对比度,在植被高覆盖区容易饱和。

据张杰[3]等对植被盖度与植被指数分类检测的关系的比较研究表明,比值植被指数(RVI)对高盖度植被群落的检测较有优势,NDVI 抑制了高值,增强了低值,故不能有效地对潮滩植被进行分类检
测,土壤调节植被指数(SAVI)由于可以消除部分土壤的影响而对NDVI 有所改进。

但多光谱SAVI 影像的潮滩湿地植被检测效果不佳,修正的土壤调节植被指数(MSAVI)是对SAVI 的进一步改进,与SAVI 的主要区别是根据植被盖度自动调节土壤系数L 值,从而更好地降低了土壤背景对植被指数的影响,突出了不同植被群落的自身差异。

多光谱MSAVI 夏季影像可有效地将潮滩湿地3种优势植
被群落芦苇、互花米草、海三棱藨草分别检测出来,结果与实地调查比较吻合。

为了消除土壤等背景的影响并且能够有效识别不同的植被类型,利用修正土壤调节植被指数进行海三棱藨草和芦苇、互花米草3种优势植被的检测。

其表达式为:
MSAVI =2ρn +1-(2ρn +1)2
-8(ρn -ρr )/2√(1)
式中:
MSAVI 表示基于表观反射率计算的修正的土壤调节植被指数;
ρn 表示近红外波段的表观反射率;ρr 表示红波段的表观反射率。

修正土壤调节植被指数是为减小土壤调节植
被指数中裸土影响而提出的。

它与土壤调节植被指数最大的区别是L 值可以随植被盖度而自动调节,较好地消除了土壤背景对植被指数的影响。

研究时对经过了辐射校正和几何精度校正等预处理的原始影像,分别由TM3代替公式中的ρr ,TM4代替公式中的ρn 计算植被指数,计算验证修
正的植被指数对植被的分类结果。

方法是在遥感专
业软件Erdas 中首先构建修正土壤调节植被指数模型并进行修正土壤调节植被指数的公式编辑,然后采用非监督分类的方法,由计算机自动产生分类结果。

3
植被群落动态变化分析
在研究中,将栅格形式的分类后图像转化为矢量格式,并将其导入ArcGIS 软件平台中进行叠合,分析显示东滩芦苇、海三棱藨草和互花米草这3类湿地植被的动态变化情况。

利用ArcGIS 的空间分析模块,对遥感解译的分类结果进行面积统计,统计结果见表1、图1。

表11996~2011年崇明东滩湿地植被面积年份
图11996~2011年崇明东滩湿地植被面积表1和图1显示了崇明东滩自然保护区3大植被群落的分布格局和动态变化情况。

崇明东滩属于淤涨型潮滩,长江携带的大量泥沙促使东滩处于不断淤涨之中。

滩涂的高程关联着水淹程度、风浪
25002000150010005000
1996
2000
2006
2011
互花米草
海三棱藨草芦苇
年份1996
1101.15
487.08
1588.23
200079.021448.101032.752559.872006766.711824.21353.522944.4420111434.87
2207.70175.593818.16互花米草海三棱藨草芦苇总面积ha 环境保护
第7期翟新源等:崇明东滩湿地植被遥感监测研究
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●大小、土壤条件和地形冲淤程度,这些因子直接影响着各种潮滩湿地植被的生存条件。

滩涂植物群落和生长状况在空间分布上存在明显的梯度分布和动态演替规律,具有由光滩—海三棱藨草或藨草群落—芦苇(或互花米草)群落高程梯度分布的普遍特征[4]。

根据以上植被信息提取结果解译并核实崇明
东滩湿地植被分布面积最大的3个群落可以看出,海三棱藨草是高程较低的潮滩优势种,而在高程较高的滩涂,互花米草和芦苇取代海三棱藨草成为优势种,在景观格局上呈现出明显的成带分布特点。

从自然演替来看,海三棱藨草外带,群落单一,频繁受到潮水干扰,覆盖度较小;海三棱藨草内带,生长良好,与藨草交错生长,覆盖度较高。

由于被潮水淹没的时间较长,因而海三棱藨草带的植物多样性很低。

随着高程的增高,海三棱藨草逐渐被芦苇和互花米草取代。

芦苇和互花米草均属多年生草本植物,两个群落呈斑块状交错分布,且互花米草群落常以环状包围的形式与芦苇群落形成竞争,互花米草环内的芦苇长势较差,因而互花米草长势明显好
于芦苇。

随着崇明东滩的不断淤涨和演替,保护区内植被总面积从1996年的1588.23ha 增加到了2011年的3818.16ha,其中海三棱藨草群落从1101.15ha 增加到了2207.7ha,芦苇群落先是从487.08ha
增加到了1032.75ha,后又减少到了175.59ha,而互花米草群落则从引种增加到了1434.87ha。

互花
米草逐渐成为该区湿地植被的优势种,在覆盖面积上占有优势,并呈现向海扩张的趋势。

在现阶段的盐沼植被发展和盐沼湿地生态系统时,应该重点对互花米草研究。

考虑到人为的干扰,1998年和2001年两次高滩围垦以及人工引入互花米草,崇明东滩的土著芦苇群落面积大大减少,虽随着滩涂的淤涨,芦苇群落也逐年扩散,但扩散速度缓慢。

互花米草的扩散速度最为明显,由于人工种植及其自然扩散能力,其覆盖面积增加趋势远高于海三棱藨草。

海三棱藨草群落是潮滩上的先锋群落,它的出现和生长又为互花米草和芦苇群落创造了立地条件。

外来种互花米草具有比土著种芦苇更广的生态幅和更强的竞
争优势,是滩涂中扩散最快的植被,其扩散速度远高于土著种芦苇。

而淤涨型的崇明东滩为其快速扩散提供了可扩张的空生态位。

可以预见,随着崇明东滩的不断淤涨,互花米草的快速扩散还将持续[5]。

4
结束语
以湿地的典型植被为研究对象,借助现代空间信息技术,并结合野外实测、实验室分析,对崇明东滩湿地芦苇、互花米草、海三棱藨草的动态变化进行分析。

结果表明,互花米草种群以较快的速度扩散,增长速率远高于芦苇,同时正不断向海三棱草区扩散。

崇明东滩快速发育的滩涂的特点也为互花米草的种群扩散提供了适宜的生存环境,互花米草种群的快速扩展期还将持续。

互花米草在东滩的快速扩散已改变了自然保护区内湿地植物群落结构,通过快速扩散和竞争排斥,互花米草侵占了土著种芦苇和海三棱藨草的生长空间,成为东滩的优势植被,从而改变了东滩植物群落的结构。

互花米草入侵引起保护区内植物群落种类、高度、密度和地上生物量的变化,改变了底栖无脊椎动物群落结构,进而影响东滩鸟类自然保护区候鸟的生物多样性和承载能力[6],影响了自然保护区的
生态服务功能和价值,如不加以控制和治理,将会对本地生态系统造成较大的威胁和影响。

参
考文
献
1丁圣彦,梁国付,姚孝宗,等.河南沿黄湿地景观格局及其动态研究[M].北京:科学出版社,2007.
2高占国,张利权.应用间接排序识别盐沼植被的光谱特征:
以崇明东滩为例[J].植物生态学报,2006,30(2):252-260.
3张杰,沈芳,刘志国.长江口潮滩湿地植被光谱分析与遥感检测[J].华东师范大学学报(自然科学版),2007,(4):42-48.
4解佳宁,王炜,周超.遥感技术在湿地资源监测中的应
用[J].科技创新导报,2010,(27):121-122.5王晓鸿.鄱阳湖湿地生态系统评估[M].北京:科学出版社,
2004.6
宗
玮,林文鹏,周云轩,等.基于遥感的上海崇明东滩湿
地典型植被净初级生产力估算[J].长江流域资源与环境,
2011,(11):1355-1360.
(责任编辑/陈军)
环境保护
第7期
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