基于遙感影像的濕地資源的變化監測與結果分析
——以羅源灣為例

鄭慧欽

(福建省地質測繪院,福建 福州 350011)

0 引言

濕地是自然界重要的自然資源和生態系統,在調節氣候、涵養水源、分散洪水、凈化環境和保護生物多樣性等方面起著重要的作用[1-2]。羅源灣濕地具有水產養殖、海洋生物繁育、瀕危生物繁殖棲息等重要的生態功能和經濟價值。但是,隨著人類活動和區域經濟的發展,濕地資源面積也隨之發生變化。傳統上,濕地資源面積的獲取是通過野外實地調查方法,費時、費力,且往往受人為因素的影響,而遙感技術可實時、快速、動態、準確高效地獲取濕地變遷情況。隨著遙感技術的發展,尤其是國產衛星的分辨率和精度不斷提高,為濕地資源調查,分析濕地資源變化提供了新的途徑。本文利用1986年的TM數據、2002年的ETM數據、2012年的資源一號02C(簡稱ZY1-02C)數據及2021年的資源三號(簡稱ZY3)數據開展羅源灣濕地信息動態監測,并結合分形分析方法對其變化情況和因素進行分析,為濕地資源的合理利用與可持續發展提供決策依據。

1 研究區概況

羅源灣位于福建省東北部沿海,北鄰三沙灣,南隔黃岐半島與閩江口連接,海灣總面積152.80 km2,范圍在26°18′～26°31′N,119°34′～119°51′E之間。地層主要為晚侏羅世中酸性—酸性火山巖地層,腹地以南園組地層為主,東北面為石帽山群為主,侵入巖主要為丹陽巖體,即二長花崗巖體,黃岐半島為淺肉紅色花崗斑巖。整個海灣被羅源半島和黃岐半島環抱,僅東北角經可門口與東海相通,口門寬僅1.6 km,是半封閉的海灣(見圖1),鑲嵌在海峽西岸岸線上,風光旖旎,水天一色,擁有碧?！棒~倉”和“閩東夏威夷”的美譽。羅源灣是全國少有的天然深水港灣,可全天候靠泊30萬噸輪船,具備建造東方大港的條件[3-4]。從“十一五”期間開始,羅源灣成為福建省重點建設的港口。

圖1 羅源灣地理位置示意圖Fig.1 Location map of Luoyuan Bay

2 研究方法

2.1 Sobel算子邊緣檢測法

邊緣檢測即檢測圖像的邊緣,通過標識圖像中灰度變化明顯的點來確定圖像的邊緣信息,一般用幅值和方向屬性來描述。Sobel算子不僅算法簡單、處理速度快,而且可以在一定程度上抑制圖像中的噪聲,在圖像邊緣檢測上具有一定的優勢。因此,本文采用Sobel算子[5-6]進行邊緣檢測,其幅值和方向的計算公式為：

(1)

(2)

以一幅圖像的3×3區域(見圖2(a))為例,Sobel算子通過水平和垂直兩個方向的卷積模板與圖像進行卷積運算,Sobel算子水平和垂直模板如圖2(b)和(c)所示。

圖2 圖像3×3區域和Sobel算子模板Fig.2 Image 3 × 3 regions and Sobel operator templates

通過Sobel算子水平和垂直模板卷積后,對應的水平和垂直方向梯度計算公式為：

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

(3)

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

(4)

代入式(1)可得到梯度圖像在(x,y)的灰度值。最后,通過設定合適的閾值,對梯度圖像進行二值化處理,即得到邊緣圖像。

2.2 分形分析方法

分形理論是了解濕地動態變化的一個良好的研究工具[7]。分形理論廣泛應用于地貌學、土壤學、氣候學、水文學等領域,將其應用于濕地的科學研究中可量化一些難以定量的問題,并取得不錯的效果。

董連科[8-9]的二維歐氏空間分形維數可以用來描述分形圖像的復雜程度,因此本文采用該分形維數來表征濕地資源的動態變化。分形維數的實質是封閉多邊形圖斑的周長和面積的比例關系,具體公式為：

lnA(r)=2/D×lnP(r)+C

(5)

式中：A(r)表示以r為量測尺度的某一圖斑的面積;P(r)表示同一圖斑的周長;C表示截距;D表示圖斑的分形維數,取值范圍為[1,2]。D值越大表示圖形形狀越復雜;當D=1.5時,表示圖形處于布朗隨機運動狀態,是穩定性的臨界點,越接近該值,穩定性越差[10]。

穩定性指數的公式為：

SK=|1.5-D|

(6)

式中：SK為穩定性指數;D為分形維數。

3 數據來源及預處理

本研究采用的遙感數據主要為1986年的TM數據、2002年的ETM數據、2012年的資源一號02C數據及2021年的資源三號數據(見表1)。

表1 衛星遙感影像數據

首先,利用ERDAS軟件,以1∶5萬地形圖為參照進行幾何精校正,并進行融合、鑲嵌、裁切等一系列影像處理。然后,通過分析影像數據光譜信息結構,根據各波段特征及相關性關系選擇合適的波段進行假彩色合成。最后,在保持影像數據原始光譜特征的前提下,對影像進行拉伸、增強和濾波等圖像增強處理,以利于對研究區岸線信息提取和濕地信息提取。

4 岸線信息提取與變遷分析

4.1 岸線信息提取

羅源灣海岸線主要為人工岸線、基巖岸線和泥質岸線3種基本類型。海岸線具有水陸邊界的特征,且水、陸的波譜特性之間的過渡差異在影像上變化明顯。因此,在提取海岸線時可供選擇的方法較多,除目視解譯和多光譜分類外,還有閾值法、邊緣檢測算子法、主動輪廓模型法、馬爾科夫法、面向對象法等[11-13]。根據區域情況及影像資料運用邊緣檢測算子法與人機交互方法迅速完成海岸線的提取、修正和岸線分類,并利用Subtractive等變化檢測提取海岸線變遷信息,其中邊緣檢測算子法以Sobel、Roberts為經典,經比較應用Sobels算子結果對后期進行的閾值分割以及柵格轉矢量效果較好(見圖3)。岸線信息提取總體工作流程見圖4。

圖3 海岸線提取效果示意圖Fig.3 Schematic diagram of coastline extraction effect

圖4 海岸線信息提取技術路線Fig.4 Technical route for extracting coastline information

4.2 岸線變遷分析

通過四期遙感影像數據解譯,對岸線數據進行統計(見表2、圖5)。由于四期采用的遙感數據不同,采樣間隔不一致：TM 30 m、ETM 30 m、ZY1-02C 2.5 m、ZY3 2 m,導致數據統計上存在一定差異與誤差,高分數據在岸線類型和解譯精度上數據更精確,故數據精度由2021年至1986年遞減。

表2 羅源灣海岸線變遷統計表

圖5 不同類型海岸線各時段長度對比圖Fig.5 Comparison of lengths of different types of coastline at different time periods

對數據統計分析如下：

1)羅源灣作為半封閉的海灣,海水對岸線的侵蝕較弱,岸線變遷整體是向灣內推進(見圖6),海灣面積逐年縮小[14];

圖6 羅源灣岸線變遷遙感解譯成果Fig.6 Remote sensing interpretation results of changes in coastal line of Luoyuan Bay

2)羅源灣岸線變遷速度以泥質海岸線的變化最大,其次為人工岸線,而基巖岸線后期相對穩定,這反映了區域水產養殖和海岸工程建設等占用了大量的灘涂資源,泥質岸線不斷減少,人工海岸的長度隨著城鎮建設和港口工業的發展而增長;

3)從影像及以上幾點分析,1986年至2002年岸線變遷主要為鄉鎮建設用地和養殖開發用地并存,2002年至2021年岸線變遷主要表現為港口建設用地,以獅岐港碼頭、可門港等港口建設為主。

5 濕地信息提取與分析

5.1 濕地信息提取與動態變化研究

根據不同地類的色調(色彩)、形狀、大小、紋理、幾何圖案特征、通過已知地物和現有的土地利用圖與有關圖件上同類地物進行對比分析,找出各地物影像特征基本規律,作為判讀依據,結合已有的專業知識,分析其性質、特點、質量,建立起初步的解譯標志,通過野外調查,實地驗證、修正,最后確定解譯標志。利用人機交互的方法判讀得到四期的濕地類型解譯圖(見圖7),并與土地利用現狀圖進行疊加,驗證其準確性和可靠性。

圖7 羅源灣濕地類型分布圖Fig.7 Distribution map of wetland types in Luoyuan Bay

利用分形理論來研究羅源灣濕地的動態變化。統計研究區各濕地類型斑塊的面積和周長數據(見表3),然后,借助統計分析軟件SPSS,用最小二乘法擬合各濕地類型面積與周長的對數關系的直線,進行分形計算,得出不同濕地類型的分形維數D值和穩定性指數SK值(見表4)。

表3 羅源灣各濕地類型屬性信息

表4 不同濕地類型的分形維數

5.2 濕地變化分析

從圖7和表3可以看出,羅源灣濕地類型包括水田、河流、水庫、養殖場、灘涂、坑塘6大類。其中,灘涂面積占比最大,其次是養殖場和水田,三者的總面積占各年份濕地總面積的比例均達90%以上。

從1986年到2021年間羅源灣濕地總面積呈逐年減少的趨勢,共減少面積43.8 km2,其中,2002年至2012年期間變化最大,減少面積20.42 km2。除了水庫基本沒有變化外,其它各類濕地面積均有不同程度增減。其中,水田和灘涂面積一直在減少,灘涂面積減少幅度最大;河流雖然有所增減,但變化幅度不大;養殖場1986年至2012年面積增加17.44 km2,增幅達67.89%,2012年至2021年呈現下降趨勢;坑塘1986年至2002年面積增加13.76 km2,增幅為36.37%,2002年至2021年呈現下降趨勢。

表4分形結果表明,羅源灣不同濕地類型的回歸效果是顯著的,不同時期濕地類型的面積對數與周長對數確實存在著一元線性回歸關系。利用分形維數可以解釋不同類型濕地穩定程度和復雜程度的情況。

1)水田的分形維數在1.34～1.42之間,是所有濕地類型中最不穩定的因素。1986年到2002年期間,水田分形維數增大,到2002年最接近1.5,穩定性最差,這與城鎮的擴張相關,居民地、交通用地等建設用地占用了大面積的水田濕地,使得水田的形態不斷遭到破壞。2002年到2021年,水田分形維數呈現減少的趨勢,說明城鎮的發展趨于穩定,水田的減少幅度逐漸變小,水田趨于穩定。

2)河流的分形維數呈現先減少后增加的趨勢。1986年到2002年期間,分形維數有稍許減少,都在1.2左右,說明河流開發程度較小,復雜程度較低,在一定程度上具有較大的穩定性。而2002年到2021年期間,河流分形維數呈現上升趨勢,尤其是2002年至2012年間,分形指數增加了0.145 2,穩定性指數發生了較大的變化。經調查,2002年到2021年期間,地方進行了水利建設,新建了混凝土斗渠、混凝土農渠、排灌混凝土渠、砌石溝等灌溉系統,導致河流分形維數發生變化。

3)養殖場在1986年到2002年間分形維數變化不大,其值分別為1.068 5和1.099 5,均遠離臨界值1.5,說明養殖場是人類按一定規則形狀開挖而成,形狀規整,復雜程度較小。而2002年至2012年,分形維數增加了0.146,變化幅度相對較大,養殖場穩定性變差,這與近幾年養殖業經濟飛速發展密切相關,養殖業的過度發展影響了其穩定性。2012年至2021年,分形維度略有下降,下降0.007 9,說明養殖業發展有趨于穩定的趨勢。

4)灘涂在1986年至2002年期間,分形維數分別為1.236 1和1.372 3,上升趨勢明顯,分形維數增加了0.136 2,說明1986年至2002年期間,灘涂變化大,面積大量減少,從影像分析,其多開發為水產養殖。而2002年到2012年期間,分形維數呈現明顯的下降趨勢,分形維數減少了0.160 9。2012年至2021年分形維數略有下降,說明養殖業的發展趨于穩定,對灘涂的開發占用大幅減少,灘涂趨于穩定。

5)水庫和坑塘的分形維數基本上沒有變化,水庫的分形維度在1.28左右,坑塘的分形維度在1.1左右,說明兩者的形狀均比較規整,復雜程度較小,且受人為的干擾較小,穩定性沒有發生大的變化。

6 結論

本文應用TM、ETM、ZY1-02C、ZY3遙感數據,利用邊緣算子、分形理論來研究羅源灣濕地的動態變化,分析了近35年來濕地及海岸的變遷情況,發現其主要為人為因素引起。1986至2002年,羅源灣濕地變遷相對平緩,變化集中于羅源縣縣城與連江縣馬鼻鎮的水田和灘涂減少,養殖場增加;2002至2021年,羅源灣濕地變遷相對明顯,因濱海城市建設、可門港等港口工業用地,占用了濕地資源,使泥質岸線不斷減少,人工岸線不斷增加,濕地面積大幅減少。近年來,地方政府加強了濕地資源保護,包括灌溉系統建設、水田耕地保護等,但城鎮與工業建設仍將進一步影響濕地資源。

由于前兩期數據采用分辨率較低的Landsat數據,在解譯精度上有所下降,2012年數據采用融合后的ZY1-02C和ZY3遙感數據,采樣分辨率達2.5 m和2 m,精度較高。

利用多時相遙感衛星數據監測不同時期的濕地和岸線狀況,能迅速、高效、實時完成其監測變化,研究成果可為決策部門開展羅源灣濕地資源及海洋環境保護提供參考。