鹽城丹頂鶴保護區核心區土地覆被信息提取及其動態變化分析

王延飛，溫小榮，周 蔚

(南京林業大學森林資源與環境學院，南京210037)

江蘇鹽城濕地珍禽國家級保護區是當今世界上最大的野生丹頂鶴越冬地。近年來，隨著保護區實驗區及部分緩沖區的開發，這些地域的原生棲息環境被破壞，保護區中丹頂鶴的棲息范圍逐漸向核心區靠攏。目前，每年全區60%～90%的丹頂鶴在保護區核心區越冬棲息，對保護區核心區的監管保護顯得尤為重要。

1 研究區概況

江蘇鹽城濕地珍禽國家級保護區核心區由隸屬射陽縣和大豐市的灘涂組成。它位于中國海岸線中段、蘇北平原東部，西以“建國堤”向東100m為界，東臨黃海，面積為218.89km2。核心區是典型的淤泥質平原原生濕地［1］，丹頂鶴越冬棲息的原生生境保存完整。

該地區處于暖溫帶與亞熱帶之間的過渡區，氣候溫和，年平均氣溫13.7～14.6℃，無霜期210～224d，降雨量980～1 070mm，日光輻射量為116.2～121Kcal/cm2［2］。核心區西部的旱地、沼澤地以及河岸分布有大片蘆葦，中部主要為堿蓬群落，東部沿海灘面則生長有大片米草，大量的草灘有利于懸浮物質堆積，為丹頂鶴提供豐富的食物。由于黃河流域攜帶大量泥沙入海，并通過黃海和東海兩大海域潮汐交匯作用，使得大量泥沙在鹽城中南部沿海地區沉積，造成了保護區海岸每年以40～100m的速度向東淤漲岸。這部分淤漲區域可為丹頂鶴提供新的棲息地。

2 研究數據及方法

本次研究收集了江蘇鹽城濕地珍禽國家級保護區核心區2002年2月LANDSAT衛星TM數據、2010年12月ALOS數據，1∶10 000地形圖，歷年保護區丹頂鶴分布數據以及2010核心區植被分布的調查數據。

2.1 研究路線

(1)為了增強遙感分類的準確性和圖像像元亮度值之間的可比性，在對影像進行分類比較、差值運算和植被指數提取前對遙感數據進行幾何校正、輻射校正、去云去陰影、直方圖匹配等處理［3－5］，這將很大程度上提高各遙感分類、差值運算和植被指數提的精確度。

(2)使用最大似然分類法分別對2002年和2010年的遙感影像進行監督分類，得到保護區核心區各地類及植被分布面積，對比兩期分類結果得出各指標動態變化情況。

(3)對2002年和2010年前后兩期遙感影像的作差值圖像運算，提取兩期影像地物屬性變異部分，通過對比判讀得出變化部分所屬地類。

(4)對2002年和2010年前后兩期遙感影像進行植被指數提取，對提取的兩期植被指數作差值運算，通過對比判讀得出變化部分所屬地類。

(5)通過對比分類圖像、直接差值分布圖像、NDVI差值圖像及RVI差值圖像結果得到核心區地類及植被分布的動態變化情況。

2.2 最大似然分類

選擇監督分類中常用的分類精度較高的最大似然分類結果作為分析保護區核心區地類及植被分布變化的依據。最大似然分類結果如圖1和圖2所示。

圖1 2002年最大似然分類結果圖Fig.1 Results of maximum likelihood classification in 2002

由前后兩期的分類結果提取各分類面積，得到核心區地類和植被的分布變化情況如圖3所示。

由圖3可以看出:

首先，從2002至2010年，保護區核心區海域所占比例下降了10%(即灘涂面積增加了10%)，進一步證明了該地區為典型淤漲型海岸，新增加的灘涂可為丹頂鶴提供新生棲息地，擴大丹頂鶴在核心區的活動范圍。

圖2 2010年最大似然分類結果圖Fig.2 Results of maximum likelihood classification in 2010

圖3 2002、2010年核心區地類及植被分布變化Fig.3 Land type and vegetation distribution in core area from 2002 to 2010

其次，核心區主要有3種植被分布，分別為蘆葦、堿蓬和米草。近年來，米草群落分布所占比例由6.8%增加到21.7%，增加幅度較大;堿蓬群落分布所占比例由17.0%減少為4.2%，這說明了米草有很強的擴張能力。已有研究表明米草在濕地灘涂上形成純種群落以后，會抑制其它植被的生長，也使魚類、貝類在密集的草灘中活動困難，難以生存［6］，這會在很大程度上減少丹頂鶴的食物來源。以上事實說明，米草在保護區核心區的大量增加需要引起相關部門的重視，盡快采取有效措施對其進行控制。

最后，從前后兩期影像來看，保護區核心區從2002年至2010年除有部分養殖區外，沒有其他人為活動。這說明，核心區的保護工作到了相關部門的重視，保持了其淤泥質平原原生濕地的特征，這對于野生丹頂鶴的保護具有十分重要的意義。

2.3 圖像差值法

將經過校正的兩幅遙感影像進行像元級算數差值運算，可以得到前后兩期影像的差值圖像。差值圖像可以顯示出兩期影像中地物的主要變化部分，以此作為地物屬性變異的檢測方法，稱之為圖像差異法［7－8］。

以A、B分別表示前后兩期影像數據，則對差值影像C有:

式中:k表示廣義上的任意波段數據，C中包含了不同波段影像的變化信息。

在ERDAS9.2中以2010年影像對2002年影像作差值運算得到差值圖像，如圖4所示。

圖4 2010年與2002年影像差值圖像Fig.4 Images difference between 2002 and 2010

由圖4觀察可知，兩期遙感影像的主要差異部分已經被提出，將該差值圖像與2002年和2010年兩幅原遙感影像進行比較可得，保護區中部深黑色部分為堿蓬分布區轉變為蘆葦和米草分布區，圖像中沿海顏色較黑部分為水面向米草灘地變化部分，其余大部分白色區域為未變化部分。另外，由于本研究所用遙感影像數據中，部分蘆葦分布稀疏區域與米草分布區的輻射差別較小，因而兩種植被之間分布的變化情況未能準確的反應在差值圖像上。

通常，對前后兩期遙感圖像直接進行像元級差值運算容易造成大量噪聲信息 (如圖4中的海域部分)，且由于地物的同物異譜及同譜異物現象的存在，使用圖像差值法提取地物差異信息有不可避免的誤提和漏提現象。

2.4 植被指數法

植被指數是指利用植被反射波譜特性來檢測地面植被生長和分布的一種指標。植被指數法即通過對前后兩期遙感影像的植被指數進行提取后作差值運算，得到研究區域植被的變化情況的一種研究方法。

2 .4 .1 歸一化植被指數

歸一化植被指數 (Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)是能反映植被覆蓋狀況的一種遙感指標，定義為近紅外通道與可見光通道反射率之差與之和的商［7－8］。歸一化植被指數的運算公式如下:

式中:IR為遙感影像中的近紅外波段，R為紅外波段。

通過提取2002年及2010年兩期遙感影像的NDVI，然后對前后兩期影像的NDVI圖像作幾何差值運算，得到研究區植被覆蓋信息有變化的部分。2002年與2010年兩期影像的NDVI圖像及其差值圖像如圖5所示。

圖5 2002年NDVI、2010年NDVI及其差值圖像Fig.5 NDVI in 2002，NDVI in 2010 and their difference image

兩期遙感影像的NDVI差值圖像中灰度值較高部分，是后期為植被覆蓋，植被指數較高，而前期不為植被覆蓋，植被指數較低的區域。也就是說，兩幅影像的差值圖像中亮度較高的區域為水面或光灘轉變為植被指數較高的米草分布區，次亮部分為植被指數較低的堿蓬分布區轉變為米草和蘆葦分布區。

2.4.2 比值植被指數

比值植被指數 (Ratio Vegetation Index，RVI)又稱綠度，定義為近紅外通道與可見光通道反射率之比［7－10］。比值植被指數的運算公式如下:

式中:IR為遙感多波段圖像中的近紅外波段;R為紅外波段。

通過提取2002年及2010年兩期遙感影像的RVI，然后對前后兩期影像的RVI圖像作幾何差值運算，得到研究區植被覆蓋信息有變化的區域。2002年與2010年兩期遙感影像的RVI圖像及其差值圖像如圖6所示。

圖6 2002年RVI、2010年RVI及其差值圖像Fig.6 RVI in 2002，RVI in 2010 and their difference image

兩期遙感影像的RVI差值圖像中灰度值較高部分，是后期為植被覆蓋，植被指數較高，而前期不為植被覆蓋，植被指數較低的區域。即兩幅影像的差值圖像中亮度較高的區域為水面或光灘轉變為植被指數較高的米草分布區，次亮部分為植被指數較低的堿蓬分布區轉變為米草和蘆葦分布區。

通過比較兩種差值植被指數法的結果，二者得到的核心區植被分布變化情況一致。與NDVI指數相比，RVI指數對植被信息更為敏感，RVI圖像的灰度差別更明顯。

3 結論與討論

通過對兩期遙感影像進行有監分類、圖像差值、NDVI圖像差值及RVI圖像差值提取，研究區植被覆被信息及其動態變化情況，比較四種不同處理方法得到的結果，可以發現這幾種方法都能較為準確地得到研究區植被覆被的動態變化情況。其中，先對遙感影像進行植被指數提取，然后對提取的兩期植被指數圖像作差值運算來提取研究區植被覆被動態變化的方法更為精確。

結合對2002年和2010年影像的遙感分類圖像、直接差值圖像、NDVI差值圖像及RVI差值圖像四種處理方法得到的結果可以發現:保護區核心區為典型淤漲型海岸，2002年至2010年新增灘涂面積約占保護區核心區面積的10%，新淤漲灘涂多為米草群落侵占，這也是保護區核心區近年來最主要的變化;保護區核心區米草群落覆蓋面積較大幅度增加，堿蓬群落分布明顯減少，西部靠近海堤的堿蓬群落為蘆葦所代替，東部靠近灘涂的堿蓬群落為米草群落所侵占;2002年至今保護區核心區人為干擾較小，境內基本為原生濕地，生態系統基本實現自我更新，地類變化較為緩慢，有利于丹頂鶴的保護。

特別需要提出的是，米草為我國早期引入的侵入性物種之一，有極強的入侵和擴張能力。保護區核心區的米草覆蓋面積逐年增加，可能會影響當地的生態平衡，不利于丹頂鶴的保護，需對其加強人為控制。

［1］Wang K.National Nature Reserves in China(2nd Volume)［M］.Hefei:Anhui Science and Technology Press，2003.

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