基于SPOT5影像的紅樹林種類圖譜特征分析和制圖

劉俊霞，任廣波，高 寧，吳培強(qiáng)

(1.國家海洋局第一海洋研究所， 山東 青島 266061； 2.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心， 遼寧 大連 116023)

紅樹林是生長在熱帶、亞熱帶海岸潮間帶區(qū)域的木本植物群落，有“海上森林”的美稱。由于其生長區(qū)域的特殊性，紅樹林生態(tài)系統(tǒng)十分獨(dú)特，具有物種資源豐富、生產(chǎn)力高、生態(tài)效益顯著等特點(diǎn)，在凈化水質(zhì)、防浪護(hù)堤、維持生物多樣性等方面具有重要作用。目前，全世界己發(fā)現(xiàn)紅樹林24科30屬83種，我國有16科20屬32種[1]。

由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人口的增加和城市的擴(kuò)張，紅樹林資源不斷遭受破壞。在我國，20世紀(jì)50年代初紅樹林面積約為5×104hm2，至2000年時(shí)僅為2.26×104hm2[2]。由此可以看出紅樹林保護(hù)已迫在眉睫。對(duì)于紅樹林的保護(hù)和管理，首先需要清楚紅樹林的分布區(qū)域和范圍。遙感具有大面積同步、可對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行重復(fù)監(jiān)測、時(shí)間序列長、現(xiàn)勢性強(qiáng)和多時(shí)空分辨率等突出優(yōu)勢，是開展紅樹林監(jiān)測和管理的重要手段。應(yīng)用遙感技術(shù)監(jiān)測紅樹林，關(guān)鍵是建立紅樹林的解譯標(biāo)志，該環(huán)節(jié)將直接關(guān)系到圖像解譯結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在不同區(qū)域、不同季節(jié)、不同種類、不同波段組合的遙感影像上，紅樹林圖譜特征各有特點(diǎn)，因而其解譯標(biāo)志的建立，必須具有針對(duì)性。本文以英羅港紅樹林為研究區(qū)，利用SPOT5假彩色合成影像，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，提取研究區(qū)內(nèi)分布面積較廣且相對(duì)集中的4種紅樹林種類(白骨壤、桐花、秋茄、紅海欖)的圖譜特征，并在此基礎(chǔ)上建立遙感解譯標(biāo)志，進(jìn)而應(yīng)用SVM方法開展分類制圖。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area

本文的研究區(qū)域位于廣東和廣西交界處的英羅港，該區(qū)域內(nèi)包含廣東湛江紅樹林國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)和廣西山口國家級(jí)紅樹林生態(tài)自然保護(hù)區(qū)(圖1)。該區(qū)域地跨兩個(gè)氣候帶，屬北熱帶和南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。其中廣東湛江紅樹林國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)有真紅樹林15種[3]；廣西山口國家級(jí)紅樹林生態(tài)自然保護(hù)區(qū)共有紅樹植物15種，其中真紅樹10種；兩保護(hù)區(qū)的紅樹林植被類型主要以白骨壤、桐花、秋茄和紅海欖為主。研究區(qū)是西伯利亞至澳大利亞候鳥遷徙必經(jīng)路徑之一，大量鳥類在此停留、棲息和覓食。

1.2 數(shù)據(jù)與處理

1.2.1 遙感數(shù)據(jù)

本文采用的遙感數(shù)據(jù)為SPOT5遙感影像。SPOT地球衛(wèi)星系統(tǒng)由法國國家空間研究中心(CNES)設(shè)計(jì)制造并于2002年5月4日發(fā)射的，空間分辨率最高可達(dá)2.5 m，采用太陽同步軌道，軌道高822 公里，圖像幅寬60 公里。由于SPOT 5衛(wèi)星具有傾斜觀測能力，衛(wèi)星實(shí)際重復(fù)觀測周期可為1-4 天(表1)。

本文所使用的SPOT 5遙感影像獲取自2004年10月15日，影像清晰無云，成像質(zhì)量較好。首先，對(duì)SPOT5 影像進(jìn)行假彩色合成，其波段合成順序?yàn)槭莃and4(近紅外波段)、band3(紅波段)、band2(綠波段)。同時(shí)利用現(xiàn)場采集的控制點(diǎn)對(duì)遙感影像進(jìn)行了幾何精校正、圖像融合和圖像增強(qiáng)處理。

1.2.2 現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)

在2007年3月和2008年3月，對(duì)英羅港區(qū)域開展了2次現(xiàn)場調(diào)查，獲取了用于校正遙感影像的地面控制點(diǎn)和用于建立紅樹林種類解譯標(biāo)志的樣本點(diǎn)，其中控制點(diǎn)30個(gè)，類型樣本點(diǎn)30個(gè)。紅樹林采樣點(diǎn)的點(diǎn)位見圖2。

圖2 紅樹林采樣點(diǎn)分布圖Fig.2 The mangrove species sample stations distribution

2 圖譜特征

圖譜特征是指在遙感圖像上能具體反映和判別地物或現(xiàn)象的影像特征。本文通過綜合考慮紅樹林在遙感影像上的色調(diào)或顏色、陰影、大小、形狀、紋理、位置、組合等要素，再結(jié)合遙感數(shù)據(jù)的成像時(shí)間、類型、空間分辨率和地理位置等，歸納總結(jié)出紅樹林類型在SPOT-5影像上的圖譜特征。

2.1 白骨壤圖譜特征

白骨壤為我國紅樹植物中分布較廣、抗風(fēng)浪性較強(qiáng)的先鋒樹種之一，具有很強(qiáng)的耐鹽和耐淹浸能力。多分布在受潮浪影響較強(qiáng)的低潮帶附近，可經(jīng)常浸在海水里，在向海一側(cè)分布較多。白骨壤樹間距較大，郁閉度不高，高潮時(shí)海水充斥樹林間，在SPOT5影像上表現(xiàn)為淺紅色，紋理密度較低，常略帶海水的藍(lán)色，且現(xiàn)場調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)白骨壤樹葉較其余樹種樹葉葉綠素含量較低(見圖3)。

圖3 白骨壤SPOT-5影像截圖和現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.3 The remote sensing image and field work photo of Avicennia marina

2.2 桐花圖譜特征

桐花通常生長在紅樹林區(qū)外緣或距岸較近的潮灘處，在我國分布面積僅次于白骨壤，有很強(qiáng)的適鹽性，可長期被海水浸沒，在研究區(qū)內(nèi)一般為低矮較稠密的灌叢林。在SPOT-5影像上表現(xiàn)為暗紅色，顏色較深，多成片分布，紋理密度一般(見圖4)。

圖4 桐花SPOT-5影像截圖及現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.4 The remote sensing image and field work photo of Aegiceras corniculatum

2.3 秋茄圖譜特征

秋茄在湛江紅樹林保護(hù)區(qū)內(nèi)多為人工種植，其植株高度較白骨壤和桐花高，一般分布于潮灘內(nèi)緣，接近高潮線的邊緣，其外側(cè)常與桐花樹相連，是最耐寒的紅樹種類，在我國浙江也有分布。在SPOT-5影像中表現(xiàn)為深紅色，多成片分布，紋理密度較高(見圖5)。

圖5 秋茄SPOT-5影像截圖及現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.5 The remote sensing image and field work photo of Kandelia candel

2.4 紅海欖圖譜特征

紅海欖在研究區(qū)內(nèi)僅存有一處較為密集，分布于廣東湛江國家級(jí)紅樹林保護(hù)區(qū)，靠岸邊較近；其它地方多散生于木欖、秋茄之中，由于其有較長的支柱根，在現(xiàn)場調(diào)查中很容易識(shí)別。在SPOT-5影像中表現(xiàn)為深紅色，紋理密度較高，成片分布(見圖6)。

圖6 紅海欖SPOT-5影像截圖及現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.6 the remote sensing image and field work photo of Rhizophora stylosa

3 分類制圖與精度評(píng)價(jià)

基于SPOT5假彩色合成影像，依據(jù)圖譜特征分析建立的4種典型紅樹林的遙感解譯標(biāo)志，應(yīng)用SVM分類方法，完成了研究區(qū)內(nèi)紅樹林的分類制圖，結(jié)果見圖7。從圖7中可以看出紅樹林沿潮間帶向海延伸呈層次分布。在高橋核心區(qū)靠近陸地大多為桐花，向海方向分布有大量的秋茄，其間有少量的紅海欖，白骨壤生長在最靠近海的區(qū)域，這與現(xiàn)場調(diào)查的情況相吻合。在山口紅樹林保護(hù)區(qū)內(nèi)(圖7左下側(cè))亦呈上述階梯分布。

結(jié)合現(xiàn)場踏勘的紅樹林類型樣本點(diǎn)，采用目視解譯方法對(duì)研究區(qū)紅樹林開展信息提取，利用提取結(jié)果對(duì)自動(dòng)分類結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。得到紅樹林種類信息提取精度驗(yàn)證結(jié)果(表2)。從表2中可以看出，紅海欖生產(chǎn)者精度最低，為81.48%，出現(xiàn)大量漏分；秋茄使用者精度最低，為84%，發(fā)生錯(cuò)分現(xiàn)象較多； 通過現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)合影像對(duì)應(yīng)地物光譜特征分析，發(fā)現(xiàn)秋茄和紅海欖兩者光譜特征相近，由此造成一定偏差。但總體來說，各個(gè)種類的紅樹識(shí)別分類精度都達(dá)到了80%以上，總體分類精度為86.67%，Kappa為0.82[5]。

圖7 紅樹林分類結(jié)果圖Fig.7 Mangrove classification result

表2 紅樹林分類精度表Tab.2 Accuracy Totals

4 結(jié)論與討論

本文基于SPOT-5影像，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，分析了英羅港區(qū)域內(nèi)4種紅樹林在遙感影像上的色調(diào)或顏色、大小、形狀、紋理、位置等圖譜特征，進(jìn)而建立了相應(yīng)的遙感解譯標(biāo)志；在此基礎(chǔ)上，利用SVM方法對(duì)研究區(qū)的紅樹林開展信息提取，獲得了4種紅樹林的分布范圍圖；最后，結(jié)合隨機(jī)樣點(diǎn)對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行了精度驗(yàn)證，每個(gè)種類的紅樹識(shí)別分類精度都達(dá)到了80%以上，總體分類精度為86.67%，Kappa系數(shù)為0.82。

需要指出的是，雖然遙感可作為紅樹林監(jiān)測的重要手段，但遙感影像存在同譜異物的現(xiàn)象，如本文中的紅海欖和秋茄兩種紅樹樹種，再有不同時(shí)間段紅樹林生長狀況也不盡相同，導(dǎo)致其遙感影像上表現(xiàn)的特征也存在差異，因此解譯標(biāo)志的建立需要較強(qiáng)的針對(duì)性。

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