濕地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量遙感監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展

摘 要：【目的】濕地作為地球三大生態(tài)系統(tǒng)之一，是生態(tài)環(huán)境中不可或缺的一部分，其環(huán)境狀況與自然及人類息息相關(guān)。【方法】通過搜集分析相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)出不同遙感平臺(tái)在濕地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及當(dāng)前濕地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量遙感評(píng)估的主要方法。【結(jié)果】監(jiān)測(cè)濕地環(huán)境、評(píng)估濕地質(zhì)量為確定濕地生態(tài)狀況及其保護(hù)工作開展提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，而蓬勃發(fā)展的遙感技術(shù)在此過程中扮演著十分重要的角色。【結(jié)論】遙感技術(shù)已經(jīng)融入濕地研究的方方面面，為諸多學(xué)者在濕地方面的研究提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：濕地；多平臺(tái)遙感監(jiān)測(cè)；生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量；綜合評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：X87" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2023）21-0013-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.21.003

Research Progress of Wetland Ecosystem Quality Monitoring by Remote Sensing

WANG Zhe1，2 YUAN Zhanliang1 WANG Chao2

（1.School of Surveying and Land Information Engineering， Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454003，China; 2.Institute of Geographical Sciences， Henan Academy of Sciences， Zhengzhou 450052，China）

Abstract： [Purposes] As one of the three ecological systems of the earth， wetland is an indispensable part of the ecological environment， and its environmental condition is closely related to both nature and human. [Methods] By collecting and analyzing relevant literature， the application status of different remote sensing platforms in wetland ecosystem monitoring and the main methods of remote sensing assessment of wetland ecosystem quality were summarized. [Findings] Monitoring wetland environment and assessing wetland quality provide reliable data support for determining wetland ecological status and protection work， and the booming remote sensing technology plays a very important role in this process. [Conclusions] Remote sensing method has been integrated into all aspects of wetland research， providing a good data basis for many scholars in wetland research.

Keywords： wetland; multi-platform remote sensing monitoring; ecosystem quality; comprehensive evaluation

0 引言

濕地是地球表層獨(dú)特且重要的生態(tài)系統(tǒng)，與森林、草地、農(nóng)田、海洋等生態(tài)系統(tǒng)共同維系著地球表層的生物多樣性和生態(tài)平衡^［1］。濕地一般發(fā)育在水、陸系統(tǒng)交界處，但又與水、陸系統(tǒng)有著本質(zhì)差異。正因?yàn)檫@種特性，濕地與森林、海洋并稱為地球三大生態(tài)系統(tǒng)。

《濕地分類》（GB/T 24708—2009）對(duì)國(guó)內(nèi)濕地系統(tǒng)進(jìn)行分類，分類結(jié)果見表1。其中，1級(jí)分類是按照成因進(jìn)行分類的；2級(jí)分類中的自然濕地是按照地貌特征進(jìn)行分類的，人工濕地是按照主要功能用途進(jìn)行分類的。

我國(guó)濕地面積占世界濕地面積的10%，位居亞洲第一、世界第四^［2］。近年來，在全球變暖、降水形態(tài)變化等環(huán)境因素與城鎮(zhèn)化、污水排放及對(duì)生態(tài)系統(tǒng)不合理經(jīng)營(yíng)等人類活動(dòng)因素的雙重影響下，部分濕地的生態(tài)質(zhì)量下降，出現(xiàn)萎縮退化或轉(zhuǎn)為旱地、水田等，濕地生態(tài)系統(tǒng)健康正面臨著巨大威脅，定期對(duì)濕地資源和環(huán)境進(jìn)行調(diào)查與監(jiān)測(cè)，對(duì)保護(hù)和管理濕地生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義^［3］。生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量體現(xiàn)出生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)劣程度，主要表現(xiàn)為在特定時(shí)空范圍內(nèi)，生態(tài)系統(tǒng)對(duì)人類及社會(huì)發(fā)展的適宜程度。

近年來，隨著對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，遙感技術(shù)已成為濕地生態(tài)監(jiān)測(cè)的重要手段之一。由于遙感的時(shí)空連續(xù)性、尺度多樣性等特點(diǎn)，其所獲取到的數(shù)據(jù)比采樣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更具綜合性和全局性，在數(shù)量上比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取手段有著極大提升，在質(zhì)量上更能體現(xiàn)濕地與周圍環(huán)境空間的相互關(guān)系。因此，利用遙感影像來監(jiān)測(cè)濕地生態(tài)系統(tǒng)狀況，在節(jié)省資源的同時(shí)，還能提高作業(yè)效率，是一種經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)方法。此外，利用遙感影像來監(jiān)測(cè)濕地，能客觀了解濕地生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量狀況，對(duì)當(dāng)?shù)卣疂竦毓芾聿块T合理制定發(fā)展規(guī)劃和濕地保護(hù)政策具有十分重要的意義。

1 多平臺(tái)遙感在濕地監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

遙感平臺(tái)是指搭載不同遙感傳感器的載體工具。按平臺(tái)距地面的高度，其可分為地面平臺(tái)、航空平臺(tái)和航天平臺(tái)。3種平臺(tái)在濕地生態(tài)質(zhì)量監(jiān)測(cè)中分別有著不同應(yīng)用，但相輔相成，主要區(qū)別在所使用的設(shè)備、監(jiān)測(cè)要素、空間尺度等。

1.1 地面遙感平臺(tái)在濕地監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

地面遙感以塔、車、船等平臺(tái)為載體來搭載傳感器進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)，此外包括各種便攜式的遙感設(shè)備（如手持光譜儀、波譜儀、高光譜相機(jī)等），主要用于采集濕地的地面信息（如地物光譜等）。凌成星等^［4］使用成像光譜儀、地物光譜儀來采集濕地苔草光譜反射信息，并對(duì)比在不同水分環(huán)境下的二者光譜特征及典型植被指數(shù)結(jié)果。章文龍等^［5］利用FieldSpec2500來測(cè)定土壤反射光譜，從而構(gòu)建了閩江口濕地土壤TP含量估算模型。劉衛(wèi)華等^［6］使用便攜式光譜儀，以水面之上觀測(cè)法測(cè)量了巴音布魯克濕地河流的水體光譜，并計(jì)算出水體遙感反射率。王莉雯等^［7］使用ASD光譜儀實(shí)測(cè)出盤錦濕地土壤光譜數(shù)據(jù)，并模擬了高光譜數(shù)據(jù)和多光譜數(shù)據(jù)。王樂等^［8］在TLS點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合無人機(jī)影像進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，在以植被遮擋指數(shù)（VOI）篩選數(shù)據(jù)源的情況下，可用地面激光雷達(dá)來精確估測(cè)紅樹林濕地葉面積指數(shù)（LAI）。

1.2 航空遙感平臺(tái)在濕地監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

航空遙感平臺(tái)包括飛機(jī)、飛艇、氣球、無人機(jī)等航空器。近年來，由于無人機(jī)迅速發(fā)展，使其成為航空遙感中最常用的手段。無人機(jī)遙感的優(yōu)勢(shì)在于其具有高分辨率和高時(shí)效性，并且有較高的機(jī)動(dòng)性能，其在云層下成像的特點(diǎn)也使得觀測(cè)過程可以避開云層遮擋所帶來的干擾。在生態(tài)監(jiān)測(cè)方面，無人機(jī)遙感同樣具有高效、便捷、成本低和監(jiān)測(cè)范圍廣等優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)榄h(huán)境監(jiān)測(cè)提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持^［9］。

杜保佳等^［10］基于無人機(jī)獲取的植物群落冠層高光譜影像，在最優(yōu)分類基礎(chǔ)上，利用最優(yōu)反演模型，繪制出植物群落冠層氮素含量的遙感反演制圖，完善了我國(guó)內(nèi)陸濕地植物群落氮含量的研究。周在明等^［11］基于四旋翼無人機(jī)來獲取福建寧德三沙灣灘涂濕地的ADC多光譜影像，利用NDVI來監(jiān)測(cè)濕地互花米草的植被覆蓋度，為灘涂濕地保護(hù)提供了數(shù)據(jù)支撐。高燕等^［12］基于無人機(jī)紅光波段建立的回歸模型能較好地反演濕地地上生物量，通過將無人機(jī)和衛(wèi)星影像結(jié)合，進(jìn)一步提高濕地地上生物量反演精度。左萍萍^［13］利用無人機(jī)和衛(wèi)星多光譜影像，結(jié)合3種回歸算法，實(shí)現(xiàn)了濕地植被群落的冠層葉綠素含量的反演，并發(fā)現(xiàn)采用無人機(jī)影像的反演精度略高于采用衛(wèi)星影像反演的精度。

1.3 航天遙感平臺(tái)在濕地監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

航天遙感平臺(tái)是指搭載各類傳感器的衛(wèi)星，按照工作方式的不同，可分為重力衛(wèi)星、激光測(cè)高衛(wèi)星、光學(xué)衛(wèi)星、雷達(dá)衛(wèi)星。憂思科學(xué)家聯(lián)盟（UCS）數(shù)據(jù)顯示，截至2022年1月1日，全球在軌運(yùn)行的人造衛(wèi)星數(shù)量共計(jì)4 852顆，其中在軌衛(wèi)星中遙感衛(wèi)星有1 033顆，占比達(dá)21%。在489顆商業(yè)遙感衛(wèi)星中，光學(xué)衛(wèi)星數(shù)量最多，有249顆，占比達(dá)51%^［14］。幾種常見遙感衛(wèi)星部分參數(shù)見表2。

在濕地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方面，眾多學(xué)者選擇最多的數(shù)據(jù)源是光學(xué)衛(wèi)星影像，而雷達(dá)衛(wèi)星影像則更多應(yīng)用于濕地分類等生態(tài)格局的研究。李楠^［15］基于杭州灣區(qū)域1973—2015年的Landsat系列影像及GF-1號(hào)衛(wèi)星的高分辨率遙感影像，對(duì)杭州灣濱海濕地進(jìn)行信息提取和動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)研究，并分析其演變特征和驅(qū)動(dòng)機(jī)制。吳春瑩等^［16］針對(duì)北京野鴨湖濕地、漢石橋濕地和密云水庫(kù)這3處濕地的狀況，結(jié)合實(shí)地采樣結(jié)果和Landsat TM影像，以水環(huán)境指標(biāo)、土壤指標(biāo)等指標(biāo)構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系，并進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，其中，野鴨湖濕地的生態(tài)質(zhì)量要明顯優(yōu)于漢石橋濕地和密云水庫(kù)。梁冬坡等^［17］基于Landsat影像，從濕地水體面積變化方面出發(fā)，分析了天津市七里海濕地等6處水庫(kù)濕地從1984年到2017年的變化情況。

2 濕地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量遙感評(píng)價(jià)方法

按照所選指標(biāo)不同，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法可分為指示物種法、基于生態(tài)環(huán)境特征的綜合評(píng)價(jià)法。指示物種法主要是借助生態(tài)系統(tǒng)中某些物種的數(shù)量、生產(chǎn)力等指標(biāo)來反映生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量處于何種狀態(tài)，是生態(tài)系統(tǒng)常用的評(píng)價(jià)方法之一。而綜合評(píng)價(jià)法能反映出生態(tài)系統(tǒng)多尺度、多方面的特征，有利于全方位揭示生態(tài)系統(tǒng)中存在的問題。此外，綜合評(píng)價(jià)法也可在一定程度上彌補(bǔ)指示物種法的不足。

2.1 指示物種法

生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的自然系統(tǒng)，包括物種、生境、環(huán)境和人類活動(dòng)等方面。正因?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性、多樣性，在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，很難同時(shí)對(duì)研究區(qū)域的所有生態(tài)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)估。同時(shí)，自然界中不同物種對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性各不相同，有些物種對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的變化比較敏感，其數(shù)量、分布和狀態(tài)等會(huì)隨著生態(tài)系統(tǒng)的變化而發(fā)生明顯變化，這意味著可通過監(jiān)測(cè)這些物種的狀態(tài)變化來分析環(huán)境污染的程度和生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量，這些物種被稱為指示物種。指示物種法正是通過監(jiān)測(cè)反映物種狀態(tài)的指標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的目的。

目前，在濕地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量監(jiān)測(cè)中，主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)有植被覆蓋度、生物量、凈初級(jí)生產(chǎn)力等。王金爽^［18］以2013年盤錦濱海濕地的多光譜遙感影像為基礎(chǔ)，利用NDVI計(jì)算出蘆葦生物量和翅堿蓬覆蓋度，評(píng)價(jià)了盤錦濱海濕地的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量。張弨^［19］以植被覆蓋度、植被覆蓋度年變異系數(shù)為指標(biāo)，選取2000年、2010年、2015年沈陽(yáng)市的30 m Landsat TM/HJ—1影像和250 m MODIS NDVI數(shù)據(jù)，對(duì)沈陽(yáng)市濕地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化情況進(jìn)行分析。么旭陽(yáng)^［20］從生物量和植被覆蓋度兩方面出發(fā)，對(duì)2000—2015年遼寧沿海區(qū)域的濕地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量及變化做出評(píng)價(jià)，并提出建議。

2.2 綜合指標(biāo)法

綜合指標(biāo)法是廣泛應(yīng)用于生態(tài)監(jiān)測(cè)的方法之一，是在物種指標(biāo)的基礎(chǔ)上，再?gòu)奈锢砩场⑺|(zhì)狀況和生物等方面選取復(fù)數(shù)指標(biāo)，來搭配構(gòu)建指標(biāo)體系，并對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)求和，從而完成對(duì)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的評(píng)價(jià)。由于綜合指標(biāo)法結(jié)合了不同方面的指標(biāo)，因此可從宏觀層面來反映生態(tài)系統(tǒng)的整體狀況。 綜合指標(biāo)法可針對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)和不同環(huán)境進(jìn)行選擇和調(diào)整，這意味著其對(duì)包括濕地在內(nèi)的多種生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。在應(yīng)用綜合指標(biāo)法過程中，應(yīng)盡量選取具有代表性、易于測(cè)量的指標(biāo)，根據(jù)各指標(biāo)對(duì)綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)程度進(jìn)行加權(quán)。常用的設(shè)權(quán)法有經(jīng)驗(yàn)判別法、熵值權(quán)重法、層次分析法等。此外，評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性依賴所采集的數(shù)據(jù)，因此應(yīng)當(dāng)選擇合適的數(shù)據(jù)來源、采樣方法、頻率等，以確保數(shù)據(jù)質(zhì)量。

由于綜合指標(biāo)法在指標(biāo)選取上較為靈活，不同學(xué)者在使用綜合指標(biāo)法進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，所選取的指標(biāo)也不盡相同。陳強(qiáng)等^［21］結(jié)合遙感數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，以植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的年均值和變異系數(shù)、植被覆蓋度、斑塊密度等構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力指數(shù)、穩(wěn)定性指數(shù)和承載力指數(shù)，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合熵值權(quán)重法來構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量遙感綜合評(píng)價(jià)模型，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)洞庭湖區(qū)域濕地等各類生態(tài)系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)。梁變變等^［22］從生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、穩(wěn)定性和承載力3個(gè)方面出發(fā)，以石羊河流域的MODIS和Landsat TM遙感影像為基礎(chǔ)，采用NDVI、人類干擾指數(shù)、土壤侵蝕度等指標(biāo)構(gòu)建了生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，除熵值法外，還引入非參數(shù)K-Wχ2檢驗(yàn)來確定權(quán)重指標(biāo)，以此評(píng)價(jià)2000年、2005年、2010年、2015年石羊河流域的五大生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量。Jing等^［23］通過分析艾比努爾湖濕地的Landsat5 TM和Landsat8 OLI影像，利用遙感生態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)高綠度和高濕度對(duì)生態(tài)有積極影響，而高熱度和高干度對(duì)生態(tài)環(huán)境有消極影響，且濕度比其他3個(gè)指標(biāo)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響更大。歐業(yè)寧^[24]利用壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（PSR）模型結(jié)合層次分析法，從壓力指標(biāo)、狀態(tài)指標(biāo)、相應(yīng)指標(biāo)這3方面選取水文調(diào)節(jié)指數(shù)、濕地退化指數(shù)等構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)大風(fēng)江河口濕地進(jìn)行單項(xiàng)指標(biāo)因子評(píng)價(jià)和綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，大風(fēng)江河口濕地處于相對(duì)良好的狀態(tài)。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著對(duì)環(huán)境問題的關(guān)注度日益提高，對(duì)濕地監(jiān)測(cè)方法的研究也逐漸增多，遙感方法融入了濕地研究的方方面面。來自空、天、地平臺(tái)的遙感信息也使?jié)竦財(cái)?shù)據(jù)的獲取擺脫地面實(shí)地采集的束縛，為諸多學(xué)者在濕地方面的研究提供良好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

空天地遙感平臺(tái)在濕地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量監(jiān)測(cè)中分別扮演著不同角色，相輔相成。地面平臺(tái)主要以波譜儀采集地物反射波譜為主，用于濕地樣點(diǎn)采樣，也常作為輔助手段配合空、天遙感平臺(tái)。空、天遙感平臺(tái)獲取的遙感影像可提取濕地面積、植被覆蓋度、生物量、凈初級(jí)生產(chǎn)力和水體富營(yíng)養(yǎng)程度等遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)。中小尺度的濕地監(jiān)測(cè)可采用中高分辨率的衛(wèi)星影像或無人機(jī)影像，大尺度的濕地監(jiān)測(cè)則以航天平臺(tái)的遙感衛(wèi)星影像為主，且由于遙感衛(wèi)星成像穩(wěn)定，可進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)序觀測(cè)，因此可用來監(jiān)測(cè)濕地的動(dòng)態(tài)變化。但要注意的是，由于無法在大區(qū)域水面布設(shè)控制點(diǎn)，很難進(jìn)行無人機(jī)影像拼接，這也導(dǎo)致水面會(huì)出現(xiàn)大面積數(shù)據(jù)空白，因此監(jiān)測(cè)具有較大水面的湖泊濕地等應(yīng)當(dāng)選擇衛(wèi)星遙感作為主要監(jiān)測(cè)手段。

在評(píng)價(jià)方法上，相較于綜合法，指示物種法具有以點(diǎn)代面的特點(diǎn)，能在一定程度上反映濕地生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量，但很多指示物種具有很強(qiáng)的移動(dòng)能力，對(duì)脅迫的耐受程度較低，與生態(tài)系統(tǒng)變化的相關(guān)性較弱^［25］。因此，指標(biāo)選擇得恰當(dāng)與否在很大程度上影響最終評(píng)價(jià)結(jié)果。綜合評(píng)價(jià)法雖通過增加指標(biāo)數(shù)量及涵蓋內(nèi)容，能減小單方面指標(biāo)評(píng)價(jià)帶來的偏差，但這會(huì)使評(píng)價(jià)工作變得更加復(fù)雜。此外，由于不同地理區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差異較大，很難采用同一套評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)。如何選取能反映濕地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的合適指標(biāo)仍需仔細(xì)研究，評(píng)價(jià)方法的準(zhǔn)確性和適用范圍等仍是亟待解決的問題，要在后續(xù)研究中進(jìn)一步完善。

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收稿日期：2023-04-05

基金項(xiàng)目：河南省科學(xué)院劉先林院士工作經(jīng)費(fèi)（231701004）；河南省科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（220601003）。

作者簡(jiǎn)介：王哲（1999—），男，碩士生，研究方向：攝影測(cè)量與遙感。