基于多源遙感影像的三江平原水域覆蓋變化特征

摘要針對以往研究利用LandsatTM影像進行水域覆蓋識別存在的時間分辨率低、信息缺失等問題，結合LandsatTM影像的高空間分辨率和MODIS影像的高時間分辨率優勢，通過建立LandsatTM影像提取的水域分布比例與MODIS波段及衍生指標之間的關系，構建水域分數覆蓋模型（FCWM），模擬形成水域覆蓋時空序列，分析三江平原水域分數覆蓋變化特征。結果表明：2002—2020年三江平原整體上水域分數覆蓋呈下降趨勢，整體水域分數覆蓋平均值下降了23.63百分點，在2020年降水量高于2002年的情況下，許多具有高等、較高、中等水域分數覆蓋的區域降級為較低和低等級。

關鍵詞多源遙感；水域覆蓋；變化特征；LandsatTM；MODIS；三江平原

中圖分類號TP751"文獻標識碼A"文章編號0517-6611（2025）01-0076-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.01.016

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

ChangeCharacteristicsofWaterCoverintheSanjiangPlainBasedonMulti-sourceRemoteSensingImages

ZENGXing-yu，QUYi，ZHANGHong-qiangetal

（NationalLocalJointEngineeringLaboratoryforWetlandandEcologicalConservation，InstituteofNatureandEcology，HeilongjiangAcademyofSciences，Harbin，Heilongjiang150040）

AbstractInresponsetotheproblemsoflowtemporalresolutionandmissinginformationinpreviousstudiesusingLandsatTMimagesforwatercoverrecognition，combinedwiththeadvantagesofhighspatialresolutionofLandsatTMimagesandhightemporalresolutionofMODISimages，byestablishingtherelationshipbetweenthewaterdistributionproportionextractedfromLandsatTMimagesandtheMODISbandsandderivedindicators，awaterfractionalcoveragemodel（FCWM）wasconstructedtosimulatetheformationofwatercoverspatiotemporalsequences，analysethechangecharacteristicsofwaterfractionalcoverageintheSanjiangPlain.Theresultsshowedthatfrom2002to2020，the"waterfractionalcoverageoftheSanjiangPlainshowedadecreasingtrend，withanaveragedecreaseof23.63percentagepointsinoverallwaterfractionalcoverage.Withhigherprecipitationin2020thanin200manyareaswithhigh，relativelyhighandmediumwaterfractionalcoverageweredowngradedtolowerandlowlevels.

KeywordsMulti-sourceremotesensing;Watercoverage;Changecharacteristics;LandsatTM;MODIS;SanjiangPlain

基金項目

黑龍江省省屬科研院所科研業務費項目（CZKYF2023-1-C023）；黑龍江省重點研發項目（GA23C003）；黑龍江省省屬科研院所科研業務費項目（ZNJCB2023ZR04）。

作者簡介曾星雨（1988—），女，河南淮陽人，助理研究員，碩士，從事景觀生態學研究。*通信作者，副研究員，博士，從事生物多樣性保護及區域規劃研究。

三江平原是由松花江、黑龍江和烏蘇里江的不斷遷徙和泛濫所形成的沖積平原，是中國最大的淡水沼澤集中分布區^［1］。在長期農業開墾等人類活動干擾的影響下，三江平原濕地大面積減少，濕地間水文聯系被割斷，濕地生境斑塊破碎化，其間的物理連通、化學連通、水文連通、生物連通受到明顯擾動^［2-3］。及時監測水域覆蓋變化是評價平原濕地景觀連通性、分析農業開墾對濕地影響的基礎^［4-5］。沖積平原易受周期性洪水淹沒，洪泛區分布廣泛，具有季節性水流變化特點，難以通過局部短期觀測所得^［6］。而衛星遙感可以針對區域內河流進行季節性觀測分析，從而解決這一問題。通常關于濕地分布及水文連通的研究大多以Landsat TM影像為基礎解譯獲得，雖然其具有較高的空間分辨率為（30 m×30 m），但影像獲取重返周期較長且大多數影像有云干擾^［7-9］，會產生信息的遺漏，很難反映濕地一年內不同時期的水淹范圍、頻率及其動態變化情況^［10］。MODIS數據雖然空間分辨率低于LandsatTM影像，但具有較高的時間分辨率，如逐日影像（MOD09GA/MYD09GA）、8 d合成影像（MOD09A1/MYD09A1），可以彌補Landsat在時間分辨率方面的缺陷^［11］。該研究擬結合Landsat TM影像與8 d合成MODIS影像（MOD09A1），建立基于多源數據的水域分數覆蓋模型（FCWM），模擬生成不同時期三江平原濕地水域覆蓋時空序列，分析三江平原水域覆蓋時空變化特征，為三江平原水文連通空缺分析、濕地生態功能水文驅動機制等研究奠定基礎。

1資料與方法

1.1研究區概況

三江平原濕地是由黑龍江、烏蘇里江和松花江匯流、沖積而成的低平沃土，是中國最大的淡水沼澤集中分布區。地理坐標為129°11′20″～135°05′26″E、43°49′55″～48°27′40″N。三江平原位于中國東北角，西起小興安嶺東南端，東至烏蘇里江，北自黑龍江畔，南抵興凱湖，總面積10.89萬km2（圖1）。區內水資源豐富，總量187.64億m3^［12］。

1.2數據來源

MODIS數據來自GEE中2000—2022年分辨率為500m的MOD09A1數據，經過大氣校正以及裁剪處理；TM影像是美國地質調查局（USGS）網站公開發布的分辨率為1km的LandsatTM數據；90m分辨率數字高程模型（DEM）為國際農業研究咨詢顧問集團（CGIAR）空間信息協會（CSI）處理后的全球無縫CGIAR-CSISRTM數據。

1.3研究方法

1.3.1基于LandsatTM影像的高分辨率水域分數覆蓋提取。

在三江平原分布范圍內均勻選取樣點5個，提取樣點處Landsat TM影像，采用歸一化水指數（NDWI）方程^［13］計算樣點內NDWI，通過設定閾值提取樣點水域分數覆蓋。通過將影像重分類得到精度較高的樣點內水體分布，建立高精度水體分布與MODIS影像及其衍生指數之間的關系。

1.3.2基于MODIS的水域分數覆蓋時間序列。

將高空間精度水體分布與高時間精度MODIS影像匹配，提取TM影像NDWI在MODIS像元內所占的比例，將其作為二者回歸方程中的因變量，將MODIS波段（B1～B7）、MODIS波段衍生指數（NDVI、NDWI）、地形指數（MrVBF、SlopeD、SlopeP）作為自變量。計算每個樣地高空間精度水體分布比例與MODIS波段（B1～B7）、MODIS波段衍生指數（NDVI、NDWI）、地形指數

（MrVBF、SlopeD、SlopeP）之間的相關性。在了解各變量與水域覆蓋指數相關性基礎上進行回歸分析，構建回歸方程，建立水域分數覆蓋模型（FCWM）。以MODIS影像數據為基礎，根據該模型進行水域分數覆蓋提取，形成不同年份水域分數覆蓋時空序列。

1.3.3三江平原水域分數覆蓋時空變化特征分析。

以2002和2020年三江平原水域分數覆蓋時空序列為基礎，求取6月初至9月末三江平原水域分數覆蓋平均值，并通過自然斷點法進行閾值劃分，將其分為5個等級，描述不同等級對應的土地覆蓋類型以及2002—2020年水域分數覆蓋比例的空間變化特征。

2結果與分析

2.1高分辨率水域分數覆蓋提取

樣地1～5所覆蓋的LandsatTM遙感影像通過NDWI計算公式提取的水域分數覆蓋分布如圖1所示。經驗證，樣地1～5的水域分數覆蓋分布精確度分別達到98.4%、97.8%、99.1%、98.2%、97.6%。從空間一致性上可以看出，利用NDWI公式提取的水域分數覆蓋能比較精確地反映出水體分布特征。

2.2水域分數覆蓋模型構建

依據不同回歸方法的R2、估計標準誤差（SE），對比不同的回歸方法，最終選取逐步回歸方法進行模型構建。比較1～3號樣地7月與9月影像回歸結果，發現2號樣地9月影像回歸分析的R2最高，為0.92（表1）。最終確定關系函數：

Y"NDWI=66.6+0.035B3-0.006B5-0.024B6-106.927NDVI-76.839NDWI

利用4、5號樣地對此回歸方程進行精確程度驗證，4號樣地2013年7月驗證精度為97.22%，9月驗證精度為91.22%，5號樣地2013年7月驗證精度為97.58%，9月驗證精度為92.56%，檢驗結果均高于90.00%，在可接受范圍內。

2.3三江平原水域分數覆蓋時空變化特征分析

從三江平原2002年與2020年水域分數覆蓋分布（圖3）可以看出，與2002年相比，2020年三江平原整體水域分數覆蓋平均值下降了23.63百分點，主要是較低、中等2個等級大量減少，

其次較高等級的水域分數覆蓋也有一定程度的降低；高等級增加了0.23百分點，較高等級面積減少了0.95百分點，中等、較低等級分別減少了19.90百分點、9.06百分點，低等級覆蓋面積增加了29.68百分點。從圖4可以看出，三江平原水域分數覆蓋面積減少區域東北部主要分布在撫遠市、同江市、富錦市以及饒河縣相鄰區域；西北部集中分布在鶴崗市；東南部集中分布在虎林市；西南部集中分布在依蘭縣、樺南縣以及勃利縣相鄰區域；中部集中分布在富錦市、集賢縣、友誼縣以及寶清縣相鄰區域。

3結論與討論

該研究結合LandsatTM影像的空間分辨率優勢和MODIS影像的時間分辨率優勢，通過水域分數覆蓋模型建立二者之間的聯系，模擬構建水域分數覆蓋分布時間序列。據模糊評價方法對水域分數覆蓋模型的驗證結果可知，其準確率在90.00%以上，能夠比較準確地區分水域分數覆蓋區域與非水域分數覆蓋區域。提取的水域分數覆蓋區分布基本符合不同土地覆被類型分布，但同時又能反映一年中由于周期性水淹而產生的水域分數覆蓋比例差異。

通過近19年水域分數覆蓋對比分析發現，三江平原整體上水域分數覆蓋呈下降趨勢，這主要是由長期農業發展進行濕地疏干開墾造成的^［14］。2020年降水量高于2002年降水量，河流湖泊水面面積增多，即使在這種情況下，許多具有高等、較高、中等水域分數覆蓋的區域降級為較低和低等級，高等級增加了0.23百分點，較高、中等、較低等級面積分別減少了0.95百分點、19.90百分點、9.06百分點，水域分數覆蓋降低區域的面積遠大于19年間濕地分布減少的面積，說明濕地疏干開墾為耕地，不僅減少了濕地面積，同時也導致整個區域剩余濕地水量、連通性等方面的降低，進而影響濕地質量及其生態功能^［15］。

在未來的研究中，一方面應側重于提升方法精度，如將這種方法與無源或有源微波數據（雷達）相結合，克服與云覆蓋相關的問題^［16-17］。另一方面建議深入挖掘模擬的水域覆蓋區時間序列結果，構建多元遙感水文指標體系^［18］，為不同空間尺度格局相關研究的水文驅動研究提供參考。

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