基于Landsat 8 OLI卫星数据的入侵植物互花米草遥感监测与分析——以山东黄河三角洲国家级自然保护区为例

路 峰,杨俊芳

（1.山东黄河三角洲国家级自然保护区,山东 东营 257000；2.国家海洋局第一海洋研究所,山东 青岛 266061）

湿地素有“地球之肾”和“天然物种库”的美誉，是地球上综合价值最高的生态系统，在维护自然生态平衡方面具有重大的作用。山东黄河三角洲国家级自然保护区是以保护新生湿地生态系统和珍稀濒危鸟类为主的国家级自然保护区，很多珍禽，如黑嘴鸥和丹顶鹤等，主要栖息于芦苇、碱蓬和柽柳群落中，而这些原生的湿地生态系统如今受到了外来入侵物种互花米草的威胁。互花米草（Spartina alterniflora Loisel）是一种适宜生活在潮间带的多年生草本植物，原生于美洲大西洋沿岸和墨西哥湾[1-2]。由于互花米草具有地下根茎发达的特点，自20世纪初，许多国家纷纷引种其来促进泥沙淤积[3-4]。在黄河三角洲地区，出于固岸护堤的考虑，1990年前后相关管理部门在五号桩附近开始引种互花米草[5]。互花米草具有超强的繁殖能力和入侵性，引种后短短20年间已遍布黄河三角洲特别是保护区的潮间带区域[6-7]，侵占大量沿海滩涂，对保护区的本地植物物种的生态健康造成威胁，并有研究指出互花米草的生长已导致保护区内鸟类种数减少[8-10]。2003年初，国家环保总局将互花米草列为首批入侵我国的外来入侵物种[11-12]。

滨海湿地处于海陆交错地带，地形复杂，大多数情况下难以进入，这给常规专业调查带来很大的困难。遥感技术具有大面积同步、高效、经济等优势，是监测滨海湿地植被信息的重要手段，大大弥补了常规地面观测手段的不足。对于黄河三角洲地区的互花米草监测，任广波[6]和杨俊芳[7]等已对其空间分布和监测方法方面进行了研究，但时间都是在2015年以前，鉴于研究区互花米草延速度快，开展互花米草的管理和治理需要现势监测数据的支撑，本文利用2016年拍摄获取的Landsat 8 OLI卫星影像，配合现场调查数据，开展山东黄河三角洲国家级自然保护区范围内互花米草分布现状监测和分析。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

山东黄河三角洲国家级自然保护区是以保护新生湿地生态系统和珍稀濒危鸟类为主的湿地类型自然保护区，位于山东省东营市的黄河入海口处，地处渤海之滨，北临渤海湾，东靠莱州湾，介于东北亚内陆和江淮平原之间，地理坐标为118°30′E-119°20′E，37°35 ′N-38 °20′N，设一千二、黄河口、大汶流三个管理站，总面积约15.3万hm2，其中陆地面积 8.3万hm2，潮间带面积3.8万hm2。研究区分布范围如图1所示。

图1 研究区域范围Fig1.Location of study area

1.2 数据来源

1.2.1 遥感数据

本文采用的遥感数据是覆盖山东黄河三角洲国家级自然保护区范围的Landsat8 OLI卫星影像，成像时间为2016年8月26日，有9个波段，其中全色波段分辨率15m，多光谱波段分辨率30m，图像成像清晰，无云雾遮挡。数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台（http://www.gscloud.cn）。

1.2.2 现场调查数据

应用无人机技术于2014年6月份获取了黄河入海口北侧部分区域的互花米草分布位置等信息，用于对互花米草遥感信息提取结果进行验证。无人机航拍照片如图2所示。

1.3 数据预处理

应用ENVI 5.0软件，将Landsat 8 OLI全色（空间分辨率15m）和多光谱影像（空间分辨率30m）进行融合，融合方法选择Gram-Schmidt变换方法，该方法在提高空间信息的同时又能保证高保真的光谱信息，融合后的影像空间分辨率为15m；而后，基于地面控制点，采用多项式模型对融合后的影像进行几何精校正，校正后图像定位中误差小于1个像元，满足监测互花米草的精度要求。配准过程中以WGS84地理坐标系和UTM 50N投影作为数学基础。

1.4 研究方法

图2 无人机航拍照片Fig2.UAV Aerial Photographs

影像成像时间为互花米草生长旺盛的夏季，在遥感影像上特征明显，基于互花米草遥感影像解译标志（表1），在ArcGIS10.1软件中采用目视解译的方法对保护区范围内的互花米草信息进行提取，获得互花米草分布矢量层，目视解译使用的假彩色波段组合为 R5，G4，B3。

表1 互花米草遥感解译标志Table 1 Remote sensing interpretation symbols of Spartina alterniflora

2 结果与分析

2.1 互花米草空间特征分析

通过对2016年Landsat 8 OLI影像进行遥感解译，获得山东黄河三角洲国家级自然保护区的互花米草分布结果（图3）。

由图3可知，整个山东黄河三角洲国家级自然保护区的互花米草主要分布于孤东油田东南侧和黄河现行入海口两侧三个区域，这三个区域均位于黄河口管理站和大汶流管理站内，一千二管理站区域未发现互花米草分布。区域A自1990年引种至今都有互花米草分布[13]，区域B为2002年之后出现的新生互花米草区域[6]。

图3 互花米草分布示意图Fig.3 The Spartina alterniflora distribution monitoring results

2.2 互花米草面积监测分析

经过GIS分析和统计，得到保护区互花米草分布面积现状（表2）。

由表2可知，整个山东黄河三角洲国家级自然保护区的互花米草总面积约有3692.07 hm2，其中黄河现行入海口两侧互花米草面积最广，占保护区互花米草总面积的94.39%，入海口北侧有1689.78 hm2，占互花米草总面积的45.77%，而南侧也达到了1795.20 hm2，占互花米草总面积的48.62%；孤东油田东南侧互花米草面积最小，约为207.09 hm2。相比于杨俊芳等[7]2015年对该区域的监测工作，2016年保护区内互花米草总面积增长了492.20 hm2，其中黄河入海口南侧的互花米草变化最剧烈，一年内增长388.63 hm2，成为互花米草面积最大的区域；黄河入海口北侧和孤东油田东南侧变化较小，分别增长了 100.23 hm2和 3.34 hm2。

表2 互花米草分布面积统计表Tab.2 Statistics of Spartina alterniflora distribution areas

3 结论与讨论

利用Landsat 8 OLI卫星影像，配合现场调查数据，采用人机交互解译方法对山东黄河三角洲国家级自然保护区范围内的互花米草信息进行了提取，并从空间分布特征角度上对保护区互花米草分布情况进行了遥感监测，为保护区管理部门有效治理互花米草提供技术和数据支持。结果表明，（1）整个山东黄河三角洲国家级自然保护区的互花米草总面积约有3692.07 hm2，主要分布于孤东油田东南侧和黄河现行入海口两侧；（2）黄河现行入海口两侧互花米草面积最广，占保护区互花米草总面积的94.39%，入海口北侧有1689.78 hm2，占互花米草总面积的45.77%，而南侧也达到了1795.20 hm2，占互花米草总面积的48.62%；孤东油田东南侧互花米草面积最小，约为 207.09 hm2。（3）据杨俊芳等[7]的工作，整个现代黄河三角洲范围内，互花米草主要分布于黄河故道西侧、五号桩、孤东油田东南侧和现行黄河入海口两侧5个区域，其中有3个区域位于保护区内，且保护区内互花米草面积占整个黄河三角洲互花米草面积的97.61%。这表明互花米草目前已经在山东黄河三角洲国家级自然保护区的潮间带快速蔓延，对滨海湿地生态系统的结构和功能产生了较大的影响，形成大面积单优势种群落，侵占大量沿海滩涂，将对山东省东营市沿海滩涂和海洋渔业生产带来严重的后果，若不加以控制将会严重危害到本地生态平衡，引发生态危机。

参考文献：

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