地球信息科学学报  2019 , 21 (5): 731-739 https://doi.org/10.12082/dqxxkx.2019.180354

遥感科学与应用技术

基于Google Earth Engine的红树林年际变化监测研究

刘凯1, 彭力恒1, 李想1, 谭敏1, 王树功2

1. 中山大学地理科学与规划学院,广东省城市化与地理环境空间模拟重点实验室,广东省公共安全与灾害工程技术研究中心,广州 510275
2. 中山大学地球科学与工程学院,广东省地质过程与矿产资源探查重点实验室,广州 510275

Monitoring the Inter-annual Change of Mangroves based on the Google Earth Engine

LIU Kai1*, PENG Liheng1, LI Xiang1, TAN Min1, WANG Shugong2

1. School of Geography and Planning, Sun Yat-sen University, Guangdong Key Laboratory for Urbanization and Geo-Simulation, Guangdong Provincial Engineering Research Center for Public Security and Disaster, Guangzhou 510275, China
2. School of Earth Science and Engineering, Guangdong Provincial Key Laboratory of Mineral Resources and Geological Processes, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China

通讯作者:  *Corresponding author: LIU Kai, E-mail: liuk6@mail.sysu.edu.cn

收稿日期: 2018-07-31

修回日期:  2019-01-22

网络出版日期:  2019-05-25

版权声明:  2019 《地球信息科学学报》编辑部 《地球信息科学学报》编辑部 所有

基金资助:  广东省省级科技计划项目(2017A020217003)广东省自然科学基金项目(2016A030313261、2016A030313188)

作者简介:

作者简介:刘凯(1979-),男,黑龙江伊春人,博士,副教授,主要从事环境遥感研究。E-mail: liuk6@mail.sysu.edu.cn

展开

摘要

遥感技术已广泛应用于红树林资源调查与动态监测中,但仍然存在遥感数据获取困难、数据预处理工作量大、监测时间长而周期过大等问题,影响了学者对红树林演变过程的精细刻画与理解。本文基于Google Earth Engine(GEE)云遥感数据处理平台,选取Landsat系列卫星数据,生成长时间序列年际极少云影像集(云量少于5%),利用3个红外波段反射率(NIR、SWIR1、SWIR2)和3个特征指数(NDVI、NDWI、NDMI)建立阈值规则集,实现对实验区越南玉显县红树林、红树林-虾塘、不透水面-裸地、水体4种目标地物的专家知识决策树分类和土地覆盖的制图,并基于分类结果监测该区域1993-2017年的红树林年际动态变化。结果表明:GEE平台可满足多云多雨地区红树林的长时间序列年际变化监测需求;本文阈值分类方法可以有效提取红树林及红树林-虾塘,实验区有86%年份的影像分类精度达到80%以上;年际变化监测可精细刻画实验区红树林面积先增后减再增的变化过程,也能准确反映红树林与红树林-虾塘养殖系统面积之间的负相关关系。红树林年际动态监测结果可以降低红树林演变分析的不确定性,并能更精细地量化红树林与其他土地覆盖类型的转化过程,从而评估经济发展、政策等因素对红树林演变的影响。

关键词: 红树林 ; Google Earth Engine ; 年际变化监测 ; 长时间序列 ; 特征指数 ; 虾塘养殖

Abstract

Remote Sensing technologies have been widely used in the investigation and dynamics monitoring of mangrove forests. However, problems remained that severely hinder the precise description and deep understanding of mangrove forests' dynamics. The problems include difficulties in remotely sensed data acquisition, the heavy workload of data preprocessing, and the lengthy time period in long time series monitoring. Based on Google Earth Engine (GEE), a cloud platform of remotely sensed data processing, this study used raw images of Landsat series satellites to produce an inter-annual mostly-cloudless (cloud coverage less than 5%) image collection of top-of-atmosphere reflectance (TOA). Then, classification rules were established based on three infrared-band TOAs (NIR, band near infrared; SWIR1, band shortwave infrared 1; SWIR2, band shortwave infrared 2) and three indices (NDVI, normalized difference vegetation index; NDWI, normalized difference water index; NDMI, normalized difference moisture index). Next, four land cover types, i.e., mangrove, mangrove-shrimp pond, impervious surface-bare land, and water body, were classified for mapping our case study area of Ngoc Hien, Vietnam from 1993 to 2017. Finally, the inter-annual land cover maps were used to analyze the characteristics of mangrove dynamics. The results showed that the long time-series inter-annual change monitoring of mangroves in cloudy and rainy regions can be implemented satisfactorily on the GEE platform. The image classification had an overall accuracy of over 80% for 86% of the study years, indicating that our proposed thresholds-based approach can effectively extract mangroves and mangrove-shrimp ponds. Through the analysis of inter-annual changes, the change process of mangroves in this region was depicted in details: it first increased, then decreased, and later, increased again. The correlation between the area changes of mangroves and mangrove-shrimp ponds was accurately detected to be negative. The inter-annual change monitoring of mangroves reduces the uncertainty of researching mangrove evolution processes, and quantifies in more details the conversions between mangroves and other land cover types. In so doing, the impacts of economic development, policies, and other factors on mangrove dynamics can then be assessed.

Keywords: mangrove ; Google Earth Engine ; inter-annual change monitoring ; long time series ; normalized difference indices ; shrimp aquaculture

0

PDF (17787KB) 元数据 多维度评价 相关文章 收藏文章

本文引用格式 导出 EndNote Ris Bibtex

刘凯, 彭力恒, 李想, 谭敏, 王树功. 基于Google Earth Engine的红树林年际变化监测研究[J]. 地球信息科学学报, 2019, 21(5): 731-739 https://doi.org/10.12082/dqxxkx.2019.180354

LIU Kai, PENG Liheng, LI Xiang, TAN Min, WANG Shugong. Monitoring the Inter-annual Change of Mangroves based on the Google Earth Engine[J]. Journal of Geo-information Science, 2019, 21(5): 731-739 https://doi.org/10.12082/dqxxkx.2019.180354

1 引言

红树林是以红树植物为主体的滨海湿地类型,通常分布在被周期性含盐度充足的潮水浸淹的热带和亚热带海岸潮间带[1]。红树林具有一定的经济价值和较强的生态价值,红树林可提供木材及食物、药材等林副产品创造经济效益,也能够防浪护堤、促淤造陆、净化水质、固碳和维持生物多样性,此 外红树林也具有科普教育和生态旅游等的社会价值[2,3]。然而,从经济效益的角度看,面积相同的红树林木材年均收益仅有虾养殖塘的3%,而且红树林木材生产的周期(约15年)远超过虾的生长期[4],因此大量红树林受到了水产养殖业的威胁[5]。1980-2001年,全球至少35%的红树林流失,流失的红树林中52%与虾塘养殖业相关[6];2000-2012年间,东南亚超过100 000hm2的红树林流失,其中的30%跟水产养殖业有关[7]

遥感数据具有尺度大、成本低、覆盖广的优点,它已成为红树林动态监测最重要的手段[8,9]。已有学者利用遥感技术对红树林进行了一些动态监测的研究。如Tran等[10]采用3个时相的Landsat系列卫星数据结合非监督和监督分类的方式进行研究,发现了1989-2013年研究区内红树林覆盖率下降了24%,其破碎程度增加、鱼类多样性下降;Son等[9]利用4个时相的Landsat系列卫星数据进行最近邻法分类,发现研究区1979-2013年虾塘爆发式增长,74%的红树林减少,只有13%的红树林复种;Van等[11]选取1个时相的航空影像、2个时相的Landsat MSS影像和3个时相的SPOT系列卫星影像进行最大似然法分类,研究发现1953-2011年研究区内红树林面积急剧减少;Hauser等[12]使用3个时相的SPOT卫星数据进行非监督分类,探究研究区2004-2013年的红树林和虾养殖塘的转化关系,发现2004-2009年红树林被砍伐,2009-2013年红树林有复种的趋势。上述几项长时间序列遥感监测的研究仍存在3个方面的不足:① 只采用少数时相的遥感数据,其时间跨度较大,一般为10年左右,因此刻画红树林动态变化过程的精细程度不足,红树林演变分析的不确定性增加;② 研究中采用不同来源和分辨率的多光谱数据,导致红树林提取结果以及多时相对比分析的不确定性增加;③ 采用传统的数据获取与数据处理方式,效率相对较低。

Google Earth Engine(GEE)是世界上最先进的云地理信息处理平台[13],该平台PB级的地理数据[14]可为用户实现科学分析和可视化[15],使得遥感影像的巨大数据量不再成为研究广度和深度的限制,也为大规模遥感数据的挖掘分析提供可能[13,16]。与传统的遥感数据获取方式和数据处理软件相比,GEE平台具有以下优点:① 存档数据时间跨度长而便于年际的时序分析:GEE存储了美国地质调查局等机构公开的1972年以来近50年的遥感影像、数据产品[14],用户不需下载原始数据即可调用预处理完毕的数据进行分析而不需担心地理配准等问题[17],用户亦可上传自定义数据至此平台进行分析;② 运行稳定、计算效率高:该平台利用Google数据中心的上千台计算机,提供即时分布式并行计算模型,可供用户快速访问存档的空间数据集[18]并进行可视化,在GEE运行100 h的数据处理在台式电脑需花费约 1 000 000 h[19];③ 上手难度低、使用成本低:GEE提供800多个持续更新的功能算法[14],其中包含数据筛选和数值计算,以及地统计、图像处理、影像分类、地图和表的可视化等功能,用户可通过JavaScript脚本或Python语言的接口对算法进行调用或自定义功能的编写,用户可通过包括移动终端在内的各种设备使用GEE平台。

因此,GEE适用于地物的长时间序列动态监测,以及大尺度范围数据产品的生成。目前,GEE已在林业[20,21]、农业[22]、城镇提取[23]等领域发挥了一定的作用。在红树林遥感的应用上,Chen等[24]提出一种基于植被指数等指标来构建分类规则集的分类方法,利用GEE平台Landsat系列卫星多光谱影像和哨兵一号卫星合成孔径雷达数据生成2015年1期的数据,从而对中国的红树林进行制图研究。基于GEE平台研究红树林的年际变化、缩短常规遥感数据处理分析的时间,有望能更精细地刻画其演变过程,避免研究中的面积动态变化不符合红树林演变规律[25];而使用同一来源的多光谱遥感数据,力求降低分类结果和年际变化监测的不确定性。因此,基于GEE平台的长时序红树林变化监测潜力是一个值得研究的主题,它包括以下3项内容: ① GEE的红树林监测时间序列遥感影像潜力分析;② GEE中高分辨率数据的红树林识别方法; ③ GEE下的红树林遥感动态监测。

为了对红树林进行长时间序列的年际动态变化监测,并探索GEE平台的红树林年际变化监测潜力,本文在GEE平台的支持下,选取了Landsat系列卫星影像,生成年际极少云影像集(云量少于5%),以红外波段反射率和特征指数作为特征,进行土地覆盖的快速分类,并基于分类结果监测1993-2017年实验区红树林年际动态变化。

2 研究区概况与数据源

2.1 研究区概况

本文选取位于越南最南端的玉显县(Ngoc Hien)作为实验区。玉显县是金瓯省(Ca Mau)下辖一个县级行政区,属湄公河三角洲。该县面积为705.42 km2,地理位置为8°33′ N-8°52′ N和104°43′ E-105°20′ E之间(图1)。玉显县常年高温多雨,年平均气温26~28 °C,年平均降水约2390 mm,年平均日照时长2226 h,平均相对湿度为85%[26]。实验区内拥有越南境内面积最大、历史最悠久的原生红树林,其物种多达46种[27]。实验区红树林提供了虾生长所需的物质和环境[28],区内经济以虾塘养殖业为主[29]

图1   实验区位置(玉显县)

Fig. 1   Location of study area (Ngoc Hien)

2.2 数据源

本文共使用271景轨道行列号为125/054和126/054(图1)的Landsat系列卫星1级(Tier 1)原始影像(表1)构成时间序列影像集,该数据源于GEE平台存档数据(https://developers.google.com/earth-engine/datasets/);影像集中每景影像均包含6个波段:蓝(BLUE)、绿(GREEN)、红(RED)、近红外(NIR)和2个短波红外(SWIR1、SWIR2)波段,空间分辨率 30 m。由于实验区内云覆盖以及传感器换代等因素,无法获得自1972年Landsat卫星发射以来所有年份的极少云影像,本研究获得了15年的有效数据。红树林是热带亚热带的常绿森林,季相差异对红树林分类几乎没有影响,故本文不考虑红树林的季相差异。

表1   本文使用的遥感数据

Tab. 1   Remote sensing data used in this research

年份传感器数量/景年份传感器数量/景
1993Landsat-5 TM72008Landsat-5 TM10
1994Landsat-5 TM52009Landsat-5 TM11
1995Landsat-5 TM62010Landsat-7 ETM+8
1997Landsat-5 TM82014Landsat-8 OLI40
1999Landsat-5 TM162015Landsat-8 OLI36
2002Landsat-7 ETM+302016Landsat-8 OLI32
2004Landsat-5 TM152017Landsat-8 OLI32
2005Landsat-5 TM15合计271

新窗口打开

3 研究方法

3.1 分类系统确定

实验区内主要包含红树林、红树林-虾塘、不透水面-裸地和水体4种土地覆盖类型,对Landsat TM、ETM+和OLI影像采用SWIR1、NIR、RED波段假彩色合成描述以上4类地物的影像特征(表2)。其中,红树林-虾塘指虾养殖塘面分布有红树林的目标地物类型,研究指出,覆盖30%~50%红树林的虾养殖塘系统具有最高的年均经济收益[26,30],这种混种模式把2种生物有机地结合在一起,既保留了一部分的红树林、使生态不至于被过分破坏,又可进行虾的养殖、获得经济收益;不透水面-裸地指人工地物(如村庄等建设用地)、裸地或两者的混合用地类型,此地物类型不是本文的研究重点,且在Landsat影像中裸地和不透水面容易混淆[31],故把2类用地及其混合用地归并为一类。

表2   实验区目标地物解译标志及其描述

Tab. 2   Interpretation keys and description of ground objects in study area

地物类型解译标志描述
红树林主要由生长密集的红树植物群落组成。在影像中主要表现为亮绿色,由于红树植物集中分布,斑块表面没有明显纹理,相对平滑
红树林-虾塘塘面有红树林分布的虾塘区域(红树林潮沟系统[26])。在影像中表现为暗绿色,有明显养殖塘轮廓的植被覆盖区,呈条带状分布
不透水面-裸地未利用地、裸土、人工地物(如村庄、道路等建设用地)或仅局部为建设用地的大片荒地。在影像中呈现为红色或白色
水体包括海水和塘基、塘面均无红树林覆盖的养殖塘。在影像中呈蓝紫色、深蓝色,纹理相对平滑

新窗口打开

3.2 红树林年际变化动态监测方法

3.2.1 年际极少云影像的生成

实验区地处热带地区,其多云多雨的气候特征为多光谱遥感动态监测带来困难。因此,本文使用GEE提供的像元级Landsat系列卫星影像的大气表观反射率(Top of Atmosphere Reflectance,TOA)[32]生成算法simpleComposite,以合成年际极少云TOA影像。此算法需要输入一个时间序列原始Landsat系列卫星影像集,并设定一个云量得分阈值cloudScoreRange(范围是0~100,表示该像元有云的概率)。算法以像元为单位,计算其各个时相的亮度值、温度值和归一化雪盖指数值(Normalized Difference Snow Index,NDSI)[33],获得各时相同一像元的云量得分,以时序中得分最低且小于阈值cloudScoreRange的像元作为合成影像的像元,重新构建一景云量最低的TOA影像。在本文中,输入各个年份尽量多的时间序列影像集,设定cloudScoreRange为5,以生成各年份的极少云影像,然后以年份为单位重新构建时间序列影像集。由于某些年份云量过大或存档数据质量较差(无1级数据),该年份无法生成极少云影像,因此部分年份的数据无法应用于本研究。

3.2.2 样本及其特征的选取

在实验区内各年份影像中随机生成600个样本点,以Landsat影像解译标志(表2)作为基准,并以全球年际红树林产品(CGMFC-21)[34]、Planet卫星数据(https://www.planet.com/,空间分辨率3 m)和Google Earth历史影像(最高空间分辨率优于1 m)作为参考,确定样本点的目标地物类型。本文使用随机抽样的方法[35],按照1:1的比例分配分类的训练样本和验证样本。

基于各年份极少云影像中的300个训练样本点统计各目标地物TOA均值,并绘制目标地物光谱特征曲线(以2017年为例,图2)。

图2   2017年实验区目标地物光谱特征曲线

Fig. 2   Spectral curves of ground objects in study area in 2017

图2可看出,4类地物在蓝、绿、红波段光谱特征较相似,在红外波段可分性较强。因此,本文综合利用3个红外波段(NIR、SWIR1、SWIR2)TOA和与3个红外波段相关的特征指数,对4种目标地物进行区分;其中,3个特征指数分别为归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)[36]、归一化水体指数(Normalized Difference Water Index, NDWI)[37]、归一化湿度指数(Normalized Difference Moisture Index, NDMI)[38]的计算公式为:

NDVI=LNIR-LREDLNIR+LRED(1)

NDWI=LGREEN-LNIRLGREEN+LNIR(2)

NDMI=LNIR-LSWIR1LNIR+LSWIR1(3)

式中:LGREENLREDLNIRLSWIR1分别表示Landsat影像对应波段的TOA。

以2017年为例,统计极少云影像中300个训练样本点的各目标地物特征指数最大值、最小值和均值(表3),通过分析并得出区分各类目标地物所使用的特征及其分类阈值。

表3   2017年实验区目标地物特征指数统计值

Tab. 3   Statistics of vegetation indices charactering the ground objects in study area in 2017

光谱特征统计值红树林红树林-虾塘不透水面-裸地水体
NDVI最小值0.696-0.0570.036-0.389
最大值0.8180.7700.4110.064
均值0.7660.4750.197-0.247
NDWI最小值0.4820.126-0.1710.076
最大值0.7120.6790.2880.623
均值0.6260.498-0.0340.360
NDMI最小值-0.708-0.665-0.392-0.013
最大值-0.5380.172-0.0370.460
均值-0.642-0.363-0.2040.274

注:加粗的数值为本文用到的重要阈值。

新窗口打开

3.2.3 基于专家知识的决策树分类

本文使用阈值法对目标地物进行基于专家知识的决策树分类,技术路线如图3所示。计算年际极少云影像的3个红外波段(NIR、SWIR1、SWIR2)和3个光谱指数(NDVI、NDWI、NDMI),根据训练样本中各个特征的统计值,可确定目标地物分类顺序和分类阈值,从而构建分类决策模型。

图3   基于专家知识的决策树分类技术路线

Fig. 3   Knowledge-based classification tree used in this study

分类过程首先利用不透水面-裸地在SWIR1、SWIR2波段高反射率的光谱特征结合NDWI区分出不透水面-裸地;然后采用NDWI、NDVI和NDMI区分出水体;最后依据红树林与其他地物的光谱特征差异,利用NIR波段、NDVI和NDMI提取出覆盖度较高的红树林植被,其他未分类地物即红树林-虾塘区域。图3x1,…,x9分别表示9个阈值,各年份的阈值需根据该年份训练样本的光谱特征及特征指数统计值进行人工设置。以2017年为例,区分不透水面-裸地的其中一个条件是NDWI小于x3,故x3选用不透水面-裸地NDWI的最大值0.288(表3)以保证不透水面-裸地均被区分出来,同理,有x4=0.064,x5=0.076,x6=-0.013,x8=0.696,x9=-0.538。

3.2.4 精度评价

使用各年份随机抽样所得的300个验证样本点对分类结果进行精度评价,评价指标为基于混淆矩阵计算所得的总体分类精度、Kappa系数和每一类目标地物的用户精度、制图精度[39]

4 结果与分析

4.1 目标地物分类精度对比

采用总体分类精度、Kappa系数和各类的用户精度、制图精度对各年份土地覆盖分类结果进行精度评价,1993-2017年各目标年份土地覆盖分类精度如图4所示。

图4   1993-2017年实验区土地覆盖产品分类精度

Fig. 4   Classification accuracy of land cover products in study area from 1993 to 2017

图4可看出,分类的15个时相中有13个(86%)总体分类精度达到80%以上,表明本文提出的基于阈值规则的遥感影像决策树分类方案可行,能够很好地区分实验区内各类目标地物并描述各年份土地覆盖信息,GEE平台为本文的分类提供了充足的可分析数据,这有助于快速获取红树林和红树林-虾塘养殖系统精细的时空变化特征,为高效地深度挖掘地理信息提供可能。分类结果中,1995年和1999年分类精度相对较低(图4),主要受原始影像的云量影响,尤其海岸带周边的原生红树林区域常年被云覆盖,云阴影对红树林反射率造成干扰,导致部分红树林被错分,用户精度降低。研究时期内,部分年份不透水面-裸地漏分误差也较大,这均是影像分辨率较低而出现混合像元所导致的,红树林群落边缘和沿河岸分布的农村居民点都存在大量混合像元现象,对提取造成一定困难。但是,由于不透水面-裸地占地面积极少,即使存在漏分情况也不会对红树林和红树林-虾塘的时空变化分析造成影响。

4.2 红树林年际变化监测

1993-2017年土地覆盖分类图(图5)可反映实验区近25年内景观构成的变化,尤其是红树林与虾塘养殖用地的空间动态变化。本文主要研究红树林及红树林-虾塘的面积变化,故将水体与不透水面-裸地两类地物合并为“其他”类型,统计得到实验区1993-2017年3类土地覆盖的面积年际变化图(图6)。

图5   1993-2017年实验区土地覆盖分类

Fig. 5   Classified images of land cover in study area from 1993 to 2017

图6   1993-2017年实验区各类土地覆盖面积

Fig. 6   Inter-annual dynamics of land cover area in study area from 1993 to 2017

结合图5图6分析可发现,实验区东南部的红树林大面积减少(图5区域B),而西部的水体基本转化为红树林(图5区域A),中部原生红树林减少并逐渐转化为红树林-虾塘一类;研究时期内红树林面积先增后减再增,总体呈现减少的趋势。

1993-1994年,红树林和其他地物面积减少,中部区域不透水面-裸地和西部区域红树林、养殖塘都转变为红树林-虾塘,红树林-虾塘面积从430.95 km2增加至467.26 km2;1994-2002年,实验区西侧海岸线向海洋方向移动,沿海红树林分布范围不断扩大,其面积从126.74 km2增加到266.08 km2,而红树林-虾塘和其他土地覆盖面积都呈现减少趋势,部分河流沿岸不透水面-裸地转变为红树林或红树林-虾塘,西部区域开垦的大片红树林-虾塘“退塘还林”,被修复为红树林;2002-2008年,红树林面积急剧减少至106.46 km2,红树林的流失主要出现在实验区的东南部和西南部,流失率接近60%,原因是中部区域破碎的红树林斑块转变为红树林-虾塘,其他土地覆盖类型面积变化相对平稳;2008-2014年,红树林面积增加至180.72 km2,红树林-虾塘面积大幅减少,中部区域红树林明显增多,原因是红树林-虾塘中红树林长势较好,其覆盖的面积占比逐渐增大,在遥感影像中其特征更接近红树林;2015-2017年,红树林和其他土地覆盖类型都呈现出小幅减少趋势,红树林-虾塘面积相应地增加,增长率为13%,整体波动较小,各类土地覆盖面积变化逐渐趋于平稳。红树林和红树林-虾塘面积呈现出负相关关系,虾塘养殖业的发展是该区域红树林面积变化的主要因素:越南政府颁布相关法案的时间(1994年[40]、2002年[41]、2006年[30]),与本文红树林出现面积变化的时间节点基本吻合。

5 结论

本文为研究红树林的年际动态变化,探索GEE平台的红树林年际变化监测能力,基于GEE平台获取实验区的年际极少云Landsat遥感影像,计算特征指数,构成红树林、红树林-虾塘等目标地物的分类特征集,然后使用阈值规则集对目标地物进行基于专家知识的决策树分类,对分类结果进行红树林年际变化监测,结果表明:

(1)结合Landsat系列卫星数据的红外波段和特征指数,可在GEE建立阈值规则的决策模型从而实现快速的土地覆盖分类,以识别和提取红树林,有86%年份的影像分类总体精度均超过80%,分类精度较高。

(2)GEE可提供充足的预处理完毕的遥感数据用于长时间序列、短周期的多云多雨地区红树林遥感监测和地理信息深度挖掘,基于GEE的年际动态监测可减少红树林演变分析的不确定性,能精细刻画研究区内红树林先增后减再增的变化特征,及准确反映红树林、红树林-虾塘面积间的负相关关系,根据颁布法案的时间节点揭示红树林面积变化的主要原因为虾塘养殖业的发展。

The authors have declared that no competing interests exist.


参考文献

[1] 李想,刘凯,朱远辉,.

基于资源三号影像的红树林物种分类研究

[J].遥感技术与应用,2018,33(2):360-369.

[本文引用: 1]     

[ Li X, Liu K, Zhu Y H, et al.

Study on mangrove species classification based on ZY-3 image

[J]. Remote Sensing Technology and Application, 2018,33(2):360-369. ]

[本文引用: 1]     

[2] 王文卿,王瑁.

中国红树林

[M].北京:科学出版社,2007.

[本文引用: 1]     

[ Wang W Q, Wang M.

The mangroves of China

[M]. Beijing: Science Press, 2007. ]

[本文引用: 1]     

[3] 张乔民,隋淑珍.

中国红树林湿地资源及其保护

[J].自然资源学报,2001,16(1):28-36.

https://doi.org/10.11849/zrzyxb.2001.01.005      Magsci      [本文引用: 1]      摘要

红树林是我国海岸湿地类型之一,自然分布于海南、广西、广东、福建、台湾等省区。现有面积约1.5万hm<sup>2</sup>,包括26种真红树,11种半红树。中国红树林湿地直接经济价值不高,而防浪护岸、维持海岸生物多样性和渔业资源、净化水质、美化环境等生态环境功能显著,属于特别容易被价值低估的海岸生态关键区。1960年代以来的毁林围海造田或造盐田,毁林围塘养殖,毁林围海搞城市建设等人类不合理开发活动,使红树林面积剧减,环境恶化,红树林湿地资源濒危,急需加强管理和保护。现已建成各级红树林自然保护区18个,还需要吸收科学家积极参与,加强科学研究和宣传教育,以尽快扭转退化趋势,实现红树林湿地生态系统的恢复和可持续发展。

[ Zhang Q M, Sui S Z.

The mangrove wetland resources and their conservation in China

[J]. Journal of Natural Resources, 2001,16(1):28-36. ]

https://doi.org/10.11849/zrzyxb.2001.01.005      Magsci      [本文引用: 1]      摘要

红树林是我国海岸湿地类型之一,自然分布于海南、广西、广东、福建、台湾等省区。现有面积约1.5万hm<sup>2</sup>,包括26种真红树,11种半红树。中国红树林湿地直接经济价值不高,而防浪护岸、维持海岸生物多样性和渔业资源、净化水质、美化环境等生态环境功能显著,属于特别容易被价值低估的海岸生态关键区。1960年代以来的毁林围海造田或造盐田,毁林围塘养殖,毁林围海搞城市建设等人类不合理开发活动,使红树林面积剧减,环境恶化,红树林湿地资源濒危,急需加强管理和保护。现已建成各级红树林自然保护区18个,还需要吸收科学家积极参与,加强科学研究和宣传教育,以尽快扭转退化趋势,实现红树林湿地生态系统的恢复和可持续发展。
[4] Ha T T T, Van D H, Bush S R.

Mangrove conservation or shrimp farmer's livelihood? The devolution of forest management and benefit sharing in the Mekong Delta, Vietnam

[J]. Ocean & Coastal Management, 2012,69:185-193.

[本文引用: 1]     

[5] Nurkin B.

Degradation of mangrove forests in South Sulawesi, Indonesia

[J]. Hydrobiologia, 1994,285(1-3):271-276.

[本文引用: 1]     

[6] Valiela I, Bowen J L, York J K.

Mangrove forests: One of the world's threatened major tropical environments

[J]. AIBS Bulletin, 2001,51(10):807-815.

[本文引用: 1]     

[7] Richards D R, Friess D A.

Rates and drivers of mangrove deforestation in Southeast Asia, 2000-2012

[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2016,113(2):344-349.

https://doi.org/10.1073/pnas.1510272113      URL      PMID: 26712025      [本文引用: 1]      摘要

The mangrove forests of Southeast Asia are highly biodiverse and provide multiple ecosystem services upon which millions of people depend. Mangroves enhance fisheries and coastal protection, and store among the highest densities of carbon of any ecosystem globally. Mangrove forests have experienced extensive deforestation owing to global demand for commodities, and previous studies have identif...
[8] Cárdenas N Y, Joyce K E, Maier S W.

Monitoring mangrove forests: Are we taking full advantage of technology?

[J]. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 2017,63:1-14.

https://doi.org/10.1016/j.jag.2017.07.004      URL      [本文引用: 1]      摘要

Mangrove forests grow in the estuaries of 124 tropical countries around the world. Because in-situ monitoring of mangroves is difficult and time-consuming, remote sensing technologies are commonly used to monitor these ecosystems. Landsat satellites have provided regular and systematic images of mangrove ecosystems for over 30 years, yet researchers often cite budget and infrastructure constraints to justify the underuse this resource. Since 2001, over 50 studies have used Landsat or ASTER imagery for mangrove monitoring, and most focus on the spatial extent of mangroves, rarely using more than five images. Even after the Landsat archive was made free for public use, few studies used more than five images, despite the clear advantages of using more images (e.g. lower signal-to-noise ratios). The main argument of this paper is that, with freely available imagery and high performance computing facilities around the world, it is up to researchers to acquire the necessary programming skills to use these resources. Programming skills allow researchers to automate repetitive and time-consuming tasks, such as image acquisition and processing, consequently reducing up to 60% of the time dedicated to these activities. These skills also help scientists to review and re-use algorithms, hence making mangrove research more agile. This paper contributes to the debate on why scientists need to learn to program, not only to challenge prevailing approaches to mangrove research, but also to expand the temporal and spatial extents that are commonly used for mangrove research.
[9] Son N, Chen C, Chang N, et al.

Mangrove mapping and change detection in Ca Mau Peninsula, Vietnam, using Landsat data and object-based image analysis

[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 2015,8(2):503-510.

[本文引用: 2]     

[10] Tran L X, Fischer A.

Spatiotemporal changes and fragmentation of mangroves and its effects on fish diversity in Ca Mau Province (Vietnam)

[J]. Journal of Coastal Conservation, 2017,21(3):355-368.

[本文引用: 1]     

[11] Van T T, Wilson N, Thanh-Tung H, et al.

Changes in mangrove vegetation area and character in a war and land use change affected region of Vietnam (Mui Ca Mau) over six decades

[J]. Acta Oecologica, 2015,63:71-81.

[本文引用: 1]     

[12] Hauser L T, Vu G N, Nguyen B A, et al.

Uncovering the spatio-temporal dynamics of land cover change and fragmentation of mangroves in the Ca Mau peninsula, Vietnam using multi-temporal SPOT satellite imagery (2004-2013)

[J]. Applied Geography, 2017,86:197-207.

[本文引用: 1]     

[13] 王九中,田海峰,邬明权,.

河南省冬小麦快速遥感制图

[J].地球信息科学学报,2017,19(6):846-853.

[本文引用: 2]      摘要

在省域尺度上,冬小麦遥感识别中存在冬小麦物候不一致、地表环境复杂、数据处理复杂、遥感数据冗余、选择适当的分类样本困难、分类精度低等问题,而遥感数据云平台为解决这些问题提供了良好的数据基础和数据处理能力.以河南省为研究区,以谷歌地球引擎(Google Earth Engine)云平台为支撑,基于2015年和2002年前后年份河南省冬小麦识别关键期内的2296景Landsat遥感影像,采用NDVI重构增幅算法建立冬小麦大区域遥感快速制图模型,实现了2015年和2002年的河南省冬小麦分布制图.结果表明:2015年和2002年冬小麦种植面积分别为56055.79 km2和47296.11 km2,与统计数据比,精度达到97%;2002-2015年,河南省冬小麦种植分布存在明显变化,总体播种面积呈增加趋势,2015年比2002年增加8759.69 km2,增幅为18.52%.与传统计算机冬小麦制图方法相比,基于Google Earth Engine云平台的数据处理和制图效率均获得千倍以上的提升.

[ Wang J Z, Tian H F, Wu M Q, et al.

Rapid mapping of winter wheat in Henan Province

[J]. Journal of Geo-information Science, 2017,19(6):846-853. ]

[本文引用: 2]      摘要

在省域尺度上,冬小麦遥感识别中存在冬小麦物候不一致、地表环境复杂、数据处理复杂、遥感数据冗余、选择适当的分类样本困难、分类精度低等问题,而遥感数据云平台为解决这些问题提供了良好的数据基础和数据处理能力.以河南省为研究区,以谷歌地球引擎(Google Earth Engine)云平台为支撑,基于2015年和2002年前后年份河南省冬小麦识别关键期内的2296景Landsat遥感影像,采用NDVI重构增幅算法建立冬小麦大区域遥感快速制图模型,实现了2015年和2002年的河南省冬小麦分布制图.结果表明:2015年和2002年冬小麦种植面积分别为56055.79 km2和47296.11 km2,与统计数据比,精度达到97%;2002-2015年,河南省冬小麦种植分布存在明显变化,总体播种面积呈增加趋势,2015年比2002年增加8759.69 km2,增幅为18.52%.与传统计算机冬小麦制图方法相比,基于Google Earth Engine云平台的数据处理和制图效率均获得千倍以上的提升.
[14] Gorelick N, Hancher M, Dixon M, et al.

Google Earth Engine: Planetary-scale geospatial analysis for everyone

[J]. Remote Sensing of Environment, 2017,202:18-27.

[本文引用: 3]     

[15] 徐晗泽宇,刘冲,王军邦,.

Google Earth Engine平台支持下的赣南柑橘果园遥感提取研究

[J].地球信息科学学报,2018,20(3):396-404.

[本文引用: 1]     

[ Xu H Z Y, Liu C, Wang J B, et al.

Study on extraction of citrus orchard in Gannan Region based on Google Earth Engine platform

[J]. Journal of Geo-information Science, 2018,20(3):396-404. ]

[本文引用: 1]     

[16] Shelestov A, Lavreniuk M, Kussul N, et al.

Exploring Google Earth Engine platform for big data processing: Classification of multi-temporal satellite imagery for crop mapping

[J]. Frontiers in Earth Science, 2017,5:17.

[本文引用: 1]     

[17] 郝斌飞,韩旭军,马明国,.

Google Earth Engine在地球科学与环境科学中的应用研究进展

[J].遥感技术与应用,2018,33(4):600-611.

[本文引用: 1]     

[ Hao B F, Han X J, Ma M G, et al.

Research progress on the application of Google Earth Engine in geoscience and environmental sciences

[J]. Remote Sensing Technology and Application, 2018,33(4):600-611. ]

[本文引用: 1]     

[18] Xiong J, Thenkabail P, Tilton J, et al.

Nominal 30-m cropland extent map of continental Africa by integrating pixel-based and object-based algorithms using Sentinel-2 and Landsat-8 data on Google Earth Engine

[J]. Remote Sensing, 2017,9(10):1065.

[本文引用: 1]     

[19] Kumar L, Mutanga O.

Google Earth Engine applications since inception: Usage, trends, and potential

[J]. Remote Sensing, 2018,10(10):1509.

[本文引用: 1]     

[20] Hansen M C, Potapov P V, Moore R, et al.

High-resolution global maps of 21st-century forest cover change

[J]. Science, 2013,342(6160):850-853.

[本文引用: 1]     

[21] Reiche J, Lucas R, Mitchell A L, et al.

Combining satellite data for better tropical forest monitoring

[J]. Nature Climate Change, 2016,6(2):120-122.

[本文引用: 1]     

[22] Xiong J, Thenkabail P S, Gumma M K, et al.

Automated cropland mapping of continental Africa using Google Earth Engine cloud computing

[J]. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 2017,126:225-244.

[本文引用: 1]     

[23] Liu X, Hu G, Chen Y, et al.

High-resolution multi-temporal mapping of global urban land using Landsat images based on the Google Earth Engine Platform

[J]. Remote Sensing of Environment, 2018,209:227-239.

[本文引用: 1]     

[24] Chen B, Xiao X, Li X, et al.

A mangrove forest map of China in 2015: Analysis of time series Landsat 7/8 and Sentinel-1A imagery in Google Earth Engine cloud computing platform

[J]. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 2017,131:104-120.

[本文引用: 1]     

[25] 周梅,李春干,代华兵.

红树林空间分布遥感监测精度的影响因素及应对措施

[J].南京林业大学学报(自然科学版),2018,1(42):163-168.

URL      [本文引用: 1]      摘要

为提高红树林空间分布遥感监测结果的准确性和可靠性,分析了现有研究中存在的突出问题及其原因:不同研究者得到的同一区域和相同(或相近)年度的红树林面积相差很大; 同一研究者得到的同一区域相邻监测期的红树林面积变化剧烈,明显不符合红树林空间演变规律。结合长期监测实践,讨论了影响区域和地方尺度红树林空间分布遥感监测精度主要因素。分析认为:遥感图像的空间分辨率、海水淹没情况、信息提取策略、实地调查验证等是影响红树林空间分布遥感监测精度的主要因素。我国区域和地方尺度红树林空间分布遥感信息提取宜采用优于1 m、处于低潮位、滩涂裸露的高分辨率遥感数据; 在作多期遥感信息提取时,须确保相邻监测期间红树林斑块范围的变化符合其空间演变规律; 必须开展深入细致的地面调查工作,全面了解各个海湾的红树林分布状况和特点,并在实地逐一修正红树林斑块边界。

[ Zhou M, Li C G, Dai H B.

Influence factors and measures of remote sensing monitoring precision of mangrove space distribution

[J]. Journal of Nanjing Forestry University (Natural Sciences Edition), 2018,42(1):163-168. ]

URL      [本文引用: 1]      摘要

为提高红树林空间分布遥感监测结果的准确性和可靠性,分析了现有研究中存在的突出问题及其原因:不同研究者得到的同一区域和相同(或相近)年度的红树林面积相差很大; 同一研究者得到的同一区域相邻监测期的红树林面积变化剧烈,明显不符合红树林空间演变规律。结合长期监测实践,讨论了影响区域和地方尺度红树林空间分布遥感监测精度主要因素。分析认为:遥感图像的空间分辨率、海水淹没情况、信息提取策略、实地调查验证等是影响红树林空间分布遥感监测精度的主要因素。我国区域和地方尺度红树林空间分布遥感信息提取宜采用优于1 m、处于低潮位、滩涂裸露的高分辨率遥感数据; 在作多期遥感信息提取时,须确保相邻监测期间红树林斑块范围的变化符合其空间演变规律; 必须开展深入细致的地面调查工作,全面了解各个海湾的红树林分布状况和特点,并在实地逐一修正红树林斑块边界。
[26] Binh C T, Phillips M J, Demaine H.

Integrated shrimp-mangrove farming systems in the Mekong Delta of Vietnam

[J]. Aquaculture Research, 1997,28(8):599-610.

[本文引用: 3]     

[27] Sinh L X.

Mangrove forests and shrimp culture in Ngoc Hien District, Minh Hai Province, Vietnam

[J]. Naga, 1994,17(4):15-16.

[本文引用: 1]     

[28] Beveridge M C M, Phillips M J, Macintosh D J.

Aquaculture and the environment: The supply of and demand for environmental goods and services by Asian aquaculture and the implications for sustainability

[J]. Aquaculture Research, 1997,28(10):797-807.

[本文引用: 1]     

[29] 维基百科.玉显县[EB/OL]. , 2017-10-31.

URL      [本文引用: 1]     

[ Wei J. , 2017-10-31. ]

URL      [本文引用: 1]     

[30] Baumgartner U, Nguyen T H.

Organic certification for shrimp value chains in Ca Mau, Vietnam: A means for improvement or an end in itself?

[J]. Environment, Development and Sustainability, 2017,19(3):987-1002.

https://doi.org/10.1007/s10668-016-9781-z      URL      [本文引用: 2]      摘要

Abstract Eco-certification has been used as a tool to mitigate adverse effects of aquaculture production and might thus be understood as a private approach to sustainable ecosystem management. In production forests in Ca Mau, Vietnam, where mangrove have suffered degradation despite legal protection, different projects have targeted reversing this trend by means of private certification using the ‘Naturland’ organic standard as a reference. So far the outcomes have, however, been proven unsatisfactory. With the aim to better understand the reasons for these poor outcomes, a survey of forty households was conducted in a production forest in Rach Goc commune, Ngoc Hien District. We evaluated farmers’ perceptions on mangrove management, the drivers guiding shrimp farming, and whether there was a difference between participants and non-participants in a former ‘Naturland’ organic project. To complement the survey, a range of stakeholders involved in shrimp value chains were interviewed to better understand the terms and benefits of certification. The results of this survey suggested that, when applied to shrimp–mangrove farming systems in production forests in Ca Mau, ‘eco-certification’ and associated benefits are not very satisfactory. The survey results revealed that certified farms do not show significant differences to non-certified farms in terms of social and environmental benefits. As far as the implementation process was concerned, the survey results showed that a failure to integrate local farmers as participants consequently resulted in households becoming ‘objects’ for certification and not project partners with equal weight and power. It appears that rather than being a tool for improvement, ‘Naturland’ certification for shrimp–mangrove farming systems in Ca Mau’s production forests has become an end in itself.
[31] 徐涵秋,王美雅.

地表不透水面信息遥感的主要方法分析

[J].遥感学报,2016,20(5):1270-1289.

[本文引用: 1]     

[ Xu H Q, Wang M Y.

Remote sensing-based retrieval of ground impervious surfaces

[J]. Journal of Remote Sensing, 2016,20(5):1270-1289. ]

[本文引用: 1]     

[32] Chander G, Markham B L, Helder D L.

Summary of current radiometric calibration coefficients for Landsat MSS, TM, ETM+, and EO-1 ALI sensors

[J]. Remote Sensing of Environment, 2009,113(5):893-903.

[本文引用: 1]     

[33] Salomonson V V, Appel I.

Estimating fractional snow cover from MODIS using the normalized difference snow index

[J]. Remote Sensing of Environment, 2004,89(3):351-360.

[本文引用: 1]     

[34] Hamilton S E, Casey D.

Creation of a high spatio-temporal resolution global database of continuous mangrove forest cover for the 21st century (CGMFC-21)

[J]. Global Ecology and Biogeography, 2016,25(6):729-738.

[本文引用: 1]     

[35] Hyndman R J, Athanasopoulos G.

Forecasting: Principles and practice (2nd ed)

[M]. Melbourne: OTexts, 2018.

[本文引用: 1]     

[36] Rouse J J W, Haas R H, Schell J A, et al.

Monitoring vegetation systems in the Great Plains with ERTS

[J]. NASA Special Publication, 1974,351:309.

[本文引用: 1]     

[37] McFeeters S K.

The use of the Normalized Difference Water Index (NDWI) in the delineation of open water features

[J]. International Journal of Remote Sensing, 1996,17(7):1425-1432.

[本文引用: 1]     

[38] Wilson E H, Sader S A.

Detection of forest harvest type using multiple dates of Landsat TM imagery

[J]. Remote Sensing of Environment, 2002,80(3):385-396.

[本文引用: 1]     

[39] 赵英时. 遥感应用分析原理与方法(第二版)[M].北京:科学出版社,2013.

[本文引用: 1]     

[ Zhao Y S.Analysis principles and methods on remote sensing application (2nd ed)[M]. Beijing: Science Press, 2013. ]

[本文引用: 1]     

[40] Beresnev N N, Phung T, Broadhead J.

Mangrove­related policy and institutional frameworks in Pakistan, Thailand and Viet Nam

[M]. Bangkok: Food and Agriculture Organization of the United Nations Regional Office for Asia and the Pacific, International Union for Conservation of Nature, 2016.

[本文引用: 1]     

[41] Ha T T T, Bush S R, Mol A P J, et al.

Organic coasts? Regulatory challenges of certifying integrated shrimp-mangrove production systems in Vietnam

[J]. Journal of Rural Studies, 2012,28(4):631-639.

[本文引用: 1]     

/