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2014 , Vol. 16 >Issue 5: 838 - 833

DOI: https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2014.00833

福州海岸带湿地分类与变化的遥感分析

  • 汪小钦 , * ,
  • 石义方 ,
  • 魏兰 ,
  • 吴波
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  • 福州大学空间数据挖掘与信息共享教育部重点实验室,福州大学福建省空间信息工程研究中心,福州 350002

作者简介：汪小钦(1972-),女,福建古田人,博士,研究员,研究方向是资源环境遥感应用。E-mail：

收稿日期: 2013-10-23

  要求修回日期: 2013-11-20

  网络出版日期: 2014-09-04

基金资助

国家科技支撑计划课题(2007BAH16B01)

福建省科技重点项目(2011Y0036)

欧盟第七框架计划国际人才交流项目FP7-PIRSES-GA-2009-247608

收起

Wetlands Classification and Analysis in Fuzhou Coastal Zone

  • WANG XiaoQin , * ,
  • SHI YiFang ,
  • WEI Lan ,
  • WU Bo
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  • Key Laboratory of Spatial Data Mining & Information Sharing of Ministry of Education, Spatial Information Research Center of Fujian Province, Fuzhou University, Fuzhou 350002, China
*Corresponding author: WANG Xiaoqin, E-mail:

Received date: 2013-10-23

  Request revised date: 2013-11-20

  Online published: 2014-09-04

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《地球信息科学学报》编辑部 所有
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摘要

本文利用1986年Landsat TM、1994年Landsat TM、2000年Landsat ETM+、2005年CBERS-02 CCD、2009年ALOS AVNIR-2共5个时期的多平台遥感数据,采用分层分类和决策知识规则等方法,对福州海岸带湿地资源进行提取和分类;并分析了1986-2009年23年间福州海岸带湿地的时空分布和演化规律。结果表明：福州海岸带湿地的变化主要集中在1994-2005年间,1994年前和2005年后湿地变化都比较小;1986-2009年间,福州海岸带湿地面积总体呈下降趋势;天然湿地面积一直在减少,主要转化为水产养殖区等人工湿地和建设用地等非湿地类型;人工湿地2000年前呈下降趋势,2000年以后面积增长较快,其中水产养殖区面积一直稳步增长,主要由非湿地、水稻田和天然湿地转化而来。福州海岸带湿地的变化与区域政策调整、经济利益驱动和人口增长等因素相关,特别是与区域政策调整密切相关。

关键词： 海岸带; 湿地; 遥感信息提取; 知识规则; 变化分析; 福州

本文引用格式

汪小钦 , 石义方 , 魏兰 , 吴波 . 福州海岸带湿地分类与变化的遥感分析[J]. 地球信息科学学报, 2014 , 16(5) : 838 -833 . DOI: 10.3724/SP.J.1047.2014.00833

Abstract

Based on the multi-sensors remote sensing data of Landsat TM acquired in 1986 and 1994, Landsat ETM+ acquired in 2000, CBERS-02 CCD acquired in 2005, and ALOS AVNIR-2 acquired in 2009, the wetlands in Fuzhou coastal zone were classified using stratified decision rules. The coastal wetlands were divided into two categories: natural wetlands and artificial wetlands, from which the natural wetlands include five classes, while the artificial wetlands include three classes. The spatial patterns and dynamic changes of coastal wetlands from 1986 to 2009 were analyzed. The main changes of coastal wetlands happened during 1994 to 2005, and there were only a few changes before 1994 and after 2005. From 1986 to 2009, the total area of wetlands had decreased. The area of natural wetlands had decreased during the whole period, and was mainly transformed into aquacultures and non-wetlands area such as construction lands. The area of artificial wetlands had decreased before 2000 and increased after 2000, in which the area of aquacultures had increased very rapidly, and were mainly transformed from non-wetlands area, paddy fields and natural wetlands. The spatial pattern and dynamic change of coastal zone was jointly affected by local policies adjustment, the driving of economic interests and population increase. The temporal wetlands changes were closely related to the local policies.

Key words： coastal zone; wetlands; remote sensing information extraction; knowledge rule; change monitoring; Fuzhou

1 引言

湿地是地球三大生态系统之一。它在维持区域和全球生态平衡,以及提供野生动植物生境方面具有重要的作用。海岸带湿地资源受海陆双重作用,在维持区域和全球生态平衡,以及提供野生动植物生境方面具有重要的意义。沿海地区由于受人口增长和经济发展的巨大压力,围垦、种养殖业、城市化等迅速发展,沿海生态环境不断恶化,湿地资源受到严重干扰和破坏。为了寻求生态保护和经济发展的平衡点,国内外很多学者利用遥感数据和地理信息技术,对海岸带地区的湿地资源进行监测与分析[1-15],有的研究侧重于湿地信息遥感提取[1,5],更多是综合开展湿地资源监测和变化分析[2-3,7-8,10-12,15]及景观格局变化分析[4,6,9,13-14]。但大部分的研究都只监测和对比分析2-3个时期的影像,无法反映时间序列的变化情况。中国东南沿海区域属人类扰动较为严重区域[16],而福建省海岸带湿地变化主要受城市化进程干扰和由围垦养殖引起的,在东南沿海湿地变化中具有代表性。
福建海岸带湿地是中国17个生物多样性保护的关键区域之一,属亚热带过渡海域强潮型滨海湿地,以河口湿地和半封闭的海湾湿地为主[17]。福州作为全国首批14个沿海开放港口城市和海峡西岸经济区的中心城市之一,经济发展较为迅速,海岸带湿地资源受到了较大的破坏和干扰。近10 a来,研究人员利用遥感数据对闽江口湿地进行动态监测与分析[18-21]。魏兰等[22]监测了2000-2009年福州滨海湿地近10 a的变化。
本文利用1986-2009年5个时期的遥感数据,提取了海岸带湿地信息,分析福州海岸带湿地资源20多年来的变化,为区域经济发展与环境保护的协调发展提供动态数据源。

2 研究区背景与数据源

本文选取的福州海岸带研究区域与魏兰等[22]的相同,位于25°35′~26°21′N,119°21′~119°56′E,分别隶属于福州市辖区和连江、闽侯、长乐、福清 4个县市（图1中红线所划范围）。整个研究区面积约375 620 hm2。
Fig.1 Study area

图1 研究区域

为了揭示20多年来福州海岸带湿地的动态变化规律,采用5个不同时期的遥感数据（表1）,包括1986、1994、2000年的Landsat TM/ETM影像,2005年的CBERS-02 CCD影像和2009年的ALOS AVNIR影像。近10多年来,随着遥感技术的发展,可选择的遥感数据增多,时间间隔相对较短。
Tab.1 Remote sensing data used in the study

表1 研究所用遥感数据

卫星/传感器 波段数 分辨率(m) 获取时间
Landsat5 TM
Landsat5 TM
Landsat7 ETM+		 6
6
6		 30
30
30		 1986-07-25
1994-11-04
2000-05-04
CBERS-02 CCD 4 20 2005-07-12
ALOS AVNIR-2 4 10 2009-03-05
辅助数据包括1：5万DEM,福州市及周边行政区划图,福州市统计年鉴,研究区自然、社会经济统计资料,以及相关的研究成果等。

3 湿地类型识别与变化的遥感分析

3.1 湿地遥感识别分类与验证

湿地分类体系与魏兰等[22]相一致,采用二级分类体系,共2个一级类型和8个二级类型。一级类型根据影响湿地发育的自然因素和人为因素分为天然湿地和人工湿地,其中,天然湿地分为海水区、河流、泥滩、沙滩和草滩地5个二级类型;人工湿地分为水产养殖区、湖泊水库和水稻田3个二级类型,其中水产养殖区指人为专门建设用于水产养殖的区域,不包括河流、湖泊、水库等水体的水产养殖区域。
由于5个时期遥感数据的传感器、分辨率、获取时相等各不相同,采用分类后比较法对湿地变化进行分析,并把分类结果统一采样为30 m。湿地的提取遵从先易后难、由远及近的原则,采用分层分类的专家知识提取方法（提取流程如图2）。
Fig.2 Technical process of wetlands hierarchical classification

图2 湿地信息分层分类提取流程

将经过几何校正后的影像,计算归一化水体指数（NDWI）[23]、归一化植被指数（NDVI）[24],以及灰度共生矩阵的方差纹理特征影像等,并与多光谱影像融合湿地信息。而后将林地、裸地等合并为非湿地。同时,将湿地分类成果进行人机交互修正,生成不同时期的湿地资源分布图（图3）。
Fig.3 Spatial distribution of wetlands in coastal zone of Fuzhou from 1986 to 2009

图3 1986-2009年福州海岸带湿地空间格局

基于2010年和2004年的2次野外考察资料、收集的历史资料和目视判读结果进行精度验证（表2）。分类精度高达80%以上的湿地类型有海水区、沙滩、水产养殖区;湖泊水库和草滩地的分类精度大部分在70%~80%。总体精度均大于85%,5个时期的Kappa系数均达到最低允许判别精度0.7的要求[25]。
Tab.2 Classification accuracy of coastal zone wetlands

表2 海岸带湿地提取精度

年份 总体精度（%） Kappa系数
1986 85.00 0.8258
1994 85.39 0.8304
2000 91.80 0.8930
2005 85.40 0.8309
2009 95.31 0.9329

3.2 湿地的特征与变化分析

由于5个时期遥感数据的季相和潮位各不相同,天然湿地中泥滩、沙滩、海水区、草滩地等类别在不同影像上表现不同,相互转化。如夏季影像中为草滩地,冬季影像可能为泥滩;高潮位时为海水区,低潮位时为沙滩或泥滩。因此,天然湿地内部的相互变化不予考虑。
3.2.1 湿地格局变化特征
从图3可看出,1986-2009年间,福州海岸带湿地的总体分布格局没有大的变化,主要以海水区、水稻田、泥滩为主,分布范围广。天然湿地如草滩地、泥滩、沙滩等主要分布在沿江、沿海一带;湖泊水库一般分布近郊;水产养殖区基本上分布在沿海区域。湿地面积统计如表3所示,不同时期湿地的年平均变化如图4所示。
Fig.4 Annual area changes of wetlands

图4 湿地年平均变化面积

从表3和图4可看出,1986-2009年的23年间,不管天然湿地还是人工湿地,面积总体上是减少的,主要的变化发生在1994-2005年,1994年前和2005年后湿地的变化比较小;人工湿地的变化面积远大于天然湿地,1994-2000年间人工湿地年变化面积是天然湿地的5.6倍,2000-2005年间人工湿地年变化面积是天然湿地的3倍。天然湿地的面积一直都在减少,23年间面积减少了4573.5 hm2,特别1994-2005年间减少的数量较大,年平均减少面积约350 hm2/a。1994-2000年,人工湿地大量减少,使得湿地总体面积减少;2000-2005年,人工湿地面积大大增加,主要是水产养殖区的面积急剧增加。魏兰等[22]的研究由于只利用了2000和2009年2期的遥感数据,只能反映近10年湿地变化的总体情况,无法反映出2000-2005年快速变化及2005-2009年缓慢变化的不同时段变化特征。
Tab.3 Wetland areas in coastal zone of Fuzhou from 1986 to 2009 (hm2)

表3 1986-2009年福州海岸带湿地面积（hm2）

湿地类型 年份
一级 二级 1986 1994 2000 2005 2009
天然湿地 海水区 181 291.80 181 221.60 179 125.40 178 734.70 178 744.50
河流 4805.80 4808.42 4775.51 4369.81 4414.36
泥滩 8942.97 8945.88 9518.40 8345.33 7838.72
沙滩 769.91 751.30 839.38 643.33 669.20
草滩地 1924.42 1721.50 1165.22 1567.52 1494.65
小计 197 734.90 197 448.70 195 423.91 193 660.69 193 161.43
人工湿地 水稻田 25 935.28 25 959.50 14 176.99 16 912.46 16 683.85
湖泊水库 751.96 750.70 474.78 636.92 644.51
水产养殖区 1393.70 2193.51 2960.81 5103.10 5613.08
小计 28 080.94
225 815.84		 28 903.71
226 352.41		 17 612.58
213 036.49		 22 652.48
216 313.17		 22 941.44
216 102.87
总计
纵观1986-2009年间,水产养殖区是单向稳步增长,浅水海域单向减少,其他湿地类型都表现有双向变化。通过计算不同年份间的湿地利用转移矩阵,可以获得各地类相互转化情况[26]：天然湿地的减少主要是转化为水产养殖区和非湿地（如建设用地等）（图5）,天然湿地的变化量约占整个湿地变化数量的5%~10%;人工湿地中水稻田的减少主要是转化为水产养殖区或被非湿地占用;水产养殖区的增加主要来源于天然湿地、非湿地和水田,其中,大部分是由非湿地转化而来。1986年以来,水产养殖区的面积一直在稳步增加,面积从1986年的1393.7 hm2增加到2009年的5613.08 hm2,增加了3倍,这主要是占用沿海和沿江岸边的滩涂建立起来的。水产养殖区年平均增长面积183 hm2/a,其中2000-2005年增加的速度最快,年平均增长面积428 hm2/a。
Fig.5 Natural wetlands occupied by artificial wetlands or non-wetlands

图5 遥感影像所显示的部分天然湿地被占用情况

3.2.2 湿地变化原因分析
区域湿地类型的变化一般可分为自然因子和人为因子2个方面。在福州海岸带湿地区域,由于气候季节变化、水文条件变化等影响,天然湿地中的滩涂、草滩地、海水区、河流等类别之间经常发生相互转化。天然湿地、人工湿地和非湿地之间类别的变化更多地受政策、经济和人口等因素的综合影响。
福州是全国首批14个沿海开放港口城市,1984-1992年间,主要是沿交通干线和闽江进行开发建设,对海岸带湿地的开发利用不多,因此,1986-1994年间湿地的变化非常小。
自20世纪90年代中期以来,福建省围海造地进入高峰期,特别是1996年1月颁布“福建省沿海滩涂围垦办法”后,从法规、政策等鼓励了沿海滩涂围垦。福州在全省滩涂围垦的大背景下,由于人口增长和经济利益的驱动,湿地资源,尤其是天然湿地被大量地开发利用,包括：（1）围垦造田活动,特别是闽江口范围内的一些湿地由于长期开垦变成了农田;（2）围滩或抽沙养殖活动,渔民们在沿海浅滩上围起围网进行养殖（图5(a)）;（3）建设用地扩展,随着经济的快速发展和人口的增加,促使福州沿海地区城市化进程加快,人多地少的矛盾十分突出,沿江沿岸的部分湿地被大量开发成建设用地或工业用地等（图5(b)）,如位于福州市盖山镇林浦村附近的浦下洲湿地和毗邻的洲,因为岸边的围堤向外扩展,开发范围扩大,使得湿地范围不断减少。这些开发利用使得天然湿地不断萎缩,水产养殖区面积快速增长。因此,在1994-2005年间,湿地类型、面积等都发生了较大的变化,不仅变化速度比较快,而且变化的范围也比较大。
2005年,福州市认真贯彻执行“十分珍惜和合理利用每寸土地,切实保护耕地”的基本国策,严格控制征用农田特别是基本农田保护区内的耕地,强化基本农田保护管理。同时,随着湿地开发所引起的生态问题逐渐引起关注,对天然湿地的保护意识不断加强。2007年福建省人民政府在闽江河口湿地建立省级自然保护区,这使得水稻田和天然湿地的利用开发大大减少。因此,2005年以来,福州海岸带湿地变化相对较少。

4 结论

通过对1986-2009年5个时期遥感影像福州海岸带湿地资源提取结果的分析表明：
（1）综合利用分层分类和决策知识规则等方法,可较好地实现湿地资源分类与提取;
（2）福州海岸带湿地的变化主要集中在1994-2005年之间,1994年前和2005年后湿地变化都比较小;1986-2009年间,福州海岸带湿地面积总体呈下降趋势,其中天然湿地面积一直在减少;人工湿地2000年前呈下降趋势,2000年后面积增长较快,水产养殖区的面积急剧增加,1986年到2009年间面积增加了3倍。
（3）1986-2009年间,福州海岸湿地类型处于不断变化之中,天然湿地主要转化为水产养殖区和非湿地;人工湿地中水田的变化最大,主要是与非湿地类间的相互转化及转化为水产养殖区,同时大量的非湿地类被建设为水产养殖区。
（4）福州滨海湿地的时空变化与区域政策调整、经济发展和人口增长等因素密切相关,其中,1996年“福建省沿海滩涂围垦办法”的颁布,2005年开始认真贯彻执行的基本农田保护政策及2007年闽江口湿地保护区的建立,是福州海岸带湿地变化主要集中在1994-2005年间的重要原因。

The authors have declared that no competing interests exist.

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原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
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