好文推荐丨中国境内黑龙江流域洪泛平原湿地的长期(1990-2018)变化监测

原创贾明明遥感学报 2021-09-20

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黑龙江流域的洪泛平原为数百万水禽提供了一条湿地走廊，是水禽迁徙到北极海岸苔原的中继站，具有巨大的生态意义和经济价值。中国境内的黑龙江流域(China side of the Amur River Basin, CARB)面积仅为流域总面积的45%，却承载着93%的流域总人口。然而，工业化、城市化农业的快速发展严重威胁CARB的洪泛平原湿地。因此，对CARB洪泛平原湿地变化的长期、全面跟踪是支持湿地保育行动的基础。

中国科学院东北地理与农业生态研究所贾明明副研究员等人近期发表的文章《Tracking long-term floodplain wetland changes: A case study in the China side of the Amur River Basin》，结合影像合成算法和面向对象的随机森林算法，提出基于对象的分层随机森林分类方法(COHRF)，该方法具有效率高、精度高、鲁棒性强等优势，并获得首个30 m空间分辨率的CARB洪泛平原长时序湿地变化数据集。

研究背景

日益加剧的人类活动以及气候变化导致全球的湿地面积急剧减少。洪泛平原是重要的湿地来源，是人类活动最为密集的区域。因此，对洪泛平原湿地变化的长期、全面地跟踪是支持湿地保育行动的基础，同时也有利于湿地管理和政策决策过程。

现有的所有湿地数据集并没有关注洪泛平原湿地以及其动态变化信息。遥感技术被认为是监测湿地变化的有效手段。然而，因湿地环境的复杂性，传统的基于像素的分类方式会产生严重的“椒盐”效应，而基于对象的分类方式在应用到大尺度时会出现很多的不确定性；同时，因为云的影响，对湿地进行大面积观测时，难以获取在时空一致的影像。

本文将影像合成算法以及基于对象的随机森林算法结合，提出了基于对象的分成随机森林方法(COHRF)，完成了洪泛平原湿地的大尺度、长时序、高精度的土地覆盖分类图，为黑龙江流域湿地的可持续利用和保护提供了理论以及数据支撑。

数据源

(1) Landsat影像(1990年、2000年、2010年、2018年)

(2) JCR全球地表水图层数据(JCR Global Surface Water Mapping Layers (v1.1))

研究方法

(1) 确定黑龙江流域洪泛平原的空间范围。去除永久水体（JCR全球地表水图层数据中，水发生频率值为0的区域）以及面积小于1km2的水体；

(2) 从Landsat影像集中获取洪泛平原组成后的影像（1990年、2000年、2010年、2018年）。在GEE平台中，利用影像组成算法获取最绿影像、最湿影像、标准差影像、中值影像，利用明显的光谱差异特征来进行区分不同地物；

(3) 利用面向对象分析以及随机森林分类器结合的方式，分层对上述4类影像进行分类。

图1 分类流程

图2 分层随机森林分类器的工作流程图

(OBIA指的是面向对象的影像分析，RF指的是随机森林分类器，The greenest image指的是合成的最绿影像，The wettest image指的是合成的最湿影像，The std dev image指的是合成的标准差影像，The median image指的是合成的中值影像)

结果结论

(1) 洪泛平原土地覆盖分类精度：1990年、2000年、2010年、2018年土地覆盖分类的总体精度为90 % ± 0.001，96 % ± 0.025，94% ± 0.002和 97% ± 0.005；2018年的木本沼泽(Swamp)和草本沼泽(Marsh)的用户精度分别为93% ± 0.020和99% ± 0.007，其它类型的用户精度均高于90%，而建成区(built-up land)、林地(woodland)、草地(glassland)和荒地(barren land)的生产者精度低于90%；1990年、2000年和2010年的洪泛平原湿地用户精度和生产者精度范围为92 % ± 0.001-99% ± 0.020，其它土地覆盖类型的用户精度和生产者精度范围为84% ± 0.003-96% ± 0.017。

表1 分类结果混淆矩阵

(2) 洪泛平原湿地的空间分布：木本沼泽主要分布在大兴安岭北部和三江平原北部。木本沼泽主要分布于松嫩平原和三江平原。但是，从1990年到2018年，大量的小斑块木本沼泽急剧消失。其中，在三江平原中部收缩最显著。

图3 中国境内黑龙江流域洪泛平原湿地的空间分布

(3) 洪泛平原湿地和其他土地类型的动态变化：对于洪泛平原湿地而言，1990年到2018年变化最明显的是草本沼泽湿地，大约25%的净损失，面积从8867 km2下降到6630 km2。木本沼泽湿地的面积相对稳定。对于其他类型而言，洪泛平原中湖泊所占比例最大，面积从1990年到2010年逐渐减小，从2010年到2018年又逐渐增加。河流面积从2000年到2010年逐渐增加，从2010年到2018年又逐渐减少。1990年到2018年，稻田面积从913 km2增加到1984 km2，变化最为剧烈，相当于原始面积的两倍以上。旱地、草地、荒地的面积呈现出先增后减的变化趋势。林地和建成区的面积变化稳定。

图4 1990年、2000年、2010年、2018年中国境内黑龙江流域洪泛平原不同土地覆盖类型的面积比例

(4) 洪泛平原湿地与人为土地覆盖之间的转换：草本湿地是转化为人为土地覆盖类型最主要的洪泛平原湿地，主要转化为水田和旱地，在1990-2000年、2000-2010年、2010-2018年期间，分别占总的损失比例的85%、73%以及71%，这些转换主要发生于三江平原和松嫩平原内。同时，在三江平原上，367 km2的河流、222 km2的旱田、193 km2的草地以及116 km2的水田分别在2010年到2018年间转为为草本湿地。

图5 1990-2018年土地覆盖类型转换Sankey

示意图

论文标题

Tracking long-term floodplain wetland changes: A case study in the China side of the Amur River Basin

发表期刊

International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation

论文全文链接

https://doi.org/10.1016/j.jag.2020.102185

第一作者简介

贾明明，中国科学院东北地理与农业生态研究所副研究员，研究方向为滨海湿地植物群落遥感分类机理、滨海湿地植物生理生态参数遥感反演等。

E-mail: jiamingming@iga.ac.cn

通信作者简介