深圳湾红树林长时间序列动态变化监测
2022-04-15
1. 对应目标
SDG6: 到2020年，保护和恢复与水有关的生态系统，包括山地、森林、湿地、河流、地下含水层和湖泊。
SDG14: 到2020年，通过加强抵御灾害能力等方式，可持续管理和保护海洋和沿海生态系统，以免产生重大负面影响，并采取行动帮助它们恢复原状，使海洋保持健康，物产丰富。
2. 成果亮点
• 针对不同分辨率影像采用不同提取方法对深圳湾红树林进行了2005‒2021年密集时间序列动态变化监测
• 2005‒2020年间，深圳湾红树林面积总体呈上升趋势，2021年出现人为因素的减少
• 深圳湾部分区域红树林变化比较剧烈，存在红树林生长热点区域，主要是外来红树物种的侵略生长，对此深圳市已经采取相关措施对外来红树进行清理
• 自SDGs实施以来，深圳湾红树林保护和恢复的成效显著
3. 案例背景
红树林分布于热带和炎热带海岸潮间带的盐碱湿地中，受周期性潮汐影响明显，主要由以红树植物为主的常绿灌木或乔木组成。它们是独特而基本的生态系统，提供了丰富有价值的生态和社会经济商品和服务。我国红树林主要分布于东南沿海地带，全国九成以上的红树林都生长在海南、广西和广东三个省份。但红树林生态系统结构简单种类单一，易受人类过度开发、全球气候变化、海平面上升、环境污染等影响，故而如今全球红树林面积正在不断减少。因而对红树林实行大面积的动态监测，对红树林的保护具有重要意义。
本案例融合2005‒2021年的多时相不同分辨率遥感影像，对深圳湾红树林生态系统进行密集时间序列遥感动态变化监测，并分析深圳湾红树林格局现状和变化趋势，分析其变化的自然、人为因素等。本案例的成果可为SDG6.6和SDG14.2提供可靠的研究方法和科学决策依据，为深圳制定红树林乃至滨海生态系统的保护和修复策略奠定科学和数据基础。
4. 所用数据
• 中低分辨率数据主要采用2005‒2011年Landsat 5 Thematic Mapper (TM) 卫星数据和2013‒2021年Landsat 8 Operational Land Imager (OLI) 卫星数据
• 高分辨率数据分别为2012年资源一号 02C 卫星数据 (ZY-1 02C)，2013年资源三号 01a 卫星数据 (ZY-3 01a)，2014年、2016年、2018年、2020年高分一号卫星数据 (GF1)，2015年、2017年、2019年高分二号卫星数据(GF2）和2021年高分六号卫星数据 (GF6)
5. 方法介绍
本研究融合了2005年‒2021年不同分辨率遥感影像数据，结合后期人工校正，进行红树林提取。主要流程包括：对于中低分辨率数据，采用计算植被覆盖度的方法来获取亚像元尺度的红树林含量；对于高分辨率数据，根据影像光谱信息以及形状信息，采用面向对象分类方法对红树林进行提取。最后通过选择样本点的方法，对高分辨率数据分类结果进行基于混淆矩阵的精度评价，来确定分类的精度和可靠性。若分类结果符合精度要求，则与相同年份的中低分辨率数据计算结果进行线性纠正，最终获得2005‒2021年的深圳湾红树林分布数据集以及红树林面积统计结果。经过精度验证，所有高分辨率影像分类结果精度均在95%以上。
6. 结果
• 2005‒2021年深圳湾红树林面积变化趋势
2005‒2021年深圳湾红树林面积及变化如图1所示。根据统计结果显示，深圳湾红树林总面积在2005年‒2021年总体呈现逐渐上升趋势，面积由285.42公顷增长至372.11公顷，共增加了86.69公顷。其中个别年份由于自然、人为因素，面积变化略有不同，但总体红树林增长趋势相对稳定。其中红树林面积变化在2008年和2021年出现了两次明显下降的情况，原因一是2008年全国遭遇了冻害天气，受极端天气的影响红树林遭到严重损失；二是2021年福田红树林自然保护区外来红树砍伐工程。
• 福田红树林保护区局部变化分析
通过多年分类结果数据可以发现，深圳湾部分区域红树林变化比较剧烈，存在红树林生长热点区域，主要位于福田保护区内（图2）。该热点区红树林从2014年后开始疯狂向海平面生长，从2012年‒2021年该区域红树林增长29.41公顷。对福田红树林进行物种分类，发现该热点区域主要是此类外来引进物种海桑和无瓣海桑的生长区域（图3d），其生长速度快，而且可以自然扩散，在周围形成自然林（图3d中深圳-香港中间三角洲处）。而本土红树林一般生长速度相对较慢，生长周期较长。由此可见，外来红树物种的生长极具侵略性，对本地红树造成了明显的压迫，已然成为此区域的优势种群。因此深圳市开启了外来红树砍伐工程（图3a‒c），提升湿地生态价值，为候鸟提供更多的栖息、觅食空间，以完善红树林生态系统。
(R: NIR, G: Red, B: Green) 及福田红树林物种分类图
(a) 2015年 (b) 2020年 (c) 2021年 (d) 福田红树林物种分类图
7. 讨论与展望
在技术方法和数据方面，本研究融合了中低分辨率和高分辨率两种数据，针对中低分辨率数据，采用计算植被覆盖度的方法进行亚像元红树林含量的提取；针对高分辨率数据，采用多尺度分割的面向对象分类的方法统计红树林面积，最终实现了对2005‒2021年深圳湾红树林的高精度提取。
在决策支持方面，本研究发现：1）近16年深圳湾红树林总面积呈稳定上升趋势，但是重大自然灾害如2008年寒害，以及重要政策决策如深圳市启动外来红树砍伐工程会对红树林面积变化产生重要影响；2）福田保护区存在红树林生长热点区，主要是外来红树侵略性生长。本案例的数据和分析结果不仅可以支持深圳市SDG6和SDG14的科学评估，也将为深圳市红树林生态保护系统保育与科学管理提供重要决策依据。