基于特征优选和时空融合算法的黄河三角洲湿地类别制图方法研究

滨海湿地的遥感分类研究对于滨海湿地的保护和规划具有重要意义。为此,以黄河三角洲作为研究区,采用2019年3—10月获取的8景Landsat8 OIL作为数据源,使用GEE(Google Earth Engine)云平台,根据影像的不同特征构建了7种不同的分类方案;然后,使用随机森林分类器对不同特征集合进行分类,并选择其中分类效果最好的用于绘制黄河三角洲地区的湿地类别图。其中8,9月份数据由于受到云的污染导致质量差,使用增强型自适应反射率时空融合模型(enhanced spatial and temporal adaptive reflectance fusion model,ESTARFM)算法对有云区域进行填补处理。结果表明:①ESTARFM时空融合模型生成的预测影像与真实影像波段表现出较好的相关性,其R值均能达到0.73以上,说明重构的影像可以用于本研究;②使用随机森林算法对研究区地物类型进行分类,其中方案7通过特征优选,分类结果总体精度达92.28%,Kappa系数达0.91,分类结果与湿地实况相吻合,比常规方案分类精度更高。研究结果有助于了解和掌握该区域湿地不同类型的空间分布特征,可为区域生态环境的保护和规划提供科学依据。

基于LUCC的黄河三角洲湿地生态服务价值研究

湿地生态系统服务价值评估可以为区域社会经济发展、生态环境保护等规划与措施的制定提供理论依据。基于水文、气象、社会、经济、资源、环境和文化等因素,采用修订后的当量因子法对黄河三角洲湿地生态系统服务功能价值进行评估。研究结果表明,2000-2016年,养殖区域增加206.91%,滩涂湿地减少54.35%,部分滩涂湿地向养殖区域转移。2000-2010年,滩涂湿地生态服务价值比例最高,2010-2016年湖泊水域生态服务价值占据主导。

黄河三角洲湿地高光谱遥感研究进展

黄河三角洲湿地是我国暖温带最广阔、最完整、最年轻的滨海湿地,是黄河流域生态保护和高质量发展的重要组成部分,具有重要的生态保护和科学研究价值。物种多样、生境复杂、变化剧烈是黄河三角洲湿地的重要特点,高光谱遥感是黄河三角洲湿地生态监测的重要技术手段。本文首先阐述了高光谱遥感在河口湿地开展植被、土壤和水质等基本要素监测方面的优势,之后重点综述了其在黄河三角洲滨海湿地开展植被遥感监测、土壤参数反演和水质参数反演的研究进展,最后基于黄河三角洲湿地生态监测现状,提出了高光谱遥感的未来需求和发展展望。

黄河三角洲湿地蒸散发量估算及时空演变规律分析

蒸散发过程是水文循环与地表能量平衡的关键环节,准确估算蒸散发量对于认识气候变化和水文循环过程具有重要意义。以黄河三角洲湿地为研究区,基于地表能量平衡理论和SEBAL模型,选用2000年、2003年、2005年、2008年、2011年、2014年、2017年、2020年共8年期的Landsat遥感影像对黄河三角洲湿地蒸散发量进行了反演估算,采用不同时间尺度下的蒸散发量扩展方法得到日、月蒸散发量,在此基础上完成了对反演结果的精度验证,并系统分析了黄河三角洲湿地蒸散发时空演变规律。结果表明:SEBAL模型具有较高的精度,反演误差均值在15%以内;黄河三角洲湿地夏季月蒸散发量大于100 mm,其中7月份和8月份日蒸散发量的变化范围为2~5 mm,9月份日蒸散发量的变化范围为1~4 mm;三角洲湿地南北区域的蒸散发量具有显著差异性,总体上呈现北部高、南部低的变化趋势;风速、平均气压和平均气温是影响黄河三角洲湿地蒸散发量变化的主要气象因素,与蒸散发量之间存在显著的相关性。研究结果可为黄河三角洲湿地水热通量研究提供参考,对湿地系统恢复自然修复能力具有重要的科学价值。

基于光谱-空间联合Transformer模型的黄河三角洲湿地高光谱影像分类

黄河三角洲湿地地物类型在光谱曲线上差异较小,且在空间上分布零散,呈破碎化特性。现有的分类方法受限于局部感受野难以捕捉到图像的长距离依赖关系,导致在黄河三角洲湿地高光谱影像中分类精度不理想,针对此问题,本文提出了一种光谱-空间联合Transformer模型。光谱和空间支路分别以光谱向量和空间邻域为输入,基于自注意力机制提取全局光谱和空间特征,在两个支路引入多阶特征交互层,实现浅层边缘信息和深层语义信息的融合,最后采用自适应相加的方式将两路特征融合,送入分类器实现最终分类。本文在黄河三角洲湿地高分五号GF-5和CHRIS两幅高光谱影像上验证方法的有效性,实验结果表明,该方法显著提高了湿地分类的精度,在选用3%的样本训练条件下总体精度分别达到了90.90%和94.17%,优于其他分类方法。研究结果可实现黄河三角洲湿地地物类型的高精度分类,为湿地的保护提供技术支持。

黄河三角洲湿地水文连通及驱动力分析

湿地内的水文连通对维持湿地生态系统的完整性具有重要意义。本文以Google Eearth Engine为平台支撑,在全局尺度上利用水体面积、水文连通CFV指数(Connectivity Function Value)、像元月均淹没频率对1986—2020年黄河三角洲湿地水文连通进行定量分析,并利用灰色关联法进行驱动力分析;在淡咸水交互的典型区域尺度上选择水文环度(α指数)、节点连接率(β指数)、水文连通性(γ指数)进行区域水文连通定量分析。结果表明:(1)湿地水体面积整体增加,水文连通CFV指数减少,研究区内发生了连通阻断,重度淹没和永久性淹没主要集中在浅海区域;(2)湿地水体面积和水文连通CFV指数均呈季节性差异,自然因素对水文连通影响大于人类活动。黄河三角洲湿地水文连通性30余年一直保持中等水平。研究结果可为黄河三角洲湿地水文连通保护与修复提供参考。

黄河三角洲湿地生态系统服务价值评估

2021年10月,习近平总书记考察黄河入海口并在深入推动黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上发表重要讲话,强调要科学分析当前黄河流域生态保护和高质量发展形势,把握好推动黄河流域生态保护和高质量发展的重大问题;指出黄河三角洲自然保护区生态地位十分重要,要加强下游河道和滩区环境综合治理,提高河口三角洲生物多样性。

水盐梯度下黄河三角洲湿地植被空间分异规律的定量分析

三角洲湿地植被的形成和分布同时受水深、土壤含盐量两个环境因子的作用。采用模糊数学排序方法分析了黄河三角洲湿地植被在水深、土壤含盐量两个环境梯度下的空间分异规律。结果表明,由TWINSPAN划分而得到的8个植被类型在模糊数学排序图中有各自的分布范围,界线明显。以穗状狐尾藻(Myriophyllum spica-tum)等水生植物为优势种的群落分布在排序图的左上部,为黄河三角洲湿地高水深、低盐分地区;以柽柳(Tam-arix chinensis)、翅碱蓬(Suaeda heteroptera)等典型盐生植物为优势种的群落分布在排序图的右下部,为黄河三角洲的低水深、高盐分地区;其他以芦苇(Phragmites australis)、荻(Triarrhena sacchariflora)、旱柳(Salix matsudana)等为优势种的群落分布在排序图的中部。利用Gini-Simpson指数,在模糊数学排序图中分析了植物物种多样性随水深、土壤含盐量梯度的空间变化,结果表明,高水深、低盐分和低水深、高盐分地区植物物种多样性均较低,而二者过渡区域植物物种多样性较高。

人工恢复黄河三角洲湿地土壤碳氮含量变化特征

为阐明湿地恢复对土壤碳氮含量的影响,以黄河三角洲芦苇湿地为研究对象,比较了退化区与连续淡水恢复区土壤pH值、盐分、有机碳、全氮、氨态氮、硝态氮的含量变化,研究结果表明,(1)随着恢复年限的增加,各样地各层土壤pH值总体上降低,电导率显著降低(P<0.05),表明退化湿地的人工恢复可明显降低其盐度;恢复区上层(0—20cm)土壤盐分均低于下层(20—40cm),未恢复区则相反;(2)随着恢复年限的增加,0—20cm土壤有机碳、全氮含量增加,分别由恢复前的(7.710±0.756)g/kg、(0.66±0.021)g/kg增加到恢复7a后的(16.96±0.213)g/kg、(1.277±0.027)g/kg,恢复区有机碳、全氮含量在空间上的变化表现为上层大于下层;(3)各样地硝态氮含量均低于氨态氮含量,碳氮比值介于4—8之间;(4)相关分析表明,湿地恢复后土壤各因子间有显著的相关性,有机碳与全氮两者显著正相关,氨态氮与pH、盐分、有机碳、全氮均达到极显著正相关关系(P<0.01)。该研究结果对于评估湿地恢复效应,指导湿地恢复的实践具有重要作用。

黄河三角洲湿地景观边界变化及其对土壤性质的影响

以1992年和2006年TM遥感影像为基础信息,运用滑箱扫描方法获得组分边界特征,分析了黄河三角洲景观总体变化,在此基础上,研究不同景观类型变化过程土壤容重、水分含量、全氮、全磷、有机质及土壤盐分离子Ca2+、K+、Mg2+、Na+的差异性,以揭示景观变化对湿地土壤性质的影响。结果表明,三角洲景观组分之间的边界趋于复杂化,部分耕地转化为柽柳(Tamarix chinensis)、芦苇(Phragm ites australis)和翅碱蓬(Suaeda heterop-tera),潮滩植被侵入滩涂。不同景观类型下的土壤性质差异不显著,但景观类型转化对土壤性质存在一定影响。农田转变为柽柳、芦苇、翅碱蓬过程中土壤容重降低;而滩涂转变为翅碱蓬后土壤容重提高。农田转化为林地和滩涂转化为灌丛过程中土壤含水量降低,而其他景观变化过程土壤含水量表现出增加的趋势。不同景观类型下土壤全氮、有机质、全磷含量均较低,且变化过程中土壤养分含量变化也较小。各景观类型变化过程中土壤Ca2+含量变化幅度最大;其他土壤盐分离子含量的变化因景观组分变化方向不同存在较大差异,但总体上看,不同景观变化过程下土壤盐分离子含量均具有较大变化。

黄河三角洲湿地蒸散量与典型植被的生态需水量

蒸散量(ET)是黄河三角洲湿地水资源的主要消耗项,包括植被蒸腾、水面蒸发以及裸土蒸发等。植被生态需水是为了保证植被生态系统能够健康维持并确保其生态服务功能得到正常发挥而必须消耗的一部分水量。准确地估算湿地蒸散量、研究植被生态需水量对于保护湿地生态环境是十分必要的。应用MODIS的地表反射率、地表温度数据与常规气象数据以及土地利用/覆盖图,利用蒸散量的遥感估算模型SEBS模型估算了晴天条件下的黄河三角洲湿地日蒸散量,采用HANTS算法插补了非晴天条件下的日蒸散量,从而得到2001～2005年的该湿地年蒸散量的时间序列,并对蒸散量进行验证和分析。结合该地区典型植被生态需水量与植被蒸散耗水量,估算了2001～2005年的生态补水量。结果表明:与实测值相比,遥感估算月蒸散量的均方差RMSD为16.4mm,平均绝对百分比误差MAPD是11.9%,两者基本一致。黄河三角洲湿地的蒸散量在空间分布上以水体及周围地区、滨海滩涂、黄河故道以及黄河两岸沼泽湿地等的蒸散量较高,居民地蒸散量较低。蒸散量的年际变化不大,季节变化呈单峰型,以5、6、7月份蒸散量最大,月蒸散量在110～120mm之间。2001～2005年期间,每年至少有40%面积的芦苇沼泽和60%面积的芦苇草甸水分供应不足,植被的正常生长受到影响,尤其2002年较为严重,2004年以后情况有所改善。2002年芦苇的生态补水量最大,在9.9×107～3.19×108m3之间,而2004年的生态补水量最小,在3.0×107～2.39×108m3之间。

黄河三角洲湿地盐生植物氮和磷的根际效应

通过比较黄河三角洲湿地三种盐生植物柽柳(Tamarix chinensisLour).、盐地碱蓬(Suaeda salsa Pall).和白茅(Imperata cylindrica Beauv.)的根际与非根际土壤中氮、磷的根际效应,分析了不同植物种类根际效应差异的原因。研究结果表明,三种盐生植物根际土壤总氮、速效氮以及有效磷的含量与非根际土壤相比均显著增加(p<0.01),根际土壤的总磷含量也高于非根际土壤。柽柳植株对氮、盐地碱蓬植株对磷的富集作用最强,并表现出明显的根际累积效应,这一结果对于滨海湿地氮、磷污染截留的植物修复技术建立具有重要的指导意义。同时,造成不同植物种类的根际效应差别的原因不同,pH值是影响柽柳根际速效氮累积效应的主要原因,而盐地碱蓬根际有效磷累积主要受到根际微生物和盐度变化的共同影响。

基于调水调沙的黄河三角洲湿地生态修复技术

黄河三角洲地区湿地面积萎缩、生物多样化和水域生物资源衰减等问题对该区域生态系统的稳定和经济社会的发展产生了威胁。分析了黄河口湿地生态系统退化驱动力以及调水调沙对该区域湿地土壤和地下水的影响;对2010-2011年刁口河生态补水的生态修复效果进行了评估。研究表明,黄河水沙对湿地生态环境因子产生了促进作用;初步恢复了生态系统功能,鸟类保护成效显著,增加了种群数量。

黄河三角洲湿地土壤养分空间分布特征

为研究滨海湿地不同植物群落下土壤养分的空间分布特征,在黄河三角洲国家级自然保护区湿地内,分层采集了柽柳、柽柳-碱蓬、芦苇-柽柳、碱蓬-芦苇和芦苇等5种植物群落下的土壤样品,并对样品中各养分以及含盐量和pH值进行了测定。结果表明:黄河三角洲湿地0～30 cm土层中TOC、SOM和TN、TP、AN、AP平均含量分别为0.19%、0.33%和202.27、539.80、4.47、2.64 mg/kg。随着离海岸线距离的增加,土壤中TOC、SOM、TN、AN和AP含量呈现出相同的波动趋势,其中芦苇-柽柳群落与柽柳群落下土壤中养分含量较高,而所有群落TP变化不大;5种群落的土壤养分含量垂直差异均不显著。相关性分析表明,土壤中TN、AN、AP含量与TOC含量之间存在显著的正相关关系,而土壤含盐量和pH值对各养分含量并无显著影响。

黄河三角洲湿地植被空间分布对土壤环境的响应

为研究土壤中养分与可溶性盐的空间分布及其与湿地植被分布的关系,在黄河三角洲国家级自然保护区湿地内,分层采集了5种不同植被群落下的土壤样品,并对样品中各养分、可溶性盐质量分数和pH值进行了测定。结果表明,土壤中可溶性盐(SC)、有机质(SOM)、全氮(TN)、全磷(TP)、有效氮(AN)和有效磷(AP)的平均质量分数分别为1.73%、0.40%和202.38、544.06、6.34、2.74 mg·kg-1,其中不同植被群落下SC、AN质量分数的差异显著。土壤可溶性盐质量分数是植被分布的主要限制因素,随着离海距离的增加可溶性盐质量分数逐渐降低,植物种类逐渐增多。不同植被群落下SOM和TN质量分数表现出相同的消长趋势,其中芦苇—柽柳群落下土壤的平均质量分数最高,而群落间土壤TP质量分数差异不显著。

黄河三角洲湿地生态旅游资源开发潜力评价

黄河三角洲湿地是山东省生态旅游的热点地区之一,对其开发潜力进行评价可以为该区生态旅游资源的科学开发提供依据。以山东省东营市6个代表性湿地旅游区为研究对象,从资源禀赋条件、旅游开发条件、生态环境条件和客源市场条件4方面,建立湿地生态旅游资源开发潜力评价指标体系,利用层次分析法确定指标权重,运用多层次灰色评价法对6个湿地旅游区的生态旅游资源进行了评价。结果表明,这6个湿地旅游区都具有开发潜力,适合湿地旅游开发,其中,黄河三角洲国家级自然保护区的湿地生态旅游资源开发潜力最大;根据研究结果,提出了研究区湿地生态旅游开发的思路和战略性对策。

黄河三角洲湿地景观格局变化特征研究

运用3S技术和景观生态学原理,通过对景观类型面积、斑块数目、斑块百分比、最大斑块所占景观面积的比例、分维数、破碎度指数、景观多样性指数、均匀度指数、优势度指数、蔓延度指数的计算,对黄河三角洲湿地2004—2009年生态景观的动态变化进行了研究。结果表明,黄河三角洲湿地景观的基质类型是养殖池,研究期内异质性降低,破碎度呈减少趋势。

黄河三角洲湿地土壤呼吸及其环境因子分析

为了给黄河河口湿地生态系统碳收支的动态模拟提供参数,进而为河口湿地优化管理提供科学依据,利用土壤碳通量测量系统LI-8100A对黄河三角洲湿地柽柳、芦苇、碱蓬3种典型植物群落的土壤呼吸速率进行监测,同时测定了湿度、温度等,分析了3种群落的土壤呼吸日变化特征及相关影响因子。结果表明:碱蓬、柽柳、芦苇3种植物群落土壤呼吸速率日变化曲线都呈单峰形式,且峰值出现的时间基本一致,都在14:00左右达到最大,最小值都出现在6:00左右。单因子回归分析表明,各环境因子与土壤呼吸速率间的关系均可用二次多项式模型来拟合。柽柳群落土壤呼吸速率主要受土壤温度变化的影响,碱蓬群落土壤呼吸速率受大气温度的影响较湿度的影响大,而大气温湿度和土壤温湿度对芦苇群落土壤呼吸速率均有较明显的影响。

黄河三角洲湿地典型盐生植物群落土壤酶活性研究

选择黄河三角洲湿地盐角草、盐地碱蓬、二色补血草、中亚滨藜、獐毛、星星草6种典型盐生植物群落,研究土壤蔗糖酶、纤维素酶、脲酶、蛋白酶、磷酸酶的活性特征。结果显示:土壤蔗糖酶活性和蛋白酶活性逐渐升高,9月以上各植物群落蔗糖酶活性依次分别为279.05 U/g、291.62 U/g、304.82 U/g、334.60 U/g、333.03 U/g、357.30 U/g,均显著高于6月;蛋白酶活性分别为21.20 U/g、24.01 U/g、25.40 U/g、30.09 U/g、30.89 U/g、33.12 U/g,除盐角草群落外均显著高于6月。9月獐毛和星星草群落纤维素酶活性显著高于6月。所有植物群落脲酶活性先升高后降低,8月达最高,分别为151.65 U/g、165.36 U/g、177.85 U/g、197.30 U/g、189.71 U/g、203.00 U/g,除盐角草群落外,分别显著高于6月。磷酸酶活性7月在除盐角草群落外的其他植物群落中比6月显著提高,后期则变化不大。相同生长期不同植物群落之间,几种酶活性均表现出在星星草和獐毛群落高于盐角草和碱蓬群落。本研究结果可为深入理解滨海湿地不同盐生植物群落土壤特性、盐碱地改良及群落演替等提供相关理论参考和依据。

小浪底水库对黄河三角洲湿地水分条件和景观格局的影响

研究了小浪底水库对黄河河口湿地水分条件的影响,并利用遥感方法分析了黄河三角洲湿地景观格局在小浪底运行前后的的变化情况。研究表明:(1)降雨是补给湿地水分的重要因素,由于其时间分布不均,使得黄河三角洲具有生态缺水时段;黄河的侧渗补给与降雨补给时段相同,5—7月的来水量大,补给量大,是第二大淡水补给来源。河流侧向补给的增加水量对河道沿岸附近2.5km范围内湿地的水位具有较大的影响,但对整个湿地水分改善没有明显作用。(2)小浪底水库运行后湿地总面积略有增加,其中天然湿地面积减少90.29km2,人工湿地(主要是盐田)面积增加150.11km2;沿海湿地总体上仍以海水侵蚀为主,但与小浪底运行前相比,黄河现代三角洲的河流湿地面积明显增加,同时盐碱化过程受到遏制。