基于Sentinel-2与随机森林算法的太湖水生植被分布监测

基于2018—2021年太湖地区哨兵2号(Sentinel-2)卫星遥感影像和随机森林算法,结合植被敏感指数,开展太湖水生植被分布监测,综合分析了水生植被的时空变化特征,初步揭示了太湖水生植被的动态变化。结果表明,太湖水生植被分布面积有逐年上升的趋势,且年间变化具有明显的单峰型特征,表现为春季沉寂,夏季快速增长,秋季达到暴发期,冬季面积开始减退;太湖水生植被主要分布于东太湖、东部沿岸和贡湖,类型以沉水植被为主,其中浮叶植被主要分布于东太湖,挺水植被主要分布于东太湖沿岸的浅水区域;沉水植被主要分布于东部沿岸和贡湖;水生植被主要分布的东太湖水域,其水质总体优于太湖其他水域。

基于Sentinel–2影像特征优化的于桥水库水生植被提取

水生植被分布情况、结构和演变趋势对湿地生态环境变具有重要的指示意义和科学研究价值。基于Sentinel-2遥感数据,综合应用光谱信息、水体植被指数、最佳指数法(Optimal Index Factory,OIF)计算的纹理特征,结合随机森林分类法,构建特征优化后的随机森林水生植被提取模型,对于桥水库进行水生植被提取。结果显示:该方法能有效的提取出水生植被,总体精度为93.22%,Kappa系数为0.91。进一步与最大似然和支持向量机(SVM)方法进行对比分析,结果表明本算法的总体精度分别提高了19.96%、8.53%,Kappa系数分别提高了0.25、0.11。基于水生植被全年提取结果,分析了于桥水库的水生植被年内变化,发现于桥水库水生植被在五月份最繁盛,随后逐渐消减,直至十月份基本消亡。实验表明:特征优化后的随机森林分类法在Sentinel-2影像水生植被提取中具有较好的适用性。

长江中下游航道护岸水生植被修复技术

为提高护岸水生植被的均匀度指数,以长江中下游航道护岸工程项目为例,提出一种针对护岸水生植被的生态修复技术。掌握该工程项目的实际情况后,结合工程需求,选用船舶定位、运输等组合方式,设计长江中下游航道护岸水上护坡抛石施工方案;结合长江中下游航道护岸的水文条件,设计护岸水生植被修复布置方案与修复技术参数;通过对航道护岸基底修复与生态恢复,实现对区域内水生植被的修复。设计实例应用实验,实验结果证明:修复后水生植被物种均匀度指数接近于1,即设计的修复技术在实际应用中的效果良好。

星云湖湖滨带生态建设与水生植被恢复研究

近年来由于人为活动的影响,星云湖的生态结构遭到了严重破坏,这是导致其污染自净能力下降,水质恶化加速的主要内在因素。本文在2000年3月对星云湖湖泊水生生态演替调查及其原因分析的基础上,根据湖泊生态学的原理,提出了星云湖湖滨带生态建设与水生植被恢复的建设途径。

湖泊水位变动对水生植被的影响机理及其调控方法

水位的高低及其变动范围、频率、发生的时间、持续的时长和规律性等是影响湖泊水生植被的核心因子。水位变动有短期、年内季节性和年际变动3种,对湖泊水生植被有不同的影响机理。水位短期变动通过对水体中的悬浮物、透明度、光衰减系数等的影响而对水生植被产生作用;周期性的年内季节性和年际水位变动可对水生植被的生态适宜性产生影响,并进而改变其时空分布;长期的高水位和低水位以及非周期性的水位季节变动会破坏水生植被长期以来对水位周期性变化所产生的适应性,从而影响了植被的正常生长、繁衍和演替。植被的极端深度和物种多样性是水位调控的核心表征指标,可通过经验数据分析法、生态模型法和参照法等方法来确定湖泊的适宜水位变动范围和时间。研究对象选择、研究方法、管理中的应用以及重要环境变化所产生的影响等是今后相关研究的核心问题。

武汉东湖水生植被的恢复试验研究

本文报道了在武汉东湖所作的水生植被恢复的研究结果．分别在东湖水果湖、汤林湖和后湖等三个湖建立水生植被恢复示范区．挺水植物莲Nelumbonucifera和芦苇Phragmitescommumis、浮叶植物菱Trapasp．和r－选择型的沉水植物苦草Vallisneriasp．、聚草Myriophyllumspicatum、菹草Potamogetoncrispus和大茨藻Najasmarina等在三个植被复示范区均可以恢复．而黄丝草Potamogetonmaackianus、伊乐藻Elodeacanadensis、黑藻Hydrillaverticillata等在后湖示范区可以恢复，在水果湖恢复未能成功．黑藻在汤林湖示范区也未能恢复．在水生植被演替动态研究和中试规模的恢复试验的基础上，提出了以东湖为代表的富营养浅水湖泊水生植被恢复对策．

梁子湖水生植被1955—2001年间的演替

为建立自然保护区 ,保护湖北梁子湖丰富的生物多样性资源 ,并为梁子湖湿地生态系统的恢复与重建提供科学依据 ,对梁子湖主体湖 1955— 2 0 0 1年以来 45年间水生植被的演替进行了研究 .结果表明 :①水生植被覆盖率下降到 54 2 7% ,近 5年内保持稳定 ;植被分布差异极为显著 ,东梁子湖为草型湖 ,前江大湖植被较少 ,中湖基本上无水生植被 .②水生植被单位面积生物量和总生物量继续恢复 ,分别达到 3 4 96g m2 和 7942 0 3t ,但仍未恢复到历史最高水平 ;群落单位面积生物量迅速上升 ,并超过历史最高水平 ,达到 6443g m2 .③挺水植被中的芦苇群落已消亡 ;菰群落在经历了较大的破坏后 ,近年来分布面积有所扩大 ,群落总生物量有所增加 ,但单位面积生物量变化不大 .浮叶植被分布面积变小 ,但单位面积生物量和总生物量明显提高 .④水生植被的变化经历了“恢复—旺盛顶期—急剧衰退—逐步恢复”的过程 ,目前仍以沉水植被为优势生活型 ,但优势群落发生了变化 ,以微齿眼子菜和金鱼藻为优势群落类型 .⑤如果浮叶植物继续受到破坏或环境恶化的话 。

滇池水生植被演替及其与水环境变化关系

通过滇池水生植被和水体污染状况的全面调查（１９９５－１９９７年），揭示了水生植被的演替动态与环境质量变化的关系结果表明，滇池现有水生植物２２种，以凤眼莲（Ｅｉｃｈｈｏｒｎｉａｃｒａｓｓｉｐｅｓ）、喜旱莲子草（Ａｌｔｅｒｎａｎｔｈｅａｒ Ｐｈｉｌｏｘｅｒｏｉｄｅｓ）、龙须眼子菜（Ｐｏｔａｍｏｇｅｔｏｎ ｐｅｔｉｎａｔｕｓ）和聚草（ Ｍｙｒｉｏｐｈｙｌｌｕｍ ｓｐｉｃａｔｕｍ）等为优势种，其水生植被可划分为 ９个群丛．与历史资料比较表明， ４０年来，滇池的水生植被面积从 ２０世纪 ５０－６０年代的 ９０％下降到 １９９６年的 １． ８％，生物量由过去的１３６３．１ｇｍ－２（鲜重）下降到１３６７ ｇｍ－２．群落结构迅速简化和退化，原来的优势物种如海菜花、轮藻等已绝迹，菹草、马来眼子菜、苦草等已到濒临消失的边缘，耐污种如凤眼莲、喜旱莲子草和龙须眼子菜等大发展．

基于随机森林模型的太湖水生植被遥感信息提取

水生植被作为太湖湿地的重要组分,其数量和范围变化影响着湖泊生态系统的平衡,故利用遥感技术对水生植被的空间分布开展研究有助于太湖湿地生态系统的保护.以Landsat 8多光谱遥感影像为主要数据源,利用光谱指数和图像变换方法构建多个特征变量,结合随机森林(RF)模型,提取太湖水生植被的空间分布.结果表明:(1)通过对比分析训练样本特征值的平均值、标准差和变异系数,NDVI、NDWIF、SR等指数更易于区分开敞水域和沉水植被、浮叶植被和挺水植被;(2)当设置1000棵分类树和4个分割节点的随机变量时,RF分类模型的袋外误分率小于6%,误分主要受SR、MNDWI和NDVI等特征变量影响;(3)通过验证分析,基于RF模型获得的2014年7月太湖水生植被覆盖面积约为306.0km2,分类精度为88.56%(Kappa系数为0.88),主要分布在湖体的东部和南部,以沉水和浮叶植被为主,两者占水生植被覆盖总面积的84.9%.

东湖围隔(栏)中水生植被恢复及结构优化研究

为重建湖泊水生植被 ,在武汉东湖无鱼的 2个大型围隔和 1个围栏中进行了水生植被自然恢复和人工结构优化试验 ,两年内 ,围隔 (栏 )中的植被均得以恢复 ,植物月生物量均值均高出对照区约 1倍 ,自然增加的维管束植物比对照区多 3～ 6种 ,漂浮植物易定殖 ,水绵和刚毛藻较易生长 ;自然恢复的植被常以穗花狐尾藻、野菱等为优势种 ,缺乏挺水层 ,群落结构不理想 ,通过合理选种植物 ,可较快地改善其结构 ,加快植被恢复进程 ,经初步实验 ,莲、芦苇、苦草、金鱼藻和穗花狐尾藻适应性较强 ,可作为重建东湖水生植被的先锋种 ,以沉水植物为主体的植被结构较优良 。

武汉月湖水生植被重建的实践与启示

通过生物操纵、浮水植物和植物浮岛原位净化、岸边人工湿地净化和科学种植等措施,2—3年内,在长江中游地区、面积为0.66km2、水质为劣Ⅴ类的重富营养湖泊武汉月湖重建了以菹草和伊乐藻为优势种的沉水植物先锋群落,2005年春季的沉水植物盖度达到45%,提高了透明度。利用水位低、透明度相对高的冬季种植伊乐藻、菹草等适合冬春季生长的沉水植物是建立沉水植物先锋群落的一个有效途径。重污染水体过低的透明度是重建沉水植被的主要限制因子,在低水位或较高透明度时期,水生植物可以耐受相对较高的污染负荷,并且在有条件降低水位时,会大大提高重建沉水植被的成功率。重建并保持长期稳定的水生植被必须截污,并把营养盐浓度削减到一定范围内。水生植被重建初期是最脆弱的时期,水位、污染负荷等生态因子的较大波动很容易破坏植物群落,在这一时期要尽量保持关键因子的稳定,注意控制浮萍的扩张,使形成的生态系统逐步走向成熟。清除鱼类对提高水的透明度有重要作用,但必须伴随着水生植被的恢复或重建才能维持长久的良好效果。

白洋淀水生植被初步调查

通过野外实地调查对白洋淀水生植被的物种组成、群落类型、分布格局及物种生物量进行了初步研究.结果表明:白洋淀湿地共有水生植物39种,隶属于21科32属,其中挺水植物16种,沉水植物14种,浮叶根生植物6种,漂浮植物3种.与20世纪90年代初相比,水生植物共减少了9种,群落类型也由原来的16种变为现在的13种,大面积轮叶黑藻、大茨藻等优势群落消失,物种分布格局也发生了巨大变化.群落生物量较1980年大幅下降.人工养殖、污染物随意排放和水位的变化可能是造成白洋淀湿地退化、水生植被格局发生巨大变化的主要原因.

滇池和洱海湖滨带水生植被状况与水质的关系研究

在滇池和洱海的湖滨带各设置了6个具有不同水生植被状况的采样点,于2010年8月-2011年5月对水温、pH、ORP、电导率、营养盐(总氮和总磷)、叶绿素a及3种DNA病毒等水质指标进行了现场或采样分析。结果表明,两湖泊中营养盐含量高的湖滨带(滇池草海和洱海沙坪湾),由于水生植物覆盖度高,湖水保持了叶绿素a含量低的状态。对洱海湖滨带的水质分析结果表明,洱海水质有较明显的季节性变化。分析表明,与水温相比,营养盐浓度可能是影响藻类生物量的更重要的因素。3种DNA病毒检测结果初步表明,水生植物不仅能控藻,而且对病毒也有抑制作用。

武汉东湖受控生态系统中水生植被恢复结构优化及水质动态

于1993－1995年对武汉东湖的布围和网围受控生态系统中的植被恢复、结构优化及水质进行了初步研究，结果表明：在受控生态系统中，水生维管束植物生物量明显增加，控制养殖规模是恢复水生植被的前提，自然恢复的水生植被，结构较简单，通过选种优良植物，可优化植被结构，加速植被恢复进程；恢复水生植被时．应以沉水植物为主体；生长良好的水生维管束植物能使水中N、P浓度明显降低，浮游植物生物量减小；莲、芦苇、苦草、狐尾藻和金鱼藻适应性较强，可作为重建水生植被的物种．

太湖贡湖湾水生植被分布现状(2012年)

贡湖湾是无锡和苏州两市的重要水源地,随着近些年太湖水质的急速恶化,贡湖湾蓝藻暴发现象日益严重,危及饮水安全.为提供贡湖湾水资源管理的理论依据,于2012年开展贡湖湾水生植被野外调查.对8个断面进行为期5天的调查,结果表明:(1)共记录贡湖湾水生植物20科27属34种,单子叶植物和沉水植物分别为优势分类群和生态型;(2)贡湖湾水生植被分布区面积占总水域面积的45.35%,为典型半草型湖泊;(3)共有8种水生植物群落分布,其中马来眼子菜群落分布区面积和生物量最大;(4)贡湖湾水生植被总体表现出北部无水生植被分布,东部生物量高、群落及物种组成复杂,其他区域生物量小、群落组成单一的分布格局.水质恶化和插网捕鱼对贡湖湾水生植被分布现状存在影响,过度清淤可能是造成北部水域裸露的原因.结合贡湖湾水生植被分布现状分析结果,建议在贡湖湾水生植被管理中要开展北部裸水区植被修复,促进湾口区域马来眼子菜群落生长,加强对"引江济太"工程上游来水和贡湖湾水质的监测,并注重外来入侵植物尤其是水盾草群落的监测.

1960年以来太湖水生植被演变

太湖的富营养化污染日益严重,针对太湖水生植被的研究工作非常重要,然而全面的太湖水生植被调查已经有将近二十年未见报道.基于2014年夏季全湖水生植被调查结果,结合历史资料,比较分析1960年以来太湖水生植被演变情况.结果表明,1960年以来,共有23种水生植物从太湖消失,其中1981、1997和2014年分别消失7、4和12种.从分布区面积来看,1960年以来太湖水生植被总体呈北部湖区水生植被消失,东北部、东部及南部湖区水生植被分布区面积持续扩张的态势,1981年全湖水生植被分布区面积占8%,到2014年已经有33.82%的水面有水生植被分布.从生物量组成来看,太湖水生植被先升后降,从1960年的10×10~4t,持续上升到1988年的44.72×10~4t,1997年下降到36×10~4t,2014年进一步下降到29.09×10~4t.但挺水植被以外的水生植被,尤其是浮叶植被的生物量一直保持上升态势.总生物量的下降与东太湖挺水植被大面积消失有关,到2014年全湖挺水植被生物量比重仅占5.15%,东太湖沼泽化问题已不复存在.从群落组成变化情况来看,苦草(Vallisneria natans)群落分布区面积锐减,马来眼子菜(Potamogeton malaianus)和荇菜(Nymphoides peltatum)分布区持续扩张.目前太湖水生植被管理面临的主要问题是北部湖区水生植被恢复和东部湖区水生植被过量生长.

长湖湿地水生植被演替研究

在2006年调查的基础上,结合长湖湿地历史资料,对长湖湿地1985年至2006年21a间水生植被的演替进行了研究。结果表明,长湖湿地破坏严重,生物多样性下降。长湖现有14个水生群落,其中挺水群落3个,浮叶群落3个,沉水群落8个。优势群落发生了变化,从1985年的菹草(Potamogeton crispus)、穗花狐尾藻(Myriophyllum spicatum)群落演替为1999年的微齿眼子菜(P.maackianus)、苦草(Vallisneria natans)群落;进一步演替为2000年的苦草、微齿眼子菜群落,至2006年演替为莲(Nymphaea nelumbo)、莲+菰(Zizania na-duciflora)群落。优势群落生活型由沉水型转变为挺水型,植被覆盖度由100%减少到30.35%;群落总生物量为2202.08t(未包括挺水植物群落生物量),其中狸藻(Utricularia aurea)+轮叶狐尾藻(M.verticillatum)群丛最大为1633.48t,微齿眼子菜+日本茨藻(N.gracillima)最小为0.43t。群落单位面积平均生物量从1195.67g/m2增加到1850.53g/m2。人类的活动如过度养殖、打捞水草及污水排放等导致了长湖湿地植被面积、种类及总生物量的下降。

城市湖泊不同水生植被区水体温室气体溶存浓度及其影响因素

为了解城市湖泊不同水生植被区水体温室气体的溶存浓度及其影响因素,于2015年411月按每月2次的频率采用顶空平衡法对聊城市铃铛湖典型植被区——菹草区、莲藕区和睡莲区表层水中CO2、CH4和N2O的溶存浓度进行监测,计算水中温室气体的饱和度和排放通量,并测定水温(T)、pH、溶解氧(DO)、叶绿素a及营养盐浓度等理化指标,以探究水体环境因子对温室气体溶存浓度的影响.结果表明,铃铛湖各植被区水体温室气体均处于过饱和状态,是大气温室气体的“源”;莲藕区CH4浓度、饱和度和排放通量均显著高于菹草区,而各植被区N2O和CO2均无显著性差异;不同植被区湖水中DO、总氮(TN)、总磷(TP)和硝态氮(NO3^--N)浓度具有显著差异,其中DO、TN和NO3^--N浓度均表现为菹草区最高,莲藕区最低,而TP浓度则正好相反;各植被区温室气体浓度和水环境参数间的相关分析和多元回归分析的结果表明,水生植物可通过影响水体的理化性质对温室气体的产生和排放产生显著差异影响,在菹草区亚硝态氮(NO2^--N)、NO3^--N、T和DO是控制水体温室气体浓度的主要因子;睡莲区为TP和pH;莲藕区则为pH、NO2^--N和DO.

梁子湖水生植被

对梁子湖水生植被的种群组成、植被类型和生物量进行了初步调查。结果表明：梁子湖水生高等植物的种类为３５科６２属９２种，全湖沉水植物平均生物量为４．７５ｋｇ·ｍ^（－２）。根据梁子湖水生植物的种类组成和结构全湖分为１２个水生植物群落。梁子湖水生植被带状分布不显著，其特点是挺水植物和漂水植物未形成一个独立的植物带，沉水植物占绝对优势，分布面积接近全湖。

基于水体透明度反演的太湖水生植被遥感信息提取

在使用多光谱遥感图像提取太湖水生植被分布时,由于水体中悬浮物和藻类等物质的影响,容易产生"异物同谱"现象,大面积水体被误分为沉水植被.本文首先通过TM图像反演太湖水体的透明度,基于RVI和NDVI植被指数,分别建立两类决策树,即透明度辅助的分类决策树和无透明度参与的分类决策树,将太湖分为水体、以浮叶植被为主导的水生植被和以沉水植被为主导的水生植被等三种类型.透明度辅助下的NDVI分类决策树方法,较好地消除分类过程中的"异物同谱"现象,是进行太湖水生植被分类的一种最好方法选择,把这种方法应用于2002年7月15日的Landsat ETM卫星遥感影像,结果表明太湖中以沉水植被为主导的水生植被约407.6km^2,以浮叶植被为主导的水生植被约82.2km^2.