基于无人机遥感监测的互花米草破碎斑块分布特征研究

岳英洁,朱玉玲,毕永坤,贺志鹏*

(1.山东省淡水渔业研究院，山东 济南 250013；2.山东省海洋工程咨询协会，山东 济南 250013)

引 言

互花米草是海岸带盐沼生态系统中入侵性最强的生物之一，被列入我国第一批入侵物种名册，被认为是我国滨海湿地中影响最大的入侵植物[1]。互花米草的空间分布监测和入侵模式研究[2-12]、环境影响[13-21]、治理方法和效果[22-25]等也成为研究热点。

王娟等[12]的研究表明，互花米草的入侵扩张模式分为外部隔离式扩张、边缘式扩张和潮沟引领式扩张。其中，外部隔离扩张模式是互花米草在早期入侵潮滩时开拓新生境的主要方式，即成熟的互花米草种子随海流、潮汐飘散开拓新生境，逐步成长为近似圆形的破碎斑块，再通过分蘖繁殖逐步连接成带状斑块。破碎斑块由于局部面积小，米草分散，生长稀疏，是治理的优先选择区域，但一旦错过扩张初期，斑块发展至规模化后，治理难度和治理成本将大幅增长，给生态环境和地方财政带来巨大压力。因此，相较于目前较热的互花米草覆盖度研究，开展破碎斑块的精准监测和分布特征研究更有针对性和实用性，可以及时发现新生株苗，尽早采取合理应对措施，降低大面积爆发风险。

卫星遥感是获取地面现实数据的有效方法，但受滩涂区气候条件的影响，高分辨率卫星影像获取难度较大，中低分辨率的卫星遥感数据反映的植被光谱特性差异度不足，植被信息提取时存在一定局限，因此卫星遥感比较适合开展大范围、长时间序列监测[2-6]。野外调查经验表明，互花米草至少入侵三年以后，才能从遥感影像上解译出来，遥感解译结果有一定的滞后效应[8]。与卫星相比，无人机具有空间分辨率更高、执行任务灵活、可有效避开云层遮挡、自主性强等特点，在精准识别和有效提取碎小斑块植被信息方面具有明显优势[7]。

本次研究以山东省互花米草分布范围为研究区，以低空无人机航摄获取的2020年7月精度优于0.1 m的可见光影像为数据源，提取山东省互花米草植被覆盖信息，据此进行破碎斑块分布特征研究，为互花米草分区治理和海洋生态系统修复提供技术依据。

1 研究方法及信息提取

1.1 研究区

山东省位于我国东部沿海，海岸线长度约占全国海岸线长度总和的1/6，沿海滩涂面积约占全国总面积的15%。

本次研究区涉及山东省互花米草入侵的18个沿海县海岸带滩涂湿地部分，具体位置和范围根据2019年山东省互花米草卫星遥感解译结果确定，主要包括：东营市黄河口保护区、套尔河口、挑河口、小清河口、支脉河口、莱州湾沿海滩涂、乳山湾沿海滩涂、丁字湾沿海滩涂、胶州湾沿海滩涂、安家河口河道、付疃河口沿岸等。研究区位置和范围见图1。

1.2 研究方法

本次研究的技术路线见图2。

1.2.1 无人机航摄和影像处理

对省内互花米草覆盖范围广、常规航空摄影面积较大的区域选用奋斗者固定翼无人机航摄系统进行常规航空摄影，载荷索尼A7R相机，配置35 mm定焦镜头。对互花米草覆盖较零散的区域选用大疆精灵4RTK旋翼无人机航摄系统进行航空摄影，载荷FC6310R型号相机，配置8.8 mm定焦镜头。

本研究各测区位于沿海区域，地形相对平坦，海拔高度均在10 m以下，最大高差低于5 m。根据《低空数字航空摄影规范》，本着有利于缩短成图周期，降低成本，提高测绘综合效益的原则进行飞行规划设计，飞行航摄指标见表1。

表1 飞行规划设计

对外业飞行数据进行整理和质量检查，利用Pix4D mapper软件进行像控点加密、空三平差、特征点匹配、数据拼接等操作，生成正射影像图。生成的正射影像图和数字高程模型能够完全覆盖测区矢量，正射影像图无明显镶嵌线痕迹，地物无扭曲、变形和色彩不均匀等现象。

1.2.2 互花米草斑块信息提取

本次研究利用计算机分类和人工解译相结合的方法进行互花米草斑块信息的提取。对于航摄处理后得到的无人机正射影像，选择具有代表性的最大似然分类方法，进行互花米草的分类识别。为了增强植被信息，提高解译质量，计算可见光波段差异植被指数等，来突出分类特征，对于互花米草和芦苇混合交错地带，参考使用了高分辨率遥感影像的互花米草和芦苇混合交错带提取方法[3]。互花米草的提取分类结果中常常含有非常细碎的小斑块，这些小斑块的存在会影响分类结果的实用性和美观度。本次研究在互花米草斑块信息的提取过程中，利用ENVI和Arcgis等专业图像处理软件对分类结果中的碎斑和矢量空洞进行了后处理。首先，删除提取结果中过于破碎化的斑块，主要是判定和剔除掉一些除互花米草斑块之外的错误信息，根据互花米草实际生长过程中单个植株最小面积，判定分类结果中面积有误的碎斑进行删除。然后对于互花米草信息提取矢量结果中的空洞，进行填充和合并处理，得到了最终互花米草图斑的分布信息。另外，为保障斑块信息提取结果精度，对研究区内存疑斑块信息进行了现场核实验证，验证结果表明，斑块信息提取结果精度良好，可以作为本次研究的基础资料。

1.2.3 评价指标建立和统计分析

以沿海各县作为研究的区域单元。选取单个面积小于10 m2和小于1 m2的斑块作为代表性破碎斑块，根据系统性和层次性原则、指标与目标相关性原则以及简明和可操作原则设置破碎斑块分布特征三级评价指标，见表2。

表2 互花米草破碎斑块分布特征评价指标

三级指标中D10和D1表示互花米草斑块的破碎化程度，数值越大表明该单元的互花米草破碎斑块占比越大、入侵时间越短、入侵成熟度越低；S10和S1表示破碎化斑块规模大小，数值越大表明该县的破碎斑块数量占全省同类斑块数的比重越大，潜在的爆发扩散性越强。根据各县的指标情况，判别当前所处的入侵阶段，预测下一步扩张趋势。

2 结果分析

2020年7月，利用固定翼无人机航摄系统完成73个有效架次飞行，获取像片9 860张，航摄面积146 km2。利用旋翼无人机航摄系统完成240个有效架次飞行，获取像片33 324张，航摄面积132 km2。本研究共获取像片43 184张，总航摄面积278 km2。

2.1 山东省互花米草分布和斑块破碎化情况

根据无人机遥感监测结果，山东省互花米草的覆盖范围北至滨州市套尔河口岸滩，南至日照市付疃河口，主要生长在海湾和河口区域。山东黄河三角洲国家级自然保护区仍为山东省互花米草覆盖范围最集中的区域，在黄河入海口南北两侧成密集的连片分布。莱州湾、胶州湾、丁字湾、乳山湾内的互花米草均大量覆盖生长，其中以莱州湾互花米草的分布较为广泛，从西侧的支脉河口、小清河口、横跨到昌邑市潍河河口，最东至莱州市的太平湾附近。除了主要的海湾河口，在高潮时海水可到达的小河沟里也遍布生长着互花米草群落，如莱州市的朱旺港、龙王河等河道，破碎斑块主要散布在已成片互花米草的周边区域或者河沟河汊处。

山东省互花米草斑块总数为88 849个，其中单个面积小于10 m2的斑块有71 462个，占全省总数的80.43%；单个面积小于1 m2的斑块有32 887个，占全省总数的37.01%。山东省内互花米草入侵的18个沿海县的破碎斑块分布特征指标中，D10最小值为47.73%、最大值为93.39%，D1最小值为0.03%、最大值为78.27%，有14个沿海县的D10值超过了70%。总体上看，山东省互花米草破碎化程度较高，潜在的扩散性较强，多处区域存在大规模爆发的可能。本文对各沿海县的互花米草破碎斑块分布情况进行了整理，对于落在县界边缘线上的互花米草斑块归入两临界县中占用面积较大的县域内，详见表3。

表3 各县互花米草破碎斑块分布情况

2.2 不同入侵阶段的代表县破碎斑块特征分析

2.2.1 以F县为代表的入侵成熟期

入侵成熟期的指标特征为D10和D1数值偏小。F县互花米草斑块总数为3 258个，其中单个面积<10 m2的斑块数量不足F县斑块总量半数，D10值仅为47.73%；单个面积<1 m2的斑块仅有1个，D1值0.03%。S10和S1表示破碎斑块在全省的规模比重，主要用以预测下一阶段的爆发强度，F县S10值仅为2.18%，S1值为0.00%，下一阶段的爆发强度相对较小。

根据本次无人机遥感监测结果，F县互花米草覆盖面积占全省总面积的57.44%，超过全省半数，区域内互花米草长势密集，除个别区域呈现出外部隔离式扩张特性外，总体上属于典型的边缘扩散式增长。F县在1990年前后开始引种互花米草[26]，引种时间较早，入侵时间较长，也验证了本研究观点。F县互花米草分布情况见图3。

根据评价指标特征，E县、K县等也具备部分入侵成熟期特点，说明县域内已有部分互花米草斑块进入或即将进入入侵成熟期。

图3 F县互花米草分布范围

2.2.2 以J县为代表的快速扩张期

快速扩张期的指标特征为D10和D1在全省中等值附近，S10和S1值较大。J县互花米草斑块总数为8 657个，D10值为79.82%，D1值为35.43%，从全省来看D10和D1值位列中等；J县的S10值为9.67%，S1值为9.33%，破碎斑块规模占比较大。

根据本次无人机遥感监测结果，J县有部分互花米草已经集中连片，以边缘扩散式向斑块外缘方向增长。大部分互花米草呈现出外部隔离式扩张特征，破碎斑块数量较多，呈离散分布状态，且有向海一侧扩张的趋势。对比2019年卫星遥感解译结果，J县2019—2020年互花米草扩散速度在全省属于较快的区域[8]。J县互花米草总体分布和破碎斑块分布情况见图4。

图4 J县互花米草分布范围

根据评价指标特征，G县、H县、L县和P县等也具备快速扩张期特点。

2.2.3 以A县为代表的潜在爆发期

潜在爆发期的指标特征为D10、D1、S10、S1数值均较大。A县的互花米草斑块总数为7 670个，其中单个面积<10 m2的斑块数量达到7 163个，D10值为93.39%；单个面积<1 m2的斑块达5 807个，D1值为75.71%。处于潜在爆发期的区域破碎斑块规模也较大，S10值达到为10.02%，S1值达到17.66%。

根据本次无人机遥感监测结果，A县除个别区域的互花米草集中连片外，大部分互花米草呈现出典型的外部隔离式扩张特征，碎小斑块数量众多，特别是S1值较大，说明A县出现了很多面积<1 m2的小斑块，其中多数为新生斑块。如果A县具备良好的互花米草生境条件，又未能及时治理，新生互花米草进一步扩散爆发的潜力是非常大的，需要尽快加强治理并进行持续性关注。A县互花米草总体分布和破碎斑块分布情况见图5。

图5 A县互花米草分布范围

从全省范围来看，B县和D县也具备一定的潜在爆发型指标特征，两县的D10和D1值位于90%左右，S10和S1值位于10%～15%。

3 讨论

(1)根据朱玉玲等[8]，1989年以来山东省互花米草的面积符合多项式的增长模式，可分成3个阶段：1989—1999年缓慢潜伏阶段、2000—2009年逐渐增速阶段、2010—2019年全面爆发阶段。互花米草斑块的破碎化程度2000—2014年逐年降低，在此期间互花米草主要在黄河三角洲国家级自然保护区附近连片生长，2014—2020年破碎化程度逐年加深。为降低治理难度和治理成本，应采取无人机航拍和现场调查相结合的方法进行精准监测，识别互花米草入侵先锋区域，将破碎斑块集中分布的区域列入优先治理区，及时发现新生株苗并采取措施，降低大面积爆发风险。

(2)本研究主要从破碎斑块分布特征的角度来分析互花米草的扩散潜力。除此之外，当地的生境条件也是非常重要的扩散影响因素。互花米草优秀的生境条件包括：宽阔的砂质和淤泥质潮滩、适量的淡水补给、海草床分布和营养物质排放等。山东省互花米草分布面积较大，不同区域环境存在差异，莱州湾海岸线较长，其中支脉河口到黄河三角洲保护区具有广阔的淤泥质潮滩，此处黄河口快速向海推进，使泥沙堆积，海岸变宽，是互花米草大面积生长的理想区域；东侧龙口市到莱州市的海岸为沙质海岸，乳山湾和胶州湾多为淤泥质海岸，丁字湾潮间能带为粉砂质泥滩涂，以上均能满足互花米草的生长环境要求；而烟台的芝罘湾至威海的桑沟湾一侧多为基岩海岸，互花米草不适宜在此生长。下一步拟从斑块之间的空间距离的分析分析研究互花米草扩散潜力，研究结果可与本次结果互相验证。

(3)本研究旨在为县级互花米草分区治理工作提供参考，因此以沿海县作为研究区域单元。从表3所示的各县互花米草破碎斑块分布特征上看，部分县的指标值非常具有代表性，比如A县、F县、J县等；部分县的指标值特征不明显，可能县域内有多处海岸带分布有互花米草，并且处于不同的入侵时期，导致综合统计分析后没有呈现出明显特征。另外，互花米草在优秀的生境条件下扩散繁殖速度极快，单独某一地区开展治理后，极容易受到其他临近区域互花米草种子漂流入侵，或者本区域残留种子、植株残体等萌发造成的重复入侵。因此，除了要针对本县域的互花米草入侵特征积极开展治理工作以外，更需建立全省甚至全国的联防联控机制，切断区域外源性互花米草入侵途径和内源性重新萌发蔓延途径。