基于多源遥感影像的三江平原水域覆盖变化特征

摘要 针对以往研究利用Landsat TM影像进行水域覆盖识别存在的时间分辨率低、信息缺失等问题，结合Landsat TM影像的高空间分辨率和MODIS影像的高时间分辨率优势，通过建立Landsat TM影像提取的水域分布比例与MODIS波段及衍生指标之间的关系，构建水域分数覆盖模型（FCWM），模拟形成水域覆盖时空序列，分析三江平原水域分数覆盖变化特征。结果表明：2002—2020年三江平原整体上水域分数覆盖呈下降趋势，整体水域分数覆盖平均值下降了23.63百分点，在2020年降水量高于2002年的情况下，许多具有高等、较高、中等水域分数覆盖的区域降级为较低和低等级。

关键词 多源遥感；水域覆盖；变化特征；Landsat TM；MODIS；三江平原

中图分类号 TP 751  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2025）01-0076-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.01.016

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Change Characteristics of Water Cover in the Sanjiang Plain Based on Multi-source Remote Sensing Images

ZENG Xing-yu，QU Yi，ZHANG Hong-qiang et al

（National Local Joint Engineering Laboratory for Wetland and Ecological Conservation，Institute of Nature and Ecology，Heilongjiang Academy of Sciences，Harbin，Heilongjiang 150040）

Abstract In response to the problems of low temporal resolution and missing information in previous studies using Landsat TM images for water cover recognition，combined with the advantages of high spatial resolution of Landsat TM images and high temporal resolution of MODIS images，by establishing the relationship between the water distribution proportion extracted from Landsat TM images and the MODIS bands and derived indicators，a water fractional coverage model （FCWM） was constructed to simulate the formation of water cover spatiotemporal sequences，analyse the change characteristics of water fractional coverage in the Sanjiang Plain.The results showed that from 2002 to 2020，the  water fractional coverage of the Sanjiang Plain showed a decreasing trend，with an average decrease of 23.63 percentage points in overall water fractional coverage.With higher precipitation in 2020 than in 200 many areas with high， relatively high and medium water fractional coverage were downgraded to lower and low levels.

Key words Multi-source remote sensing;Water coverage;Change characteristics;Landsat TM;MODIS;Sanjiang Plain

基金项目

黑龙江省省属科研院所科研业务费项目（CZKYF2023-1-C023）；黑龙江省重点研发项目（GA23C003）；黑龙江省省属科研院所科研业务费项目（ZNJCB2023ZR04）。

作者简介 曾星雨（1988—），女，河南淮阳人，助理研究员，硕士，从事景观生态学研究。*通信作者，副研究员，博士，从事生物多样性保护及区域规划研究。

三江平原是由松花江、黑龙江和乌苏里江的不断迁徙和泛滥所形成的冲积平原，是中国最大的淡水沼泽集中分布区^［1］。在长期农业开垦等人类活动干扰的影响下，三江平原湿地大面积减少，湿地间水文联系被割断，湿地生境斑块破碎化，其间的物理连通、化学连通、水文连通、生物连通受到明显扰动^［2-3］。及时监测水域覆盖变化是评价平原湿地景观连通性、分析农业开垦对湿地影响的基础^［4-5］。冲积平原易受周期性洪水淹没，洪泛区分布广泛，具有季节性水流变化特点，难以通过局部短期观测所得^［6］。而卫星遥感可以针对区域内河流进行季节性观测分析，从而解决这一问题。通常关于湿地分布及水文连通的研究大多以Landsat TM影像为基础解译获得，虽然其具有较高的空间分辨率为（30 m×30 m），但影像获取重返周期较长且大多数影像有云干扰^［7-9］，会产生信息的遗漏，很难反映湿地一年内不同时期的水淹范围、频率及其动态变化情况^［10］。MODIS数据虽然空间分辨率低于LandsatTM影像，但具有较高的时间分辨率，如逐日影像（MOD09GA/MYD09GA）、8 d合成影像（MOD09A1/MYD09A1），可以弥补Landsat在时间分辨率方面的缺陷^［11］。该研究拟结合Landsat TM影像与8 d合成MODIS影像（MOD09A1），建立基于多源数据的水域分数覆盖模型（FCWM），模拟生成不同时期三江平原湿地水域覆盖时空序列，分析三江平原水域覆盖时空变化特征，为三江平原水文连通空缺分析、湿地生态功能水文驱动机制等研究奠定基础。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

三江平原湿地是由黑龙江、乌苏里江和松花江汇流、冲积而成的低平沃土，是中国最大的淡水沼泽集中分布区。地理坐标为129°11′20″～135°05′26″E、43°49′55″～48°27′40″N。三江平原位于中国东北角，西起小兴安岭东南端，东至乌苏里江，北自黑龙江畔，南抵兴凯湖，总面积10.89万km2（图1）。区内水资源丰富，总量187.64亿m3^［12］。

1.2 数据来源

MODIS数据来自GEE中2000—2022年分辨率为500 m的MOD09A1数据，经过大气校正以及裁剪处理；TM影像是美国地质调查局（USGS）网站公开发布的分辨率为1 km的Landsat TM数据；90 m分辨率数字高程模型（DEM）为国际农业研究咨询顾问集团（CGIAR）空间信息协会（CSI）处理后的全球无缝CGIAR-CSI SRTM数据。

1.3 研究方法

1.3.1 基于Landsat TM影像的高分辨率水域分数覆盖提取。

在三江平原分布范围内均匀选取样点5个，提取样点处Landsat TM影像，采用归一化水指数（NDWI）方程^［13］计算样点内NDWI，通过设定阈值提取样点水域分数覆盖。通过将影像重分类得到精度较高的样点内水体分布，建立高精度水体分布与MODIS影像及其衍生指数之间的关系。

1.3.2 基于MODIS的水域分数覆盖时间序列。

将高空间精度水体分布与高时间精度MODIS影像匹配，提取TM影像NDWI在MODIS像元内所占的比例，将其作为二者回归方程中的因变量，将MODIS波段（B1～B7）、MODIS波段衍生指数（NDVI、NDWI）、地形指数（MrVBF、SlopeD、SlopeP）作为自变量。计算每个样地高空间精度水体分布比例与MODIS波段（B1～B7）、MODIS波段衍生指数（NDVI、NDWI）、地形指数

（MrVBF、SlopeD、SlopeP）之间的相关性。在了解各变量与水域覆盖指数相关性基础上进行回归分析，构建回归方程，建立水域分数覆盖模型（FCWM）。以MODIS影像数据为基础，根据该模型进行水域分数覆盖提取，形成不同年份水域分数覆盖时空序列。

1.3.3 三江平原水域分数覆盖时空变化特征分析。

以2002和2020年三江平原水域分数覆盖时空序列为基础，求取6月初至9月末三江平原水域分数覆盖平均值，并通过自然断点法进行阈值划分，将其分为5个等级，描述不同等级对应的土地覆盖类型以及2002—2020年水域分数覆盖比例的空间变化特征。

2 结果与分析

2.1 高分辨率水域分数覆盖提取

样地1～5所覆盖的Landsat TM遥感影像通过NDWI计算公式提取的水域分数覆盖分布如图1所示。经验证，样地1～5的水域分数覆盖分布精确度分别达到98.4%、97.8%、99.1%、98.2%、97.6%。从空间一致性上可以看出，利用NDWI公式提取的水域分数覆盖能比较精确地反映出水体分布特征。

2.2 水域分数覆盖模型构建

依据不同回归方法的 R2 、估计标准误差（SE），对比不同的回归方法，最终选取逐步回归方法进行模型构建。比较1～3号样地7月与9月影像回归结果，发现2号样地9月影像回归分析的 R2 最高，为0.92（表1）。最终确定关系函数：

Y  NDWI=66.6+0.035B3-0.006B5-0.024B6-106.927NDVI-76.839NDWI

利用4、5号样地对此回归方程进行精确程度验证，4号样地2013年7月验证精度为97.22%，9月验证精度为91.22%，5号样地2013年7月验证精度为97.58%，9月验证精度为92.56%，检验结果均高于90.00%，在可接受范围内。

2.3 三江平原水域分数覆盖时空变化特征分析

从三江平原2002年与2020年水域分数覆盖分布（图3）可以看出，与2002年相比，2020年三江平原整体水域分数覆盖平均值下降了23.63百分点，主要是较低、中等2个等级大量减少，

其次较高等级的水域分数覆盖也有一定程度的降低；高等级增加了0.23百分点，较高等级面积减少了0.95百分点，中等、较低等级分别减少了19.90百分点、9.06百分点，低等级覆盖面积增加了29.68百分点。从图4可以看出，三江平原水域分数覆盖面积减少区域东北部主要分布在抚远市、同江市、富锦市以及饶河县相邻区域；西北部集中分布在鹤岗市；东南部集中分布在虎林市；西南部集中分布在依兰县、桦南县以及勃利县相邻区域；中部集中分布在富锦市、集贤县、友谊县以及宝清县相邻区域。

3 结论与讨论

该研究结合Landsat TM影像的空间分辨率优势和MODIS影像的时间分辨率优势，通过水域分数覆盖模型建立二者之间的联系，模拟构建水域分数覆盖分布时间序列。据模糊评价方法对水域分数覆盖模型的验证结果可知，其准确率在90.00%以上，能够比较准确地区分水域分数覆盖区域与非水域分数覆盖区域。提取的水域分数覆盖区分布基本符合不同土地覆被类型分布，但同时又能反映一年中由于周期性水淹而产生的水域分数覆盖比例差异。

通过近19年水域分数覆盖对比分析发现，三江平原整体上水域分数覆盖呈下降趋势，这主要是由长期农业发展进行湿地疏干开垦造成的^［14］。2020年降水量高于2002年降水量，河流湖泊水面面积增多，即使在这种情况下，许多具有高等、较高、中等水域分数覆盖的区域降级为较低和低等级，高等级增加了0.23百分点，较高、中等、较低等级面积分别减少了0.95百分点、19.90百分点、9.06百分点，水域分数覆盖降低区域的面积远大于19年间湿地分布减少的面积，说明湿地疏干开垦为耕地，不仅减少了湿地面积，同时也导致整个区域剩余湿地水量、连通性等方面的降低，进而影响湿地质量及其生态功能^［15］。