吳志峰, 曹 崢, 宋 松 , 蔣衛(wèi)國, 郭冠華 , 吳艷艷

1 廣州大學(xué)地理科學(xué)與遙感學(xué)院, 廣州 510006

2 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州), 廣州 511485

3 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部, 北京 100875

4 廣東財(cái)經(jīng)大學(xué)地理與旅游學(xué)院, 廣州 510320

濕地作為地球三大生態(tài)系統(tǒng)之一,是全球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,它具有極高的生態(tài)服務(wù)價(jià)值、生態(tài)多樣性及生物生產(chǎn)力,對全球生態(tài)系統(tǒng)的健康及人類經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。進(jìn)入20世紀(jì),伴隨著人口爆炸和城市化進(jìn)程的推進(jìn),人類開始大規(guī)模開發(fā)利用濕地資源,圍墾和基建占用了大量的優(yōu)質(zhì)濕地資源,過度捕撈、非法狩獵及外來物種入侵正在嚴(yán)重破壞著濕地的生物多樣性[1]。以我國為例,1950- 1980年,我國淡水湖泊面積減少11%,天然紅樹林面積已由50年代初的5萬hm2下降至目前的1.4萬hm2,已有72%的紅樹林物種喪失[2- 5]。且未來氣候模擬結(jié)果表明,持續(xù)的全球增溫會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致濕地資源的破壞與喪失。在人為與自然驅(qū)動(dòng)力的雙重影響下,濕地資源與濕地生態(tài)系統(tǒng)面臨的壓力越來越大,因此,增加濕地資源總量,提升濕地資源質(zhì)量,增強(qiáng)其生態(tài)功能,是我國生態(tài)可持續(xù)發(fā)展及我國生態(tài)文明建設(shè)的重要戰(zhàn)略任務(wù)[6- 7]。

伴隨著濕地資源的大量流失,人類對濕地資源重要性及濕地資源保護(hù)、修復(fù)的必要性有了新的認(rèn)知[8- 11]。首先,濕地資源的經(jīng)濟(jì)價(jià)值發(fā)生轉(zhuǎn)變,由最初的生產(chǎn)原料提供地變?yōu)樾蓍e、觀光、生物資源保護(hù)地,其次,濕地生態(tài)功能及其評估則由傳統(tǒng)的水資源調(diào)蓄過渡到綜合利用固碳釋氧、水文循環(huán)調(diào)節(jié)、水質(zhì)改善等功能。再次,地方政府與國家將濕地資源與全球需求對接。

在當(dāng)前濕地資源與修復(fù)并存,全球化城市化持續(xù)推進(jìn)的背景下,亟需一種能夠?qū)竦刭Y源進(jìn)行快速識別、提取、分析及評估的手段與方法,遙感以其覆蓋范圍大、人力成本低、時(shí)空分辨率高的特點(diǎn),成為實(shí)現(xiàn)濕地資源監(jiān)測、評估的首選手段[12- 15]。但長時(shí)間序列濕地?cái)?shù)據(jù)的缺乏、關(guān)鍵水文參數(shù)遙感反演結(jié)果與實(shí)地監(jiān)測的差異、濕地生態(tài)資源與生態(tài)資產(chǎn)對接等問題,一直是制約現(xiàn)有遙感濕地監(jiān)測分析的瓶頸。基于此,本文以多云多雨的粵港澳大灣區(qū)濕地為分析對象,首先對遙感濕地監(jiān)測理論及方法進(jìn)行回顧,分析遙感濕地監(jiān)測所面臨的問題與挑戰(zhàn),在此基礎(chǔ)上,提出針對粵港澳大灣區(qū)濕地監(jiān)測的可行手段及未來的發(fā)展方向與趨勢。

1 濕地遙感監(jiān)測與評估研究進(jìn)展

1.1 濕地遙感數(shù)據(jù)源

遙感是通過對電磁波敏感的傳感器,在遠(yuǎn)離目標(biāo)和非接觸目標(biāo)物體條件下探測目標(biāo)地物,獲取其反射、輻射或散射的電磁波信息(如電場、磁場、電磁波、地震波等信息),并進(jìn)行提取、判定、加工處理、分析與應(yīng)用的一門科學(xué)和技術(shù)。隨著遙感傳感器數(shù)量和種類的增加,濕地遙感的信息的頻譜更加多樣化,從傳統(tǒng)的可見光遙感,到紫外遙感、紅外遙感、微波遙感,均在濕地信息提取及動(dòng)態(tài)監(jiān)測中有廣泛應(yīng)用。濕地水體對可見光的藍(lán)綠波段具有較強(qiáng)的反射,因此包含多光譜與高光譜在內(nèi)的可見光遙感最早被應(yīng)用于濕地遙感。高光譜技術(shù)的優(yōu)勢在于高光譜分辨率提供的精細(xì)地物信息,在濕地邊界提取、植被信息識別、植被生產(chǎn)力估算等方面準(zhǔn)確率較高,在濕地土壤濕度和土壤含水量的反演研究中也有廣泛應(yīng)用[16]。雷達(dá)數(shù)據(jù)為最常用的微波遙感數(shù)據(jù),主要數(shù)據(jù)源包含激光雷達(dá)、合成孔徑雷達(dá)等,其在濕地遙感中的應(yīng)用引導(dǎo)濕地生態(tài)環(huán)境分析從二維向三維挺進(jìn)。激光雷達(dá)在探測目標(biāo)的位置、速度、海拔等特征量方面具有先天優(yōu)勢,在濕地遙感研究中開拓了新的監(jiān)測方向,如濕地植被高度、水面波動(dòng)等生態(tài)環(huán)境信息特征。在雷達(dá)波段選擇上以L波段和C波段應(yīng)用最為廣泛,其中L波段對植被結(jié)構(gòu)較為敏感,林地覆蓋率高的濕地多選L波段, C波段更適于少葉和低生物量植被組成的濕地。雷達(dá)遙感與傳統(tǒng)遙感最大的區(qū)別在于其主動(dòng)性,雷達(dá)遙感利用遙感平臺(tái)上的人工輻射源,向目標(biāo)物發(fā)射一定形式的電子波,再由傳感器接收和記錄其反射波普信息,具有不依賴太陽光照及氣候條件的全天時(shí)、全天候?qū)Φ赜^測能力,其穿云透霧的特性,特別適合在多云多雨區(qū)域應(yīng)用[17- 21],目前已成為目前濕地遙感領(lǐng)域的核心技術(shù)手段。

遙感數(shù)據(jù)源還存在很其他多分類體系,如根據(jù)傳感器搭載平臺(tái),可以分為航空遙感、航天遙感與地面遙感,根據(jù)影像的空間分辨率,又可將遙感數(shù)據(jù)分為低空間分辨率、中空間分辨率(4- 30m)和高空間分辨率(<4m)等類型。但由于遙感傳感器的硬件技術(shù)瓶頸,遙感數(shù)據(jù)無法同時(shí)具有高空間分辨率、高光譜分辨率、高時(shí)間分辨率的指標(biāo)特性,多源遙感數(shù)據(jù)融合可以兼顧影像的時(shí)間、光譜與分辨率特性,綜合各種影像數(shù)據(jù)的優(yōu)勢,已成為濕地遙感常用的技術(shù)手段之一[22]。

1.2 濕地遙感監(jiān)測理論體系

不同于陸地遙感,由于濕地具有斑塊破碎、類型多樣、周期水位變化、受水力侵蝕嚴(yán)重等特點(diǎn),濕地土地利用分布、土壤類型、植被覆蓋、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及服務(wù)價(jià)值具有復(fù)雜多變的特性,濕地遙感的理論及方法具有鮮明特色。濕地地物的光譜反射特征是濕地遙感監(jiān)測分類的依據(jù),反射光譜的特征分析關(guān)系到濕地遙感的分類精度,是濕地遙感研究的重要理論基礎(chǔ),也是困擾濕地遙感發(fā)展的重要瓶頸問題之一[23]。基于多源遙感影像,利用植被指數(shù)或水體指數(shù)提取濕地范圍簡單高效,如利用歸一化植被指數(shù)NDVI 隨時(shí)間變化的規(guī)律分辨不同植被特征下濕地的特征差異,進(jìn)而對濕地種類進(jìn)行識別與區(qū)分[24- 25]；或根據(jù)濕地水體與周圍背景地物間的光譜特征差異,采用波段閾值法和水體指數(shù)法進(jìn)行濕地信息提取研究[26- 28],濕地生物量也是光譜信息研究的重要指標(biāo)[29- 30]。

濕地遙感監(jiān)測發(fā)展歷程大致可分為三個(gè)階段：(1)基于目視解譯、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臐竦厮w基本屬性要素提取階段；(2)耦合機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能方法的濕地水體長時(shí)間序列數(shù)據(jù)構(gòu)建及生態(tài)環(huán)境要素變化過程分析階段；(3)利用多學(xué)科交叉的濕地變化過程機(jī)理挖掘階段。濕地遙感研究的第一階段,學(xué)者往往利用監(jiān)督分類或非監(jiān)督分類技術(shù),開展?jié)竦氐慕缦尢崛?、面積計(jì)算、水深反演等工作[31- 34],此外,大量學(xué)者還將遙感數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)合,利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突虬虢?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?開展?jié)竦厮|(zhì)問題的研究[35- 37]。此階段反演結(jié)果的精度受原始數(shù)據(jù)質(zhì)量、野外觀測數(shù)據(jù)精度及研究者主觀作用的影響較大。這個(gè)應(yīng)該是 機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等方法引入濕地遙感監(jiān)測評估吧？,主要以大尺度、長周期的濕地生態(tài)環(huán)境要素構(gòu)建及其變遷過程為主要研究對象[38- 40],但部分機(jī)器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí)方法為黑箱,其基本原理是用大量的數(shù)據(jù)樣本,確定數(shù)據(jù)之間的潛在關(guān)聯(lián),但其分析過程與真實(shí)地理經(jīng)驗(yàn)知識可能相悖,因此在開展研究時(shí),應(yīng)以地理學(xué)問題作為基本準(zhǔn)則,限定數(shù)據(jù)的計(jì)算、開展結(jié)果的驗(yàn)證。第三階段則是在多學(xué)科知識背景下探討濕地遙感技術(shù)、理論、應(yīng)用的發(fā)展與創(chuàng)新？探究人-地關(guān)系如何影響濕地水文生態(tài)過程,并挖掘其交互機(jī)理。在此階段中,遙感是其他學(xué)科濕地分析的重要數(shù)據(jù)源,也是多學(xué)科方法耦合的重要橋梁[41- 44]。

濕地遙感監(jiān)測是濕地生態(tài)價(jià)值評估的重要手段。傳統(tǒng)濕地生態(tài)價(jià)值評估多集中于單一濕地或單一時(shí)段視角下的濕地價(jià)值,遙感監(jiān)測技術(shù)的引入,使得大空間尺度、長時(shí)間序列的濕地價(jià)值評估成為可能。遙感技術(shù)的發(fā)展和運(yùn)用,為濕地生態(tài)健康評價(jià)提供了多種數(shù)據(jù)源和有力的分析手段,開拓了濕地生態(tài)健康評價(jià)和分析的一個(gè)新方向[45]。濕地生態(tài)服務(wù)價(jià)值的科學(xué)評估是濕地保護(hù)和可持續(xù)利用的重要保證,當(dāng)前對濕地生態(tài)服務(wù)價(jià)值評估多采用單一評價(jià)方法,但往往存在片面性和主觀性。因此,在資源日趨緊束的當(dāng)下,如何基于區(qū)域濕地復(fù)雜的非線性特征,依托海量遙感數(shù)據(jù),充分挖掘濕地水文、生態(tài)與環(huán)境信息,耦合物質(zhì)量、價(jià)值量和能量三種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價(jià)方法,構(gòu)建適于區(qū)域濕地生態(tài)服務(wù)評估體系與遙感計(jì)算模型,是濕地遙感研究的重要方向。

1.3 濕地遙感監(jiān)測技術(shù)

1990s以來,濕地遙感的相關(guān)研究開始得到廣泛關(guān)注,公開發(fā)表物數(shù)量迅速增加,濕地遙感方法與技術(shù)類文獻(xiàn)所占比例逐年提升。人工解譯是最早用于濕地提取的方法之一,利用濕地植被與水體光譜反射特性,開展特征指數(shù)識別[46- 49],提取單時(shí)相或年際多時(shí)相的濕地分類及其變遷,分類精度較高但主觀性較強(qiáng),目前仍被廣泛應(yīng)用。計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類方法基于像素的光譜信息獲取濕地信息,常用的自動(dòng)分類方法包括監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類,監(jiān)督分類常采用最小距離分類法和最大似然比分類法進(jìn)行地物解譯,解譯精度較非監(jiān)督分類法高,但樣本數(shù)據(jù)的采集和訓(xùn)練的時(shí)間、人力成本都較高[50- 51]。近年來廣泛應(yīng)用的高空間分辨率遙感圖像在提供了更為詳細(xì)的地表信息的同時(shí),也識別出大量土地覆蓋類型及其差異的冗余信息,催生了基于對象分類方法,其原理是將具有相似特征的對象(如相似的像素形狀、顏色或紋理)分組,并根據(jù)對象特征對其進(jìn)行分類,適用于高分辨率影像及集合的多源遙感數(shù)據(jù)庫[52]。伴隨著海量遙感數(shù)據(jù)源的供應(yīng),一些自動(dòng)提取與分類方法也開始出現(xiàn),如決策樹分類法、分層分類法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類法[53- 54]、支持向量機(jī)(SVMs)法等等。深度學(xué)習(xí)、遷移學(xué)習(xí)等基于大數(shù)據(jù)分析的方法,為濕地水文特征快速自動(dòng)提取提供了理論方法依據(jù)[55- 56]。采用具有強(qiáng)大分析與運(yùn)算功能的機(jī)器學(xué)習(xí)算法在提取濕地覆被種類上具有優(yōu)勢[57- 59],而更為智能的優(yōu)化算法,如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)化算法、蟻群算法、粒子群算法、量子算法、深度學(xué)習(xí)等由于簡單有效,在大數(shù)據(jù)挖掘中廣受青睞[60- 62]。其中粒子群算法(PSO)是一種基于群體優(yōu)化的新型啟發(fā)式全局隨機(jī)搜索優(yōu)化算法,具有可調(diào)參數(shù)少、算法易實(shí)現(xiàn)、全局搜索能力強(qiáng)、運(yùn)行效率高等特點(diǎn),成為發(fā)展最快的優(yōu)化算法之一[63- 64]。各種分類方法各有優(yōu)缺點(diǎn),復(fù)合分類法克服了單方法的局限性,實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ),有效地提高分類精度。利用IKNOS、WorldView- 2等數(shù)據(jù)源的實(shí)證研究表明,基于像素與基于像元相結(jié)合的方法準(zhǔn)確率更高[65]。

1.4 濕地遙感監(jiān)測應(yīng)用

隨著氣候變化的深入發(fā)展與城市發(fā)展的不斷推進(jìn),全球濕地面臨面積萎縮、質(zhì)量下降、生態(tài)系統(tǒng)退化、服務(wù)價(jià)值喪失等一系列生態(tài)環(huán)境問題。濕地遙感監(jiān)測試圖通過長序列影像資料,提取不同時(shí)段濕地邊界范圍、空間分布及生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等信息,進(jìn)而監(jiān)測濕地種類構(gòu)成及其時(shí)空變遷過程。隨著各類遙感衛(wèi)星的成功發(fā)射和遙感技術(shù)的不斷創(chuàng)新,濕地遙感從應(yīng)用中高分辨率的光學(xué)遙感圖像監(jiān)測指定區(qū)域的濕地狀況[66],發(fā)展到利用多源融合數(shù)據(jù)開展?jié)竦厣鷳B(tài)水文參數(shù)提取及時(shí)空演變動(dòng)態(tài)監(jiān)測，再到基于新技術(shù)支持的多尺度、精細(xì)化、自動(dòng)化、智能化實(shí)時(shí)監(jiān)測嘗試[67- 68],多源遙感數(shù)據(jù)在濕地分類[69- 70]、濕地制圖及變化檢測[71- 72]、濕地生物多樣性研究[73- 74]、濕地溫室氣體循環(huán)[75- 76]、濕地風(fēng)險(xiǎn)評估[77- 78]、濕地生態(tài)服務(wù)功能評估[79- 80]等方面得到了廣泛應(yīng)用。

2 粵港澳大灣區(qū)濕地遙感監(jiān)測與評估面臨的問題與挑戰(zhàn)

粵港澳大灣區(qū)地處高溫多雨的華南沿海地區(qū),由于我國東部華夏構(gòu)造與華南岸線走向交錯(cuò),區(qū)內(nèi)沿海峽灣發(fā)育,加上珠江口海陸交互頻繁,發(fā)育了類型豐富、分布廣泛、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的濕地生態(tài)系統(tǒng)。2000多年的三角洲農(nóng)耕歷史,特別是近40年來,導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)濕地資源受人類活動(dòng)干擾脅迫日益加劇,迫切需要對大灣區(qū)濕地資源開展系統(tǒng)性、全局性調(diào)查監(jiān)測與生態(tài)資產(chǎn)評估。

截止2015 年底,大灣區(qū)濕地面積8650 km2,占全區(qū)面積的15.45%,是大灣區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和支撐平臺(tái)。然而,近40 年來工業(yè)化與城市化高速推進(jìn),高強(qiáng)度人類活動(dòng)干擾不斷影響濕地生態(tài)系統(tǒng),導(dǎo)致濕地面積持續(xù)減少,內(nèi)部景觀破碎化嚴(yán)重,濕地生境質(zhì)量惡化,濕地生態(tài)服務(wù)功能和資源供給能力不斷下降[81]?；浉郯拇鬄硡^(qū)濕地遙感研究與應(yīng)用起步于20世紀(jì)90年代中期[82],不同研究的采用的數(shù)據(jù)精度及分類體系差異較大。數(shù)據(jù)源以光學(xué)遙感為主,研究興趣集中在濕地資源概況調(diào)查、分類及動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測,包含紅樹林、海岸帶、基塘等特色濕地資源的提取、統(tǒng)計(jì)及變遷研究也較為常見,但水文生態(tài)參數(shù)、生物量、溫室氣體通量等反應(yīng)濕地功能的關(guān)鍵指標(biāo)反演尚未得到關(guān)注,高分影像、高光譜影像、雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)支持下的濕地監(jiān)測非常少見,新方法、新技術(shù)、新理論體系支持下的粵港澳大灣區(qū)濕地遙感亟需開展?；浉郯拇鬄硡^(qū)濕地遙感監(jiān)測與評估存在以下四個(gè)方面的問題與挑戰(zhàn)：(1)濕地類型多樣,斑塊破碎,分布范圍廣、生物多樣性復(fù)雜、潮汐變化差異大。受人類活動(dòng)與地質(zhì)地貌因素的綜合作用,粵港澳大灣區(qū)內(nèi)濕地類型有十余種,包含城市內(nèi)部坑塘、沙灣濕地、溪澗濕地、紅樹林、近岸水體等,濕地內(nèi)植被類型豐富,受制于光學(xué)遙感的光譜分辨率,濕地內(nèi)不同類型植被的遙感波譜反射率較為接近,使得濕地內(nèi)植被高精度制圖成為濕地研究的難點(diǎn)之一[83- 88]。(2)粵港澳大灣區(qū)多云多雨,光學(xué)影像成像比例低,質(zhì)量差,無法形成長時(shí)間的光學(xué)原始影像數(shù)據(jù)集。4- 9月為粵港澳大灣區(qū)的主汛期,此時(shí)段內(nèi)受降雨量的影像,濕地水文特征變化劇烈,但由于此時(shí)段遙感影像可利用率低,無法實(shí)現(xiàn)濕地水文生態(tài)特征的有效監(jiān)測。此外,不同濕地遙感產(chǎn)品的濕地定義不同,源數(shù)據(jù)存在時(shí)間、空間、光譜分辨率的差異,且濕地反演方法也不盡相同,因此不能簡單的將不同濕地遙感產(chǎn)品進(jìn)行時(shí)間序列分析,需要重構(gòu)一套具有數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)一致、時(shí)空特征一致的濕地長時(shí)間序列數(shù)據(jù)集[89- 90]；(3)遙感反演結(jié)果與地面實(shí)測數(shù)據(jù)不匹配,以歸一化植被指數(shù)為例,光學(xué)遙感反演的歸一化植被指數(shù)只能反映濕地植被冠層的屬性特征,但濕地植被是由喬木、灌木、草本植物組成的生態(tài)系統(tǒng),冠層植被信息無法真實(shí)表征生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)狀,但現(xiàn)有濕地缺乏地面監(jiān)測站,因而無法利用地面監(jiān)測數(shù)據(jù)對遙感反演結(jié)果進(jìn)行校正[91- 92]。(4)在新的自然資源綜合管理體系中,無法實(shí)現(xiàn)濕地管理在國土、林業(yè)、農(nóng)業(yè)與環(huán)保部門中的有效銜接,不同職能屬性部門,其所開展的遙感監(jiān)測工作側(cè)重點(diǎn)不同,導(dǎo)致不同部門間缺乏項(xiàng)目任務(wù)的協(xié)同性與整體性。且其遙感監(jiān)測結(jié)果往往只反映濕地面積、結(jié)構(gòu)及生態(tài)參數(shù),對濕地生態(tài)服務(wù)價(jià)值、生態(tài)資產(chǎn)價(jià)值等挖掘不夠深入。

圖1 粵港澳大灣區(qū)主要濕地類型Fig.1 Major wetland types in Guangdong-Hong Kong- Macau Greater Bay Area

3 粵港澳大灣區(qū)濕地遙感監(jiān)測與評估發(fā)展趨勢與展望

3.1 理論層面：構(gòu)建大灣區(qū)濕地分類系統(tǒng),完善復(fù)雜地區(qū)濕地“調(diào)查-監(jiān)測-評估”體系

濕地分類是濕地科學(xué)理論的核心問題,標(biāo)志著濕地科學(xué)的發(fā)展水平,科學(xué)合理的濕地分類是濕地監(jiān)測與評估的基礎(chǔ)[93- 95]。目前我國傳統(tǒng)濕地分類系統(tǒng)存在分類過粗、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、多體系并存等問題。同時(shí),很多濱海濕地尚未納入土地利用分類系統(tǒng),導(dǎo)致現(xiàn)有濕地分類體系向上難以與土地利用分類系統(tǒng)銜接,向下難以指導(dǎo)具體類型導(dǎo)向的濕地管理、保育與修復(fù)等工作,難以同國際濕地分類系統(tǒng)接軌,同時(shí)存在不同行業(yè)濕地規(guī)范兼容性較差等問題?；浉郯拇鬄硡^(qū)濕地類型豐富結(jié)構(gòu)復(fù)雜,涵蓋了包括近海濕地與內(nèi)陸濕地、自然濕地與人工濕地框架下的幾乎所有的濕地類型。因此,針對多源數(shù)據(jù)建立統(tǒng)一定性與定量相結(jié)合的濕地分類系統(tǒng),創(chuàng)建濕地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及完善的共享機(jī)制,并在此基礎(chǔ)上架構(gòu)大灣區(qū)濕地分類與編碼的標(biāo)準(zhǔn)體系,是粵港澳大灣區(qū)濕地遙感監(jiān)測與評估的重要理論方向。

粵港澳大灣區(qū)濕地分布廣泛種類多樣功能復(fù)雜,傳統(tǒng)的遙感技術(shù)在濕地種類劃分、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、環(huán)境因素等信息獲取方面作用不足,需結(jié)合濕地野外調(diào)查及新型遙感數(shù)據(jù)源獲取環(huán)境因子、生物組成、生態(tài)監(jiān)測等信息。完善濕地“調(diào)查-監(jiān)測-評估”體系,建立濕地?cái)?shù)據(jù)庫,深入挖掘濕地的信息,判斷濕地的價(jià)值與重要性,識別其受到威脅程度,科學(xué)評估其生態(tài)承載力,是實(shí)現(xiàn)濕地生態(tài)保護(hù)與資源可持續(xù)利用的基礎(chǔ),也是制定濕地保護(hù)、管理策略的重要依據(jù)。

粵港澳大灣區(qū)岸線曲折峽灣眾多,人類活動(dòng)廣泛而強(qiáng)烈。區(qū)內(nèi)濕地在地形地貌多樣、水熱豐沛等自然條件下,疊加了明顯的人為活動(dòng)痕跡,近海岸地區(qū)人工岸線綿長且發(fā)育了眾多生境極為豐富的濱海濕地,內(nèi)陸濕地則多見桑基魚塘及城市小水體等形貌規(guī)則的人工濕地。濱海濕地具有更高的多樣性、復(fù)雜性、破碎性、敏感性及生態(tài)服務(wù)能力,較難確定統(tǒng)一的光譜特征與解譯標(biāo)志,給信息提取造成很大困難,而人工濕地雖然在監(jiān)測準(zhǔn)確度上優(yōu)勢較大,但在水文生態(tài)過程、生境多樣性及生態(tài)服務(wù)價(jià)值等方面退化更為嚴(yán)重。因此,針對高度敏感的濱海濕地資源類型,建立典型濱海濕地監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、資源信息系統(tǒng)及災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng),捕捉岸線及峽灣時(shí)空軌跡,實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的濱海濕地調(diào)查監(jiān)測規(guī)程,實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測濱海濕地變化是粵港澳大灣區(qū)濱海濕地監(jiān)測重要內(nèi)容。而針對人工濕地資源,刻畫人工濕地的時(shí)空變遷,結(jié)合地面觀測站點(diǎn)及野外勘測數(shù)據(jù),監(jiān)測人工濕地的生態(tài)要素及服務(wù)價(jià)值變遷,優(yōu)化人工濕地的蓄滯洪水、污染凈化、環(huán)境優(yōu)化等服務(wù)效應(yīng),是大灣區(qū)人工濕地監(jiān)測的另一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容。

3.2 技術(shù)層面：多源數(shù)據(jù)融合,信息深度挖掘

受粵港澳大灣區(qū)多云多雨的天氣特征所限,區(qū)域內(nèi)傳統(tǒng)遙感影像的高質(zhì)量、高時(shí)空分辨率的影像數(shù)量較少,亟需新型遙感數(shù)據(jù)源的補(bǔ)充。低空無人機(jī)遙感、地面?zhèn)鞲芯W(wǎng)監(jiān)測、移動(dòng)機(jī)器人監(jiān)測及人工野外勘測無論是在濕地淹沒范圍、淹沒頻率,還是在濕地植被豐度、覆蓋度等方面的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性均較高,是航空遙感數(shù)據(jù)的重要補(bǔ)充?？仗斓匾惑w化的多角度、全方位、全時(shí)段的監(jiān)測技術(shù)融合,集合不同數(shù)據(jù)源的優(yōu)勢兼顧影像的時(shí)間分辨率、空間分辨率及光譜分辨率,多模態(tài)挖掘濕地特征將極大的改進(jìn)粵港澳大灣區(qū)濕地綜合監(jiān)測的時(shí)空精度及準(zhǔn)確度。

航天航空遙感在影像覆蓋度與獲取效率方面具有天然的優(yōu)勢,然而影像解譯過程的自動(dòng)化程度相對較低,且對復(fù)雜地表監(jiān)測結(jié)果較為粗糙,嚴(yán)重制約著其在濕地動(dòng)態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用。互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等的高速發(fā)展和應(yīng)用將著力緩解大灣區(qū)濕地監(jiān)測在數(shù)據(jù)處理、信息提取、傳輸服務(wù)等方面能力不足的問題。因此,集成多源數(shù)據(jù),建立空天地濕地觀測傳感網(wǎng),實(shí)現(xiàn)多傳感器資源耦合,最終實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)平臺(tái)耦合、實(shí)時(shí)互動(dòng)、同化融合、智能感知及多層級服務(wù),將是粵港澳大灣區(qū)濕地遙感與監(jiān)測的重要技術(shù)開拓方向?；浉郯拇鬄硡^(qū)濕地監(jiān)測最終將走向空天地協(xié)同化多傳感監(jiān)測和多數(shù)據(jù)融合智能監(jiān)測方向發(fā)展。

3.3 應(yīng)用層面：從調(diào)查監(jiān)測邁向資源動(dòng)態(tài)監(jiān)控與演變機(jī)制分析

傳統(tǒng)的濕地遙感監(jiān)測與評估,注重濕地資源數(shù)量監(jiān)測與時(shí)空分布動(dòng)態(tài)追蹤,對于關(guān)鍵水文參數(shù)、濕地生態(tài)水文過程缺乏關(guān)注[96- 98]。遙感監(jiān)測及資源調(diào)查揭示了全球范圍內(nèi)濕地不斷萎縮、生境持續(xù)退化、生物多樣性銳減的趨勢[99- 100],然而由于濕地水文過程、生態(tài)過程及土壤過程的定量監(jiān)控與反演的缺失,導(dǎo)致對于濕地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、服務(wù)價(jià)值及其對外界干擾的響應(yīng)機(jī)理沒有明確的結(jié)論。長期動(dòng)態(tài)監(jiān)測濕地生態(tài)系統(tǒng)的水文與生物格局、過程的耦合特征及其相互作用,結(jié)合大數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)字模擬技術(shù),定量揭示多空間尺度下濕地退化的驅(qū)動(dòng)因子、動(dòng)力及效應(yīng),建立“過程-功能”反饋指示體系,厘清粵港澳大灣區(qū)濕地變化規(guī)律,并提出問題導(dǎo)向的響應(yīng)機(jī)制與解決方案,對當(dāng)前亟需開展的濕地生態(tài)修復(fù)與保育工作具有重要的指導(dǎo)意義。因此,未來粵港澳大灣區(qū)濕地遙感監(jiān)測應(yīng)由傳統(tǒng)的“邊界-要素-格局”分析,轉(zhuǎn)向“水文-土壤-生態(tài)”過程監(jiān)控,并深化濕地時(shí)空動(dòng)態(tài)及功能演變的機(jī)理剖析。其實(shí)，逐步實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)庫的濕地動(dòng)態(tài)管理。通過對濕地?cái)?shù)據(jù)庫的分析,掌握廣東省濕地資源現(xiàn)狀和動(dòng)態(tài)變化趨勢,為濕地生態(tài)紅線管控、自然資源資產(chǎn)負(fù)債表、自然資源資產(chǎn)領(lǐng)導(dǎo)干部離任審計(jì)、資源有償使用和生態(tài)補(bǔ)償?shù)忍峁┗A(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)服務(wù),更好地發(fā)揮濕地在維護(hù)生態(tài)平衡、維持生物多樣性中的重要作用。再次，加強(qiáng)科學(xué)研究，全面開展?jié)竦刭Y源及其變遷的過程、規(guī)律、機(jī)理研究，探索濕地生態(tài)資產(chǎn)核算方法。長期的監(jiān)測有助于揭示濕地功能與價(jià)值變化趨勢及成因,評價(jià)濕地保護(hù)管理工作的成果；掌握外來干擾因素影響下濕地資源消長、關(guān)鍵生態(tài)過程及濕地功能價(jià)值的演變規(guī)律,有助于進(jìn)一步完善濕地保護(hù)方案及修復(fù)手段。

3.4 管理層面：陸海統(tǒng)籌的濕地區(qū)劃與綜合管治

圖2 粵港澳大灣區(qū)濕地遙感監(jiān)測技術(shù)框架Fig.2 Technical framework of wetland remote sensing monitoring and assessment in Guangdong-Hong Kong-Macau Greater Bay Area

粵港澳大灣區(qū)濕地受到強(qiáng)烈的氣候變化與人類活動(dòng)干擾,是近幾十年時(shí)空變異最為劇烈的用地類型,其面臨的壓力主要有三：(1)原位壓力,如變化環(huán)境及其引起的生態(tài)環(huán)境退化、生態(tài)系統(tǒng)喪失；(2)陸源壓力,如泥沙輸入減少,營養(yǎng)鹽與污染物超負(fù)荷運(yùn)移；(3)海源壓力,如海平面上升與風(fēng)暴潮頻發(fā)等。粵港澳大灣區(qū)不同空間分布及時(shí)空視角下的“內(nèi)陸-海岸-海灣-近?！睗竦鼐哂忻黠@的壓力來源及組合差異,在濕地監(jiān)測及區(qū)劃與管理工作中,應(yīng)依據(jù)陸海統(tǒng)籌的原則,監(jiān)測陸源輸入,預(yù)測海源入侵,評估原位壓力,明確不同區(qū)位與時(shí)段條件下的濕地工作重點(diǎn)。同時(shí),受周期性或階段性淹沒影響,濕地在水文過程與生態(tài)過程方面具有明顯的“地表-地下-地上”分異與強(qiáng)烈的時(shí)間變化,多層次環(huán)境界面之間的水分、物質(zhì)、能量的交互傳輸與轉(zhuǎn)移是影響濕地生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的重要機(jī)制[101- 102]。因此,濕地監(jiān)測、區(qū)劃與管理工作中必須摒棄傳統(tǒng)以植被景觀主導(dǎo)的方式,采取“地表-地下-地上”多界面區(qū)劃理念。

3.5 科學(xué)層面：多學(xué)科、跨區(qū)域、跨行業(yè)協(xié)作

濕地是極為復(fù)雜的過渡生態(tài)系統(tǒng),空天地一體化的遙感監(jiān)測技術(shù)是快速收集濕地?cái)?shù)據(jù)的重要手段,需要地理學(xué)、水文學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、資源科學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科協(xié)同,推進(jìn)科研、環(huán)保、物聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)的互聯(lián)互通,實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的濕地監(jiān)測、模擬或預(yù)警,推進(jìn)信息共享與數(shù)據(jù)互鑒,并最終構(gòu)建粵港澳大灣區(qū)濕地大數(shù)據(jù)庫及智能服務(wù)平臺(tái)。隨著“灣區(qū)經(jīng)濟(jì)”、“海洋經(jīng)濟(jì)”的推進(jìn),粵港澳大灣區(qū)濕地面臨更加嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境挑戰(zhàn),加強(qiáng)國際與區(qū)域合作,融入國際未來地球海岸計(jì)劃、濕地國際等全球框架下的濕地保護(hù)與恢復(fù)工作,發(fā)揮粵港澳大灣區(qū)濕地的生態(tài)安全屏障作用,有力支撐粵港澳大灣區(qū)乃至全國的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

粵港澳大灣區(qū)建設(shè)已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略,構(gòu)建大灣區(qū)生態(tài)安全保障體系是推進(jìn)實(shí)施這一戰(zhàn)略的重要前提,濕地資源又是其中最為重要的物質(zhì)基礎(chǔ)之一?！痘浉郯拇鬄硡^(qū)發(fā)展規(guī)劃綱要》中提出的加強(qiáng)濕地保護(hù)修復(fù),全面保護(hù)區(qū)域內(nèi)國際和國家級重要濕地,開展濱海濕地跨境聯(lián)合保護(hù)的工作部署對區(qū)內(nèi)濕地遙感監(jiān)測與評估保護(hù)提出了新的需求。受灣區(qū)內(nèi)自然條件復(fù)雜、濕地資源破碎及遙感影像利用率低等因素限制，粵港澳大灣區(qū)濕地遙感研究仍缺乏系統(tǒng)性與全局性，亟需建立基于空天地一體化的濕地資源綜合監(jiān)測與評估體系,探索“時(shí)-空-譜”數(shù)據(jù)的一體化融合方法體系,開發(fā)多源數(shù)據(jù)融合、信息自動(dòng)提取與大數(shù)據(jù)深度挖掘技術(shù)體系發(fā)展對地觀測傳感網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字模型的多參數(shù)聯(lián)合同化系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)互動(dòng)、同化融合、智能感知及多層級服務(wù),系統(tǒng)揭示粵港澳大灣區(qū)濕地時(shí)空動(dòng)態(tài)變遷與格局演變,聚焦?jié)竦厣鷳B(tài)水文過程及動(dòng)力機(jī)制,探究濕地退化的機(jī)理分析與主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)因素識別,多學(xué)科多行業(yè)協(xié)同作業(yè)推進(jìn)濕地多層級區(qū)劃與管育為粵港澳大灣區(qū)濕地生態(tài)資源的保護(hù)與恢復(fù)提供保障,服務(wù)國家戰(zhàn)略需求與區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,實(shí)現(xiàn)灣區(qū)數(shù)字化、智能化與生態(tài)化發(fā)展。