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湿地动态地理空间分析：南非伊森曼加利湿地的湿地枯竭和生物多样性保护

摘要

南非夸祖卢-纳塔尔省的伊森曼加利湿地（IW）有多种湿地，为相当数量的人、自然物种栖息地和旅游利益提供了宝贵的生态系统服务。湿地具有划时代的意义，为野生动物提供繁殖和滋养区域，为海洋生物提供庇护和保护。与任何自然栖息地一样，湿地在支持物种多样性和提供气候调节因素方面都很重要。本研究旨在利用遥感和地理信息系统的方法，对1987年至2017年期间湿地的空间格局、潜在决定因素及湿地耗竭的影响进行评价。由美国地质勘探局(USGS)于1987年、1997年、2007年和Landsat 8号热红外传感器(TIRS)和Landsat 8热红外传感器(OLI)图像采集的Landsat Thematic Mapper (TM)图像，使用ArcGIS 10.2进行了分析。在1987年到2017年之间的归一化差异水指数(NDWI)分析成功地揭示了水资源的显著枯竭，这可能是自然或人类活动的结果，可能包括气候变化、建筑面积和农业活动。在1987年和2017年，研究结果表明，湿地的面积分别为655.416 Km2和429.489 Km2，这表明在该地区的研究期间，IW发生了显著的变化。此外，在1987年和2017年，面积从2149.911 Km2增加到2375.838 Km2，其他地貌(植被、建筑物、开放地表和岩石表面)面积从2149.911 Km2增加到2375.838 Km2。总分类精度为97.55%，Kappa系数为0.941。这种湿地的耗竭可能会对包括人类和动物在内的生物多样性产生重大影响，同时也会削弱其世界遗产的地位。因此，这种自然的馈赠需要为湿地动物创造适宜居住的环境，以缓和当地气候，并通过减少洪水灾害和保持该地区的有效水量和质量来保护人类的健康。

1.介绍

遥感信息包括派生的植被指数和生物物理结果具有重要的偏好，尤其是高时间分辨率的测量，广泛的范围和简单的可访问性，用于观察和评价自然景观和陆地环境的时间模式。卫星信息(特别是陆地卫星图像)作为陆地表面的多时间分析的一个基本来源，已经被几个研究人员用来监测重要的生物群落和陆地表面性质，绘制土地覆盖模式并研究它们之间的差异。自然景观的持续衰退，加速自然资源的灭绝，气候变化的影响以及拯救生物多样性的困难似乎逐渐无法撼动了。评估和监测自然景观、生境转变、物种灭绝和动物、植物种群和湿地耗竭的减少，必须采取引人注目的行动。

湿地可以归属于陆地和海洋生态系统之间的中间地带，那里的地下水位通常靠近地表，或者是被浅水覆盖的陆地区域。全球湿地的重要性正逐渐得到人们的关注，因为它们以不同的方式增加了健康和可爱的环境。湿地在干旱时期保持较高的水位，因此保持了高水位和适度的稳定。更重要的是，湿地在洪水的发生过程中起着至关重要的作用，它在减缓洪水和捕获悬浮固体和相关营养物质方面起着至关重要的作用。通过湿地的方式，河流向湖泊流动，将比直接流入湖泊和许多湖泊生物(如浮游植物和鱼类)更少地向湖泊输送固体营养物质。此外，湿地是野生动物的养殖和喂养区域，为海洋生物提供庇护和保护。同样地，在每一个自然栖息地，湿地对于保护物种多样性至关重要。湿地也为娱乐和旅游创造了一个环境，从而促进了一个特定地区的经济发展。因此，由于城市化或其他因素导致的湿地系统的消失，通常会导致海洋动物的灭绝和水质恶化。大部分的湿地动物都生活在不经常变化的地方。在人类治理的景观中保护最小的湿地密度对于保护这些动物和其他湿地环境的好处是至关重要的。

自然景观的消失和生物多样性的保护创造了一个与湿地有关的丰富的生物群。湿地通常发生在陆地环境的不连续斑块中，这样，大多数当地的湿地物种都是小而分散的，有时会面临灭绝。然而，由于人为活动和自然原因导致的湿地耗竭和灭绝，都需要不断的空间评估和限制，这是必须的。因此，本研究旨在评价湿地的空间格局，特别是利用遥感和GIS技术，在1987年至2017年期间，利用遥感和GIS技术，对湿地的潜在决定因素和湿地耗竭的影响。由于需要保护IW的全球和生态意义。

研究领域和研究方法

伊森曼加利索湿地（IW）位于南非夸祖卢-纳塔尔东部海岸线，位于德班北部约275公里处。IW定位为南非第三大安全地带，全长280公里，从北部的莫桑比克边缘到圣卢西亚湖河口南部的马普伦，由伊西马加利亚政府的授权，由约3280平方公里的自然生物群落组成。IW公园曾被称为更大的圣卢西亚湿地公园，但在2007年11月，它被更名为'伊西马加利亚湿地公园'

由于丰富的生物多样性、突出的环境和自然的放大现象，IW公园被宣布为世界遗产。这一地区巨大的适宜品种的原因是公园里巨大的无价值的生态系统，从珊瑚礁和沙质海岸线延伸到亚热带的上升林地、热带稀树草原和湿地。公园里的生物包括非洲豹、非洲狮、大象、南方白犀牛、黑犀牛、野牛和海里的动物;海豚、鲸鱼和海龟包括红海龟和棱皮龟(Nel et al.， 2012)。由于其价值和生态效益，该公园为800多只河马和1200条尼罗河鳄鱼提供了庇护所。图1显示了南非夸祖鲁-纳塔尔省的IW地图。

为确定IW湿地耗竭的变化趋势，采用了卫星图像。这些图像是在1987年到2017年间从美国地质调查局(USGS)数据库中免费获得的，其研究区域如表1所示。

Fig. 1. Location of Isimangaliso, KwaZulu Natal Province, South Africa.

表1

图像处理

在本研究中，利用最大似然分类方法从USGS数据库中获取IW图像。本文分析的图像有四段，分别是1987年、1997年、2007年和2017年的图像数据。所选图像质量均低于10%。表1所示的信息显示了该研究使用的IW图像的规格，并利用ArcGIS 10.2对图像进行了逐月的成像，以及与不同ima- geries的路径和行相对应的年份。操作土地Ima- ger (OLI)图像由近红外波段、短波红外波段、可见光波段、热红外波段(TIR)组成，它们存在于TM图像中(1987年，1997年，2007年图像)。TIRS波段也是热红外波段，与TIR波段相比，分辨率更高(2017年图像)。

结果和讨论

4.1。数字高程模型和IW的标准化差水指数

4.4.1。数字高程模型

当前密集空间监测信息战条件三十年(1987年至2017年)显示多年来发生的翻天覆地的变化,这可能也是值得考虑的其他特性的敏感湿地灭绝由于水文现象(图2),这些特性包括流方向,希尔阴影和流动方面,也可能造成或中扮演着至关重要的角色的当前状态IW湿地(锥和范德坎普,2001)。图2中所示的信息显示，在湿地区域，坡度值最高，约为180 m3/s。研究表明，坡度和其他水文特征可以决定湿地的储存，这可能会导致湿地面积的减少或增加。本研究的结果也表明，湿地区域的流动方向增加约180 m3/s，这可能导致湿地的耗竭，也可能对生物多样性造成负面影响。以前的研究表明，湿地的水流方向和水的进出速率受湿地水量可用性的时间和空间变化的控制。随着距离的变化，产生一种力量，使水从高的区域移动到较低的区域。

水流长度、流向和方向等水文工具都被用来模拟水面的水流。图2中流动方面的结果显示，IW的最大值为358 m3/s，这可能影响到湿地的流动长度和方向(Worman和Kronnas, 2005)。更重要的是，这还可以决定水在一个地区的流动情况，以及该地区的变化可能会影响水的供应量。这表明了从湿地到其周围的水量最大变化的下降方向。

4.1.2。标准化差异水指数

本研究基于Campos等人(2012)的研究，对NDWI进行了分析，利用改进的归一化差异水指数。该指数已在湿地、河流、湖泊和海洋研究中得到验证和利用。该研究表明，NDWI对湿地和湿地信息的影响显著，主要集中在自然湿地。NDWI可以有效地抑制建筑、土地利用和土地景观变化等人为活动，同时描述水信息也能有效地从其他地表特征提取水体信息。NDWI可以揭示湿地水相关特征的细微特征，可以比归一化的差异植被指数(NDVI)更有效地评估，同时由于其巨大的动态数据范围(Gu et al.， 2007, 2008)，比其他可见光谱波段更好。在IW的Landsat图像中，NDWI的利用取得了显著的效果。在1987年到2017年之间的NDWI分析成功地揭示了IW地区周围水域的严重耗竭，这可能是自然或人类活动的结果，包括气候变化、建筑和农业活动(Conly和Van Der Kamp, 2001)。此外，利用该指数的优势(图3)，NDWI可以很好地代表植物水分胁迫和其他湿地生物。在1987年和1997年，研究结果表明，与其他年份相比，在湿地区域内的NDWI含量较高，这表明最近的人类活动可能在研究区域的湿地灭绝中扮演着重要的角色。它也可以被认为是在2017年的结果是最低的NDWI，这可能会对包括植物和动物在内的生物多样性产生重大影响。

Fig. 2.

5。在1987年至2017年期间，IW的湿地耗竭

这片湿地的特点是有一个或多个特殊的栖息地或生物多样性特征，这使得该地区对当地的保护工作非常重要。这些措施包括支持重要的保护物种种群;支持大量湿地相关物种;提供重要的迁徙、繁殖或饲养地点;并以异常高的自然栖息地多样性为特征。图4所示的信息显示了1987年至2017年研究区湿地的变化和格局。监测湿地的空间差异和评价其影响因素对制定合理的湿地恢复和保护生态系统生态价值的策略至关重要。

通过对卫星图像的空间分析，可以对伊西马加利亚湿地区域及其周围地区的空间差异或变化进行评价。从1987年到2017年的卫星图像的空间分析，评估了IW湿地的范围和土地特征的显著变化。湿地面积从1987年的655.416平方公里下降到2017年的429.489平方公里，大大减少了IW的规模。在1987年至2017年期间，其他土地特征分别从2149.911 km2增加到2375.838 km2(表2)，而湿地内的土地特征和水域范围的变化与流域内土地覆盖的时空变化有关。可以认为，该地区发生的变化可能是自然或人为活动的结果，例如气候条件、森林砍伐、环境不公平、城市化和水文变化。此外，流域内的土地利用变化(建筑物、开放地表和裸露地表)是影响湿地面积和程度、水资源利用和生物多样性枯竭的主要因素。更重要的是，这些变化可能会对分水岭地区的水文逻辑滑坡和其他陆地表面事件产生负面影响。所有这些原因和影响都以退化的形式和栖息地的丧失、生物多样性的变化、减少的水量和质量以及在IW中不断下降的迁徙湿地动物的数量来证明。

本研究结果表明，在研究期间，整体分类准确率较高。1987年的图像分类显示，总体准确率为96.4%，Kappa系数值为0.89,1997年的图像精度为98.63%，Kappa系数值为0.975。2007年和2017年的分类结果显示，其准确率分别为97.54和97.63%，kappa系数分别为0.9527和0.9497。

6。IW变化或耗竭的原因及其对水资源和生态系统保护的潜在影响

近年来，湿地模式发生变化的原因主要包括自然因素(如气候变化、沉积物条件差异)和人类活动(农业实践、建立、砍伐森林)。近年来，该研究区的湿地处理速度有所减缓。人为活动和环境退化会对自然湿地产生巨大影响，通过改变自然景观和各种可能对生态系统产生不利影响的人类活动。

湿地虽然可以调节流域水量和水质，同时也能处理或减少污染物，但大部分湿地都有功能退化。因此，用传统技术(如手工制图和访谈)来估计损耗的严重程度是至关重要的。因此，本研究利用遥感和GIS方法对研究区域的湿地进行了评价，以检测研究期间IW的耗竭。结果显示，在1987年至2017年期间，IW下降了225.927 km2(8%)，受grunet al.(2013)的支持，湿地面积下降11%，草地面积增加7%。这些变化可能会对该地区的生物多样性和生态系统服务产生影响。此外，研究表明，湿地受到水和空气污染物、气候变化、环境不公平以及水文变化等因素的危害。研究表明，地球上现存的湿地水文学中有相当一部分被严重破坏。虽然这样消逝的频率或幅度没有正确评估一些明显程度在非洲和其他发展中国家,正确地管理湿地生态系统是至关重要的,因为它将提供各种环境的功能和服务,以及为人类做出重大贡献在湿地健康和生计。

Fig. 3

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