一种沿海湿地稳定性的多十年尺度指标：基于 Landsat 的非植被与植被比率（UVVR）版本 2 的开发，涵盖 1985-2022 年

《Remote Sensing Applications: Society and Environment》：A multidecadal metric of coastal wetland stability: development of the Landsat-based UnVegetated-to-Vegetated Ratio (UVVR) version 2 spanning 1985-2022

　　

摘要

非植被化与植被化比值（UVVR）是湿地状况的一项既定指标，能够识别具有高植被比例覆盖的稳定湿地和易流失的低植被覆盖湿地，为沿海地区的科研和管理努力提供信息。在本研究中，我们记录了 UVVR 第 2 版（UVVR_v2）针对美国沿海本土连片区的开发和发布。UVVR_v2 源自 Landsat 第 2 集合卫星影像，提供了更高的影像一致性和地理定位精度。我们描述了 UVVR_v2 的几项更新，包括将产品记录从 2014–2018 年扩展至 1985–2022 年，以及改进了用于估算比例覆盖的光谱指数校准。我们将 UVVR_v2 和 UVVR_v1 与 MODIS 植被连续场（VCF）产品进行了验证，并表明 UVVR_v2 在大西洋、墨西哥湾和太平洋沿岸的 VCF 植被覆盖情况吻合良好，五年间 R² > 0.82 且均方根误差（RMSEs） < 0.18。相对于 UVVR_v1，UVVR_v2 显示 R² 增加 > 0.29，RMSEs 减少 > 0.12。除了指标开发之外，我们还展示了 UVVR_v2 的几个应用示例，包括多个沿海湿地的多十年代植被覆盖趋势图。我们的研究结果表明，使用 Landsat 第 2 集合影像表征湿地状况的能力有所提高，即将到来的任务（例如 Landsat Next）可能会进一步提高表征能力。总体而言，由于精度提高和记录期延长，UVVR_v2 有助于推进沿海湿地的监测和表征。

引言

沿海湿地是重要的生态系统，能减轻洪水影响、提供栖息地、吸收多余营养物，并调节气体和水生碳交换（Barbier et al. 2011; Howard et al. 2017; Mitsch and Gosselink 2007; Pendleton et al. 2012; Tzortziou et al. 2011）。因此，资源管理者、研究人员和利益相关者关注沿海湿地的状况，特别是在美国（U.S.）和全球历史湿地流失的背景下（Mitsch and Gosselink 2007）。湿地植被状况已被确立为表征湿地功能和未来稳定性的主要指标（Deegan et al. 2012; Ganju et al. 2013, 2017, 2020, 2024）。湿地植被捕获沉积物，从而保持地表高程与海平面保持一致（Kirwan et al. 2016）。湿地沉积物堆积速率受植被茎密度和生物量的组合影响（Leonard and Luther 1995; Leonard and Croft 2006）。当湿地失去植被时，沉积物捕获能力降低，随着湿地转化为泥滩和开阔水域，地表高程降低与未来植被流失之间形成正反馈（Ganju et al. 2017）。

湿地损失的生物地貌机制已得到充分确立，但在大空间和时间尺度上表征湿地状况变化的系统化方法开发有限。几项研究工作开发了绘制湿地范围的产品，包括国家湿地清单（NWI; Cowardin et al. 1979）、国家土地覆盖数据库（NLCD; Homer et al. 2020）、美国国家海洋和大气管理局沿海变化分析计划（C-CAP; National Oceanic and Atmospheric Administration, Office for Coastal Management 2024）、Mcowen 等人（2017）和 Worthington 等人（2024）的全球潮汐沼泽清单，以及全球红树林监测（Bunting et al. 2022）。然而，这些产品绘制的是湿地的存在/缺失，并未表征湿地状况。

最近，一些湿地产品已建立起来，填补了绘制与监测之间的差距，例如沿海潮汐湿地变化检测与表征算法（DECODE; Yang et al. 2022），可用于识别湿地状况变化点。由 Ganju 等人（2022）开发的 UVVR 产品使用 Landsat 影像，为美国本土连片区（CONUS）的沿海湿地提供每年像素内的植被（f_v）、裸土沉积物（f_b）和开阔水域（f_w）比例覆盖评估。UVVR 最初被开发为沉积物预算的代理指标。例如，Ganju 等人（2017）发现，具有高 UVVR 的退化湿地比具有低 UVVR 的完整湿地输出更多的悬浮沉积物。除了最初的这种相关性外，UVVR 代表了一个简单的植被稳定性指标，可以追踪失控开阔水域转化的倾向（Mariotti 2020）。UVVR 的计算公式如公式 1 所示，其中：f_b 是裸土沉积物比例覆盖，f_w 是开阔水域比例覆盖，f_v 是植被比例覆盖。UVVR = (f_b + f_w) / f_v

UVVR 的第一版（UVVR_v1）基于 Landsat 8 影像，涵盖 2014–2018 年，这限制了长期监测的潜力。对于 UVVR_v1，更长时间序列产品的开发受到早期 Landsat 5–7 数据集一致性的限制，包括数据记录中像素对齐/地理定位精度的问题。随着 Landsat 记录的第 2 集合处理的出现（Crawford et al. 2023），生产准确的多十年代湿地产品已成为可能。在本研究工作中，我们描述了基于 1985–2022 年收集的 Collection-2 Landsat 影像的 UVVR 第二版（UVVR_v2）的开发和发布。UVVR_v2 的公开发布由 Couvillion 等人（2024; https://doi.org/10.5066/P132GNMW）作为栅格数据集提供，波段顺序为 f_b、f_v、f_w 和 UVVR 比值。在这项支持数据发布的配套研究中，我们有四个主要研究目标，如下所列：

目标 1。更新和扩展 UVVR_v2 沿海湿地掩膜的范围（方法 2.1 和结果 3.1）。

目标 2。改进光谱指数校准和解混至 f_b、f_v、f_w 覆盖以及 UVVR 比值（方法 2.2-2.4 和结果 3.1）。

目标 3。使用各种独立数据集验证相对于 UVVR_v1 的 UVVR_v2（方法 2.5 和结果 3.2）。

目标 4。提供具有 UVVR_v2 的增强湿地监测能力示例，该能力现已能够进行统计稳健的时间序列分析（方法 2.6 和结果 3.3），并讨论来自像 Landsat Next 这样具有更高光谱分辨率的即将到来的卫星任务对 UVVR 的潜在增强（Wu et al. 2019）。

章节片段

更新的沿海湿地掩膜

我们扩大了 UVVR_v2 的范围，以考虑到可追溯至 1985 年的潜在湿地存在。与 UVVR 各版本共通的是，使用国家高程数据集数字高程模型（NED-DEM）（USGS 2022）来掩膜所有高于 10 米高程（NAVD88）的区域。在 10 米以下，UVVR_v2 掩膜被扩展以包括在 1992 年、2001 年、2006 年、2011 年和 2016 年 NLCD（Homer et al. 2020）以及 NOAA C-CAP 数据集中识别的湿地（美国国家海洋和大气管理局，沿海

更新的 UVVR 范围掩膜和光谱指数处理

UVVR_v2 的更新范围导致开阔水域覆盖的扩展和非水域区域的轻微扩展。图 3 提供了特拉华湾和切萨皮克湾 UVVR_v1 和 UVVR_v2 之间覆盖范围扩展的示例。UVVR_v2 中包含开阔水域区域主要归因于取消永久开阔水域的掩膜，但这对数据集来说是一个重要的更新，因为从湿地到开阔水域的转化可以使用基于面积的 UVVR 在 UVVR_v2 中更有效地追踪

UVVR_v2 的推导、精度评估和用例

在本研究中，我们描述了 UVVR_v2 的方法论更新，并使用多种验证指标证明了相对于 UVVR_v1 的 UVVR_v2 具有更高的精度。UVVR_v2 的更新光谱解混例程导致 NAIP 比例覆盖比较 RMSEs 与 UVVR_v1 相似。然而，比较 30 米 NAIP 和 UVVR 比例覆盖作为独立精度评估是有限制的。这促使我们使用 MODIS VCF 进行验证努力，结果显示更高的对比度

结论

本研究工作描述了 UVVRv2 的推导和公开发布以及 UVVR_v1 中不具备的功能。与 UVVR _v1 相比，UVVRv2 中最显著的变化是多十年代数据记录，这使得能够对沿海湿地系统进行长期监测，正如我们在 Wax Lake 三角洲湿地植被增加和 Blackwater NWR 植被流失的案例中所展示的那样。UVVR 栅格变量，包括比例覆盖波段和 UVVR 比值波段，很容易与其他

CRediT 作者贡献声明

Brady R Couvillion: 写作 – 审查与编辑，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据管理。Neil K Ganju: 写作 – 审查与编辑，验证，监督，资源，项目管理，方法论，调查，资金获取，形式分析，概念化。Zafer Defne: 写作 – 审查与编辑，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查，形式分析，数据

未引用的参考文献

Esri Inc., 2024; U.S. Geological Survey, 2022.

数据可用性

UVVR_v2 栅格产品是美国地质调查局数据发布的一部分，由 Couvillion 等人（2024）提供，可以通过以下网络链接访问：https://doi.org/10.5066/P132GNMW。

伦理声明

由于未报告患者数据，本研究免除了伦理审批。

资助

本工作得到了美国地质调查局沿海与海洋灾害/资源计划的支持。

利益冲突声明

? 作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本报告中所述工作的出现。

致谢

任何商标、公司或产品名称的使用仅用于描述目的，并不意味着美国政府的认可。

Brian T. Lamb|Brady Couvillion|Zafer Defne|Neil K. Ganju

美国地质调查局，下游密西西比河 - 墨西哥湾水资源科学中心