基于RS和GIS的黃河口濕地景觀變化研究——以墾利縣為例

田素娟,陳為峰,田素鋒,胡金葉,張志華,侯月英

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,山東泰安 271018；2.山東省墾利縣國(guó)土資源局,山東東營(yíng) 257500；3.山東省墾利縣環(huán)境保護(hù)局,山東 東營(yíng) 257500）

景觀空間格局與動(dòng)態(tài)演變分析是景觀生態(tài)學(xué)研究的核心之一[1-3]。研究景觀格局的動(dòng)態(tài)變化有助于從無(wú)序的景觀中發(fā)現(xiàn)潛在的有序規(guī)律,揭示景觀格局與生態(tài)過程相互作用的機(jī)理,進(jìn)而對(duì)景觀變化的方向、過程和效應(yīng)進(jìn)行模擬、預(yù)測(cè)和調(diào)控,為資源和環(huán)境的合理有效利用提供重要的參考[4]。自然過程、人類活動(dòng)一直在影響著濕地景觀格局的變化發(fā)展,尤其在人口與經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)頻繁調(diào)整變化發(fā)展的當(dāng)今社會(huì),人們對(duì)濕地景觀不同的作用方式更是強(qiáng)烈得影響甚至改變濕地景觀格局的分布[5-7]。

馬爾柯夫過程較多地用于模擬和預(yù)測(cè)自然植被以及土地利用格局的變化,濕地景觀格局的動(dòng)態(tài)變化與土地利用格局的變化十分相似,因此將馬爾柯夫過程引入到濕地景觀格局分析預(yù)測(cè)中,旨在更準(zhǔn)確地分析黃河口濕地景觀變化的未來發(fā)展趨勢(shì)。研究利用1987年和2004年2個(gè)時(shí)期的衛(wèi)星影像分析了黃河口濕地景觀類型的面積變化,以期為國(guó)家級(jí)黃河三角洲新生濕地自然保護(hù)區(qū)的科學(xué)管理與保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況墾利縣隸屬于山東省東營(yíng)市,位于 37°21′～ 38°9′N,118°24′～ 119°10′E,處于黃河下游入?？诘狞S泛平原上,黃河口新生濕地生態(tài)系統(tǒng)就位于該縣區(qū)域內(nèi)。濕地總面積是153 000 hm2,是中國(guó)暖溫帶最年輕、最廣闊、保存最完整、面積最大的新生濕地生態(tài)系統(tǒng),擁有典型的河口和濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)以及豐富的生物資源,并以具有保護(hù)珍稀瀕危鳥類的功能而引起國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的高度關(guān)注。該區(qū)地處溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),四季溫差明顯,春季干旱多風(fēng),夏季炎熱濕潤(rùn),秋季天高氣爽,冬季干旱地凍,年平均氣溫11.9℃,平均日較差10.7℃,平均降水量592.2 mm,年平均蒸發(fā)量1 908.2 mm,蒸降比為3.22。土壤是在黃河沖積物上發(fā)育而成的潮土和輕重不同的鹽化潮土,表層土壤質(zhì)地為中、重壤,現(xiàn)存排灌條件一般,潛水埋深淺,潛水礦化度高,地貌為淺平洼地與微斜平地。全縣轄5個(gè)鎮(zhèn)、2個(gè)鄉(xiāng)和2個(gè)辦事處,332個(gè)村,21.24萬(wàn)人,總面積2 204.00 km2。

1.2 研究方法研究所采用的數(shù)據(jù)為黃河口濕地（東營(yíng)市墾利縣）1987年5月7日和2004年11月2日獲取的分辨率為30 m的渤海灣幅TM遙感數(shù)字圖像,并收集了1987年和2004年的土地利用現(xiàn)狀圖以及地形圖、土壤圖、地貌圖等,以輔助遙感土地利用分類。分類方法采用ISODATA（Iterative Self-Organizing Data Algorithm）——人工交互合并與修正法。該方法首先進(jìn)行非監(jiān)督分類,然后在此基礎(chǔ)上對(duì)屬于同一類別的地物像元進(jìn)行合并,對(duì)錯(cuò)分的像元進(jìn)行修正。研究過程中,使用的主要專業(yè)軟件有 ERDAS Imagine 8.0、ArcView GIS 3.2和 MapGIS 6.5,以上遙感影像及地形圖均利用ERDAS中IMPORT模塊導(dǎo)入計(jì)算機(jī),然后對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的處理（時(shí)像與波段的選擇、幾何校正、影像增強(qiáng)——去噪聲和條紋、圖像的配準(zhǔn)等）。本文主要通過分析2個(gè)時(shí)期黃河口濕地類型景觀的轉(zhuǎn)化情況,確定相應(yīng)的濕地類型之間的初始轉(zhuǎn)移概率,然后利用馬爾柯夫過程模擬研究區(qū)域的景觀動(dòng)態(tài)演變過程和預(yù)測(cè)未來的變化趨勢(shì)。

2 濕地景觀格局分析

2.1 濕地景觀類型變化的幅度區(qū)域土地利用變化的幅度主要指土地利用面積變化的幅度,首先反映在不同土地利用類型的總量變化上,通過分析其總量變化,可了解研究區(qū)土地利用變化總的態(tài)勢(shì)和區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的變化[6]。利用以上資料,對(duì)黃河口濕地景觀類型分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算,見表1。從表1中可以看出：灘涂和葦?shù)厥菈ɡh最主要的天然濕地類型。17年來該項(xiàng)目區(qū)坑塘水面、水庫(kù)水面、河流水面、旱地和建設(shè)用地面積都大幅度增加,其中旱地面積增加顯著,由1987年的 104 817.60 hm2增加到 2004年的117 765.40 hm2,17年增加了12 947.80 hm2；坑塘水面、水庫(kù)水面和河流水面分別增加了2 400.80、2 823.30和1 546.11 hm2；其他幾種類型面積都減少,其中葦?shù)睾蜑┩棵娣e分別減少3 819.90和 3 894.80 hm2。

2.2 濕地景觀類型變化的速率土地利用的動(dòng)態(tài)度可定量描述區(qū)域土地利用變化的速度,它對(duì)比較土地利用變化的區(qū)域差異和預(yù)測(cè)未來土地利用變化的趨勢(shì)都具有積極的作用[7-8]。濕地動(dòng)態(tài)變化度用以反映某類型濕地?cái)?shù)量（面積）的減少或增加、濕地類型之間轉(zhuǎn)化速度的快慢等。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

表1 1987年和2004年墾利縣濕地類型及面積

式中,S1為T時(shí)段內(nèi)某種濕地類型變化的動(dòng)態(tài)度；Ub為研究末期某濕地類型的數(shù)量；Ua為研究初期某濕地類型的數(shù)量。

而濕地變化率也可與濕地動(dòng)態(tài)變化度一樣表示某類濕地面積的增減變化和濕地類型間的轉(zhuǎn)換。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

對(duì)于研究同一區(qū)域相同兩期數(shù)據(jù)的變化而言,T值可以忽略,在忽略T值的情況下得出的結(jié)論是相同的。濕地面積的增（減）和濕地類型間的轉(zhuǎn)換可以用濕地動(dòng)態(tài)變化率來表示,S2的值越大,說明濕地面積的增（減）數(shù)量越大,濕地類型間轉(zhuǎn)化的速度越快。

1987—2004年的17年間,墾利縣天然濕地共減少了8 983.09 hm2。變化最大的是灘涂和葦?shù)?分別減少了 3 894.80和3 819.90 hm2,變化率為12.54%和18.58%；灘地減少了2 814.50 hm2,變化率為80.4%。另外河流水面減少了1 546.11 hm2,變化率為21.71%；而與天然濕地銳減成鮮明對(duì)比的是人工濕地、旱地和建設(shè)用地等的增加。鹽田由最初的174 hm2,到2004年的518.7 hm2,變化率高達(dá)198%；坑塘水面更是由最初的897.2 hm2,增加到2004年的3 298 hm2,變化率高達(dá) 267.8%；水庫(kù)水面也由最初的2 662.4 hm2增加到5 485.7 hm2,變化率高達(dá)106%。人工濕地劇增的原因是大面積鹽田的開發(fā)和坑塘水庫(kù)水面的增加。

2.3 濕地景觀類型轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移矩陣不僅可以定量說明土地利用類型之間的相互轉(zhuǎn)化情況,而且可以揭示不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)移概率,能夠很好地分析土地利用空間格局的時(shí)空變化[6]。本文在Mapgis6.5的空間分析模塊中,將1987年和 2004年兩期濕地景觀分布圖進(jìn)行疊加,在屬性管理模塊中,通過屬性輸出功能,在景觀疊加圖和Excel文件之間建立連接,將疊加分析的結(jié)果輸出到Excel表中,利用Excel的統(tǒng)計(jì)功能得出1987-2004年17年間,墾利濕地景觀新增斑塊的分布狀況及景觀間的轉(zhuǎn)移矩陣。

由表2可以看出,在1987-2004年17年間,非濕地向濕地轉(zhuǎn)化的主要是旱地、建設(shè)用地,轉(zhuǎn)化總面積為17 920.9 hm2。其中旱地轉(zhuǎn)化為灘涂為2 664.6 hm2,而轉(zhuǎn)化為人工濕地面積共13 005.1hm2。其他用途地類轉(zhuǎn)化為灌溉水田為1 183.2 hm2。濕地總面積有較大幅度減少,其中以天然濕地為主,減少8 983.09 hm2,而人工濕地面積有所增加。天然濕地轉(zhuǎn)化為人工濕地的總面積為878.29 hm2。其中灘涂減少最多,共 3 894.80 hm2,占初始面積的27.31%。

表2 1987—2004年墾利縣濕地轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

3 濕地景觀格局預(yù)測(cè)分析

3.1 馬爾柯夫模型馬爾柯夫過程是一種特殊的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)過程,一個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在T+1時(shí)刻的狀態(tài)和T時(shí)刻的狀態(tài)有關(guān),而和以前的狀態(tài)無(wú)關(guān),這一點(diǎn)用于濕地景觀格局變化的預(yù)測(cè)是適合的,成功地應(yīng)用馬氏模型的關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)移概率的確定[9-15]。

本研究以年為單位,把濕地的類型變化分解成一系列離散過程,根據(jù)各類型的年均轉(zhuǎn)化率來確定單元轉(zhuǎn)移概率,把河流水面轉(zhuǎn)移為其他類型地類的轉(zhuǎn)移概率作為第1行,把葦?shù)剞D(zhuǎn)化為其他類型地類的轉(zhuǎn)移概率作為第2行,以此類推,建立一個(gè)濕地地類轉(zhuǎn)移概率矩陣,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

3.2 濕地景觀變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)通過1987-2004年濕地景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣,求出各地類型面積平均轉(zhuǎn)化情況,再由平均轉(zhuǎn)化情況算出濕地初始狀態(tài)各景觀類型的轉(zhuǎn)移概率矩陣（步長(zhǎng)1年）（表3）。

表3 墾利縣濕地初始狀態(tài)地類轉(zhuǎn)移概率矩陣 %

根據(jù)馬爾柯夫隨機(jī)過程的理論,其第n期的轉(zhuǎn)移概率為：

式中,d表示所得轉(zhuǎn)移概率矩陣行列數(shù),而第n期的轉(zhuǎn)移概率矩陣等于初始狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率矩陣的n次方,依次相推可計(jì)算出第2期、第 3期、…、第n期的轉(zhuǎn)移概率矩陣P（1）、P（2）、…、P（n）。根據(jù)初始狀態(tài)面積矩陣A（0）和第1期的轉(zhuǎn)移概率P,即：

同理,第n期末的面積矩陣公式為：

現(xiàn)從1987年經(jīng)過23年來預(yù)測(cè)2010年墾利縣濕地各地類面積。首先通過初始狀態(tài)矩陣算出1987—2010年的地類轉(zhuǎn)移概率矩陣（表4）,然后利用公式（1）得出2010年的墾利縣濕地內(nèi)各景觀類型的面積。

表4 1987—2010年墾利縣濕地轉(zhuǎn)移概率矩陣 %

濕地的各種地類景觀在人類的長(zhǎng)期作用下,最終會(huì)達(dá)到各種景觀所占的比例與它們的初始狀態(tài)無(wú)關(guān),即轉(zhuǎn)移概率達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

limPij（n）=aj,其中aj的值可以通過解馬爾柯夫過程穩(wěn)定方程組獲取[16-18]：

表5為各種地類景觀在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)所占的面積比例。

表5 濕地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)各地類景觀的面積及所占比例

3.3濕地景觀格局變化分析計(jì)算結(jié)果表明,至2010年,濕地總面積仍在減少,尤其是天然濕地,其中河流水面、葦?shù)?、灘涂和灘?較 1987年分別減少2 739.72,17 392.56,23 816.28和3 271.57 hm2。人工濕地總面積也有所減少,但水庫(kù)水面面積卻增加10 074.80 hm2。相比濕地,非濕地面積都有大幅度增加,其中建設(shè)用地23年來增加7 336.36 hm2,而旱地面積更是增加了45 231.90 hm2。利用馬氏過程模型,可以得到黃河口濕地2010年以后的濕地景觀變化趨勢(shì)：1）河流水面、葦?shù)?、灘涂和灘地減少；2）水庫(kù)水面、非濕地面積、建設(shè)用地和旱地都明顯增加。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)（表5）,天然濕地面積僅存15 029.47 hm2,只占研究區(qū)總面積的6.8%；而人工濕地的面積為42 257.9 hm2,其面積將占研究區(qū)總面積的19.17%。圖1顯示了黃河口濕地中的13種不同類型的景觀格局在1987年、2010年以及土地利用格局達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期的面積變化發(fā)展趨勢(shì)。

圖1 黃河口濕地不同時(shí)期濕地景觀類型面積比例

4 結(jié)論與討論

1）遙感影像數(shù)據(jù)和GIS技術(shù)結(jié)合,可以有效地計(jì)算濕地類型之間相互轉(zhuǎn)化的概率信息,結(jié)合應(yīng)用空間馬爾柯夫概率模型,可較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)一定時(shí)期內(nèi)濕地的變化格局。

2）應(yīng)用馬爾柯夫模型預(yù)測(cè)結(jié)果表明,2010年以后,黃河口區(qū)域濕地的景觀變化趨勢(shì)為河流水面、葦?shù)?、灘涂和灘地減少,水庫(kù)水面、非濕地面積、建設(shè)用地和旱地都明顯增加；人工濕地正逐漸取代天然濕地而成為濕地內(nèi)的優(yōu)勢(shì)景觀,濕地的人工化程度嚴(yán)重,天然濕地正在遭到破壞,應(yīng)采取措施加強(qiáng)濕地保護(hù)。

3）由于所得的資料有限,本文只對(duì)1987-2004年一個(gè)時(shí)段的濕地景觀類型變化進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析,如有可能,應(yīng)對(duì)幾個(gè)時(shí)段同時(shí)進(jìn)行對(duì)比分析,通過GIS技術(shù)繪制出濕地景觀類型變化信息圖譜。

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