扎龍濕地土地覆蓋變化分析*

張玉紅，于萬(wàn)輝

(哈爾濱師范大學(xué))

扎龍濕地土地覆蓋變化分析*

張玉紅，于萬(wàn)輝

(哈爾濱師范大學(xué))

利用遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù)分析1979—2006年間的一系列衛(wèi)星影像，研究了扎龍濕地土地覆蓋的數(shù)量變化，速度變化，趨勢(shì)變化及引起這些變化的水的空間分布的變化.

土地覆蓋;變化;GIS;RS;扎龍;濕地

0 引言

作為L(zhǎng)UCC的主要研究?jī)?nèi)容之一 (Li Xiubin，1996)，土地覆蓋變化在近些年被研究的越來(lái)越多.人類(lèi)活動(dòng)對(duì)土地覆蓋產(chǎn)生劇烈的影響并引起景觀格局的巨大變化.土地覆蓋在時(shí)間上的空間格局的變化被認(rèn)為是理解景觀動(dòng)態(tài)及其結(jié)果的一個(gè)至關(guān)重要的因素 (Turner M.G.et.al，1988).濕地是最重要的生態(tài)系統(tǒng)之一，有著豐富的生物多樣性(Balla S.，1994).為了濕地的重建和生態(tài)功能的恢復(fù)，就需要更好的理解濕地的這種變化，包括土地覆蓋和景觀格局的變化和引起這種變化的原因.地理信息系統(tǒng)技術(shù)和遙感技術(shù)的結(jié)合為分析景觀變化提供了一種理想的分析工具(O’Neill R V，1999).作為國(guó)際知名的重要生態(tài)濕地，扎龍濕地近幾十年來(lái)發(fā)生變化顯著.通過(guò)對(duì)濕地多年的土地覆蓋和景觀變化監(jiān)測(cè)，分析了濕地景觀的土地覆蓋的動(dòng)態(tài)和趨勢(shì)，以便為濕地保護(hù)提供基本的指導(dǎo)和管理信息.

圖1 扎龍濕地位置示意圖

1 研究區(qū)與方法

1.1 研究區(qū)

扎龍濕地位于中國(guó)東北部松嫩平原的西部，地理坐標(biāo)為123°51.5' ～124°37.5'E，46°48'～47°31.5'N(圖1).扎龍是松嫩平原上最大的濕地，占地面積約2 100 km2，南北長(zhǎng)65 km，東西寬37 km.扎龍?jiān)悄劢墓藕拥?，現(xiàn)在由烏裕爾河和雙陽(yáng)河的末端，形成的以蘆葦沼澤為主的內(nèi)陸濕地.區(qū)域內(nèi)土地覆蓋類(lèi)型主要包括明水泡沼、河道、以蘆葦和苔草為優(yōu)勢(shì)的蘆葦沼澤、草甸、草甸草原和農(nóng)田.濕地為丹頂鶴及其他多種水鳥(niǎo)提供了繁殖棲息地，也是東亞遷徙路線中的一個(gè)重要停歇地.隨著區(qū)域發(fā)展的需要，人類(lèi)活動(dòng)增加對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)的影響越來(lái)越大.

1.2 方法

1.2.1 數(shù)據(jù)采集、處理和分類(lèi)

根據(jù)扎龍濕地的植被、水和土地利用、土地覆蓋等特征，以及過(guò)去對(duì)濕地的研究，把扎龍濕地分成了兩個(gè)等級(jí)19個(gè)類(lèi)型(表1).在該研究中，為了能更清晰地區(qū)分水的變化和以植被為主地表覆蓋物交替作用形成的空間格局情況，又把土地覆蓋合并為7種類(lèi)型(表1).級(jí)別一和級(jí)別二中的分類(lèi)通常是用來(lái)描述濕地中的植被.本研究使用合并后的分類(lèi)Ⅰ和合并分類(lèi)Ⅱ系統(tǒng)用來(lái)簡(jiǎn)化濕地內(nèi)覆蓋物的類(lèi)別以監(jiān)測(cè)濕地中的景觀變化.

表1 扎龍濕地分類(lèi)系統(tǒng)

利用遙感技術(shù)和GIS技術(shù)分析扎龍濕地的多時(shí)段衛(wèi)星影像數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)來(lái)源包括1979年8月MSS影像(分辨率79 m)、1989年6月的TM影像(分辨率30 m)、1999年9月的TM影像(分辨率30 m)、2006年6月的 TM影像(分辨率30 m)和2006年6月的TM影像(分辨率30 m).首先，利用扎龍1990年地形圖來(lái)糾正影像并進(jìn)行投影的設(shè)置.地理坐標(biāo)系為1954北京坐標(biāo)系，高斯投影，6度分帶，中央經(jīng)線為123°E.然后通過(guò)ERDAS8.7中的監(jiān)督和非監(jiān)督分類(lèi)對(duì)影像進(jìn)行分類(lèi)獲得矢量數(shù)據(jù)，并且在2005年10月、2006年2月、2006年5月和2007年5月，2008年3月和5月，開(kāi)展了廣泛的地面調(diào)查以糾正分類(lèi)結(jié)果.

1.2.2 土地覆蓋變化的分析方法

由于在自然和人為因素的影響下，土地利用和土地覆蓋類(lèi)型的數(shù)量在不同時(shí)間段變化的幅度和速度是不同，并且存在空間差異.因此，引入土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)模型(Liu J Y，1996)、凈變化量的計(jì)算和質(zhì)心模型(Wang X L，1999)來(lái)度量土地覆蓋類(lèi)型變化的速度、變化趨勢(shì)以及空間分布上的動(dòng)態(tài)變化.

(1)單一土地利用動(dòng)態(tài)度與綜合動(dòng)態(tài)度模型

式中:K為研究時(shí)段內(nèi)某一種土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度;Ua，Ub分別為研究期初與期末某一種土地利用類(lèi)型的數(shù)量;T為研究時(shí)段長(zhǎng)度;當(dāng)T的時(shí)段設(shè)定為年時(shí)，則K表示該研究區(qū)某種土地利用類(lèi)型的年變化率.

式中:LC是研究時(shí)段內(nèi)的綜合土地利用類(lèi)型的動(dòng)態(tài)度;LUi為測(cè)量開(kāi)始時(shí)第i類(lèi)土地利用類(lèi)型的面積;LUi－j是測(cè)量時(shí)段內(nèi)第i類(lèi)土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)為非i類(lèi)土地利用類(lèi)型面積的絕對(duì)值;T為測(cè)量時(shí)段長(zhǎng)度.

(2)凈變化量

濕地景觀中土地覆蓋斑塊是否向較干類(lèi)型轉(zhuǎn)化向較濕類(lèi)型轉(zhuǎn)化的主要區(qū)別就在于由干向濕轉(zhuǎn)化的凈變化量.當(dāng)這種凈變化量大于零時(shí)，即表示有更多的斑塊向較濕的土地覆蓋類(lèi)型轉(zhuǎn)化;當(dāng)這種凈變化量小于零時(shí)，意味著更多的斑塊向較干的土地覆蓋類(lèi)型轉(zhuǎn)化.本文基于這種向濕轉(zhuǎn)化的凈變化量計(jì)算濕地景觀中土地覆蓋的變化趨勢(shì).

(3)質(zhì)心模型

式中，Xt、Yt分別表示第t年沼澤濕地分布質(zhì)心的坐標(biāo);Cti表示第t年第i個(gè)沼澤濕地斑塊的面積;Xi、Yi分別表示第i個(gè)沼澤濕地斑塊質(zhì)心的坐標(biāo).

2 結(jié)果

2.1 土地覆蓋的數(shù)量變化

扎龍濕地的主要土地覆蓋類(lèi)型就是含有地表水的濕地和無(wú)地表水的濕地，它們對(duì)景觀的動(dòng)態(tài)過(guò)程有著重要的影響.從分析結(jié)果可以看出在4個(gè)研究期內(nèi)扎龍濕地的含有地表水和不含地表水的濕地的比例42% ～51%(表2).但是它的變化量卻不是最大的38.2562 km2—只占了研究初期的5.27% .數(shù)量變化最大的土地覆蓋類(lèi)型是草地(67.3729 km2)，比例變化最大的是明水—91.91%.例如，1979年是一個(gè)嚴(yán)重干旱的年份，它的明水面積只有63.2360 km2，但是到了1989年突然增加到192.4568 km2，在十年的時(shí)間里幾乎增長(zhǎng)了3倍.鹽堿地(裸地)的數(shù)量變化不太大，只有28.0909 km2，但是它的格局變化非常明顯.另外值得一提的是農(nóng)田和村鎮(zhèn)的數(shù)量變化，它總體增加了75.3368 km2，比例變化了34.49%，而這和近幾十年人類(lèi)的活動(dòng)密切相關(guān).

從總體來(lái)看，所有的濕地類(lèi)型中只有明水的面積由于自然的原因呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)(表2).其他的濕地類(lèi)型如有地表水的濕地、無(wú)地表水的濕地和草甸都呈現(xiàn)了不同程度的下降，尤其是有地表水的濕地.在干旱土地類(lèi)型中，由于人類(lèi)干擾導(dǎo)致農(nóng)田和村鎮(zhèn)在面積和比例上都增長(zhǎng)的最多(75.2268 km2和34.49%).

表2 扎龍濕地1979年至2006年的土地覆蓋變化量

2.2 土地覆蓋的速度變化

在3個(gè)研究時(shí)段內(nèi)，明水的變化速度是最大的，尤其是從1979年至1989年，在這一時(shí)期由于氣候等因素導(dǎo)致的明水正向變化速率達(dá)到了20.43%(表3);草地的變化速度大于其他的土地覆蓋類(lèi)型，除了第1階段之外均顯示出一個(gè)較大的正向變化率.另一方面，濕地類(lèi)型的變化速度大于干旱的土地覆蓋類(lèi)型，而且有地表水的濕地和無(wú)地表水的水的濕地的面積下降的速度都大于其增長(zhǎng)的速度.綜合動(dòng)態(tài)度表現(xiàn)了一個(gè)先下降后增長(zhǎng)的過(guò)程，這意味著隨著人類(lèi)活動(dòng)的干擾所有的土地覆蓋類(lèi)型的變化越來(lái)越快(表3).

表3 不同的研究期的土地覆蓋變化速度

2.3 土地覆蓋的趨勢(shì)變化

為了更清晰地描述扎龍濕地的土地覆蓋的變化趨勢(shì)，利用合并分類(lèi)Ⅱ (表1)進(jìn)行分析.在早期的1979～1999年，濕地從干向濕的轉(zhuǎn)化是一種主要的變化趨勢(shì)，表現(xiàn)在有地表水的濕地比例的增加(表2).然而在近十年，土地覆蓋中的3種濕地類(lèi)型都有減少的趨勢(shì)(表2).從分類(lèi)結(jié)果中可以看出，在1979年到1989年，明水、有地表水的濕地和無(wú)地表水的濕地這3種類(lèi)型的土地覆蓋面積有所增加.而在1999—2006年期間，明水和有地表水的濕地比例開(kāi)始減少(如圖2所示).

圖2 扎龍濕地土地覆蓋變化

表4 扎龍濕地土地覆蓋類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣 km2

濕地景觀中土地覆蓋斑塊向較干類(lèi)型轉(zhuǎn)化向較濕類(lèi)型轉(zhuǎn)化的主要區(qū)別就在于由干向濕轉(zhuǎn)化的凈變化量.當(dāng)這種凈變化量大于零時(shí)，即表示有更多的斑塊向較濕的土地覆蓋類(lèi)型轉(zhuǎn)化;當(dāng)這種凈變化量小于零時(shí)，意味著更多的斑塊向較干的土地覆蓋類(lèi)型轉(zhuǎn)化.在研究時(shí)段內(nèi)，最活躍的變化就是有地表水的濕地和無(wú)地表水的濕地之間的交替變化(表4).然而比較這3個(gè)時(shí)期的變化，發(fā)現(xiàn)在第1階段 (1979—1989年)有更多的斑塊從干旱類(lèi)型轉(zhuǎn)向較濕的類(lèi)型，如無(wú)地表水的濕地轉(zhuǎn)化成有地表水的濕地(表4).在第2個(gè)階段(1989—1999年)和第 3個(gè)階段(1999—2006年)，則有更多的斑塊從較濕的類(lèi)型轉(zhuǎn)化為干旱類(lèi)型.這些趨勢(shì)表明在近幾十年濕地變得越來(lái)越干.

2.4 水空間分布的變化

扎龍濕地的景觀變化是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，不僅僅涉及到土地覆蓋類(lèi)型比例上的變化，也包括空間格局的改變.由于水空間的分布，導(dǎo)致景觀中的斑塊隨著這種分布不時(shí)的在不同的土地覆蓋類(lèi)型之間來(lái)回轉(zhuǎn)換.通過(guò)質(zhì)心模型計(jì)算濕地在不同時(shí)期的重心，發(fā)現(xiàn)扎龍濕地的重心已經(jīng)移動(dòng)了大約2～3 km的范圍，意味著濕地的水的空間分布已經(jīng)發(fā)生了變化(圖3).在不同的時(shí)期每種濕地類(lèi)型的重心都發(fā)生了移動(dòng)，而且這些重心之間的距離越來(lái)越短(圖4).有地表水的濕地重心位于濕地整體重心附近400～1200 m左右.然而明水的重心和無(wú)地表水的濕地重心總是遠(yuǎn)離濕地整體重心，二者反向分布.每種濕地重心和整體重心之間的距離在1989年后逐漸縮小，在2006年變化尤其明顯.這種趨勢(shì)表明濕地在空間大小上逐漸萎縮.

圖3 扎龍濕地整體重心的變化

3 討論與結(jié)論

水是影響整個(gè)濕地景觀過(guò)程的一個(gè)主要的因素.在扎龍看到的景觀變化就是主要由于水文格局的變化所引起的.這種關(guān)系在1990年之前尤其明顯.扎龍?jiān)?979年經(jīng)歷了50年來(lái)有記錄的最嚴(yán)重的干旱，濕地明顯萎縮.直到 1989年——平水年，濕地才慢慢恢復(fù)和漲水.人類(lèi)活動(dòng)在濕地景觀變化中起到了非常重要的作用.1999年和2006年是58年有記錄以來(lái)水量相對(duì)豐沛的年份，然而結(jié)果表明在這個(gè)時(shí)期內(nèi)濕地呈現(xiàn)干旱的趨勢(shì).在1990年之后人工建筑數(shù)量不斷增加，使得濕地中的水被大量攔截和排出.土地覆蓋中的濕地類(lèi)型的比例下降，濕地整體萎縮，干旱化程度加劇.土地覆蓋和景觀格局的這種變化會(huì)引起濕地生態(tài)系統(tǒng)中各個(gè)方面的明顯變化，對(duì)生物多樣性有非常負(fù)面的影響.因此，需要科學(xué)的方法和行動(dòng)來(lái)減緩這種干旱化的趨勢(shì)以恢復(fù)和重建濕地.

圖4 不同類(lèi)型濕地的重心變化

［1］Li Xiubin.A review of the international researches on land use/land cover change.Acta Geographica Sinica，1996，51(5):553－557.

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［6］Wang Xiulan，Bao Yuhai.Study on The Methods of Land Use Dynamic Change Research.Progress In Geography.1999，18(1):81－87.

Analysis of Land Cover Change in Zhalong Wetland

Zhang Yuhong，Yu Wanhui
(Harbin Normal University)

Land cover changes including changes of quantity，velocity，trend and water distribution at Zhalong Wetland are studied by using remote sensing，GIS techniques and analysis of a series of satellite images from 1979 to 2006.The results show that the land cover at Zhalong changed significantly and the wetland is getting drier，especially from 1999 to 2006.

Landscape Pattern;Changes;GIS;RS;Zhalong;Wetland

2010－10－10

*國(guó)家自然科學(xué)基金(40871082);哈爾濱師范大學(xué)青年學(xué)術(shù)骨干資助計(jì)劃項(xiàng)目(KGB201016)

(責(zé)任編輯:李佳云)