基于Markov的福建省溪南半島植被景觀動(dòng)態(tài)變化預(yù)測(cè)

郭娜 劉劍秋 潘志斌

摘要在遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)的支持下，利用1994和2008年兩個(gè)時(shí)期的影像圖作為信息源，獲取福建省溪南半島各景觀要素類型的轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)，確定相應(yīng)的轉(zhuǎn)移概率矩陣，并應(yīng)用馬爾科夫模型原理，運(yùn)用MATLAB7.0軟件定量預(yù)測(cè)出未來(lái)2022、2036、2050、2064年植被景觀情況。結(jié)果表明，溪南半島林地的恢復(fù)狀況形勢(shì)好轉(zhuǎn)，生態(tài)條件將有所提高，溪南半島的植被景觀生態(tài)將向著和諧的方向發(fā)展，為“海西寧德工業(yè)區(qū)”的規(guī)劃、管理及其資源使用與保護(hù)提供科學(xué)的指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞植被景觀；馬爾科夫；動(dòng)態(tài)變化

中圖分類號(hào)S181.3；Q94文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）23-07913-04

作者簡(jiǎn)介郭娜（1986- ），女，福建龍巖人，助教，碩士，從事植物資源與植物生態(tài)學(xué)研究。

收稿日期20140626福建省溪南半島屬閩東南丘陵地形區(qū)，多數(shù)區(qū)域海拔在400 m以下，主要為丘陵地貌、沖海積平原，少數(shù)為低山地貌。根據(jù)《中國(guó)植被》分區(qū)，溪南半島屬于中國(guó)東部濕潤(rùn)森林區(qū)、亞熱帶常綠闊葉林帶、南亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林地帶，其植被較為豐富，成分較為復(fù)雜，是復(fù)合景觀生態(tài)系統(tǒng)的基質(zhì)，對(duì)景觀具有控制作用。研究區(qū)植被景觀格局除了受自然演替的影響，如生態(tài)習(xí)性、立地條件、自然災(zāi)害等，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)規(guī)模逐年擴(kuò)張以及“海西寧德工業(yè)區(qū)”的規(guī)劃建設(shè)，該研究區(qū)受人為干擾力度不斷增強(qiáng)，地帶性原生植物已不復(fù)存在，使原來(lái)單一的植被景觀生態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的變化，日趨復(fù)雜。因此，分析該區(qū)域的植被景觀格局動(dòng)態(tài)以實(shí)現(xiàn)其監(jiān)測(cè)、規(guī)劃、管理十分必要。目前，有關(guān)植被景觀格局動(dòng)態(tài)變化預(yù)測(cè)的研究鮮見(jiàn)，主要集中在農(nóng)業(yè)景觀、濕地景觀、流域景觀、城市與城郊景觀等。有鑒于此，筆者試圖以福建省溪南半島為例，結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)原理和“3S”技術(shù)，利用Markov對(duì)當(dāng)?shù)氐闹脖痪坝^進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬和預(yù)測(cè)，以探討未來(lái)時(shí)段植被景觀格局的動(dòng)態(tài)變化，為溪南半島中長(zhǎng)期的發(fā)展規(guī)劃與有效保護(hù)提供參考。

1研究區(qū)概況

福建省溪南半島位于霞浦縣西南部，地理坐標(biāo)為119°47′～120°00′ E、26°38′～26°49′ N，地處長(zhǎng)三角、海峽西岸和臺(tái)灣三大經(jīng)濟(jì)區(qū)的核心紐帶地區(qū)，主要包括以溪南鎮(zhèn)為主體的并含沙江鎮(zhèn)和鹽田鄉(xiāng)部分行政村的溪南半島，屬于中亞熱帶濕潤(rùn)海洋性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明、雨量充沛、溫暖濕潤(rùn)、夏長(zhǎng)冬短、光照充足。自然植被景觀僅在少數(shù)區(qū)段有分布，主要為次生季風(fēng)常綠闊葉林、暖性針葉林（地帶性植被）、竹林、灌草叢和草叢、紅樹(shù)植物群落、互花米草鹽沼等；人工植被景觀主要為經(jīng)濟(jì)林植被和農(nóng)作植被，為研究區(qū)最主要的植被類型。非植被景觀主要包括水體、灘涂和建筑用地3類景觀，作為溪南半島景觀的嵌塊體。

2數(shù)據(jù)來(lái)源與分析方法

2.1數(shù)據(jù)來(lái)源與圖像預(yù)處理該研究選用的遙感數(shù)據(jù)主要為1994、2008兩個(gè)時(shí)段的TM/ETM+圖像，其影像均比較清晰，沒(méi)有云霧，從而為影像的解譯提供了良好的基礎(chǔ)。非遙感數(shù)據(jù)主要有溪南半島的行政區(qū)劃圖、林相圖；地類控制點(diǎn)野外調(diào)查數(shù)據(jù)；1∶10 000地形圖；森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)等。

數(shù)據(jù)預(yù)處理是遙感應(yīng)用的第一步，其將直接影響遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量，從而影響了圖像分析的精度。故該研究以經(jīng)過(guò)坐標(biāo)配準(zhǔn)的研究區(qū)的1∶10 000的地形圖為基準(zhǔn)，應(yīng)用遙感圖像處理軟件ERDAS IMAGE 8.7中數(shù)據(jù)處理（Data prep）模塊下的幾何糾正命令（Geometric correction）分別對(duì)1994、2008年TM/ETM+影像進(jìn)行了幾何精校正。

此外，由于景觀分類是景觀格局和功能研究的基礎(chǔ)，是景觀生態(tài)規(guī)劃與管理的前提[4]。筆者進(jìn)行了研究區(qū)的遙感影像分類，為動(dòng)態(tài)變化預(yù)測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。鑒于現(xiàn)有遙感影像圖難以有效區(qū)分出不同樹(shù)種的林分空間分布，但可以分辨針葉、闊葉樹(shù)種和純林、混交林等森林類型特點(diǎn)，以此構(gòu)建分類體系，將研究區(qū)植被分為暖性常綠針葉林、季風(fēng)常綠闊葉林、灌叢和疏生草叢、暖性竹林、經(jīng)濟(jì)林植被、草叢鹽沼、農(nóng)作植被7類，同時(shí)結(jié)合研究區(qū)實(shí)際需要，將非植被景觀分為水體景觀、灘涂景觀和建筑景觀（、）。

2.2景觀動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法景觀動(dòng)態(tài)模擬是指研究景觀格局發(fā)展的動(dòng)態(tài)，分析景觀功能、景觀要素的變化，生物量與生

溪南半島1994年植被景觀分類溪南半島2008年植被景觀分類產(chǎn)力的變化等，常見(jiàn)的景觀動(dòng)態(tài)模擬有馬爾柯夫模型、轉(zhuǎn)移鑲嵌體模型、元胞自動(dòng)機(jī)模型等[1]，其中馬爾科夫模型通常利用轉(zhuǎn)移矩陣來(lái)模擬景觀斑塊從一種類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N類型的動(dòng)態(tài)規(guī)律，是最常用的景觀空間動(dòng)態(tài)模型。隨著景觀生態(tài)學(xué)的發(fā)展，馬爾柯夫模型逐漸被廣泛用于解決植被生態(tài)預(yù)測(cè)與景觀變化[2]。

馬爾科夫過(guò)程是無(wú)后效性的一種特殊的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程[3-7]。如果隨機(jī)過(guò)程X（n）在時(shí)刻t+1狀態(tài)的概率分布只與時(shí)刻t的狀態(tài)有關(guān)，而與t以前的狀態(tài)無(wú)關(guān)，則稱隨機(jī)過(guò)程X（n）為一個(gè)馬爾柯夫鏈。在t時(shí)刻它處于狀態(tài)Xi，t+1時(shí)刻，它將以概率Pij處于狀態(tài)Xj，而轉(zhuǎn)移概率Pij則反映了各種隨機(jī)因素的影響。

P{X（n+1）=j/X（n）=i}=Pij（n）（1）

式中，Pij（n）為在時(shí)刻t的一步轉(zhuǎn)移概率。

3結(jié)果與分析

3.1研究區(qū)植被景觀格局景觀的結(jié)構(gòu)特征是由斑塊、廊道、基質(zhì)等景觀要素類型、大?。娣e）、形狀、密度、結(jié)構(gòu)、紋理、數(shù)量和組合關(guān)系等特征決定的，其中面積變化是基本和最易識(shí)別的，是景觀要素穩(wěn)定性和演替的縮影[8]。

溪南半島植被景觀類型非常豐富，14年來(lái)各植被景觀類型面積比例變化明顯。

1994～2008年，暖性常綠針葉林由1994年的3 746.69 hm2增加至2008年的6 211.86 hm2，年平均增加了176.08 hm2，形成了馬尾松廣泛分布的植被景觀格局。農(nóng)作植被年

研究區(qū)1994～2008年各植被景觀類型面積

植被景觀類型1994年面積∥hm2所占比例∥%2008年面積∥hm2所占比例∥%1994～2008年變化

hm2/A暖性常綠針葉林3 746.6917.286 211.8628.66176.08季風(fēng)常綠闊葉林707.363.261 676.577.7369.23灌叢和疏生草叢5 335.8124.611 502.486.93-273.81暖性竹林162.470.75279.271.298.34經(jīng)濟(jì)林植被1 817.028.38665.443.07-82.26草叢鹽沼977.764.511 284.295.9221.89農(nóng)作植被3 375.9715.574 665.4521.5292.11水體373.241.72586.592.7115.24灘涂5 036.2823.234 294.4619.81-52.99建筑144.780.67510.972.3626.16合計(jì)21 677.3710021 677.37100

變化為 92.11 hm2，至2008年為4 665.45 hm2，所占比例為21.52%，為研究區(qū)的主要群落?？傮w看來(lái)，植被景觀所占的面積分別為74.38%、75.12%，為復(fù)合景觀生態(tài)系統(tǒng)的基質(zhì)，對(duì)景觀具有控制作用，而非植被景觀整體變化幅度不是很大。

3.2馬爾科夫預(yù)測(cè)根據(jù)馬爾科夫隨機(jī)過(guò)程理論，可以利用初始狀態(tài)概率矩陣模擬出某一初始年后若干年的各景觀要素類型的面積比例。

3.2.1初始狀態(tài)矩陣的確定。以1994年溪南半島遙感影像分類圖統(tǒng)計(jì)出各景觀要素的面積，計(jì)算出初始狀態(tài)概率，生成初始狀態(tài)矩陣：

3.2.2轉(zhuǎn)移概率矩陣。研究以年為單位，把溪南半島的景觀變化分成一系列離散的過(guò)程，把灌叢和疏生草叢景觀轉(zhuǎn)移為其他景觀類型的轉(zhuǎn)移概率作為第一行，草叢鹽沼景觀轉(zhuǎn)化為其他景觀類型的轉(zhuǎn)移概率作為第二行，依此類推，建立初始轉(zhuǎn)移概率矩陣（步長(zhǎng)為1a），如所示。

研究區(qū)1994～2008年各植被景觀要素類型轉(zhuǎn)移概率矩陣%

植被景觀類型灌叢和疏

生草叢草叢鹽沼建筑經(jīng)濟(jì)林植被季風(fēng)常綠

闊葉林農(nóng)作植被水體灘涂暖性常綠

針葉林暖性竹林灌叢和疏生草叢93.850.030.050.400.371.480.0103.780.04草叢鹽沼0.0595.880.130.0101.561.270.260.850建筑0.030.1698.37001.3100.020.110經(jīng)濟(jì)林植被1.440.010.6193.060.132.630.0102.110季風(fēng)常綠闊葉林0.40000.5896.040.38001.581.01農(nóng)作植被0.440.410.410.030.0197.640.130.010.930水體0.012.460.18001.1394.700.690.820灘涂00.730.01000.160.3698.660.070暖性常綠針葉林0.260.0100.421.890.360096.760.29暖性竹林0.33001.483.640.12001.0493.39

由可知，溪南半島中的各種植被景觀要素類型在不同程度地轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出，但是總體變化不大，各景觀要素類型比例均保持在90%以上。其中，灌叢和疏生草叢主要轉(zhuǎn)變?yōu)榕猿＞G針葉林，暖性常綠針葉林和暖性竹林主要是轉(zhuǎn)變?yōu)榧撅L(fēng)常綠闊葉林，這是自然演替的結(jié)果；草叢鹽沼和經(jīng)濟(jì)林植被主要轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)作植被，是人工墾殖為耕地的結(jié)果；非植被景觀在這14年來(lái)，轉(zhuǎn)出面積為926.87 hm2，占非植被景觀總面積的16.94%，說(shuō)明非植被景觀之間的演替不是很明顯，主要轉(zhuǎn)出為草叢鹽沼（11.60%），是互花米草繁殖能力強(qiáng)，大量蔓延的結(jié)果。因此，近14年來(lái)，溪南半島景觀具有較強(qiáng)的抗性，景觀格局處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2.3景觀要素動(dòng)態(tài)模擬和預(yù)測(cè)。利用初始狀態(tài)和各景觀要素類型的轉(zhuǎn)移概率矩陣，借助Matlab7.0軟件，預(yù)測(cè)了在保持人為干擾不變的情況下，經(jīng)過(guò)n=14步轉(zhuǎn)移到2008年，得到2008年預(yù)測(cè)的轉(zhuǎn)移概率。

查隨機(jī)處理數(shù)據(jù)的附表可得：λ=Χ20.05（9）=16.92。Χ2<λ，由結(jié)果可知，預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合情況較好，二者差異不顯著，即利用馬爾科夫模型來(lái)預(yù)測(cè)研究區(qū)植被景觀格局變化趨勢(shì)是可靠的。用同樣方法，依次求出2022、2036、2050、2064年各景觀要素類型的轉(zhuǎn)移矩陣，見(jiàn)、所示。

2008～2064年各景觀要素類型面積百分比預(yù)測(cè)%

景觀類型2008年2022年2036年2050年2064年灌叢和疏生草叢12.587.725.815.114.88草叢鹽沼5.706.366.636.676.57建筑2.213.394.315.065.67經(jīng)濟(jì)林植被5.033.953.683.673.74季風(fēng)常綠闊葉林7.5110.5912.5513.7714.53農(nóng)作植被19.4320.8521.4921.9022.24水體2.522.913.063.083.02灘涂19.6216.7214.3612.4210.81暖性常綠針葉林23.9425.3925.4725.3725.36暖性竹林1.462.142.632.963.17

42卷23期郭 娜等基于Markov的福建省溪南半島植被景觀動(dòng)態(tài)變化預(yù)測(cè)2008～2064年各景觀要素類型面積百分比分布預(yù)測(cè)結(jié)果表明，在未來(lái)的56年間，人為干擾將繼續(xù)在溪南半島的植被演替中起著重要的作用，將導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐闹脖痪坝^更加破碎化。同時(shí)由于溪南半島三面濱海，山地眾多，交通不便，給了當(dāng)?shù)刂脖换謴?fù)充足的時(shí)間，暖性常綠針葉林、季風(fēng)常綠闊葉林、暖性竹林的面積呈增加趨勢(shì)，灌叢和疏生草叢的面積則下降，這種群落結(jié)構(gòu)的演替符合該研究區(qū)域的生物學(xué)特性和生態(tài)習(xí)性，是良性的發(fā)展。因此，合理調(diào)控溪南半島所受到的干擾，促使其長(zhǎng)期發(fā)展，科學(xué)配置該研究區(qū)的植被景觀格局，促進(jìn)研究區(qū)生物多樣性的保護(hù)和生態(tài)環(huán)境的建設(shè)。

4討論與結(jié)論

1994、2008年植被景觀所占的面積分別為74.38%、75.12%，為復(fù)合景觀生態(tài)系統(tǒng)的基質(zhì)，非植被景觀整體變化幅度較小，表明該研究區(qū)的自然植被景觀演變是在人為干擾下緩慢進(jìn)行著。

14年來(lái)，溪南半島中的各種植被景觀要素類型在不同程度地轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出，但是總體變化不大，各景觀要素類型比例均保持在90%以上，景觀格局處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

利用初始狀態(tài)和各景觀要素類型的轉(zhuǎn)移概率矩陣在保持人為干擾不變的情況下，預(yù)測(cè)了未來(lái)的56年間，林地的恢復(fù)狀況形勢(shì)將朝著和諧的方向發(fā)展，生態(tài)條件將有所提高。

福建省溪南半島具有優(yōu)越的區(qū)位和港口資源優(yōu)勢(shì)，省委、省政府規(guī)劃將溪南半島建設(shè)成為石油儲(chǔ)備、天然氣利用、油氣深加工、冶金、機(jī)械裝備等項(xiàng)目及其產(chǎn)業(yè)配套園區(qū)、港口物流園區(qū)、配套商貿(mào)生活服務(wù)區(qū)的“海西寧德工業(yè)區(qū)”。因此隨著項(xiàng)目建設(shè)全面開(kāi)展，決策者和開(kāi)發(fā)者必須對(duì)溪南半島原有的植被景觀采取必要的保護(hù)措施，注重植被景觀的系統(tǒng)建設(shè)與保護(hù)，不斷擴(kuò)大植被生態(tài)防護(hù)景觀。同時(shí)根據(jù)景觀美學(xué)的要求，對(duì)研究區(qū)景觀所受到的干擾進(jìn)行合理的調(diào)控和長(zhǎng)期的規(guī)劃，盡量使工業(yè)區(qū)的規(guī)劃與周圍自然景觀達(dá)到協(xié)調(diào)狀態(tài)，使其成為鑲嵌景觀斑塊，既可以降低其脆弱性，保證溪南半島生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又可以增強(qiáng)溪南半島的自然性，做到經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

研究主要采用了馬爾科夫模型進(jìn)行了溪南半島的植被景觀動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，通過(guò)Χ2檢驗(yàn)增加了數(shù)據(jù)的可靠性。同時(shí)，筆者主要采用兩個(gè)時(shí)期的影像對(duì)溪南半島植被景觀變化進(jìn)行了分析研究，若有多時(shí)相長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)可進(jìn)一步做景觀格局演變過(guò)程的模擬及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制的研究，這將有助于對(duì)未來(lái)景觀格局演變方向的把握和對(duì)其進(jìn)行定量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，為“海西寧德工業(yè)區(qū)”的規(guī)劃與管理資源使用與保護(hù)提供更為科學(xué)的指導(dǎo)。

在1994～2008年，溪南半島內(nèi)各植被景觀要素主要受到了人為和自然驅(qū)動(dòng)因子的綜合作用，比如城市化進(jìn)程的加快、海西寧德工業(yè)區(qū)的建設(shè)以及各植物本身生態(tài)習(xí)性、氣候條件、立地條件等，形成了以暖性常綠針葉林為基質(zhì)，其他景觀類型鑲嵌于其中的具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性的植被景觀，同時(shí)在預(yù)測(cè)的56年間，該植被景觀也將保持著良性的發(fā)展，因此在工業(yè)區(qū)的規(guī)劃、建設(shè)、生產(chǎn)運(yùn)行以及服務(wù)期滿后等各個(gè)階段中，決策者都應(yīng)該盡可能地依山體設(shè)置各功能區(qū)，不要大量開(kāi)荒，大開(kāi)大挖，避免給當(dāng)?shù)刂脖痪坝^造成不可挽回的損失。

參考文獻(xiàn)

[1] TRANI M K，GILES J R H.An analysis of deforestation：Metrics used to describe pattern change[J].Forest Ecology and Management，l999，114（23）：459-470.

[2] 王斌，劉華，張碩新，等.基于馬爾柯夫模型的火地塘林區(qū)景觀格局變化研究[J].林業(yè)科學(xué)，2005，21（9）：124-128.

[3] 朱海涌，李新琪，仲嘉亮.基于 CA-Markov模型的艾比湖流域平原區(qū)景觀格局動(dòng)態(tài)模擬預(yù)測(cè)[J].干旱環(huán)境監(jiān)測(cè)，2008，22（3）：134-139.

[4] 高志強(qiáng)，劉紀(jì)遠(yuǎn).基于遙感和GIS的中國(guó)土地潛力資源的研究[J].遙感學(xué)報(bào)，2000，4（2）：136-140.

[5] 亓興蘭，劉健，余坤勇，等.基于 RS與 GIS的閩江流域森林景觀格局分析[J].福建林學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，26（1）：36-40.

[6] PAWLOWSKI C W，CHRISTOPHER MCCORD.A Markov model for assessing ecological stability properties[J].Ecology Modelling，2009，220（2）：86-95.

[7] WILLIAMS B K.Markov decision processes in natural resources management：Observability and uncertainty[J].Ecological Modelling，2009，220（6）：830-840.

[8] 劉學(xué)錄，董旺遠(yuǎn)，林慧龍.景觀要素的形狀指數(shù)與形狀特征的關(guān)系[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2000，12（3）：17-20.