遙感與GIS支持下的盤錦濕地水禽棲息地適宜性評價

董張玉，劉殿偉，王宗明，任春穎，張 泠，湯旭光，賈明明，丁 智

(1.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長春 130012;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049;3.天津市勘察院，天津300191)

近年來，生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定性與人類社會發(fā)展的不協(xié)調(diào)程度明顯增加［1］，從而引起一系列的生態(tài)環(huán)境問題，如自然和人為因素引起的生境喪失與生境破碎化已嚴(yán)重影響到野生動物的生存與發(fā)展［2-3］。濕地水禽是濕地生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分［4］，對維持濕地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要的作用［5］。但人類高強(qiáng)度的農(nóng)業(yè)開發(fā)使得濕地環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，同時，對濕地水禽的生存環(huán)境也造成了巨大的壓力［6］。因此，為了恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有效的保護(hù)濕地水禽，結(jié)合相關(guān)分析技術(shù)對濕地水禽棲息地適宜性進(jìn)行評價具有重要的意義，也是當(dāng)今研究的熱點之一［7］。

國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)濕地的特征，結(jié)合濕地水禽棲息地對環(huán)境的需求，從水禽棲息地特征識別、適宜性分析和空間分布的角度開展了一些研究。最早在20世紀(jì)60年代末，采用棲息地適宜性指數(shù)作為衡量棲息地優(yōu)劣的指標(biāo)，但僅從整體上做出推斷，而不能從空間格局特征的角度加以分析［8-10］。Hepinstall［11］等結(jié)合影像紋理特征和光譜值構(gòu)建鳥類分布的預(yù)測模型，結(jié)果表明通過影像的紋理特征能反映植被和生境的異質(zhì)性，從而可以預(yù)測物種的空間分布特征。在此基礎(chǔ)上，孔博［12］等結(jié)合水禽的生態(tài)環(huán)境特征，采用土地利用、地形圖、植被圖等參數(shù)來評價建三江水禽棲息地的適宜性，并采用K-mean聚類算法確定適宜性等級，結(jié)果表明了該方法的有效性。田波［13-14］等采用面向?qū)ο蟮姆指罘椒ù_定評價單元實現(xiàn)了崇明東灘遷徙鳥類生境適宜性分析。鄒麗麗［15］等采用邏輯斯蒂回歸模型對鷺科水鳥的棲息地進(jìn)行適宜性評價，為棲息地適宜性分析提供參考。以往的研究對野生動物棲息地適宜性評價的進(jìn)一步探索起到了重要推動作用，但普遍存在以下問題:首先，廣泛地應(yīng)用遙感信息提取和GIS空間分析技術(shù)，在大尺度上簡單、直觀、方便和準(zhǔn)確的對棲息地適宜性進(jìn)行分析［16］，能極大地提高適宜性評價效率，但目前此類研究相對較少;其次，評價因子的選取是適宜性分析的關(guān)鍵，但當(dāng)前的研究很少結(jié)合水禽的生境環(huán)境進(jìn)行指標(biāo)因子的選取。

論文在前人研究的基礎(chǔ)上，選擇盤錦地區(qū)作為研究區(qū)域，以遙感和GIS為技術(shù)支撐，結(jié)合水禽棲息地的環(huán)境特征以及環(huán)境狀況，選擇影響水禽棲息的水源狀況(河流密度和湖泊密度)、干擾條件(道路密度和居民點聚集度)、食物豐富度(NDVI)以及遮蔽物狀況(土地利用)作為評價指標(biāo)，采用層次分析法確定各因子權(quán)重，再結(jié)合GIS的空間分析手段，實現(xiàn)盤錦濕地水禽棲息地適應(yīng)性的空間分析。從而為盤錦地區(qū)生物多樣性的保護(hù)和生態(tài)環(huán)境的改善提供基礎(chǔ)性的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

盤錦濕地位于松遼平原南部，東起大遼河口，西至大凌河口，位于 121°25'—122°31'E，40°39'—41°27'N，總面積3646.64hm2，處于遼河三角洲的核心地帶(圖1)。盤錦屬暖溫帶大陸性半濕潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫8.6°C，年平均降雨量 631 mm。年日照時間在2700 h以上。區(qū)域地貌類型以沖積平原和潮灘為主，由于區(qū)內(nèi)成土物質(zhì)主要來源于河水?dāng)y帶的大量泥沙沉積，土壤以沼澤土、鹽土、潮灘土為主。盤錦濕地植物區(qū)系屬華北植物區(qū)，分布種類比較單一，主要由鹽沼和耐鹽植物組成，其中蘆葦為優(yōu)勢種類［17］。盤錦濕地類型主要包括蘆葦沼澤、管理葦田、香蒲葦田、灘涂、濕草甸、水稻田和蝦蟹田，這些濕地中有白鸛、黑鸛、白尾海雕、白天鵝和丹頂鶴等國家一類保護(hù)的珍稀水禽，因此，盤錦是重要的水禽棲息地。

圖1 研究區(qū)域示意圖Fig.1 Sketch map of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

文章涉及的數(shù)據(jù)包括2010年研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù);河流、湖泊、道路密度數(shù)據(jù);以及盤錦地區(qū)2010年TM(432)數(shù)據(jù)(圖2)。

盤錦地區(qū)2010年土地覆蓋數(shù)據(jù)采用面向?qū)ο蠓诸惖姆椒ǎ蒚M與中巴資源衛(wèi)星CBERS遙感影像經(jīng)人工目視解譯得到。面向?qū)ο蠓诸惙椒ㄖ饕▋蓚€步驟［18］:影像分割和分類規(guī)則的設(shè)定。影像分割主要涉及分割尺度、形狀權(quán)重等參數(shù)的設(shè)定。經(jīng)過多次試驗，本文具體分割參數(shù)選擇如下:顏色(光譜)權(quán)重為0.8，形狀權(quán)重為0.2，其中光滑度權(quán)重為0.9，緊湊度權(quán)重為0.1，分割尺度為10。盤錦地區(qū)土地覆蓋分類規(guī)則主要包括:植被指數(shù)、亮度指數(shù)、形狀比等。按照以上步驟，得到7種一級土地利用類型，分別為林地、草地、濕地、水體、人工表面、耕地以及裸地(圖3)。經(jīng)過野外采樣點驗證，得知盤錦地區(qū)各土地利用類型的總體精度約為91%，滿足本研究的需求。表1顯示了各類型面積及其占總面積比例，其中，耕地和濕地是區(qū)域內(nèi)的主要地物類型，分別為 2028.35、713.20hm2，占區(qū)域總面積的75.18%，濕地主要集中分布于濱海地區(qū)，屬于蘆葦沼澤濕地。耕地分布于整個盤錦地區(qū)。區(qū)域內(nèi)僅有少量的林地、裸地、草地。

圖2 盤錦地區(qū)TM影像(432波段)Fig.2 TM image data(432 bands)for 2010in Panjin

圖3 盤錦地區(qū)2010年土地利用現(xiàn)狀圖Fig.3 The land cover data for 2010 in Panjin

表1 盤錦地區(qū)2010年土地覆蓋數(shù)據(jù)Table 1 The landuse data of Panjin in 2010

文中河流、湖泊、道路矢量數(shù)據(jù)從盤錦地區(qū)2010年土地覆蓋數(shù)據(jù)提取得到，以上數(shù)據(jù)均被統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系和投影之下。所采用的投影為UTM投影，并采用全國統(tǒng)一的中央經(jīng)線，中央經(jīng)線為東經(jīng)105°，所有數(shù)據(jù)都被統(tǒng)一成30 m×30 m柵格大小的Grid。

1.3 研究方法

1.3.1 適宜性評價流程

結(jié)合水禽棲息地對環(huán)境的要求，首先確定影響盤錦濕地水禽棲息地的評價因子，其次，采用層次分析法確定各因子權(quán)重，在此基礎(chǔ)上，對各指標(biāo)因子進(jìn)行等級劃分，再結(jié)合Arcgis空間分析進(jìn)行疊加，得到盤錦濕地水禽棲息地適宜性評價圖。

考慮到定性數(shù)據(jù)和定量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一計算，對適宜性指數(shù)采用百分制形式(0—100)進(jìn)行量化分級，即適宜性最好 (100—75)、適宜性良好(75—50)、適宜性一般(50—25)、適宜性差(25—0)等4個等級，最終確定適宜性最好、適宜性良好、適宜性一般、適宜性差4個等級，具體的流程如圖4所示。

圖4 盤錦濕地水禽棲息地適宜性評價流程圖Fig.4 The work flowchart for waterfowls habitat suitability analysis in Panjin

1.3.2 適宜性評價因子選取

評價因子選取是水禽棲息地適宜性評價的關(guān)鍵之一［19］。結(jié)合盤錦濕地的分布特點，針對水禽棲息地的環(huán)境特征，論文中盤錦濕地水禽棲息地適宜性評價因子選取的原則:(1)選取對水禽有直接影響的因素，如食物豐富度、水源等;(2)由于盤錦區(qū)域尺度較小，對于影響水禽棲息地的氣候等大尺度因素不作為評價因子?；谝陨蟽蓚€原則，選擇直接影響水禽棲息地的水源狀況、干擾條件、遮蔽物以及食物豐富度四個以及評價指標(biāo)，其中，水禽棲息的一個重要影響因子是水源的充足，因此，水源狀況是水禽棲息地的重要指標(biāo)，選取河流密度、湖泊密度作為二級指標(biāo);干擾條件主要是人類活動的影響，以道路密度、居民點密度為二級指標(biāo);遮蔽物顯示水禽躲避外來物種侵害的狀況，選取土地利用類型為二級指標(biāo);食物豐富度也是水禽棲息的一個重要指標(biāo)，水禽的食物來源主要是植物，因此選取NDVI作為二級指標(biāo)。最終建立盤錦濕地水禽棲息地適宜性評價的主要影響因子的指標(biāo)體系。

1.3.3 評價因子權(quán)重確定

采用層次分析法確定各指標(biāo)因子的權(quán)重，具體適宜性計算公式如下［20-21］:

其中，HIS為盤錦濕地水禽棲息地的適宜性;n為指標(biāo)因子的個數(shù)，wi為指標(biāo)權(quán)重，f為指標(biāo)因子計算值。具體的因子權(quán)重如表2所示。

表2 盤錦濕地水禽棲息地各影響因子權(quán)重表Table 2 The weights of each factor for the waterfowls in Panjin

2 結(jié)果與分析

2.1 適宜性評價因子獲取

采用GIS空間分析技術(shù)，獲取盤錦濕地水禽棲息地適宜性評價的指標(biāo)因子，主要包括:水源狀況(河流密度、湖泊密度)、干擾條件(道路密度、居民點密度)、食物豐富度(NDVI數(shù)據(jù))以及遮蔽物(土地利用數(shù)據(jù))。

(1)水源狀況

水的充足是水禽棲息的基本前提，選擇河流、湖泊密度作為水源狀況，河流、湖泊數(shù)據(jù)由2010年土地覆蓋數(shù)據(jù)提取得到，再通過Arcgis9.3的density功能得到盤錦地區(qū)河流、湖泊密度圖(圖5)。

(2)干擾條件

水禽棲息地主要是受人為干擾，人類活動頻繁對棲息地影響較大，因此選取居民點和道路密度作為水禽棲息地適宜性的干擾條件因子，居民點和道路密度越大，水禽棲息地適宜性越差。居民點和道路數(shù)據(jù)由2010年土地覆蓋數(shù)據(jù)提取得到。在ArcGIS 9.3數(shù)據(jù)處理平臺下，利用Line Density命令分別生成居民點、道路密度圖(圖5)。

(3)食物豐富度

食物豐富度是另一個影響水禽棲息的重要因子。NDVI是一種典型的植被指數(shù)，能很好的反映植物生長狀況，因此可以作為水禽棲息地的食物因子，NDVI值越大，表示作物越豐富，水禽食物來源越充足。NDVI具體的計算公式為:

其中，NIR為近紅外波段;R為紅波段。采用TM432波段提取NDVI(圖5)。

(4)遮蔽物

遮蔽物主要是考慮水禽躲避其他物種的侵害，選擇土地利用作為遮蔽物指標(biāo)因子。就遮蔽物因子而言，土地利用中濕地的遮蔽效果最好;其次為耕地、草地;裸地最差。土地利用數(shù)據(jù)如圖3所示。

根據(jù)各評價因子的結(jié)果圖，結(jié)合濕地水禽棲息地的特征，對各適宜性評價指標(biāo)因子進(jìn)行等級劃分，地類適宜度評價等級如表3所示，河流、湖泊、道路、居民點密度，NDVI等級劃分如表4所示。

2.2 水禽棲息地適宜性評價

圖5 盤錦水禽棲息地適宜性評價因子分布圖Fig.5 The distribution plot of Panjin wetland habitat suitability evaluation factors

表3 盤錦濕地水禽棲息地適宜性分析各種地類適宜度評價表Table 3 The grading system of land covers for waterfowls

在以上適宜性評價因子計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合GIS的空間分析手段，實現(xiàn)盤錦濕地水禽棲息地適宜性評價。河流密度、湖泊密度圖表示濕地水禽的水源狀況，密度越大，水源越充足。道路密度和居民點密度表示人為的干擾條件，密度值與棲息地適宜性負(fù)相關(guān)。NDVI表征了水禽的食物來源，NDVI值與棲息地的適宜性呈現(xiàn)正相關(guān)。土地利用度表示了水禽棲息的遮蔽狀況。不同指標(biāo)因子以柵格象元為計算單元，根據(jù)不同因子的權(quán)重，進(jìn)行加權(quán)疊加，最終得到水禽棲息地適宜性的空間分布，評價單元的結(jié)果值越大，表征適宜性越好。單元的值越小說明水禽棲息地適宜性越差。將計算結(jié)果同樣按照評價等級指標(biāo)劃分為四級，即將水禽棲息地評價分為適宜性最好(100—75)、適宜性良好(75—50)、適宜性一般(50—25)、適宜性差(25—0)4個等級。在GIS的支持下，得到盤錦濕地水禽棲息地適宜性分析結(jié)果圖(圖6)。對各適宜性等級單元進(jìn)行計算，分別得到適宜性等級的分布面積(表5)。

3 討論

數(shù)據(jù)顯示，盤錦濕地水禽棲息地的適宜性土地較多，幾乎占區(qū)域總面積的一半，這與盤錦濕地的保護(hù)措施有關(guān)，大面積的自然蘆葦濕地受到保護(hù)，人類干預(yù)少，適宜水禽棲息。但是為了進(jìn)一步緩解人類生產(chǎn)的發(fā)展與生態(tài)環(huán)境安全之間的矛盾，還需進(jìn)一步加強(qiáng)生物多樣性的保護(hù)，維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。在實施濕地恢復(fù)、優(yōu)化的建設(shè)中，需要科學(xué)合理的規(guī)劃和制定退耕還林、還濕等政策，在促進(jìn)農(nóng)民改善生計方式的同時，盡可能的避免和消除人類活動給生態(tài)環(huán)境帶來的壓力［14］。

圖6 盤錦地區(qū)水禽棲息地適宜性分級圖Fig.6 The integrated classification plot of Panjin waterfowls habitat suitability evaluation

在水禽棲息地適宜性評價過程中，指標(biāo)的選取是其中關(guān)鍵步驟之一，指標(biāo)選取的合理性直接影響評價的結(jié)果。但是在實際的實驗和操作過程中，不可能選取影響水禽棲息地的所有指標(biāo)，因此，水禽棲息地適宜性評價指標(biāo)的選取只能從合理性、可操作性以及重要性等方面來考慮，從而盡可能的降低主觀選擇指標(biāo)對結(jié)果產(chǎn)生的誤差。由于條件的限制，本文結(jié)合水禽棲息地與周邊環(huán)境的關(guān)系，僅從水源狀況、干擾條件、食物豐富度以及遮蔽物四個方面綜合選取指標(biāo)。采用更豐富的評價指標(biāo)進(jìn)行濕地水禽棲息地評價可能會獲取更精確的評價結(jié)果。這也是進(jìn)一步深入研究的重點。

在盤錦濕地水禽棲息地適宜性分析中，本研究主要側(cè)重于水禽的自然生境分析，充分運用了遙感和GIS技術(shù)對棲息地的影響因子、評價單元以及適宜性進(jìn)行計算，但評價的模型主要以線性層次分析模型為主。遙感和GIS以其獨特的技術(shù)和數(shù)據(jù)處理能力，在濕地水禽棲息地適應(yīng)性評價中發(fā)揮巨大作用。其中，遙感能為分析提高重要的數(shù)據(jù)源，GIS具有強(qiáng)大的空間分析能力，為數(shù)據(jù)處理、分析以及適宜性評價提供重要的數(shù)據(jù)處理工具。

盤錦地區(qū)是一個重要的水禽棲息地。近幾十年來，由于自然和人為的影響，該地區(qū)土地覆蓋經(jīng)歷了快速的變化和轉(zhuǎn)變。大量的外界干擾給該地區(qū)引進(jìn)了許多新的外來物種。土地覆蓋的變化和外來物種的入侵濕地該區(qū)域內(nèi)水禽棲息地適應(yīng)性發(fā)生了很大的改變，因此，對盤錦地區(qū)水禽棲息地適宜性進(jìn)行評價有利于區(qū)域內(nèi)濕地的恢復(fù)和生態(tài)環(huán)境的改善。研究結(jié)果表明，四個等級的水禽棲息地適宜性在數(shù)量和空間分布上有很大的不同，這與該區(qū)域濕地的空間分布有密切關(guān)系。一些研究表明，由于農(nóng)業(yè)活動的增加導(dǎo)致盤錦地區(qū)濕地退化和萎縮［17］。這對區(qū)域內(nèi)水禽棲息地的適宜性有重要的影響。所以應(yīng)采取相應(yīng)的政策和措施來管理和控制現(xiàn)有水鳥的棲息地。證據(jù)表明，棲息地的喪失和破碎是生物多樣性減少物種滅絕的一個重要原因［22］。本研究顯示，盤錦地區(qū)水禽棲息地適宜性最好、適宜性良好的區(qū)域占總面積的47.10%。但這些斑塊大部分比較破碎，分布比較零散。要想改變這一現(xiàn)狀，首先，當(dāng)?shù)卣枰獙λ輻⒌氐幕謴?fù)和重建引起高度重視。需要建立國家級、省級的濕地生態(tài)修復(fù)項目，并構(gòu)建水禽廊道。其次，盡量限制人類活動對重要水禽棲息地的干擾和影響，從而很好的保護(hù)現(xiàn)有的棲息地。

4 結(jié)論

基于以上數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，盤錦濕地水禽棲息地適宜性最好、適宜性良好、適宜性一般、適宜性差 的 面 積 分 別 為 803.79，913.47，905.29，1023.65hm2，其中，水禽棲息地適宜性最好、適宜性良好的區(qū)域分別為803.79，913.47hm2，占總面積的47.10%，此數(shù)據(jù)表明，盤錦地區(qū)水禽棲息地適宜性較好。集中分布在濱海的濕地區(qū)，以及河流、湖泊周圍。

(1)適宜性最好

主要分布于濱海地區(qū)的大片蘆葦濕地內(nèi)部以及河流、湖泊等水源與食物比較充足的地區(qū)，這些區(qū)域極其適合水禽類生存。少部分分布于耕地中間。適宜性最好的區(qū)域面積為803.79hm2，占區(qū)域總面積的22.04%，其地勢平坦、水源充足、有大面積的蘆葦沼澤濕地及河灘地，區(qū)域內(nèi)人口稀少，很少有村莊及道路設(shè)施干擾，為水禽提供了良好的覓食、隱蔽和繁殖場所。適宜性最好區(qū)域一般為水禽高度集中的區(qū)域，區(qū)域內(nèi)人為干擾少，斑塊比較集中，破碎度較小［12］。

(2)適宜性良好

臨近適宜性最好的區(qū)域，處于棲息地適宜性最好的緩沖區(qū)，耕地低產(chǎn)區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)居民點相對比較分散，面積為913.47hm2，占總用地的25.05%。分布區(qū)域與適宜性最好區(qū)域大致相同，還包括一些農(nóng)田護(hù)林帶以及海岸帶附近。在盤山縣、大洼縣境內(nèi)的甜水、胡家、東郭等地區(qū)濕地分布集中、面積大，周圍有部分的開墾，但受人為干擾相對較少，而且其處在地形、地貌和水文條件等有利位置，生態(tài)敏感性良好，系統(tǒng)較為穩(wěn)定性，外界的開發(fā)建設(shè)活動對它的影響不大，存留大量的適宜棲息地。

(3)適宜性一般

該等級主要是中產(chǎn)田區(qū)，全區(qū)擁有大量的農(nóng)田分布，有部分的居民點，但是距離居民密集區(qū)還有一定距離，位于零散的村莊。面積為905.29hm2，占總用地的24.83%。該區(qū)抵抗外來干擾的能力較弱，同時生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值一般，需要加強(qiáng)環(huán)境補(bǔ)償措施和補(bǔ)水工程，水禽棲息地適宜性一般，應(yīng)該嚴(yán)格控制人為干擾的強(qiáng)度，避免過度開發(fā)而破壞該區(qū)的水資源保護(hù)。

(4)適宜性差

適宜性差的區(qū)域主要包括高產(chǎn)農(nóng)田區(qū)，位于道路和居民密集區(qū)及其緩沖地帶，受人為干擾力較強(qiáng)，對生態(tài)敏感性很弱，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差。面積為1023.65hm2，占總用地的28.07%。主要分布在盤錦中部的城鎮(zhèn)地帶。

文章選擇遼河三角洲的核心地帶盤錦地區(qū)作為研究區(qū)，應(yīng)用層次分析法和GIS空間分析技術(shù)進(jìn)行水禽棲息地適宜性評價。結(jié)果顯示了盤錦地區(qū)水禽棲息地適宜性的空間分布，同時能為盤錦濕地保護(hù)建設(shè)工程和有效的適宜性規(guī)劃提供科學(xué)的評價手段，也為生物多樣性的可持續(xù)發(fā)展提供借鑒。

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