天津?yàn)I海新區(qū)自然資源時(shí)空變化及管理

徐帥，李秀梅，張人愉，荊帥軍，劉憲斌

（天津科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院 天津市 300457）

自然資源是一切人類社會(huì)活動(dòng)所必需的物質(zhì)基礎(chǔ)和保障。而當(dāng)今社會(huì)人類面臨著嚴(yán)重的資源枯竭和不合理開發(fā)利用等一系列問題，從而引發(fā)各種危機(jī)，影響人們正常的生活[1]。因此，對(duì)自然資源的研究和有效管理，有利于人類物質(zhì)資料的可持續(xù)利用及社會(huì)和諧文明進(jìn)步。長期以來，人們對(duì)自然資源分類定義不統(tǒng)一，而且由于其空間分布零散，極易受自然和人為因素的影響，統(tǒng)計(jì)所需的周期長，這使得傳統(tǒng)的測量統(tǒng)計(jì)方法無法快速準(zhǔn)確地跟蹤監(jiān)控，更不能提供實(shí)時(shí)有效動(dòng)態(tài)信息。

近年來，隨著遙感技術(shù)的不斷成熟[2]和Web GIS 的飛速發(fā)展[3]，使自然資源的快速準(zhǔn)確地觀測統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)信息共享成為可能，并且為研究其時(shí)空變化規(guī)律及趨向、科學(xué)規(guī)劃及決策提供了方便[4]。然而，基于RS 與GIS 對(duì)一定區(qū)域內(nèi)自然資源的統(tǒng)計(jì)分析管理，很少有學(xué)者研究。本文借助RS和GIS 技術(shù)，通過定性和定量相結(jié)合的方法，分析近15年來天津?yàn)I海新區(qū)自然資源的時(shí)空變化特征，并利用基于Flex 的富客戶端的WebGIS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自然資源專題地圖信息的動(dòng)態(tài)共享和管理，為該區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展提供有效的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

天津?yàn)I海新區(qū)，地理坐標(biāo)：北緯38°40′至39°00′，東經(jīng)117°20′至118°00′，地處華北平原北部，位于山東半島與遼東半島交匯點(diǎn)上、海河流域下游、天津市中心區(qū)的東面，渤海灣頂端，瀕臨渤海。擁有海岸線153 km，陸域面積2 270 km2，海域面積3 000 km2，包括原塘沽、漢沽和大港3個(gè)行政區(qū)以及東麗區(qū)、津南區(qū)的部分區(qū)域[5]（圖1）。

該區(qū)自然條件得天獨(dú)厚，擁有豐富的自然資源：植被、湖泊河流、灘涂、沼澤、耕地、鹽田、海洋、地?zé)醄6]和未利用地等資源。近期，新區(qū)以建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型城市發(fā)展模式和生態(tài)城市為戰(zhàn)略目標(biāo)，被國家“十一五”規(guī)劃納入全國總體發(fā)展戰(zhàn)略布局[7]，“十二五”期間又被確定建立為自貿(mào)區(qū)。因此，自然資源的統(tǒng)計(jì)分析及其管理，對(duì)該區(qū)顯得尤其重要。

圖1 天津?yàn)I海新區(qū)地圖

1.2 數(shù)據(jù)處理及方法

本研究采用的數(shù)據(jù)源為2000年、2005年和2010年的Landsat5 TMETM 三景遙感影像，2014年Landsat8 OLI 一景遙感影像以及天津?yàn)I海新區(qū)1：50000 地形圖。首先，對(duì)該研究區(qū)進(jìn)行野外現(xiàn)場調(diào)查，依據(jù)研究區(qū)自然資源屬性特征及其資源分類的標(biāo)準(zhǔn)[8]，確定濱海新區(qū)9 類自然資源：植被、湖泊河流、灘涂、沼澤、耕地、鹽田、海洋、地?zé)岷臀蠢玫?。然后，將四景遙感影像中對(duì)比度較差的影像進(jìn)行直方圖均衡化、影像融合和去薄云等圖像增強(qiáng)處理，并利用1：50000 地形圖進(jìn)行幾何精校正，做出研究區(qū)范圍掩膜，在ENVI 軟件上運(yùn)用掩膜裁剪的方法確定出所要研究的遙感影像范圍。其次，選擇合適的波段[9]，如：TM/ETM 中7，4，2 波段進(jìn)行組合，并配合4，3，2 標(biāo)準(zhǔn)假彩色進(jìn)行植被解譯；中紅外波段（TM7）處于水的強(qiáng)吸收帶，水體呈黑色，可明顯區(qū)別于其它地物；近紅外波段（TM4）對(duì)綠色植物最敏感，可突出潮灘植被，利于水域判別，同時(shí)可用于陸地植被提取；OLI 中使用5，4，3波段合成標(biāo)準(zhǔn)假彩色，以突出所要分類的地物。采用人工目視解譯[10]和計(jì)算機(jī)解譯[11]方法，參考高分辨的Google Earth 地圖，依據(jù)實(shí)地考察數(shù)據(jù)資料，對(duì)濱海新區(qū)的地物進(jìn)行分類，提取出自然資源分類圖（圖2）。

圖2 （a）、（b）、（c）、（d）分別代表2000年、2005年、2010年和2014 天津?yàn)I海新區(qū)自然資源空間分布圖

2 自然資源變化統(tǒng)計(jì)

自然資源的變化包括不同類別的空間位置、面積與數(shù)量的變化。面積的變化和空間的變化最能快速直觀準(zhǔn)確地反映出自然資源的總體變化。因此，本研究主要通過分析統(tǒng)計(jì)不同類別資源面積和空間上的變化，了解自然資源利用結(jié)構(gòu)的變化及變化的總態(tài)勢[12]。除此之外，還參照土地利用類型的動(dòng)態(tài)度[13]，定義了自然資源動(dòng)態(tài)度（年變化率），即：一定時(shí)間范圍內(nèi)某種類別的自然資源空間面積變化情況，它定量描述了自然資源的變化速度，對(duì)預(yù)測未來自然資源變化趨勢有一定的指導(dǎo)意義。

其表達(dá)式為：

式中：K 值為研究區(qū)該類型自然資源的年變化率；Ua、Ub分別為研究期初及研究期末某一種類型自然資源的空間面積；T 為研究時(shí)段間隔。

利用上述資料，對(duì)濱海新區(qū)四期的自然資源分類圖（圖2）分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出天津?yàn)I海新區(qū)15年間自然資源面積年際變化率（表1）。

通過統(tǒng)計(jì)分析2000年、2005年、2010年和2014年四幅自然資源分類圖，結(jié)果表明：

（1）植被面積有所增加，2000-2014年約增加了1.849 km2，增加速率為0.120 km2/a，年變化率為2.17%，這與一系列建設(shè)生態(tài)文明，走可持續(xù)發(fā)展的政策有關(guān)；

表1 天津?yàn)I海新區(qū)15年間自然資源年變化率、面積變化及年變化速率

（2）鹽田面積有所減少，共減少了約85.632 km2，減少速率為5.709 km2/a，年均變化率為-0.97%；

（3）耕地面積被大幅度占用，減少了約463.501 km2，減少速率為30.900 km2/a，年變化率為-3.20%，2005-2010年變化率最大，主要由于城市化進(jìn)程所致；

（4）近年來，人工修復(fù)河道，因此湖泊、河流有一定增加，2000-2014年共增加了約18.576 km2，速率為1.238 km2/a，年變化率為1.06%；

（5）隨著人口的劇增和人類活動(dòng)頻繁，沼澤、灘涂等脆弱生態(tài)系統(tǒng)遭到了一定程度的破壞，減幅約為86.561 km2和47.858 km2，減少速率為5.770 km2/a 和3.191 km2/a，年變化率為-2.42%和4.57%；

（6）隨著新區(qū)大力的開發(fā)，各產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，對(duì)土地的需求增加，未利用地快速減少，2000-2014年約減少了29.049 km2，年變化率為-5.17%；

（7）當(dāng)土地供不應(yīng)求以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的需要，就促進(jìn)了圍海造田的發(fā)展，海洋面積速減，2000年到2014年共圍海造陸約238.835 km2，減少速率為15.922 km2/a；

（8）地?zé)豳Y源由于地質(zhì)活動(dòng)的不確定性以及人為的開采破壞儲(chǔ)層構(gòu)造[6]，2000-2014年總量有所下降，約減少66.155 km2，年變化率為-0.81%。

3 影響因素分析

自然資源的時(shí)空變化是各種影響因素共同作用的結(jié)果[14]。總體上可將其分為自然因素與人為因素兩大類：自然因素主要包括氣候、水文、地形、地質(zhì)構(gòu)造及自然災(zāi)害等；人為因素包括人口、經(jīng)濟(jì)和當(dāng)?shù)卣叩认嚓P(guān)方面的內(nèi)容[15]。但由于自然因素的不確定性及周期相對(duì)長遠(yuǎn)，在短時(shí)間內(nèi)區(qū)域自然資源的變化，本文主要以人為因素作為研究對(duì)象。

3.1 人口因素

人口是導(dǎo)致各類自然資源的變化的最直接因素。首先，人口數(shù)量的多少?zèng)Q定了自然資源的分配；其次，人類的活動(dòng)改變了自然資源的類型和結(jié)構(gòu)，增加了對(duì)自然資源演變的干預(yù)程度；再次，人類改造自然，征服自然的技術(shù)日益增強(qiáng)，使其越來越滿足人類的生存需要。因此，人口因素是自然資源變化中貢獻(xiàn)最大的參數(shù)[16]。

濱海新區(qū)人口總數(shù)從2000年的118.898 9 萬人，增加到2010年的248.206 5 萬人[17]，增加129.31萬人，年平均增長率為10.88%。截止到2015年預(yù)計(jì)到達(dá)450 萬人[18]，同比2010年約增加了201.793 5 萬人，年平均增長率16.26%。人口每年迅速增長，

隨之給自然資源帶來了巨大壓力，也加大了對(duì)土地占有的需求，原有的鹽田、耕地、沼澤、灘涂和一部分的未利用地，不斷被占用。而且對(duì)海洋的利用也日益加大，圍海造陸，去滿足人口過度增長所需的生存資源。

3.2 經(jīng)濟(jì)因素

經(jīng)濟(jì)因素是自然資源開發(fā)利用的主導(dǎo)因素。其影響著國民生活水平、工業(yè)的發(fā)展、城鎮(zhèn)與市場的狀況、商業(yè)和貿(mào)易前景等，從而間接決定了自然資源的數(shù)量和分布[19]。近幾年以來，濱海新區(qū)深化改革、擴(kuò)大開放，主動(dòng)與國際經(jīng)濟(jì)接軌，完善投資條件，力爭創(chuàng)造一流的投資環(huán)境，尤其是到2015年實(shí)現(xiàn)自貿(mào)區(qū)的劃定，經(jīng)濟(jì)保持了持續(xù)、高速發(fā)展。GDP 及相關(guān)產(chǎn)業(yè)都得到了突飛猛進(jìn)的增長，表2 是2000-2014年GDP 和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的統(tǒng)計(jì)表[20]。

從上述統(tǒng)計(jì)表中可以看出：

（1）濱海新區(qū)GDP 近年來高速增長，年平均增長率為95.48%；

（2）各產(chǎn)業(yè)都有所增加，但是第二、三產(chǎn)業(yè)的年增長率較第一產(chǎn)業(yè)更大，分別為94.67%和99.68%，增長速度之迅猛，導(dǎo)致自然資源的利用極大地改變，空間分布重新分配；

表2 濱海新區(qū)生產(chǎn)總值統(tǒng)計(jì)表（億元）

（3）第一產(chǎn)業(yè)年平均增長率雖有所增加，但比重變化逐年減少，為-0.78%；第二產(chǎn)業(yè)所占的比重非常大，并且穩(wěn)定在66%~68%之間，工業(yè)生產(chǎn)所需的空間土地面積急劇增加，房屋廠房和港口等建筑面積的供給需求也有所增加，直接導(dǎo)致耕地，灘涂、沼澤、未利用地和海洋等自然資源被加重占用，使得它們的空間分布和面積劇烈變化；

（4）隨著服務(wù)業(yè)及相關(guān)旅游休閑娛樂產(chǎn)業(yè)的興起，植被等生態(tài)自然得到了重視，空間面積有所增加；相反，溫泉成為社會(huì)時(shí)尚時(shí)，加劇了地?zé)豳Y源的開采，使得部分儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)破壞，空間分布有所減少。

自然資源影響了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整；反之，經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展又影響自然資源的分布與數(shù)量。因此，經(jīng)濟(jì)因素是導(dǎo)致自然資源時(shí)空變化的主要因素[22]。

3.3 政策因素

對(duì)于某區(qū)域的自然資源利用情況，政府政策引導(dǎo)會(huì)起到關(guān)鍵的作用。“十一五”規(guī)劃以來，天津?yàn)I海新區(qū)成為國家繼深圳特區(qū)、浦東新區(qū)后又一個(gè)潛在的經(jīng)濟(jì)增長區(qū)，又于2009年部署實(shí)施“十大戰(zhàn)役”發(fā)展戰(zhàn)略，“十二五”期間新區(qū)對(duì)體制進(jìn)行了全面的改革和調(diào)整，使新區(qū)得以高速發(fā)展，2015年國家又確定建立自貿(mào)區(qū)，一系列的政府政策引導(dǎo)，造成目前濱海新區(qū)耕地，灘涂、沼澤、未利用地、地?zé)岷秃Ｑ蟮茸匀毁Y源逐年減少，空間分布急劇變化；植被和河流湖泊在先減少后，重新被人們重視，近年來有所增加。

政策的傾向，也加快了對(duì)某種類別自然資源的利用，例如沿海工業(yè)的發(fā)展，使得天津?yàn)I海新區(qū)的填海造陸工程成為目前中國國內(nèi)最大的填海造陸工程，規(guī)劃總面積達(dá)200 多平方公里。該工程在一定程度上緩解了工業(yè)及居住用地的緊缺，滿足了經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長對(duì)土地儲(chǔ)備的需求[23]。該工程的實(shí)施，使得原有的灘涂和海洋資源劇減。但是近幾年來，隨著建設(shè)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型的美麗濱海政策的實(shí)施，植被資源有所增加。

4 自然資源的管理及動(dòng)態(tài)信息共享

本研究利用了目前比較流行的基于Flex 的WebGIS 技術(shù)[24]，將ArcGIS Server 提供的各種地圖服務(wù)以及利用ArcGIS Viewer for Flex 程序框架和借助Flash Builder 平臺(tái)開發(fā)的專業(yè)GIS 功能，通過REST（Representational State Transfer）接口發(fā)布并表示為URL（resource identifier），瀏覽者只需要使用URL 作為參數(shù)地址，就可以在瀏覽器中訪問該地圖服務(wù)并且使用GIS 功能[25]。

系統(tǒng)分三部分：（1）前臺(tái)，即用戶交互端，政府部門可以在線對(duì)自然資源專題地圖進(jìn)行可視化操作，科學(xué)管理決策并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信息共享；用戶可以瀏覽并進(jìn)行專業(yè)的GIS 功能操作，對(duì)其合理利用有指導(dǎo)意義。（2）中端，即服務(wù)層，用于調(diào)用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫和本地自然資源專題數(shù)據(jù)庫，返回地圖和要素服務(wù)。（3）后臺(tái)，即數(shù)據(jù)庫，管理者可以時(shí)時(shí)更新，發(fā)布最新動(dòng)態(tài)的自然資源信息，并科學(xué)安全管理數(shù)據(jù)。

將自然資源信息通過基于Flex 構(gòu)建的富客戶端的WebGIS 平臺(tái)管理并發(fā)布，實(shí)現(xiàn)自然資源信息管理和動(dòng)態(tài)共享，為政府部門科學(xué)規(guī)劃和人類合理利用提供了依據(jù)。而且本研究中還設(shè)計(jì)了科學(xué)安全的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，將自然資源存儲(chǔ)在本地的數(shù)據(jù)庫，方便及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)資源的更新管理，其發(fā)布運(yùn)行如（圖3）所示。

圖3 管理及發(fā)布數(shù)據(jù)的運(yùn)行圖

5 結(jié) 語

（1）近15年來，天津?yàn)I海新區(qū)自然資源變化很大，鹽田、耕地、沼澤、未利用地、海洋、灘涂和地?zé)嶂鹉隃p少，而植被和湖泊、河流有所增加。

（2）影響時(shí)空變化的因素主要有人口、經(jīng)濟(jì)和政策，人口的劇增是最直接最大的貢獻(xiàn)參數(shù)，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整及迅猛的發(fā)展是重要的促進(jìn)因素，政府政策的傾向是外部推動(dòng)條件。

（3）通過統(tǒng)計(jì)分析近年來的自然資源時(shí)空變化，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理和信息發(fā)布共享，為人們認(rèn)識(shí)濱海新區(qū)自然資源的狀況及變化，以及科學(xué)合理地規(guī)劃利用提供了參考依據(jù)。

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