東北三省濕地演化特征遙感分析

邢宇張漢女姜琦剛李文慶

（1 中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083；2 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085；3 國家海洋局第三海洋研究所，廈門 361005；4 吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春 130026；5 北京中勘邁普科技有限公司，北京 100080）

東北三省濕地演化特征遙感分析

邢宇1,2張漢女3姜琦剛4李文慶5

（1 中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083；2 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085；3 國家海洋局第三海洋研究所，廈門 361005；4 吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春 130026；5 北京中勘邁普科技有限公司，北京 100080）

黑龍江南甕河濕地（保護區(qū) 供圖）

以1976年MSS、2001年ETM和2007年CBERS為遙感數(shù)據(jù)源，利用人機交互目視解譯和野外檢驗方法獲取濕地數(shù)據(jù)，定量分析東北三省濕地動態(tài)變化的相對速率、位移和類型轉(zhuǎn)化，為東北濕地資源的保護與合理利用提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)果表明：黑龍江、吉林、遼寧三省濕地面積分別為42 249.71 km2、10 737.95 km2、9 744.79 km2；32年來全區(qū)濕地先減少后快速增加，黑龍江省濕地面積變化的幅度最大，吉林省濕地變化的相對速率最大；東北三省濕地重心總體位于黑龍江哈爾濱市和賓縣之間，32年來有向西移動的趨勢；濕地與非濕地之間轉(zhuǎn)化明顯，其中大部分轉(zhuǎn)向人工濕地，沼澤轉(zhuǎn)化率高。

濕地；遙感；地理信息系統(tǒng)；動態(tài)度；重心漂移；轉(zhuǎn)移矩陣；東北三省

表1 東北三省濕地面積統(tǒng)計 km2

濕地是一種兼具水分、土壤、空氣及生物等組分的獨特復(fù)合型生態(tài)系統(tǒng)。濕地生態(tài)系統(tǒng)對生態(tài)環(huán)境的特殊性和重要性受到世界的極大關(guān)注。東北地區(qū)是我國境內(nèi)濕地分布最為密集的地區(qū)之一，一些學(xué)者著重對局部地區(qū)濕地的分類、植被、土壤及氣候等方面進行研究（肖紅葉，2014；孫爽，2014；王煊，2014；李玉鳳，2014），然而針對各省濕地變化對比分析的報道較少。本文利用遙感和GIS技術(shù)分別對東北三省濕地動態(tài)變化速率、位移和濕地類型轉(zhuǎn)化進行定量分析，為東北地區(qū)濕地資源保護與合理利用提供重要的數(shù)據(jù)和理論支撐。

1 研究區(qū)概況

東北三省地理坐標(biāo)為E 121°11′～135°06′，N 38°43′～53°34′，全區(qū)總面積79.25萬km2，3個濕地自然保護區(qū)已列入《濕地公約》國際重要濕地名錄。東北三省西與內(nèi)蒙古相毗鄰，北與俄羅斯的赤塔州、阿木爾州接壤，東南部與朝鮮接壤，南臨渤海。全區(qū)以寒帶溫帶大陸季風(fēng)型氣候為主要特征，季節(jié)分明，春季多風(fēng)干燥，多發(fā)春旱；夏季炎熱，雨量集中，多發(fā)洪澇；秋季雨量驟減；冬季漫長，干燥寒冷。東北三省交通及通訊發(fā)達，能源和礦產(chǎn)資源豐富，是國家重要的商品性農(nóng)林基地，也是國家的重工業(yè)基地和高度城市化的經(jīng)濟區(qū)。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取與處理

2.1.1 遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理 以1976年MSS、2001年ETM和2007年CBERS為主要數(shù)據(jù)源，其時相為6-10月；ETM采用B7(R) B4(G)B1(B)波段合成，合成后與全色8波段采用小波融合，MSS和CBERS分別采用B7(R)B5(G) B4(B)和B3(R)B4(G)B1(B)波段合成；然后進行3期遙感影像數(shù)據(jù)的幾何配準(zhǔn)，使校正精度誤差不大于1個像素。

2.1.2 專題信息解譯 根據(jù)《濕地公約》和1997年《全國濕地資源調(diào)查與監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》，本文將濕地分為湖泊濕地、河流濕地、沼澤濕地、海岸濕地以及人工濕地5類（李玉鳳，2014）。根據(jù)遙感圖像和野外調(diào)查驗證，建立濕地遙感解譯標(biāo)志。借助MAPGIS軟件對濕地信息進行人機交互目視解譯，對其進行野外驗證，解譯精度達99%以上，符合研究標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 濕地變化分析方法

2.2.1 變化的相對速率 濕地動態(tài)度可直觀反映濕地變化的相對速度，該模型表示某研究區(qū)域一定時間范圍內(nèi)濕地類型的面積變化情況（Tang et al，2007），表達式為：

式中：L表示研究時段內(nèi)濕地類型的動態(tài)度；ΔS為時段內(nèi)濕地類型的變化面積；S為研究初期濕地類型的面積；T表示研究的時段長，本文以年為單位。

2.2.2 重心計算方法 為了定量分析濕地的時空演變趨勢，本文借鑒土地利用空間變化指數(shù)中的重心計算方法（Taylor et al，2000），其表達式為：

式中：X和Y為濕地重心的經(jīng)緯度坐標(biāo)，Ci為第i個濕地斑塊的面積，Xi和Yi分別表示第i個濕地斑塊重心的經(jīng)緯度坐標(biāo)。

2.2.3 轉(zhuǎn)移矩陣 本文借助GIS對各時期的濕地數(shù)據(jù)進行空間分析，疊加后分別得到黑龍江省、吉林省和遼寧省1976-2001年和2001-2007年2個時間段的濕地類型轉(zhuǎn)移矩陣，從變化數(shù)量和類型上定量分析濕地變化的特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 調(diào)查結(jié)果

通過人工解譯和野外調(diào)查檢驗得到東北三省濕地3期遙感解譯數(shù)據(jù)，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

2007年，在東北三省中黑龍江省濕地面積最大，總計42 249.71 km2，其中人工濕地約占45%；遼寧省濕地面積最小，僅9 744.79 km2（表1）。從濕地空間分布來看，三江平原和營口市分布有大片的人工濕地；河流濕地和湖泊濕地主要分布在齊齊哈爾市、大慶市、白城市和松原市等地區(qū)；海岸濕地分布在遼寧省沿海。黑龍江省、吉林省、遼寧省濕地面積依次遞減，且不同類型的濕地在各省分布比例有差異。黑龍江省有大量的河流濕地和人工濕地；吉林省分布有連片的湖泊濕地和人工濕地；遼寧省河流濕地比較密集（圖1）。

3.2 濕地變化的相對速率

32年來東北三省的濕地都經(jīng)歷了從緩慢減少到快速增加的過程（表2)。從表2可以看出，32年來，東北三省濕地變化差異較為明顯。1976-2001年、2001-2007年吉林省濕地面積變化相對速率分別為-1.09%和 7.21%，是3個省中濕地面積變化速率最大的省份。1976—2011年、2001-2007年黑龍江省濕地面積變化相對速率分別為-0.86%和4.10%。1976-2001年、2001-2007年遼寧省濕地面積變化相對速率分別為-0.26%和1.43%，是3個省中濕地面積變化最小的省份。具體而言，黑龍江省和吉林省的湖泊濕地與人工濕地持續(xù)增加，黑龍江省人工濕地持續(xù)急速加快（40.96%），而其湖泊濕地增加速率相對較緩（0.21%）。東北三省濕地增加相對速率最快的是人工濕地，主要表現(xiàn)在三江平原和吉林省南部地區(qū)。3個省份的沼澤濕地減少和增加的相對速率都較快，其穩(wěn)定性最差。黑龍江省和吉林省的河流濕地與沼澤濕地都是先期減少，后期增加，2001年后濕地生態(tài)環(huán)境有好轉(zhuǎn)。究其原因，發(fā)現(xiàn)東北三省在2001年左右年平均降水量達到1970年以來最低水平，僅475 mm，2002年以后降水量有上升的趨勢，并回升到580 mm左右，使得到2007年天然濕地面積快速增加；另一方面由于人類活動的影響，非濕地及天然濕地大量被開墾為水田、水產(chǎn)養(yǎng)殖等，使人工濕地面積快速增長、天然濕地減少，雖然濕地總量比較樂觀，但濕地生態(tài)系統(tǒng)功能減弱，動植物生存環(huán)境遭到破壞（陳鳳臻，2009）。

圖1 2007年濕地分布

表2 濕地動態(tài)變化統(tǒng)計

表3 黑龍江省和吉林省濕地類型轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表4 遼寧省濕地類型轉(zhuǎn)移矩陣 km2

3.3 濕地移動規(guī)律

計算3個時期濕地的重心坐標(biāo)并依次連接，得到東北3個省份32年來濕地重心移動規(guī)律，如圖2所示。

東北三省濕地重心位于黑龍江哈爾濱市東部和賓縣之間（圖2a）。從1976—2001年濕地重心有沿著西南部方向移動的趨勢，其重心向西南方向偏移了50.14 km，速率是2.01 km/a。2001年以后東北三省濕地以2.63 km/a的速率向北部漂移，這是由于受到氣候等因素的影響，整個東北三省濕地發(fā)生了不同程度的變化，雖然2001年以后東北三省濕地面積都有增加的趨勢，但北部的濕地變化程度遠大于南部和西南部的變化。

為了更好地比較各省濕地變化的差異，本文對各省不同時期濕地重心的變化進行了計算。1976—2001年黑龍江省濕地重心變化顯著，沿西南方向偏移65.94 km，之后又有向西北方向移動的趨勢（圖2b）。吉林省濕地自1976年以來先向西南方向略微偏移，2001年以后又向西北方向快速移動，速率是4.1 km/a（圖2c）。相比之下遼寧省濕地變化情況有較大差異，具體表現(xiàn)為先向東南方向漂移，后轉(zhuǎn)向東北方向移動，兩個時間段的偏移速率分別是0.74 km/a和3.34 km/a（圖2d）。

3.4 濕地類型轉(zhuǎn)移

黑龍江省、吉林省和遼寧省1976-2001年和2001-2007年的濕地類型轉(zhuǎn)移矩陣如表3、表4所示。

1976—2001年黑龍江省、吉林省和遼寧省分別有28 621.32 km2、7 471.05 km2及3 022.20 km2的濕地轉(zhuǎn)化為非濕地，分別占研究初期各省濕地總面積的60.06%、63.67%和30.91%；2001—2007年黑龍江省、吉林省和遼寧省三省分別有6 714.75 km2、1 459.25 km2及1 482.59 km2濕地轉(zhuǎn)化為非濕地，分別占研究初期各省濕地總面積的20.45%、20.45%和16.74%。由此看出，2001年以后濕地減少趨勢有所減緩。近32年來東北三省沼澤濕地轉(zhuǎn)出面積最大，達53 015.82 km2；其次是河流濕地，轉(zhuǎn)出面積為30 288.38 km2；人工濕地增加顯著，轉(zhuǎn)入面積達29 262.06 km2，大多是由非濕地（22 211.81 km2）和沼澤濕地（4 194.94 km2）轉(zhuǎn)換而來，占人工濕地轉(zhuǎn)入面積的90.24%。由此看出，濕地與非濕地之間的相互轉(zhuǎn)化明顯，其中大部分轉(zhuǎn)向人工濕地，沼澤濕地轉(zhuǎn)化率也很高。

圖2 濕地重心遷移圖

4 結(jié)論與建議

1979-2001年東北三省濕地經(jīng)歷了緩慢減少到快速增加的過程，黑龍江省濕地面積變化的幅度最大，吉林省濕地變化的相對速率最大。雖然濕地總量比較樂觀，但濕地生態(tài)系統(tǒng)功能減弱。濕地與非濕地之間的相互轉(zhuǎn)化明顯，其中大部分流向人工濕地，沼澤濕地轉(zhuǎn)換率也很高。濕地重心位于哈爾濱市東部和賓縣之間，1976—2001年濕地中心沿著西南部方向移動，2001年以后又向北部漂移，其移動速率略微增加。黑龍江和吉林省濕地均有向西移的趨勢，而遼寧省移動趨勢是先東南、后東北方向。此次研究結(jié)果可以為東北地區(qū)濕地資源的保護與合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

東北老工業(yè)基地振興計劃提出濕地保護與恢復(fù)的建設(shè)目標(biāo)：加強黑龍江省東部三江平原和東北三省西部松嫩平原等濕地資源和生物多樣性的保護，進行濕地恢復(fù)試點，實施濕地移民工程。東北三省天然濕地略有增加，但以人工濕地的增加為主，而且量大，對東北三省天然濕地生態(tài)系統(tǒng)保護與發(fā)展帶來挑戰(zhàn)，可能會破壞東北三省的濕地生態(tài)結(jié)構(gòu)變化。由于人工濕地生態(tài)功能的季節(jié)性較強，控制人工濕地發(fā)展速度，協(xié)調(diào)好三江平原濕地的開發(fā)與濕地保護，是未來發(fā)展的方向。綜合東北三省濕地特征、變化特點及發(fā)展趨勢，提出如下治理建議：①濕地開發(fā)、城市建設(shè)、工程實施時需充分論證，合理規(guī)劃，尊重濕地生態(tài)系統(tǒng)規(guī)律，考慮人與濕地和諧共建，既能保護濕地，又能美化人居環(huán)境，還能樹立城市形象，吸引投資；②東北三省是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，在水資源調(diào)配，濕地利用、水稻田開發(fā)時，盡量減少對天然濕地的影響；③加強三江平原濕地結(jié)構(gòu)及其生態(tài)系統(tǒng)的變化研究，避免人類活動及各項工程對天然沼澤濕地連通性的影響。

陳鳳臻.2009.全球變化下松遼平原生態(tài)環(huán)境變遷研究[D].長春:吉林大學(xué)

李玉鳳,劉紅玉.2014.濕地分類和濕地景觀分類研究進展[J].濕地科學(xué),12(1):102-108

孫爽,章光新,黃志剛,等.2014.吉林省西部查干湖水文情勢分析[J].濕地科學(xué),12(1):43-48

王煊,許子乾,劉旻帝,等.2014.1999年至2010年呼倫貝爾市重要濕地遙感動態(tài)變化研究[J].濕地科學(xué)與管理,10(2):53-57

肖紅葉,張明祥,肖蓉.2014.莫莫格濕地主要生態(tài)服務(wù)功能動態(tài)評價[J].濕地科學(xué),12(4):451-458

Tang F S, Chen X, Luo G P, et al.2007. A contrast of two typical LUCC processes and their driving forces in oases of arid areas: a case study of Sangong river watershed at the northern foot of Tianshan mountains[J]. Science in China Series D: Earth Sciences, 50: 65-75.

Taylor J C, Brewer T R, Bird A C. 2000. Monitoring landscape change in the national parks of England and Wales using aerial photo interpretation and GIS[ J]. Remote Sensing, 21 (13): 2737-2752.

Properties of Wetland Succession in Three Northeast Provinces Based on RS

XING Yu1,2ZHANG Han-Nü3JIANG Qi-Gang4LI Wen-Qing5
(1 China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources,Beijing 100083; 2 Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085; 3 Third Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Xiamen 361005; 4 College of GeoExploration Science and Technology, Jilin University, Changchun 130026; 5 Beijing ZK Surveying and Mapping Technology Co., LTD, Beijing 100080)

Based on the MSS data in 1976, ETM data in 2001 and CBERS data in 2007, the wetlands data were obtained by the way of man-machine interactive interpretation and field checkout. The relative speed, displacement and transformation of wetlands were analyzed quantitatively in the three northeast provinces of China, aiming to provide a scientific basis for the protection and rational utilization of wetland resources in northeast China. The results showed that the existing wetland area of Heilongjiang, Jilin, Liaoning provinces was about 42 249.71 km2, 10 737.95 km2and 9 744.79 km2respectively. The wetland area decreased initially and then increased rapidly in the past 32 years. The largest range of variation and the largest relative speed of wetland area change were in Heilongjiang and Jilin Province respectively. The wetland barycenter was located in between Harbin city and Bin county, and moves continually towards the west. The transformation between wetland and non-wetland was obvious, most of which transformed into constructed wetlands, and the rate of transformation into marshese was high.

Wetland; RS; GIS; Dynamic degree; Barycenter shit; Transformation matrix; Three northeast provinces

10.3969/j.issn.1673-3290.2015.02.13

2015-01-04

中國地質(zhì)調(diào)查局項目（1212 010911084）資助

邢宇(1982-)，女，太原人，博士，主要從事資源環(huán)境遙感與GIS應(yīng)用研究。E-mail：xingyurs@163.com