基于GIS/RS的濱海濕地景觀空間格局多尺度分析

趙秀麗，侯英姿*，張 闖，王方雄

(1.遼寧師范大學遼寧省自然地理與空間信息科學重點實驗室，遼寧大連 116029；

2.遼寧師范大學城市與環(huán)境學院，遼寧大連 116029；3.浙江省杭州吉翱地理信息技術有限公司，浙江杭州 310012)

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基于GIS/RS的濱海濕地景觀空間格局多尺度分析

趙秀麗1，2，侯英姿1，2*，張 闖3，王方雄1，2

(1.遼寧師范大學遼寧省自然地理與空間信息科學重點實驗室，遼寧大連 116029；

2.遼寧師范大學城市與環(huán)境學院，遼寧大連 116029；3.浙江省杭州吉翱地理信息技術有限公司，浙江杭州 310012)

摘要[目的]為研究濱海濕地景觀空間格局的多尺度變化。[方法]運用GIS與遙感技術、Fragstats景觀分析軟件，以遼寧省盤錦市濱海濕地為研究對象，選取了具有代表性的景觀格局指數(shù)，從不同行政區(qū)單元及空間粒度出發(fā)，定量分析了區(qū)縣級與地級市的景觀格局空間尺度特征。[結(jié)果]空間粒度上，斑塊密度、斑塊數(shù)等景觀指數(shù)具有明顯的尺度效應，可預測性強。景觀空間格局在地市級和區(qū)縣級尺度都具有明顯的尺度效應，表現(xiàn)出不同程度的規(guī)律變化，整體趨勢一致。 [結(jié)論]區(qū)縣級和地市級尺度的濕地類型均受人類影響很大，景觀破碎度增加，總體濕地景觀結(jié)構向簡單化方向發(fā)展。

關鍵詞盤錦市；景觀空間格局；景觀指數(shù)；多尺度；濱海濕地

景觀空間格局是指大小和形狀不一的相互作用的景觀斑塊在空間上的配置，它是景觀異質(zhì)性的具體表現(xiàn)，同時又是各種生態(tài)過程在不同尺度上作用的結(jié)果[1]。景觀格局的形成是在一定區(qū)域內(nèi)各種自然環(huán)境條件與社會因素共同作用的產(chǎn)物，研究其特征可了解其形成原因與作用機制，為人類定向影響生態(tài)環(huán)境并使其向良性方向演化提供依據(jù)[2]。20世紀80年代以來，國內(nèi)外學者在生態(tài)學、地理學、遙感學等學科開展了尺度效應研究[3-6]，景觀生態(tài)學的格局、尺度等方法和原理也逐漸運用于濕地科學領域中[7]，推動了濕地景觀格局演變的研究。但是這些研究針對特定地類的分析較少，選取的景觀指數(shù)也較少。濱海濕地是介于海洋與陸地之間的一種特珠的生態(tài)系統(tǒng)，生態(tài)種類繁多。盤錦市位于遼寧省西南部，是遼河三角洲的中心地帶，濱海濕地是盤錦市的重要生態(tài)資源，但是由于人類開發(fā)活動的不斷加劇，導致天然濕地面積不斷減少，濕地景觀呈破碎化發(fā)展趨勢，濱海濕地的演化變得復雜且不穩(wěn)定。鑒于此，筆者基于GIS和RS技術，從行政尺度[3]和空間粒度兩方面研究了遼寧省盤錦市的濱海濕地景觀空間格局多尺度變化規(guī)律，旨在為景觀格局的合理調(diào)整及管理措施的科學制訂提供理論基礎。

1材料與方法

1.1景觀格局數(shù)據(jù)的提取借鑒《濕地公約》及《全國濕地資源調(diào)查與監(jiān)測技術規(guī)程》中所規(guī)定的濕地分類方法，結(jié)合盤錦市的實際情況與人機交互式解譯等，將研究區(qū)內(nèi)的濱海濕地分為灘涂、沼澤、河流、水庫坑塘、水田、海水養(yǎng)殖場、建設用地、旱地林地草地9類[8]。以ENVI軟件為解譯平臺，利用分辨率為30 m的2009年Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，采用RGB541合成假彩色圖像(圖1)。

圖1　2009年遼寧省盤錦市遙感影像(RGB5、4、1)Fig.1　Remote sensing image map of Panjin City of Liaoing Province in 2009

對研究區(qū)的遙感影像進行幾何糾正及圖像增強等處理，結(jié)合2009年1∶100 000土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、地形圖(1∶50 000)等建立分類模板，選取了1 058個分類樣本。利用最大似然法進行監(jiān)督分類，結(jié)合人工目視解譯，得到2009年盤錦市濕地景觀類型分布(圖2)。

圖2　2009年遼寧省盤錦市濕地分布Fig.2　Distribution of wetland in Panjin City of Liaoning Rrovince in 2009

1.2景觀空間格局多尺度的劃分從行政區(qū)尺度和空間粒度兩方面對盤錦市景觀空間格局進行分析。行政區(qū)方面，依據(jù)行政區(qū)劃分尺度類型(地市/區(qū)縣)，區(qū)縣級將盤錦市劃分為3個評價單元，包括興隆臺區(qū)雙臺子區(qū)、大洼縣、盤山縣(將興隆臺區(qū)和雙臺子區(qū)合并為一個地區(qū)進行計算)。而空間粒度上，以30 m分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)為基礎，在景觀水平上從30、60、90、120、150、180、210、240 m的空間粒度上利用ARCGIS軟件生成以各行政單元為單位的GRID格式數(shù)據(jù)，并將其導入Fragstats(v3.4)[9]計算工具中對數(shù)據(jù)進行處理，以此為基礎進行景觀格局變化分析。

1.3景觀格局指數(shù)的選取 景觀格局指數(shù)的度量分為斑塊水平、斑塊類型水平和景觀水平3個尺度。筆者注重盤錦市濱海濕地景觀格局空間的演變，因此選取了景觀水平及斑塊類型水平生態(tài)意義比較明確的指數(shù)[10-12]。景觀水平選取的指數(shù)有斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、最大形狀指數(shù)(LSI)、邊界密度(ED)、蔓延度(CONTAG)、分割度指數(shù)(DIVISION)等。斑塊類型水平選取斑塊類型面積(CA)、斑塊類型百分比(PLAND)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、斑塊結(jié)合度(COHESION)、聚集度指數(shù)(AI)、分維數(shù)(FRAC-MN)等指數(shù)。

2結(jié)果與分析

2.1行政區(qū)尺度從縱向角度對研究區(qū)域進行分析，依據(jù)行政區(qū)劃對興隆臺區(qū)雙臺子區(qū)、大洼縣、盤山縣、盤錦市4個地區(qū)的斑塊類型水平及景觀水平的景觀指數(shù)進行分析。選取2009年分辨率為30 m的空間粒度對多級行政區(qū)進行景觀指數(shù)分析。

2.1.1斑塊類型水平指數(shù)。PLAND反映了斑塊所占景觀的面積比例。從圖3可以看出，區(qū)縣級單位和地市級景觀總體土地類型中人工濕地的面積均大于天然濕地，其他用地中建設用地所占總面積比例最大。這說明人類活動干擾了濕地生態(tài)平衡，天然濕地數(shù)量銳減，轉(zhuǎn)化為以水稻田為主的人工濕地及其他用地，人類活動的方向集中于城鎮(zhèn)建設及人工濕地的開發(fā)。COHESION整體上反映了斑塊凝聚程度，而AI是指同類型景觀的相對聚集或分散的情況。從各指標對區(qū)縣級及市域的影響來看，興隆臺區(qū)雙臺子區(qū)人工濕地、天然濕地的AI指數(shù)、COHESION指數(shù)整體偏小，說明濕地抗干擾能力下降，聚集程度低，呈分散狀態(tài)。盤錦市及其下屬縣區(qū)濕地類型的FRAC-MN值均大于1.00(圖4)，表明該地區(qū)各類濕地都已經(jīng)脫離了規(guī)則的幾何形狀，復雜程度增加。

圖3　各縣區(qū)斑塊類型百分比比較Fig.3　Percentage comparison of patch types in different counties and regions

圖4　各縣區(qū)分維數(shù)比較Fig.4　Comparison of fractal dimension in different counties and regions

2.1.2景觀水平指數(shù)。NP可以反映整個空間格局，常被用來描述空間異質(zhì)性。NP指數(shù)越大，說明該區(qū)域的景觀斑塊數(shù)量越多，景觀破碎度越高。從圖5可以看出，盤錦市整體濕地景觀破碎度高，干擾明顯，區(qū)縣級中興隆臺區(qū)雙臺子區(qū)的濕地景觀斑塊數(shù)量最少，景觀破碎度低，空間異質(zhì)性低；結(jié)合PD和ED的變化規(guī)律來看，斑塊數(shù)量的下降，導致了斑塊密度的下降，邊界密度也呈下降趨勢。

圖5　各區(qū)縣景觀破碎度比較Fig.5　Comparison of landscape fragmentation in different areas and counties

在盤錦市的區(qū)縣級單位中景觀形狀指數(shù)由大到小為盤山縣>大洼縣>興隆臺區(qū)雙臺子區(qū)，LSI指數(shù)體現(xiàn)了景觀聚集和離散程度的大小，說明盤山縣的濕地景觀離散程度最大，聚集度低。盤錦市整體的景觀形狀指數(shù)大于區(qū)縣級指數(shù)，表明盤錦市整體上景觀聚集度低，離散程度相對較高，區(qū)域破碎度較大。

DIVISION基于累計的斑塊面積分布越接近于1.00，說明其分割程度越嚴重。在盤錦市的區(qū)縣級單位中，盤山縣的DIVISION指數(shù)最大，其區(qū)域內(nèi)的濕地景觀類型分布分散，景觀類型的演替頻繁。而盤錦市整體DIVISION指數(shù)大于0.90，這說明整個盤錦市的濕地景觀整體呈破碎趨勢(圖6)。由此得出，無論是區(qū)縣級或是地市級對濕地的利用和開發(fā)強度都隨著經(jīng)濟的發(fā)展、城市化腳步的加快而增加。

圖6　各區(qū)縣景觀分割程度比較Fig.6　Comparison of landscape fragmentation degree in different areas and counties

2.2空間粒度變化隨著空間粒度的變化，各景觀格局指數(shù)均產(chǎn)生了變化。無論是盤錦市整體還是區(qū)縣級，空間粒度從30 m遞增到240 m，NP、PD、ED、LSI均表現(xiàn)為冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)下降的趨勢，且具有比較明確的尺度效應關系，可預測性較強。隨著空間粒度的增大，斑塊的形狀改變，小面積的斑塊被面積較大的斑塊融合或合并，LSI整體也呈下降趨勢。盤錦市及其下屬區(qū)縣，其蔓延度隨著空間粒度的增大呈下降趨勢(且隨著空間粒度增大而減小，濕地景觀格局呈脆弱化態(tài)勢)。DIVISION指數(shù)在景觀水平上隨空間粒度的增大呈降低趨勢，但是不單調(diào)的景觀指數(shù)無明確單一的尺度效應關系，可預測性不強(圖6)。

3結(jié)論與討論

該研究表明：①隨著空間粒度的增大，NP、PD、ED、LSI、CONTAG指標表現(xiàn)出不同程度的變化規(guī)律，具有明顯的尺度效應，可預測性強。無論是從地市級還是3個區(qū)縣，濱海濕地景觀格局均具有明顯的尺度效應，表現(xiàn)出不同程度的規(guī)律變化，整體趨勢一致。DIVISION指數(shù)總體呈降低趨勢，但不單調(diào)，無明確單一的尺度效應關系，可預測性不強。②在時間尺度不變的情況下，2009年各區(qū)縣濕地景觀呈離散、多樣性降低等特征，CONTAG、DIVISION蔓延度指數(shù)分割度指數(shù)均高于0.7。區(qū)縣級單位的濕地景觀破壞程度較大，其中盤山縣破碎化程度高于其他地區(qū)，盤山縣是雙臺河口自然保護區(qū)所在地，天然濕地分布較多，以沼澤地最為廣泛，但是該區(qū)由于受人類活動干擾較強且調(diào)控力度不強，圍墾和油氣田的開發(fā)造成該區(qū)域濕地面積大幅下降，沼澤規(guī)模萎縮，其景觀格局和調(diào)控力度明顯劣于大洼縣和興隆臺區(qū)雙臺子區(qū)。

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Multi-scale Analysis of Coastal Wetland Landscape Pattern Based on GIS/RS

ZHAO Xiu-li1,2, HOU Ying-zi1,2*, ZHANG Chuang3,WANG Fang-xiong1,2(1. Liaoning Key Laboratory of Physical Geography and Geomatics, Liaoning Normal University, Dalian, Liaoninng 116029; 2. School of Urban and Environmental Sciences, Liaoning Normal University, Dalian, Liaoninng 116029; 3. Hangzhou JiAo Geographical Information Technology Co. Ltd., Hangzhou, Zhejiang 310012)

Abstract[Objective]The aim of the study was to research coastal wetland landscape spatial pattern of multi-scale of change. [Method] Using GIS and remote sensing technology, landscape analysis software Fragstats, Panjin coastal wetlands as the research object, selecting the representative landscape pattern index from different administrative unit and space granularity, quantitative analysis of the characteristics of the landscape pattern of the district and city space scale. [Result] Space granularity, patch density and the number of patches of landscape index has obvious scale effect, strong predictability. The landscape spatial pattern in the municipal and district scale has obvious scale effect, show different degrees of rule changes, the overall trend consistent. [Conclusion] Both the district and city scale, the wetland types is highly affected by the human, the landscape fragmentation increased, the overall wetland landscape structure to develop in the direction of simplification.

Key wordsPanjin; Landscape spatial pattern; Landscape index; Multi-scale; Coastal wetland

收稿日期2015-12-21

作者簡介趙秀麗(1991- )，女，黑龍江雙鴨山人，碩士研究生，研究方向：GIS技術應用。*通訊作者，講師，博士，碩士生導師，從事GIS建模與技術應用研究。

基金項目教育部人文社會科學研究青年基金項目(11YJC630202)。

中圖分類號S 181

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)02-139-03